CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA (FP) Prof. Marcos Fergütz Maio/2016

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1 CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA (FP) Prof. Marcos Fergütz Maio/2016

2 A Correção do fator de potência Objetiva otimizar o uso da energia elétrica gerada no país, o extinto DNAEE (Departamento Nacional de Águas e Energia Elétrica), atualmente com a denominação de ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica), através do Decreto Nº 479 de 20 de março de 1992 estabeleceu que o fator de potência mínimo deve ser 0,92.

3 Fator de potência horário A demanda de potência e o consumo de energia reativa excedentes, calculados através do fator de potência horário, serão faturados pelas expressões:

4 Fator de potência mensal A demanda de potência e o consumo de energia reativa excedentes, calculados através do fator de potência mensal, serão faturados pelas expressões:

5 O que é energia reativa? Para fazer os motores, transformadores e outros equipamentos com enrolamentos funcionarem, são necessárias a energia ativa e a energia reativa. A energia reativa produz o fluxo magnético nas bobinas dos equipamentos, para que os eixos dos motores possam girar. Já a energia ativa é aquela que executa de fato as tarefas, fazendo os motores girarem para realizar o trabalho do dia-a-dia. Apesar de necessária, a utilização de energia reativa deve ser a menor possível. O excesso de energia reativa exige condutor de maior secção e transformador de maior capacidade, além de provocar perdas por aquecimentos e queda de tensão.

6 Potência ativa: Potência que efetivamente realiza trabalho gerando calor, luz, movimento, etc. É medida em kw.

7 Potência Reativa: Potência usada apenas para criar e manter os campos eletromagnéticos das cargas indutivas. É medida em kvar.

8 Efeitos do Baixo Fator de Potência Um baixo fator de potência demonstra que a energia está sendo mal aproveitada pela unidade consumidora e pode trazer os seguintes riscos e prejuízos: Variações de tensão Queima de equipamentos elétricos; Diminui a capacidade de transformadores; Aumento do aquecidos dos condutores; Aumento da secção dos condutores Perdas de energia (ideal seria toda potência consumida ser usada para potência ativa) Perda de eficiência energética Redução do aproveitamento da capacidade de transformadores; Cobrança do consumo de energia reativa excedente. Sobrecarga em elementos da rede nos horários de pico; Aumento da probabilidade de interrupção do fornecimento de energia Aumento da capacidade dos componentes da instalação (trafo, condutores, equipamentos de proteção e manobra), visto que os mesmos devem suportar a carga total instalada (S) Riscos para a instalação

9 Perda Joule / térmica As perdas de energia elétrica ocorrem em forma de calor e são proporcionais ao quadrado da corrente total (I2.R). Como essa corrente cresce com o excesso de energia reativa, estabelecese uma relação entre o incremento das perdas e o baixo fator de potência, provocando o aumento do aquecimento de condutores e equipamentos.

10 Quedas de Tensão O aumento da corrente devido ao excesso de energia reativa leva a quedas de tensão acentuadas, podendo ocasionar a interrupção do fornecimento de energia elétrica e a sobrecarga em certos elementos da rede. Esse risco é sobretudo acentuado durante os períodos nos quais a rede é fortemente solicitada. As quedas de tensão podem provocar ainda, a diminuição da intensidade luminosa das lâmpadas e aumento da corrente nos motores.

11 Subutilização da Capacidade Instalada A energia reativa, ao sobrecarregar uma instalação elétrica, inviabiliza sua plena utilização, condicionando a instalação de novas cargas a investimentos que seriam evitados se o fator de potência apresentasse valores mais altos. O espaço ocupado pela energia reativa poderia ser então utilizado para o atendimento de novas cargas. Os investimentos em ampliação das instalações estão relacionados principalmente aos transformadores e condutores necessários. O transformador a ser instalado deve atender à potência total dos equipamentos utilizados, mas devido a presença de potência reativa, a sua capacidade deve ser calculada com base na potência aparente das instalações. A tabela abaixo mostra a potência total que deve ter o transformador, para atender uma carga útil de 800 kw para fatores de potência crescentes.

12 Da mesma forma, para transportar a mesma potência ativa sem o aumento de perdas, a seção dos condutores deve aumentar à medida em que o fator de potência diminui. A Tabela 2 ilustra a variação da seção de um condutor em função do fator de potência. Nota-se que a seção necessária, supondo-se um fator de potência 0,70 é o dobro da seção para o fator de potência 1,00.

