CORRECÇÃO DO FACTOR DE POTÊNCIA DE UMA INSTALAÇÃO ELÉCTRICA

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2 CORRECÇÃO DO FACTOR DE POTÊNCIA DE UMA INSTALAÇÃO ELÉCTRICA Sobre o custo da energia eléctrica inside, consideravelmente, a penalização por baixo factor de potência (Cos ϕ) de acordo com o contrato com o fornecedor de energia eléctrica. Principalmente por isto, mas também por outras importantes razões, surge a necessidade de corrigir o Cos ϕ da instalação. A correcção é uma técnica que, melhorando o factor de potência da máquina, permite a utilização racional da energia, realizando importantes poupanças económicas e importantes melhoramentos técnicos. As vantagens económicas são tanto mais importantes quanto maior é o consumo de energia eléctrica. O BAIXO FACTOR DE POTÊNCIA O factor de potência envolve a relação de dois tipos de potência: a potência activa e a potência reactiva. A maior parte das cargas, no actual sistema eléctrico de distribuição, são indutivas. Isto significa que, para funcionarem, necessitam de um campo electromagnético e de receber da rede dois tipos de potência: Potência Activa : responsável pelo trabalho, calor, força, movimento, etc.. Potência Reactiva: produz apenas o campo electromagnético necessário ao funcionamento da máquina. A potência activa mede-se em KW enquanto a potência reactiva mede-se em KVARh (Kilovolt ampere - reactivos). A potência activa e a potência reactiva somadas vectorialmente compõem a potência aparente, que se mede em KVA. O factor de potência, que se designa por Cos ϕ, é a relação entre a potência activa e a potência aparente referida à fundamental; esta relação pode variar entre 0 e 1. PotênciaActiva( KW ) Cos ϕ= PotênciaAparente( KVA) A figura 1 representa estas formas de potência e a figura 2 exemplifica como a potência reactiva pode não ser fornecida pelo distribuidor de energia eléctrica, mas sim por equipamentos com condensadores. Fig. 1 Fig. 2 No caso de carga indutiva verifica-se um desfasamento entre a curva da tensão e a de intensidade em que a intensidade está em atraso relativamente à tensão, atingindo os seus valores máximos e os valores zero mais tarde do que a tensão. Este fenómeno está representado na figura A, enquanto a figura B representa as sinusoides da tensão e da intensidade de uma carga resistiva, perfeitamente em fase e a figura C com uma carga capacitiva com a sinusoide da intensidade avançada relativamente à tensão.

3 Figura A Carga indutiva intensidade em atraso Figura B Carga Ohmica (resistiva) intensidade em fase Figura C Carga capacitiva intensidade em avanço Se o factor de potência médio mensal é inferior a 0,93 indutivo (ou 0,96 em determinados casos) o fornecedor de energia incluirá na factura a penalização por baixo factor de potência. Atenção No caso da instalação ficar, nas horas de vazio (22 h ás 8 h do dia seguinte) o fornecedor de energia debitará, como penalização, toda a energia reactiva fornecida à rede. COMO CORRIGIR O COS ϕ DE UMA INSTALAÇÃO ELÉCTRICA O modo mais simples e económico de resolver o problema do baixo factor de potência de uma instalação eléctrica é o de ligar condensadores em paralelo com a carga. Os condensadores funcionam como geradores de energia reactiva, fornecendo ás máquinas eléctricas toda a energia reactiva necessária para manter o campo electromagnético.

