CORREÇÃO DO FATOR DE POTËNCIA

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1 MINI - CURSO CORREÇÃO DO FATOR DE POTËNCIA DIMENSIONAMENTO / INSTALAÇÃO BANCOS DE CAPACITORES Equipe de Engenharia de Aplicação

2 Capítulo I Correção do Fator de Potência

3 1 Introdução Efeitos Fundamentais dos capacitores shunt O fundamento básico do capacitor em derivação é o mesmo da aplicação do motor síncrono sobreexcitado, isto é, fornecer potência ou corrente reativa para agir em sentido contrário àquela requerida por um motor de indução, como pode ser ilustardo na figura 1. Figura 1 Im Corrente consumida pelo motor para ser transformada em potência ativa ( kw ) Ic - Corrente reativa fornecida pelo capacitor Ir Corrente reativa consumida pelo motor Teremos também a corrente responsável pela magnetização do motor ( Ir ), que é uma corrente defasada de 90º de Im, por ser indutiva. Logo, a corrente aparente ( Ia ) é a soma vetorial dessas duas correntes.

4 Nosso objetivo ao introduzir o capacitor em derivação é fornecer uma corrente que seja no máximo de igual valor à corrente de magnetização do motor ( Ic = Ir ), levando, desta forma, para que a corrente solicitada da rde (Ia) seja igual à corrente ativa do motor (Im), ou seja, 100% de rendimento. Podemos então, concluir que, os capacitores em derivação aplicados nos terminais de carga de um sistema, constituem-se em uma fonte de reativos usada para suplementar o sistema gerador, aliviando de forma a permitir que o mesmo gere praticamente potência ativa. Segue-se agora, vários efeitos decorrentes da aplicação de capacitores derivação junto à carga: 1 Redução nas contas de energia : Em função das penalidades impostas pela legislação pelo baixo fator de potência, os capacitores reduzem as contas de energia evitando o pagamento de tais penalidades. 2 Liberação da capacidade do sistema : Em equipamentos limitados termicamente, como é o caso dos geradores, transformadores, cabos, chaves, etc., os capacitores diminuem a corrente circulante nestes equipamentos liberando sua capacidade e portanto, permitindo um maior aproveitamento dos mesmos. 3 Melhoria das condições de tensão : Pelas reduções das quedas de tensão, os capacitores ajudam a manter o sistema de tensão sustentado ao longo dos alimentadores. Esta melhoria na tensão significa melhor rendimento dos motores e aumento de eficiência do sistema. 4 Redução nas perdas de linha : Pelo fornecimento de KVAr no ponto onde há a necessidade, os capacitores aliviam o sistema de transmitir corrente reativa. Desde que a corrente elétrica na linha é reduzida, as perdas ( I 2 R) e ( I 2 X) decrescem, reduzindo o kwh consumido. 5 Reduzem investimentos em instalações elétricas, justamente em função dos item 2, 3 e 4 citados anteriormente. 2 - Redução de Perdas: Sabemos que as perdas são proporcionais ao quadrado da corrente, e que a corrente é reduzida na razão direta da melhoria do F.P., logo as perdas são inversamente proporcionais ao F.P., isto é: % P P cosφ = ( cosφ 1 2 ) 2 onde : cos Ø1 = F.P. original cos Ø2 = F.P. corrigido

5 Figura 2 Fator de Potência Original versus Redução porcentual de perdas com o F.P. corrigido Analisando-se a figura 2, uma carga com F.P. original iguak à 0,7, se corrigida para um F.P. de 0,9, gera uma redução das perdas de 39,5%. 3 - Redução das Quedas de Tensão: A melhoria da tensão após a aplicação de capacitores deve ser considerada como mais um benefício. Figura 3 Analisando-se a figura 3 observa-se que a queda de tensão é determinada pela fórmula: V = R I + X I I I r x = I cosϕ = I senϕ r x Logo, se diminuirmos o valor de Ix, através da aplicação de capacitores, a queda de tensão diminuirá.