13 CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA (FP) Q - Objetivo: Manter o FP 0,92 φ 23 P

14 REFERÊNCIA PARA ELABORAÇÃO DO TRIÂNGULO DE POTÊNCIA - Natureza da Carga S = P + jq S = V rms I rms α θ (forma retângular) (forma fasorial) Ф > 0 S Q Indutivo Corrente está atrasado em relação a tensão P P Ф < 0 S Q Capacitivo Corrente está adiantada com relação a tensão

15 CAUSAS DO BAIXO FATOR DE POTÊNCIA Motores de indução trabalhando à vazio ou subexcitado: baixa corrente de excitação, acarretando em potência reativa da rede para a formação do seu campo magnético. Nível de tensão acima do valor nominal => energia reativa Motores superdimensionados: qualquer elevação de corrente de excitação proporciona o adiantamento da corrente estatórica em relação a tensão aplicada, fazendo o motor trabalhar com fator de potência capacitivo. Transformadores trabalhando a vazio ou com pouca carga; Reatores de baixo fator de potência no sistema de iluminação;

16 Fornos de indução ou a arco; Máquinas de tratamento térmico; Máquinas de solda;

17 OS CAPACITORES são equipamentos capazes de armazenar a energia reativa e fornecer aos equipamentos essa energia necessária ao seu funcionamento. Uma forma econômica e racional de obter-se a energia reativa necessária para a operação dos equipamentos é a instalação de bancos de capacitores próximo a esses equipamentos. Unidade Monofásica Unidade Trifásica Módulo Trifásico

18 Banco formado por vários módulos

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20 Com os capacitores funcionando como fontes de reativo, a circulação dessa energia fica limitada aos pontos onde ela é efetivamente necessária, reduzindo perdas, melhorando condições operacionais e liberando capacidade em transformadores e condutores para atendimento a novas cargas, tanto nas instalações consumidoras como nos sistemas elétricos das concessionárias. Os bancos de capacitores devem ser total ou parcialmente desligados, em conformidade com o uso dos motores e transformadores, para não haver excesso de energia reativa capacitiva, causando efeitos adversos ao sistema elétrico da concessionária.

21 Definições Potencia Capacidade de produzir trabalho na unidade de tempo Energia Utilização da potencia num intervalo de tempo Potencia Ativa (kw) E a que realmente produz trabalho útil Energia Ativa (kwh) Uso da potencia ativa num intervalo de tempo Potencia Reativa (kvar) E a usada para criar o campo eletromagnético das cargas indutivas; Energia Reativa (kvarh) Uso da potencia reativa num intervalo de tempo;

22 Definições Potencia Aparente (kva) Soma vetorial das potencias ativa e reativa, ou seja, e a potencia total absorvida pela instalação. Fator de Potencia (Cos ϕ) Razão entre Potencia Ativa e Potencia Aparente

23 FORMAS DE CORREÇÃO

24 Tipos de Correção do Fator de Potência A correção pode ser feita instalando os capacitores de quatro maneiras diferentes, tendo como objetivos a conservação de energia e a relação custo/benefício: a) Correção na entrada da energia de alta tensão: corrige o fator de potência visto pela concessionária, permanecendo internamente todos os inconvenientes citados pelo baixo fator de potência e o custo é elevado. - Maior probabilidade da instalação se tornar capacitiva (capacitores fixos); - Aumento de tensão do lado da concessionaria; - Aumento da capacidade de curto-circuito na rede da concessionaria; - Manutenção mais difícil; b) Correção na entrada da energia de baixa tensão: permite uma correção bastante significativa, normalmente com bancos automáticos de capacitores. Utiliza-se este tipo de correção em instalações elétricas com elevado número de cargas com potências diferentes e regimes de utilização poucos uniformes. A principal desvantagem consiste em não haver alívio sensível dos alimentadores de cada equipamento.

25 c) Correção por grupos de cargas: o capacitor é instalado de forma a corrigir um setor ou um conjunto de pequenas máquinas (<10cv). É instalado junto ao quadro de distribuição que alimenta esses equipamentos. Tem como desvantagem não diminuir a corrente nos circuitos de alimentação de cada equipamento. d) Correção localizada: é obtida instalando-se os capacitores junto ao equipamento que se pretende corrigir o fator de potência. Representa, do ponto de vista técnico, a melhor solução, apresentando as seguintes vantagens: - reduz as perdas energéticas em toda a instalação; - diminui a carga nos circuitos de alimentação dos equipamentos; - pode-se utilizar em sistema único de acionamento para a carga e o capacitor, economizando-se um equipamento de manobra; - gera potência reativa somente onde é necessário. e) Correção mista: no ponto de vista Conservação de Energia, considerando aspectos técnicos, práticos e financeiros, torna-se a melhor solução.