4 Na prática, os condensadores têm a propriedade de absorver uma intensidade que está em antecipação de 90º relativamente à tensão, comportando-se como um verdadeiro gerador de energia reactiva a qual se encontra em oposição à do fornecedor de energia eléctrica. Esta potência fornecida pelo condensador deixa de ser fornecida pela rede pelo que diminui a intensidade da corrente de entrada, melhora o Cos ϕ e anula a penalização na factura, do excedente de energia reactiva consumida. Pelo diagrama verificamos, por exemplo, que uma máquina ou um quadro eléctrico que esteja com Cos ϕ = 0,7, a intensidade é 43 % superior à intensidade que seria necessária com o Cos ϕ = 1. Variação de intensidade que percorre o cabo de alimentação de uma máquina ou quadro em função do Cos ϕ da carga VANTAGENS DA CORRECÇÃO DO COS ϕ Numa instalação devidamente corrigida, o utilizador paga apenas a energia que efectivamente utiliza. Por exemplo: Numa instalação com o Cos ϕ = 0,7 indutivo, apenas 70 % da potência fornecida pelo transformador do P.T., é utilizada para produzir trabalho útil, enquanto o restante é energia reactiva solicitada pela máquina para criar campos electromagnéticos. Com a carga perfeitamente corrigida Cos ϕ = 1, portanto com a energia reactiva fornecida por condensadores, o transformador pode fornecer até cerca de 98 % da sua potência. A instalação de condensadores permite também outros benefícios: Redução do valor da factura, em alguns casos considerável, permitindo a amortização do valor do equipamento de correcção em menos de 1 ano. Redução das perdas de energia por efeito de Joule (aquecimento nos cabos). Maior potencialidade da instalação. Maior disponibilidade de potência e menor aquecimento do transformador. Redução das intervenções intempestivas do limitador de intensidade, as quais interrompem o ciclo produtivo. ONDE CORRIGIR UMA INSTALAÇÃO Os condensadores podem ser instalados em qualquer ponto da rede eléctrica que possua máquinas eléctricas com baixo factor de potência, porém, o local exacto deverá ser devidamente ponderado em função de razões técnicas e razões económicas.

5 Numa industria o n.º de motores eléctricos ou máquinas de carga indutiva pode ser elevado e cada uma necessita de 1 condensador de potência adequada com o respectivo cabo de ligação, protecção e aparelho de corte. Por outro lado não é permitido, por normas de segurança, a instalação de condensadores fixos, isto é permanentemente ligados à rede, excepto os colocados para a correcção do transformador de potência, a montante do interruptor geral de B.T., quando devidamente dimensionados. Esta solução de correcção, motor a motor, obriga a que o condensador só possa estar em tensão quando o motor está em funcionamento e é uma solução economicamente desfavorável. Os condensadores só podem ser ligados à rede na presença de carga indutiva e esta não deve ser corrigida além do Cos ϕ = 1, para evitar sobrecompensação, os quais podem dar origem a graves desequilíbrios na rede, tais como, perigosos aumentos de tensão, sobrecargas de intensidade na linha e nos aparelhos de distribuição. Todos estes problemas são resolvidos com a correcção centralizada, que consiste na montagem de 1 equipamento único no quadro geral de baixa tensão a jusante do interruptor geral. Este equipamento, dotado de um sofisticado sistema a microprocessador, gere a potência reactiva dos condensadores (dividida em diversos escalões) segundo o andamento da carga, para obter, em cada momento, uma perfeita correcção do factor de potência. Terminada a actividade da carga (fim da laboração) o equipamento desliga os escalões ainda em serviço e aguarda um novo ciclo de trabalho. Esta solução designada por correcção centralizada, é a mais económica, mas, tecnicamente a menos correcta. A solução que preconizamos é uma solução mista: Corrigindo pontualmente os motores de maior potência, actuando, preferencialmente, nos quadros eléctricos que os alimentam. Corrigindo os quadros parciais de maiores cargas e/ou os quadros mais distantes, e os mais subdimensionados relativamente aos cabos que os alimentam. Correcção no quadro geral para ajuste final do Cos ϕ. COMO SE CALCULA O FACTOR DE POTÊNCIA DE UMA INSTALAÇÃO O Cos ϕ médio de uma instalação a corrigir é um parâmetro fundamental para calcular a potência do equipamento automático de correcção do Cos ϕ a instalar. O método mais simples consiste em calcular a média dos últimos 4 ou 5 meses dos valores do Cos ϕ indicados nas facturas do fornecedor de energia. Se este valor não estiver disponível, será suficiente aplicar a fórmula a seguir indicada, a qual permite encontrar o Cos ϕ conhecendo o consumo de energia activa (Kwh) (horas cheias + horas de ponta) e o consumo de energia reactiva (Kvarh) (horas fora do vazio). Estes valores estão sempre disponíveis na factura mas também é possível utilizar as leituras dos contadores durante um período suficiente (1 mês), conhecendo eventuais factores de multiplicação dessas leituras. Cos ϕ = Energia Activa ( Energia Activa) 2 + ( Energia Reactiva) 2 Em que: Energia Activa = Energia Activa (Horas Cheias + Horas de Ponta) Exemplo: Energia Activa Horas Cheias Energia Activa Horas Ponta Energia Activa Total Energia Reactiva Fora do Vazio = kwh = kwh = Kwh = Kvarh Cos ϕ = ( ) + ( ) 2 = 0,69 Consultando a tabela seguinte, pode-se calcular facilmente a potência dos condensadores ou do equipamento necessário para corrigir a instalação.