6 Cuidados especiais devem ser tomados quando da operação do banco de capacitores em condições de carga leve, pois nesta situação a tensão tende a se elevar bastante, podendo atingir valores acima dos permitidos, sendo aconselhável, nestes casos, o chaveamento manual ou automático dos capacitores, de acordo com as necessidades. Figura 4 Variação da Queda de Tensão em Linhas com Carga Distribuída A análise da figura 4 mostra que a instalação apropriada de capacitores por manter a tensão no fim da linha dentro de limites bem próximos do valor da tensão no início da linha. 4 Eliminação das Multas por Baixo Fator de Potência: A Portaria do ANEEL explicita os seguinte limites para o fator de potência da instalações elétricas: MEDIÇÃO TRADICIONAL MEDIÇÃO HORÁRIA FATOR DE POTÊNCIA MENSAL HORÁRIA LIMITE FP Indutivo F.P > 0,92 0:00-06:00 HS SEM LIMITE 6:00-24:00 HS FPind > 0,92 LIMITE FP Capacitivo SEM LIMITE 0:00-06:00 HS FPcap > 0,92 6:00-24:00 HS SEM LIMITE DEMANDA MAX REATIVA NÃO MEDE MEDE

7 4.1 - Clientes com medição do tipo média mensal: Compensação Reativa e Qualidade de Energia Neste trabalho abordaremos a correção do fator de potência de consumidores do tipo B, que via de regra, estarão submetidos a medição mensal do fator de potência. - Fator de Potência desejado: O valor atualmente mais indicado para correção é Não é aconselhável trabalharmos com fatores médios abaixo de 0.93 ou acima de Corrigindo-se para valores abaixo de 0.93, estamos permitindo a ocorrência de multas nos piores meses do cliente, além de trabalharmos com uma pequena margem de erro. Corrigindo-se para valores acima de 0.98, sempre existe o perigo de causarmos problemas na rede do cliente. Muitas vezes exige um estudo mais apurado, com aplicação de bancos automáticos, correção localizada e outros custos adicionais. Tudo isso somado a maior necessidade de capacitores leva a um orçamento mais caro, desnecessário para este tipo de medição. - Problemas com multa: A análise das contas de energia é o método mais seguro e prático de trabalho. O local de instalação dos capacitores não é problemático, pois temos total liberdade nos estudos Dados das Contas de Energia: As contas de energia dos 4 (quatro) meses antecedentes ao estudo, normalmente são suficientes para um bom trabalho. Devemos nos preocupar com o tipo de atividade do cliente (ver página anterior), e conforme o caso, solicitar no máximo as últimas 12 (doze) contas de energia Demanda máxima: Podemos definir tres tipos de demanda máxima: Contratada, Faturada e Registrada. A demanda máxima contratada e a demanda faturada têm efeito comercial, sem nenhum valor técnico. O estudo da correção do fator de potência, por obrigação, deve se basear na DEMANDA MÁXIMA REGISTRADA, expressa em Kw (kilowatt). Com a demanda máxima calculamos a máxima necessidade de capacitores a instalar FP registrado: As concessionárias medem o consumo de energia ativa em Kwh (kilowatt-hora) para efeito de fatura. Também medem o consumo de energia reativa indutiva em KVAr ind. (kilovoltt-ampere reativo indutivo), que atualmente não é faturado, mas permite o cálculo do fator de potência médio do mês Consumo (Kwh): É importante observarmos as variações de consumo do cliente. Quando o consumo é razoavelmente estável, podemos utilizar o valor médio das contas disponíveis. Sabendo-se a quantidade de horas que o cliente trabalha por mês, podemos calcular a demanda média e Kw (kilowatt). Utilizando-se da demanda média calculamos a quantidade mínima de capacitores a serem instalados.

