TÉCNICAS DE PROJETO DE BANCOS AUTOMÁTICOS PARA CORREÇÃO DE FATOR DE POTÊNCIA

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1 TÉCNICAS DE PROJETO DE BANCOS AUTOMÁTICOS PARA CORREÇÃO DE FATOR DE POTÊNCIA BOLETIM TÉCNICO 19/07 1. POR QUE CORRIGIR O FATOR DE POTÊNCIA? A correção de fator de potência é importante, em primeiro lugar, porque melhora o sistema elétrico como um todo. O excesso de reativo na rede produz perdas desnecessárias e aumenta o custo do próprio sistema, pois é necessária a instalação de condutores com bitola maior e, em conseqüência, a estrutura física também deve ser reforçada. Em segundo lugar há o fato de que a legislação permite às concessionárias a cobrarem do consumidor pesadas multas devidas ao reativo excessivo. 2. O QUE É O FATOR DE POTÊNCIA? O fator de potência é um fenômeno produzido pelas cargas que possuem indutâncias (todas a- quelas que possuem enrolamentos, tais como, transformadores, motores, lâmpadas fluorescentes, etc.). Fisicamente trata-se de um problema de defasagem entre a tensão e a corrente que produz picos negativos de potência. Essa potência negativa é gerada pelas cargas do consumidor e enviada à rede da concessionária. O problema é que essa potência é prejudicial ao sistema, motivo pelo qual é necessário fazer uma filtragem. Essa filtragem é feita com o uso de capacitores. Para visualizar o problema, imagine a água limpa que sai de um cano e é utilizada para lavar roupas. Imagine que essa água, depois de usada volta para a rede de água limpa. Se isso acontecesse à água da rede sujaria e haveria um prejuízo coletivo. É mais ou menos isso que acontece quando a potência produzida pelas cargas indutivas, denominada de potência reativa, é devolvida à rede elétrica. 3. ESCOLHA DO MODO DE CORREÇÃO A correção de fator de potência pode ser feita, no mínimo, de duas maneiras: correção manual nas cargas ou em banco automático. A correção manual só é viável em pequenas instalações ou onde as cargas são muito concentradas, tipo uma instalação com apenas alguns motores elétricos. O ideal é a utilização de bancos automáticos, até porque as medições de fator de potência da concessionária são rigorosas e o não cumprimento dos parâmetros mínimos gera pesadas multas. Neste trabalho abordaremos apenas a correção com banco automático. Sempre que se fala no controlador automático de fator de potência, toma-se como base o CFP12 da CCA Materiais Elétricos. 1

2 4. DETERMINAÇÃO DA QUANTIDADE DE KVAR NECESSÁRIOS: Para determinar a quantidade de KVAR necessários no banco é necessário levar em conta as médias da demanda e do fator de potência atuais. Esses dados, geralmente, são conseguidos nas faturas de energia elétrica. Para determinar as médias pode-se, por exemplo, tomar as 3 últimas faturas e fazer a determinação das médias aritméticas de cada um dos dois itens envolvidos. Muito cuidado na determinação dessas médias com relação a questões do tipo sazonalidade ou com projetos de expansão já definidos e que possam produzir aumento do consumo de energia elétrica. Há instalações onde durante certos meses do ano o consumo é bem maior, o que pode conduzir a cálculos errôneos das médias. Outro detalhe que deve ser considerado é a presença de grandes motores na instalação. Nesse caso é interessante, porém, não obrigatório, corrigir esses motores fora do banco, ou seja, colocar capacitores que ligam e desligam sempre junto com o motor. Esse procedimento evita um aumento no tamanho do banco e também grandes variações na demanda. Exemplo: suponhamos que as três ultimas faturas de uma certa empresa apresentaram os seguintes números referentes à demanda e ao fator de potência: Último mês Penúltimo mês Antepenúltimo mês Fator de potência (%) 75% 79% 72% Demanda (KVA) Para a situação acima as médias aritméticas são: - Fator de potência: 75,3% = 0,753 - Demanda: 115 KVA O fator de potência mínimo a ser atingido é 92% (0,92). Para calcular a quantidade de KVAR necessários pode-se utilizar tabelas, que é bem mais simples, ou uma calculadora científica. Veja em seguida como utilizar uma tabela padrão (veja a nossa tabela abaixo) e uma calculadora científica: Na tabela, trace uma linha horizontal partindo do fator de potência atual: 0,75 Trace uma outra linha vertical partindo do fator de potência de desejado: 0,92 Anote o número onde as duas linhas se encontram: 0,456. Utilizando-se uma calculadora científica poderíamos chegar ao mesmo valor da seguinte maneira: X1= tg(arc Cos(0,75)) Arc Cos = função arco cosseno da calculadora; tg = função tangente da calculadora. X2 = tg(arc Cos(0,92)) X1= 0,88 Note que o multiplicador aqui calculado é 0,46 enquanto que o valor encontrado na tabela é 0,456. A diferença são simplesmente arredondamentos. X2 = 0,42 Multiplicador = X1- X2 Multiplicador = 0,46 De posse deste multiplicador a seqüência do trabalho é igual em qualquer uma das duas situações. Multiplique a demanda atual pelo número encontrado no cruzamento das duas linhas traçadas sobre a tabela: 115 x 0,456 = 52,44 KVAR. Esse é o valor mínimo teórico que o banco precisaria para manter o fator de potência em 0,92 (92%). 2