6 Tg φ Cos φ da Cos ϕ Pretendido instalação 0,93 0,95 0,97 1,00 3,18 0,30 2,78 2,85 2,93 3,18 2,96 0,32 2,56 2,63 2,71 2,96 2,77 0,34 2,37 2,44 2,52 2,77 2,59 0,36 2,19 2,26 2,34 2,59 2,43 0,38 2,03 2,11 2,18 2,43 2,29 0,40 1,89 1,96 2,04 2,29 2,16 0,42 1,76 1,83 1,91 2,16 2,04 0,44 1,64 1,71 1,79 2,04 1,93 0,46 1,53 1,60 1,68 1,93 1,83 0,48 1,43 1,50 1,58 1,83 1,73 0,50 1,33 1,40 1,48 1,73 1,64 0,52 1,24 1,31 1,39 1,64 1,56 0,54 1,16 1,23 1,31 1,56 1,48 0,56 1,08 1,15 1,23 1,48 1,40 0,58 1,00 1,08 1,15 1,40 1,33 0,60 0,93 1,00 1,08 1,33 1,30 0,61 0,90 0,97 1,05 1,30 1,27 0,62 0,87 0,94 1,02 1,27 1,23 0,63 0,83 0,90 0,98 1,23 1,20 0,64 0,80 0,87 0,95 1,20 1,17 0,65 0,77 0,84 0,92 1,17 1,14 0,66 0,74 0,81 0,89 1,14 1,11 0,67 0,71 0,78 0,86 1,11 1,08 0,68 0,68 0,75 0,83 1,08 1,05 0,69 0,65 0,72 0,80 1,05 1,02 0,70 0,62 0,69 0,77 1,02 0,99 0,71 0,59 0,66 0,74 0,99 0,96 0,72 0,56 0,64 0,71 0,96 0,94 0,73 0,54 0,61 0,69 0,94 0,91 0,74 0,51 0,58 0,66 0,91 0,88 0,75 0,48 0,55 0,63 0,88 0,86 0,76 0,46 0,53 0,61 0,86 0,83 0,77 0,43 0,50 0,58 0,83 0,80 0,78 0,40 0,47 0,55 0,80 0,78 0,79 0,38 0,45 0,53 0,78 0,75 0,80 0,35 0,42 0,50 0,75 0,72 0,81 0,32 0,40 0,47 0,72 0,70 0,82 0,30 0,37 0,45 0,70 0,67 0,83 0,27 0,34 0,42 0,67 0,65 0,84 0,25 0,32 0,40 0,65 0,62 0,85 0,22 0,29 0,37 0,62 0,59 0,86 0,19 0,26 0,34 0,59 0,57 0,87 0,17 0,24 0,32 0,57 0,54 0,88 0,14 0,21 0,29 0,54 0,51 0,89 0,11 0,18 0,26 0,51 0,48 0,90 0,08 0,16 0,23 0,48 0,46 0,91 0,06 0,13 0,21 0,46 0,43 0,92 0,03 0,10 0,18 0,43 Em correspondência ao valor do Cos ϕ da instalação e do valor do Cos ϕ que queremos atingir, encontramos um coeficiente (F), o qual multiplicado pela potência máxima da instalação em Kw, dá-nos o valor da potência dos condensadores em Kvar. Façamos um exemplo de um utilizador que tem uma potência máxima de 110 Kw, um Cos ϕ de 0,69 e calculemos não só a potência do equipamento necessário mas também a poupança que se obtém com esta correcção. Dados retirados da factura: Potência máxima Kw = 110 Factor de potência Cos ϕ = 0,69 Energia activa consumida Kwh = Energia Reactiva consumida Kvarh = Energia Reactiva paga Kvarh = Penalização por baixo Cos ϕ = 159,34 Cálculos: Potência necessária para corrigir para 0,95 Cos ϕ da instalação = 0,69 Cos ϕ pretendido = 0,95 Factor F (da tabela) = 0,72 Potência do Equipamento = 0,72 x 110 = 79,2 Kvar 80 Kvar Penalização Anual estimada = 12 x 159,34 = 1.912,08 Custo de um equipamento de 80 Kvar previsto para THC < 40 % CAM H 80 KVAr 1.720,00 O cálculo efectuado demonstra como o custo do equipamento é amortizado em menos de 1 ano. CORRECÇÃO EM PRESENÇA DE HARMÓNICOS Antes de escolher o equipamento automático de correcção, é necessário certificar-se da existência ou não, de harmónicos para evitar a sobrecarga da bateria de condensadores. Portanto é indispensável verificar a existência, na instalação, de certos equipamentos que possam gerar este fenómeno, como por exemplo U.P.S., fornos a arco, motores de velocidade variável, trefiladoras, transformadores saturados. Um equipamento não dimensionado adequadamente, numa instalação com carga deste tipo, ficara danificada e rapidamente fora de serviço ou completamente destruída.