8 Devemos observar se realmente a demanda média é menor que a demanda máxima registrada. Se não for, existem erros de informação, provavelmente na quantidade de horas que o cliente trabalha por mês Horário de trabalho do cliente: Um dado importante para conseguirmos calcular a demanda média do cliente. Devemos ser atentos com falsas informações (muito comum) Para clientes com medição horária: Os valores indicados para correção do fator de potência (na média horária) seria: Das 0:00-6:00 hs = De 0,00 ind a 0,98 cap Das 6:00-24:00 hs = De 0,00 cap a 0,98 ind É importante observar que das 0:00 às 6:00 horas não existe multa para F.P indutivo, desta forma o objetivo nesse horário é a não ocorrência de capacitores em excesso. Das 6:00 às 24:00 horas temos como objetivo obter um fator de potência superior a 0,92 indutivo nesse período de hora em hora Dados Adicionais do Cliente: São dados indispensáveis para determinação do local mais indicado para instalação dos capacitores, assim como o modelo e tipo de capacitor mais apropriado. Diagrama Unifilar: No diagrama unifilar é possível registrar todas as informações do cliente. Se bem executado deve conter: - Todos os transformadores (com tensões e potência definidas) - Todos os capacitores fixos (com potência definida) - Todos os bancos automáticos de capacitores (com potência definida) - Todos os capacitores não fixos,instalados junto a máquinas especiais, motores, etc (com potência definida) - Cargas especiais OBS: Para circuítos que possuam harmônicas, quando se torna necessário o estudo de "penetração harmônica" o unifilar deve ser completo, constando: - Impedância de todos os equipamentos - Características das fontes geradoras de harmônicas - Potência de curto circuíto da concessionária - Outros

9 5 Definição da Quantidade de kvar Necessários Pela Conta de Energia: Compensação Reativa e Qualidade de Energia = KWxK KVArc onde: K = [tg( φ ) r - tg( φ ) d ] tg(φ)r = tangente para fator de potência real tg(φ)d = tangente para fator de potência desejado Kw = Potência ativa em kilowatts. Pela fórmula acima, o valor de K depende do fator de potência real (ou atual - sem corrigir) do cliente e do fator de potência que desejamos atingir após correção Cliente com medição do tipo média mensal: Se utilizarmos a demanda máxima registrada como potência ativa na fórmula acima, teremos como resposta a máxima necessidade de capacitores que o cliente pode instalar. Assim podemos dizer: kvar c max = D max xk Como sabemos o consumo do cliente em Kwh e a quantidade de horas que o cliente trabalha por mês, podemos calcular a demanda média do cliente conforme abaixo: = DmÇdia KWh horas/mes Se utilizarmos a demanda média como potência ativa na fórmula acima, teremos como resposta a mínima necessidade de capacitores que o cliente pode instalar. Assim podemos dizer: kvar cmedio = D mçdia xk O KVAr capacitivo a sere instalado deve sempre ser maior que o KVAr capacitivo médio.

10 A quantidade de capacitores que realmente vamos instalar no cliente deve ser menor que KVAR cap máximo e maior que KVAr cap médio. Nos clientes que possuam HORÁRIO DE PONTA E HORÁRIO FORA DE PONTA, devemos realizar os cálculos duas vezes, um para cada horário. Os resultados são independentes, definindo a necessidade de cada horário. Quando formos definir o local de instalação dos capacitores pensaremos como contornar esse possível problema, pois é provável que cada horário necessite de quantidades diferentes de capacitores. Quando for possível, poderemos mudar o valor desejado do fator de potência de um dos horários, de forma a conseguirmos a mesma necessidade de capacitores nos dois horários Cliente com medição do tipo média horária: Se utilizarmos a demanda hora a hora como potência ativa na fórmula acima, teremos como resposta a necessidade de reativos que o cliente precisa instalar a cada hora, em função do seu perfil de carregamento. Assim podemos dizer: kvar hora = DxK hora 5.2 Pela Relação de Motores e Trafos do Circuito Devemos utilizar esse método somente quando as contas de energia não refletem a realidade. Normamente ocorrem quando tem ou teve-se problemas de medição nos instrumentos da concessionária, há ou haverá ampliações nas instalações do cliente. Podemos também utilizar esse método, quando estamos corrigindo parte da instalação do cliente (por exemplo um circuito em sobrecarga). Nesse caso as medições da concessionária não podem nos auxiliar. Esse método tem pouca confiabilidade e devemos utilizá-lo somente como último recurso. A não consideração de outras cargas (iluminação, estufas, etc...) podem levar a erros grosseiros. Essas cargas normalmente são de características elétricas (potência e fator de potência) desconhecidas. Devemos executar o trabalho da seguinte forma: - Solicitar ou executar um levantamento de todos os motores e trafos do circuito. - Selecionar os motores e trafos, desconsiderando os de reserva e os de utilização esporádicas. - Utilizar a tabela de motores / capacitores e trafos / capacitores.