3 Evidentemente é necessário dar uma margem de segurança bastante significativa, pois existe variação na demanda que faz com que o banco não consiga atingir o valor necessário. Não há nenhuma regra para determinar quantos KVAR a mais são necessários além dos calculados, porém, na maioria das instalações uma margem de 30% é adequada. Então teríamos: 52,44 x 1,3 = 68,17 KVAR. Esse é um valor adequado para iniciar o projeto do banco. 5. COMO DISTRIBUIR OS KVAR NO BANCO AUTOMÁTICO? A correta resposta a essa pergunta é o segredo de um bom banco automático. Saber como distribuir os KVAR no banco é uma tarefa que deve considerar o tipo de instalação e o comportamento das cargas. Não há uma regra única e definitiva para esta etapa. Os passos mais usuais seriam os seguintes: 5.1. Verificar qual é a demanda mínima da instalação. Isso é muito importante para que não ocorra a situação em que o menor capacitor é um valor muito elevado que, se ligado, torna a instalação capacitiva. Nesta situação, o nosso controlador de fator de potência não aciona o banco ligado ao primeiro estágio para não tornar a instalação capacitiva. Por exemplo: se a demanda mínima, de madrugada e nos finais de semana, por exemplo, for de 10 KVA e a média do fator de potência, como no nosso exemplo, está em 0,75, pode-se recorrer à tabela para verificar qual o menor capacitor que o banco deve conter. Na nossa tabela temos um multiplicador de 0,456, que multiplicado pela demanda mínima nos dá 4,5 KVAR. Ou seja: o menor capacitor deve ser menor do que 4,5 KVAR. Se for utilizado um capacitor maior do que 4,5 KVAR, provavelmente ele não será acionado e gerará multa por excesso de reativo. Uma opção comercial interessante seria utilizar 2,5 KVAR Fazer uma distribuição lógica do restante dos bancos de modo a conseguir sempre o maior número possível de combinações. A distribuição dos capacitores nos vários estágios do banco deve ser aquela que proporciona o maior número possível de combinações de capacitores. Nesta etapa, geralmente são utilizadas as seguintes seqüências práticas: a) b) c) d) e) Essas seqüências indicam o seguinte: a) Todos os capacitores possuem o mesmo valor. Por exemplo, se o primeiro capacitor for 5KVAR, todos os outros também tem esse valor. Essa seqüência só é viável em instalações onde as cargas possuem uma variação mais ou menos regular. Não há recomendamos. b) Do segundo estágio em diante os capacitores possuem o dobro do valor do primeiro. Por e- xemplo; se o primeiro capacitor for 5 KVAR, os outros todos serão 10 KVAR. É um tipo de seqüência que não permite muitas combinações de valores, por isso não é muito recomendada. c) Seguindo a mesma analogia dos itens anteriores, se o primeiro capacitor for 5 KVAR, o segundo será 10 KVAR e todos os outros 20 KVAR. É uma combinação mais apropriada porém, não é a melhor para boa parte das instalações. d) Na mesma linha de raciocínio, se o primeiro capacitor for 5 KVAR, o segundo será 10 KVAR, o terceiro 20 KVAR e do quarto em diante 40 KVAR. É uma seqüência muito apropriada para a maioria das instalações. Poderíamos classificá-la com sendo uma das mais adequadas. 3