7 ESCOLHA DO EQUIPAMENTO A vida dos condensadores depende da opção tomada no momento da compra e deve atender às seguintes condições de trabalho: - Existência de harmónicos na instalação provocados por variadores de velocidade, UPS, iluminação de potência significativa e outras máquinas, que provocam sobrecargas de intensidade nos condensadores (THC). - Temperatura ambiente - Tensões elevadas na rede mesmo nas horas de vazio ou fins-de-semana - Picos de tensão - Microcortes - Regime de laboração Existem condensadores previstos para: Nenhuma sobrecarga harmónica THC < 15% Baixa sobrecarga harmónica THC < 25% Moderada sobrecarga harmónica THC < 40% Média sobrecarga harmónica THC < 60% Para THC > 60% apenas com filtros harmónicos. Classes de temperatura: -25/A temperatura máxima 40 ºC -25/B temperatura máxima 45 ºC -25/C temperatura máxima 50 ºC -25/D temperatura máxima 55 ºC Este catálogo apresenta diversos modelos que divergem fundamentalmente pela sobrecarga harmónica suportada pelos condensadores. Equipamentos Automáticos RAM 415 THC < 25% CAM H THC < 40% CAM HC THC < 60% CAM HA THC > 60% Equipamentos Fixos (Compensação de transformadores) CFT HC THC < 60% Equipamentos Semi fixo (Compensação de motores) CFM HC THC < 60% CARACTERÍSTICAS PARTICULARES DESTES EQUIPAMENTOS AUTOMÁTICOS: - Corte Geral - Protecção dos escalões: Por disjuntores: série CAM H e CAM HC até 160 A Por fusíveis: restantes modelos - Sistema de précarga - Ventilação forçada a partir de CAM H Comando electrónico SUPERTEC (série RAM) - Condensadores classe de temperatura 25/D - Regulador electrónico digital com indicação: - Cos ϕ Instantâneo - Tensão da rede - Intensidade da carga - THC - KVAr - Alarmes de: - Temperatura Desliga o equipamento - Tensão Desliga o equipamento - THC Desliga o equipamento - Microcortes (>20 ms.) Desliga o equipamento Cos ϕ irregular Só sinal de alarme