11 - Montar tabela estudo conforme abaixo. MOTOR OU TRAFO CAPACITOR KVAr A INSTALAR = SOMA 6 Definição do Tipo de Equipamento / Local de Instalação: Após definido a necessidade em capacitores do cliente é necessário o detalhamento dos equipamentos e local de instalação. Para esse detalhamento podemos seguir passo a passo a sequência abaixo, até atingirmos o total de capacitores necessários. 1o. Passo: => Capacitores Fixos na Rede. A quantidade de capacitores fixos a ser instalada é definida pelo trafo alimentador do circuito, conforme tabela abaixo (não esquecer dos capacitores que eventualmente já estejam instalados). Também é limitada pela necessidade mínima de capacitores conforme análise das medições hora a hora. TRAFO CAPACITOR MÍNIMO CAPACITOR MÁXIMO 25 KVA 2.5 KVAr 5 KVAr 50 KVA 2.5 KVAr 10 KVAR 75 KVA 5 KVAr 15 KVAr KVA 7.5 KVAr 20 KVAr 150 KVA 10 KVAr 25 KVAr 225 KVA 15 KVAr 35 KVAr 300 KVA 20 KVAr 50 KVAr 500 KVA 30 KVAr 75 KVAr 750 KVA 40 KVAr 100 KVAr 1000 KVA 50 KVAr 120 KVAr 1500 KVA 60 KVAr 200 KVAr 2000 KVA 80 KVAr 250 KVAr

12 2o. Passo: => Capacitores em grandes cargas / motores. Compensação Reativa e Qualidade de Energia Provavelmente existem motores de potência considerável instalados. Devemos corrigir junto ao motor conforme indicado no catálogo da INEPAR. 3o. Passo: => Banco de Capacitores Chaveados (não automáticos). Muito utilizado nos clientes que possuem HORÁRIO DE PONTA / HORÁRIO FORA DE PONTA. Esse tipo de banco deve ser instalado em local onde a manobra natural das cargas também manobre o banco. Esse cuidado evita que o cliente esqueça de operá-lo quando necessário. Deve suprir as necessidade mínimas dos clientes quando estão em atividade produtiva. 4o. Passo: => Banco de Capacitores Automáticos. Se a necessidade de KVAr capacitivos ainda não foi atingida, devemos utilizar Bancos de Capacitores Automáticos (BCA). Um BCA necessita de um TC (Transformador de Corrente) que deve receber em seu primário a corrente total das cargas a serem corrigidas e a corrente dele mesmo. Se isso não ocorrer não haverá automatização. Antes de se indicar um BCA devemos observar se é possível instalar-se um TC que respeite as condições anteriores. Em sistemas que possuem muitos trafos de ramificações, onde se utilizará vários bancos de comando automático, muitas vezes tornar-se-á necessária, medições instantâneas para se definir corretamente a potência de cada banco. Ao definirmos os locais e quantidades de capacitores a serem instalados não podemos esquecer dos capacitores já existentes no circuito. Sempre que possível, devemos verificar se esses capacitores estão em condições razoáveis. Muitas vezes existem capacitores com grande perda de potência e devem ser eliminados. A desativação de capacitores velhos deve ser criteriosa. Sua potência real deve ser resposta com capacitores novos, adicionais ao cálculo já realizado. 7 Recomendações Especiais: As cargas especiais (nobreak, motores CC, equipamentos tiristorizados, etc) são problemáticas devido a distorção de frequência que causam na rede elétrica (harmônicos). Clientes que possuem esse tipo de carga, ou que estão situados em regiões cuja concessionária pode estar poluída, devem ser cuidadosamente analisados. Eventuamente não utilizaremos capacitores autoregeneradores. Quando das existência deste tipo de carga no sistema, a abordagem deverá ser mais criteriosa e estaremos discutindo tal tema em um capítulo posterior.