26 Usa-se o seguinte critério para correção mista: 1. Instala-se um capacitor fixo diretamente no lado secundário do transformador; 2. Motores de aproximadamente 10 cv ou mais, corrige-se localmente (cuidado com motores de alta inércia, pois não se deve dispensar o uso de contatores para manobra dos capacitores sempre que a corrente nominal dos mesmos for superior a 90% da corrente de excitação do motor). 3. Motores com menos de 10 cv corrige-se por grupos. 4. Redes próprias para iluminação com lâmpadas de descarga, usandose reatores de baixo fator de potência, corrige-se na entrada da rede; 5. Na entrada instala-se um banco automático de pequena potência para equalização final. Quando se corrige um fator de potência de uma instalação, consegue-se um aumento de potência aparente disponível e também uma queda significativa da corrente.

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28 CÁLCULO TEÓRICO Motor 3Φ/10cv/380V/4 pólos/fp=0,85at/η=0,86 FP=0,98at P EIXO 3 xv L xi L xfpx I PEIXO 3xV xfpx L 10x736 15, 3x380x0,85x0,86 L 3 A S 3xVL xi 3x380 x15,3 10kVA 3 L 3 P S xfp 10x10 x0,85 8, 5kW Q3 S xsen(31,8 ) 10x10 x0,53 5,3kVAR ( at) 3 8,5kW 8,7kVA 10kVA 1,7kVAR ΔQ C 5,3kVAR S P 8,5x10 0, , FINAL FP 7 3 FINAL kva 0 3 Q3 FINAL S3 FINALxSen(11,5 ) 8,7 X10 x0,2 1,7 kvar ( at) Q C Q C 5,3x10 3 1,7 x10 3 3,6kVAR ( ad) Solução: (1,5+2)kVAR em //

29 Liberação de Carga em Transformador Instalação com potência de transformação de 1.500kVA, tem demanda medida de 1.480kVA e FP=0,87at. Deseja-se inserir um novo motor de 150cv/380/FP=0,87/η=0,95. determinar quantos kvar(ad) devem ser inseridos para evitar alteração na capacidade de transformação? Instalação S 1.480kVA P 1.480x0, kW Q 1.480xsen29,5 o 730kVARat Motor S P Q m m m 150cv 150x0,736 0,87x0,95 133,5x0,87 116kW 133,5xsen29,5 133,5kVA o 65,8kVARat 795,8 PT P Pm kW Sendo que FP Q T T Assim, a Potência Aparente 0,95at 1.480xsen18,2 o 462kVARat deve ser mantida em 1.480kVA, então : Q C Q 795, kVARad Solução: (12x25)kVAR + (2x12,5)kVAR + (1x10)kVAR em //

30 Liberação de Carga em CCM Deseja-se instalar um motor de 100cv/0,87/0,92 em um CCM cuja corrente medida no alimentador (300mm 2 /Iz=435A) é 400A com FP=0,71at. Determinar o reativo capacitivo a ser adicionado para evitar a troca da fiação. I V CCM N FP 400A 380V ccm 0,71at P S Q CCM CCM CCM 3x380. x400x0,71 187kW 3x380x xsen44,8 o 263kVA 185kVARat S P Q M M M 100x0,736 0,87x0,92 92x0,87 92xsen29,5 92kVA 80kW o 45,4kVARat P T 267 FP 0,94at 3x380x ST 284kVA 0,94 Q T kW 284xsen20 o 97kVARat Q C Q , , 4kVARad Solução: (5x25)kVAR + (1x10)kVAR em //

31 A potencia original da carga permanece constante, se o fator de potencia for melhorado para liberar capacidade do sistema e, em vista disso, for ligada a carga máxima permissível, a corrente total e a mesma, de modo que as perdas serão também as mesmas. Entretanto, a carga total em kw será maior e, portanto, a perda percentual no sistema será menor. Redução percentual das perdas : Algumas vezes torna-se útil conhecer o percentual das perdas em função da potencia aparente (S) e potencia reativa (Q) da carga e da potencia reativa do capacitor (Qc).