4 e) A próxima é uma expansão da anterior. Também é muito apropriada e apresenta um grande número de combinações possíveis. Basicamente, com uma das seqüências de combinações apresentadas sempre é possível fazer um bom banco. Existe também a possibilidade de distribuir os capacitores sem seguir nenhuma lógica, porém, isso quase nunca terá os resultados obtidos através de uma seqüência lógica. Analise uma das distribuições acima, por exemplo, a c. Suponha que o primeiro capacitor é de 2,5 KVAR. Veja as combinações possíveis: - No início liga o banco 1: 2,5 KVAR - Assim que necessário liga o banco 2 e desliga o banco 1: 5 KVAR - Quando aumenta o reativo liga os bancos 1 e 2: 7,5 KVAR - Em seguida desliga os bancos 1 e 2 e liga o banco 3: 10 KVAR - Depois liga os bancos 1 e 3: 12,5 KVAR - E assim por diante. Veja que os passos são sempre de 2,5 KVAR, ou seja, o primeiro banco define sempre o passo que o banco irá seguir Determinação do número de estágios necessários. A quantidade de estágios vai sempre depender de quantos KVAR são necessários no banco. Tendo a quantidade de KVAR necessários e a seqüência lógica, é possível determinar os estágios. Vamos voltar ao nosso exemplo anterior. Um banco que necessita de 68 KVAR em uma instalação com cargas bem distribuídas, cuja demanda mínima é de 3 KVAR. Nesta situação necessitamos de uma seqüência que permita uma partida menor do que 3 KVAR e tenha um número adequado de possíveis combinações (como já citado, não há uma regra única para determinar como o banco deve ser feito). Primeiramente, vamos utilizar a seqüência d. O primeiro capacitor será de 2,5KVAR. A tabela abaixo mostra como devem ficar os outros estágios: 1 Estágio 2,5 KVAR 2 Estágio 5 KVAR 3 Estágio 10 KVAR 4 Estágio 20 KVAR 5 Estágio 20 KVAR 6 Estágio 20 KVAR Para o fechamento final ficamos com 77,5 KVAR. Agora ficamos com a seqüência c 1 Estágio 2,5 KVAR 2 Estágio 5 KVAR 3 Estágio 10 KVAR 4 Estágio 10 KVAR 5 Estágio 10 KVAR 6 Estágio 10 KVAR 7 Estágio 10 KVAR 8 Estágio 10 KVAR 4

5 Ficamos com 8 estágios e um total de 67,5 KVAR. O segundo projeto se mostra mais adequado porque proporciona um número maior de combinações de capacitores e o banco máximo é de 10 KVAR, o que torna o seu chaveamento mais barato, porém precisa de um controlador de12 estágios. Bancos com controlador automático de apenas 6 estágios são altamente problemáticos em instalações horo-sazonais, porque não permitem muitas combinações e nem permitem muitas alterações. O ideal é pensar sempre em um controlador com 12 estágios e deixar alguns de reserva para futuras expansões. 6. DICAS DE INSTALAÇÃO DO CONTROLADOR AUTOMÁTICO DE FATOR DE POTÊNCIA CFP12 DA CCA. O controlador de fator de potência CCA, modelo CFP12, foi projetado para ser o mais eficiente controlador do mercado. O primeiro fator que foi levado em conta durante o projeto foi a modernidade do circuito eletrônico. Este circuito é totalmente gerenciado por um microprocessador de última geração, o que possibilita grande flexibilidade no controle de fator de potência. O segundo importante item foi a facilidade de programação. Desde o início do projeto a idéia foi levar ao cliente um controlador com programação extremamente fácil, o que foi amplamente conseguido. Existem dois modelos diferentes de controlador: - Alimentação fase-neutro 220V - Alimentação fase-fase 220V (para instalações que não possuem o neutro). Para a instalação do modelo fase-neutro é importante notar que a fase utilizada para a alimentação deve ser a mesma da utilizada para o TC. No caso do modelo fase-fase, a fase do TC deve ser diferente das duas fases da alimentação, ou seja, serão necessárias as três fases. Depois de feita a instalação, se o controlador estiver indicando valores negativos é porque o TC está invertido. Neste caso troque de posição os dois condutores que vem do TC. Outra situação que pode ocorrer: se na medida em que os bancos forem ligados, o fator de potência diminuir, ao invés de aumentar, como seria o lógico, então a fase de alimentação e do TC não estão corretas ou o modelo fase-fase está sendo utilizado em uma rede fase-neutro. Se, após a instalação o controlador se recusa a ligar os capacitores, verifique se um dos dois leds localizados a direita com o nome de Over Voltage, Under voltage, Over Vthd e Over or under compensation estão acesos. Se algum desses Leds estiver aceso o controlador não opera porque nessas condições pode haver queima de capacitores. O primeiro led está indicando que a tensão está acima ou abaixo da permitida ou que a distorção da tensão está acima da parametrizada, o segundo indica que o controlador não está conseguindo chegar ao valor parametrizado de fator de potência. Esta condição pode ocorrer se o primeiro capacitor possui um valor de KVAR muito elevado, que, se ligado torna a instalação capacitiva ou que todos os capacitores do banco estão ligados e mesmo assim não foi atingido o fator de potência parametrizado. O controlador de fator de potência CFP12 possui uma saída de alarme. O alarme dispara sempre que ocorrer uma condição em que o controlador não consegue atingir o fator de potência mínimo para evitar multas, por isso é muito importante que seja instalado um buzzer ou uma corneta para poder ouvir quando ocorre uma anormalidade deste tipo. 5

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