13 8 Roteiro Básico de Cálculo de Capacitores: Compensação Reativa e Qualidade de Energia Para a execução de estudos de melhoria do fator de potência de uma instalação elétrica industrial, deve ser seguido um roteiro básico conforme abaixo descrito Levantamento dos Dados: Para que o estudo atinja o resultado desejado, é necessário que o levantamento de dados junto à indústria seja o mais criterioso possível, contendo o maior número de informações sobre as instalações elétricas do consumidor, a fim de que, quando da conclusão final do estudo, o consumidor seja orientado para a solução mais adequada a ser adotada, sob o pontos de vista técnico e econômico. a) Dados obtidos junto a concessionária : Deve ser feito um levantamento dos dados de consumo de, pelo menos, 12 meses anteriores, para se verificar o comportamento da instalação elétrica consumidora durante as diversas épocas do ano, uma vez que poderá haver uma variação em função de diversas causas, tais como, flutuação de mercado, tanto fornecedor como consumidor, safra, que influenciem no regime de funcionamento e produção da indústria. Desse levantamento devem constar basicamente os seguintes dados: - Demanda de potência registrada (kw); - Demandas de potência faturadas ( kw ); - Consumo de energia ativa ( kwh ); - Consumo de Energia Reativa ( KWArh ); - Fator de Carga ( FC ); - Fator de Potência ( FP ); - Ajuste do fator de potência ( R$ ); - Valor do Importe ( R$ ). b) Dados obtidos junto ao consumidor : - Tensão primária e secundária da instalação; - Horário de funcionamento da instalação consumidora; - Previsão de expansão futura ( principalmente se vier a se verificar a curto-prazo); - Consumo de energia sob outras formas ( combustivel, gás, etc ); - Possibilidade de substituição de algum equipamento não movido a eletricidade por seu equivalente elétrico. - Ramo de Negócio. c) Levantamento de Carga de Instalação Industrial: - Máquinas e Motores : - Potência ( cv ); - Rotação ( rpm ); - Tipo ( indução : curto-circuito, rotor bobinado, síncrono, etc. ); - Cos Ø ( se constar na placa ) - Característica da máquina acoplada ao motor (serras, furadeiras, compressores, etc.); - Verificar se cada motor funciona simultaneamente com outras cargas (tal condição é obrigatória? ); - Horário de funcionamento ( a vazio e em carga ).

14 Obs: quanto maior for a potência do motor, maior é a necessidade de se obter, com precisão, o seu horário de funcionamento. - Cargas Resistivas - Potência Total; - Potência de Operação ( média ); - Número de fases; - Horário de funcionamento e numero de horas de operação por mês; - Verificar se a carga resistiva funciona simultaneamente com outras cargas. - Outras Cargas - Iluminação ( potência, tipo, etc. ) ; - Transformadores ( KVA, impedância (%), monofásico ou trifásico, horas de funcionamento em carga e a vazio, esquema de ligação, etc. ) ; - Outros ( máquinas de solda, bombas d água, de gasolina, etc ) ; OBS: Verificar a possibilidade de diversificação nos horários de funcionamento das cargas, principalmente para queles quando o fator de carga da instalação estiver em valores abaixo dos normalmente considerados típicos para o ramo de atividade Localização dos Capacitores: Muitos fatores influem na escolha da localização dos capacitores, como : os circuitos da instalação, o comprimento destes, a variação da carga, o fator de potência, tipos de motores, distribuição da carga, constância da distribuição da carga. Os capacitores podem ser localizados de duas maneiras : a) Correção localizada: - Nos pequenos alimentadores - Nos circuitos de motores - Diretamente nos motores ou grupo de motores e manobrados conjuntamente. b) Correção por grupo : - No primário do transformador - No secundário do transformador - Em uma parte ou seção da industria. A correção localizada é a mais vantajosa para os casos em que: - Existem grandes cargas individuais ( fornos, grandes motores ). - A redução de perdas nos circuitos de alimentação é considerável e desejável. - Necessita-se de níveis de tensão maiores junto às cargas. - Convém desligar automaticamente os capacitores quando se desligam as respectivas cargas às quais os capacitores estão ligados. A correção por grupo deve ser usada em alimentadores onde a carga possue uma certa uniformidade na sua variação pontos do circuito onde a tensão está abaixo do valor nominal onde não é visível o emprego da correção localizada como é devido a grande ramificação dos alimentadores. Deve-se tomar sempre o cuidado nas horas de carga leve para que não haja problemas de elevação de tensão.