32 Dimensionamento da Potência Reativa para a Correção do Transformador de Força Determina-se a potencia do capacitor na correção de transformadores funcionando a vazio, através da seguinte expressão:

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36 Dimensionamento da Potência Reativa para a Correção do Transformador de Força Tensão secundária:380/220 V (estrela) Perdas a vazio: 485 W Corrente de excitação: 2,3% Q trafo = (i o S n /100)² P o Q trafo = (2,3 150/100)² 0,485 = 3,37 kvar

37 Q trafo = (i o S n /100)² P o

38 SISTEMA TRIFÁSICO medição nas três fases Tamanho Máximo do Módulo: 25kVAR (380V) e 15kVAR(220V)

39 Fonte: catálogo WEG

42 Determinação da Potência Reativa para Correção nos Motores 1) Para o cálculo do capacitor a ser instalado junto a um motor devese, primeiramente, levantar os dados de placa do motor: Motor 3Φ Potência: 10cv (HP/kW) Tensão:380V Polaridade: 4 pólos Fator de potência(fp)=0,85 atrasado/indutivo Rendimento (η):0,86 Fator de potência desejado FP=0,98at 2) Depois de ter o FP do motor e o FP desejado, encontra-se o multiplicador a ser utilizado com o ANEXO A: Fator multiplicador : 0,417 P entrada = P saída = = 8,558 kw ƞ 0,86 Dimensionamento do capacitor Q capacitor = FM P entrada = 0, = 3,569kVAR

43 Anexo A: TABELA DO FATOR MULTIPLICADOR (F)

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45 Determinação da Potência Reativa para Correção nos Motores 1) Para o cálculo do capacitor a ser instalado junto a um motor devese, primeiramente, levantar os dados de placa do motor: Motor 3Φ Potência: 10cv (HP/kW) Tensão:380V Polaridade: 4 pólos Fator de potência(fp)=0,85 atrasado/indutivo Rendimento (η):0,86 Fator de potência desejado FP=0,98at 2) Ou Opcionalmente pode-se utilizar a tabela do ANEXO B, Dimensionamento do capacitor: Q capacitor = 3,0kVAr

46 Anexo B: TABELA PARA CORRECAO DE MOTORES Aplicação : MOTORES TRIFASICOS WEG - 380V - 60Hz Fator de Potencia mínimo desejado : 0,95 indutivo

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48 Cálculo da Capacitância do Capacitor C = Q capacitor(kvar) V L 2 2 π f 10 9 [μf] Cálculo da Corrente Nominal do Capacitor I capacitor = Q capacitor(var) 3 V L Proteções Contra Curto-Circuito / utilização de fusível Característica gl gg: Contatores: I nf = 1,65 I capacitor I contator = 1,5 I capacitor FCT FCA

49 Condutores 1)Capacidade de corrente Utilizar condutores superdimensionados em 1,43 vezes (NBR 5060) a corrente nominal do capacitor e levar em consideração outros critérios, tais como: método de instalação, temperatura ambiente, agrupamento dos circuitos. 2)Queda de tensão 1% I cabo = 1,43 I capacitor FCT FCA 3)Bitola Mínima : circuito de força 2,5mm²

50 PARTIDA DIRETA COM BANCO DE CAPACITORES SEM CONTATOR

51 CONTATORES PARA MANOBRA DE CAPACITORES (AC-6b)

52 CONTATORES CONVENCIONAIS PARA REGIME AC-6b

53 PARTIDA DIRETA COM BANCO DE CAPACITORES COM CONTATOR KC: contator de manobra do capacitor A: conexão antes do relé térmico B: conexão depois do relé térmico Obs: -para conexão B regular a nova corrente que passa pelo relé -para reenergização do capacitor, respeitar o tempo mínimo de descarga do mesmo

54 PARTIDA ESTRELA/TRIÂNGULO COM BANCO DE CAPACITORES KC: contator de manobra do capacitor A: conexão antes do relé térmico B: conexão depois do relé térmico Obs: -para conexão B regular a nova corrente que passa pelo relé -para reenergização do capacitor, respeitar o tempo mínimo de descarga do mesmo

55 PARTIDA COMPENSADORA COM BANCO DE CAPACITORES KC: contator de manobra do capacitor A: conexão antes do relé térmico B: conexão depois do relé térmico Obs: -para conexão B regular a nova corrente que passa pelo relé -para reenergização do capacitor, respeitar o tempo mínimo de descarga do mesmo

56 PARTIDA DIRETA COM REVERSÃO COM BANCO DE CAPACITORES KC: contator de manobra do capacitor A: conexão antes do relé térmico B: conexão depois do relé térmico Obs: -para conexão B regular a nova corrente que passa pelo relé -para reenergização do capacitor, respeitar o tempo mínimo de descarga do mesmo KT1: ajustar o tempo de acordo com o tempo de descarga do capacitor