8 COMO SE CALCULA A POTÊNCIA DOS CONDENSADORES PARA CORRIGIR UM MOTOR ASSÍNCRONO A potência do condensador não deve superar a potência reactiva em vazio, do motor, devido ao risco de fenómenos de auto excitação e de ressonância entre o condensador e a indutância do motor. A potência reactiva absorvida por um motor depende de vários factores, tais como: potência nominal, carga do motor, frequência, velocidade de rotação, tensão, etc.. Geralmente, para evitar um factor de potência capacitivo, determina-se a corrente reactiva do condensador para 90 % da corrente em vazio do motor. Se este dado não estiver disponível, podemos corrigir, correctamente, com um condensador de potência de 25 % da potência aparente do motor (potência em KVA). Os equipamentos da série CFM foram expressamente concebidos para esta aplicação. COMO SE CALCULA A POTÊNCIA DOS CONDENSADORES PARA CORRIGIR UM TRANSFORMADOR DE POTÊNCIA A potência reactiva de um transformador, relativamente à sua potência nominal, é muito inferior à de um motor assíncrono, porque a indutância de um transformador é elevada devido ao circuito electromagnético. O Condensador tem como objectivo corrigir a intensidade magnetizante do transformador que serve para criar uma campo magnético ao seu funcionamento. Em geral, porque o condensador deve compensar unicamente a corrente em vazio fortemente desfasada, deverá ser utilizado um condensador com uma intensidade de cerca de 90 % da intensidade em vazio do transformador. Se este dado não estiver disponível, pode-se compensar, correctamente, com um condensador de potência com 3 a 5 % da potência aparente do transformador. Os equipamentos da série CFT foram concebidos especialmente para esta aplicação. COMO CORRIGIR CORRECTAMENTE O FACTOR DE POTÊNCIA DE UMA MÁQUINA DE SOLDAR POR PONTOS As máquinas de soldar estáticas são constituídas por um transformador de forte dispersão de fluxo magnético e cujo o factor de potência tem um valor altamente variável, geralmente entre Cos ϕ 0,25 e Cos ϕ 0,50. Valores assim baixos são devidos à forte reactância do braço do porta eléctrodos e à distorção da forma de onda. O primário do transformador permanece sempre em tensão e a carga é fortemente variável. Por esta razão estamos na presença de um transformador que geralmente trabalha em vazio ou a baixa carga com consequente factor de potência muito baixo. Um notável melhoramento das condições de trabalho destas máquinas, consegue-se com a instalação de um condensador, cuja potência será correspondente a 30 a 40 % da potência aparente da máquina de soldar.

9 ESQUEMA DE LIGAÇÃO DE UM TRANSFORMADOR DE INTENSIDADE

10 PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO DO SISTEMA SUPERTEC Um dos principais problemas do envelhecimento dos contactores de tipo tradicional no que diz respeito à tensão de alimentação da bobina que, para um correcto funcionamento, deve ser suficientemente elevada para consentir manobra segura do fecho do contacto, mas que não pode ser excessiva, de outro modo o contacto sairá danificado das numerosas oscilações. Com o novo comando electrónico SUPERTEC aplicado ao contactor, especialmente desenvolvido para tal aplicação, foi possível alcançar um nível tecnológico standard que não só oferece melhores prestações nunca antes obtidas por um outro sistema, com permite funcionar em condições de trabalho mais difíceis. É necessário considerar que, num contactor, o impacto do núcleo magnético surge com energia muito elevada, sobretudo devido à variação da indutância do circuito magnético na fase próxima do núcleo fixo. Considerando ainda os valores da tensão da rede nas diferentes instalações (muitas vezes elevado) e a casualidade da ordem do comando poder coincidir com o valor mais elevado da onda da tensão. Podemos afirmar que as condições de trabalho do contactor são muito variáveis o que determina o limite típico dos contactores electromecânicos. No comando da bateria de condensadores este limite é prejudicado porque produz um arco entre os contactos que devido a sucessivas oscilações se interrompe temporariamente a ligação do condensador à rede o que em simultâneo com o fenómeno oscilante da curva pode dar lugar a sobretensões de valor muito elevado constituem um grave perigo para todo o equipamento de correcção. A repetida sobretensão de inserção pode provocar no condensador solicitações térmicas sobre o fusível mecânico da câmara de expansão as quais colocará o condensador fora de serviço. A limitação de sobretensão na inserção e a eliminação das oscilações do contacto é portanto um problema de primeira importância. O sistema SUPERTEC realiza um perfeito ajuste entre o modo tradicional e a mais recente inovação tecnológica. O sistema de inserção mais utilizado é o, que prevê a inserção do condensador em duas fases. O primeiro contactor insere uma resistência que permite diminuir o arco de corrente. Alguns milisegundos depois, o segundo contactor permite a ligação directa com a saída de das resistências anteriormente introduzidas. As resistências de pré-carga deveram estar introduzidas por um período de tempo muito preciso. O sistema de comando do contactor não deve pois ser efectuado por um contacto do regulador mas por um completo sistema electrónico gerido por um microprocessador que garante a optimização da manobra.