15 Se um grupo de capacitores permanece ligado em hora de pouca carga a elevação de tensão é menor se este capacitor está instalado junto ao banco de transformadores, desde que a reatância do circuito não contribua para a elevação de tensão. Convém sempre lembrar que capacitores instalados no primário de um transformador não beneficiam este último, nem causam um alívio de sua potência em KVA Banco Automático de Capacitores Sabe-se que a correção ideal do fator de potência à ser aplicada em um sistema elétrico consiste em instalar capacitores fixos para as cargas de funcionamento ininterrupto e bancos de capacitores automáticos para suprir a energia reativa necessária que surge com o funcionamento de cargas variáveis geradas por : desligamento de máquinas, períodos de refeições, finais de expediente, finais de semana, etc. A figura 9 mostra um exemplo típico da curva da necessidade de reativos ( KVAr ) em uma indústria hipotética, sendo : 1 Reativos relativos às cargas fixas de utilização ininterrupta 2 Reativos relativos às cargas fixas durante o período de trabalho ( das 7 às 17 horas ) 3 Reativos relativos às cargas variáveis que devem ser fornecidos automaticamente. A análise da figura 9 mostra que os capacitores referentes ao ciclo indicado como número 2, devem ser ligados às 7 ( sete ) horas e desligados às 17 ( dezessete ) horas. A utilização do banco automático, conforme indicado no ciclo número 3, permite que os capacitores e demais componentes somente funcionem quando necessários, proporcionando maior durabilidade aos equipamentos e evitando que o sistema elétrico funcione com excesso ou falta de energia reativa.

16 8.5 - Exemplo de Aplicação de Capacitores Compensação Reativa e Qualidade de Energia Vários fatores devem ser levados em consideração para o cálculo de capacitores e cada caso deve ser analisado individualmente. Exemplo 1: Um circuito de 460 Volts é dimensionado para suportar uma corrente de 235 A, mas está carregando uma carga de 300 A com f.p. = 0,7. Qual a quantidade de capacitores necessária para reduzir a corrente para 235 A? S = = 240kVA P = 240 0,7 = 168kW A potência aparente correspondente para 235 A é 188 kva, logo necessitamos melhorar o nosso fator de potência para : 168 cosϕ 1 = = 0,895 0,9 188 Utilizando-se a tabela, achamos no cruzamento da linha cos ϕ1 = 0,7 e cos ϕ2 = 0,9 o multiplicador 0,536. Assim sendo teremos: KVAr necessários = 0,536 x 168 = 90 Convém lembrar que este multiplicador nada mais é que a diferença : ( tgϕ1-tgϕ2)= ,484 = 0,536. Mostrando-se graficamente na figura abaix: Exemplo 2: KVAR1 KVAR2 = Qc = kw x tgϕ1 kw x tgϕ2 = kw x (tgϕ1 - tgϕ2) A ABC Industrias Ltda planeja aumentar o sistema de distribuição de energia de sua fábrica em 33%. Atualmente esta indústria está operando com uma carga de 450 KVA e F.P. = 75% em um centro de distribuição com 500 KVA de potência instalada. Para alimentar esta futura carga de 600 KVA, a ABC está estudando a compra de um outro transformador de 500 KVA para dobrar a capacidade do centro de distribuição.

17 Eis aqui uma chance de reduzir custos aplicando capacitores. Sabe-se que a carga de 600 KVA com F.P. = 75% tem-se : 600 kva / 450 kw / 397 kvar. Note também que 450 kw / 500 kva podem ser obtidos se o fator de potência for corrigido para 90%. Corrigindo o F.P. para 95%, a carga é reduzida para 475 KVA deixando uma pequena margem de capacidade do transformador. A quantidade de KVAr necessária pode ser calculada : KVA, com F.P. = 75% KVAr KVA, com F.P. = 95% KVAr Capacitores necessários para corrigir o F.P. para 95% = 248 KVAr. Baseado neste dados você pode recomendar a compra de aproximadamente 240 KVAr de capacitores. Eles eliminariam a necessidade do transformador adicional, disjuntores e alimentadores primários.