Teoria Princípio do Capacitor Um capacitor consiste de dois pratos eletrodos isolados de cada lado por um dielétrico médio. As características de um capacitor são dependentes da capacitância e da tensão. A capacitância é dependente de três fatores: a área dos eletrodos, a distância entre eles e a constante dielétrica do material isolante. A figura abaixo mostra a área A como a largura w vezes o comprimento d. A distância entre os eletrodos é h e a constante dielétrica é µ. Nos capacitores de potência modernos, a constante dielétrica comumente é entre 2,2 e 2,7. Aumentar a área dos eletrodos significa aumentar a capacitância. Isto é o que ocorre quando capacitores são conectados em paralelo. Aumentar a distância entre os eletrodos significa diminuir a capacitância e aumentar o valor de tensão. O princípio é o mesmo conectando capacitores em série. O desenvolvimento do capacitor até os presentes dias usualmente tem significado desenvolver novos materiais isolantes no sentido de aumentar a constante dielétrica, µ, ou reduzir a distância entre os eletrodos usando dielétricos menores. Deste modo o stress de tensão no sistema dielétrico aumentará então a densidade de energia do capacitor. Um capacitor trabalha como um curto-circuito para correntes AC e como um interruptor para correntes DC. Isto é explicado pela formula da impedância no capacitor: 1) Zc =1 / (2 A f C) Onde: Z = impedância no capacitor f = freqüência do sistema C = capacitância Quanto maior a freqüência (f), menor a impedância no capacitor (Zc). Isto significa que para freqüências muito altas, o capacitor aparecerá como um curto-circuito para a corrente, pois Zc 0. Para a corrente DC, desde que a freqüência seja 0, o capacitor aparece como um interruptor (Zc ). Essas são as características elétricas para um capacitor mais freqüentemente usado em aplicações eletrônicas.
Porém, no sistema de potência elétrico, o capacitor é mais comumente usado para: - Armazenar energia elétrica - Produzir energia reativa Armazenamento de energia Capacitores são conectados em linhas DC em sistemas HVDC e conversores de freqüência para manter a tensão estabilizada. Os capacitores DC também trabalharão como uma reserva para reduzir as variações de tensão. Produção de energia reativa As aplicações mais comuns para capacitores de potência são em sistemas de correção de fator de potência ou, como é chamado em alguns casos, equipamento de compensação de energia reativa.
Teoria Energia Reativa Energia reativa acumula campos magnéticos e controla a tensão em sistemas AC. A energia reativa necessita espaço nas linhas de transmissão, gera aumento de perdas nas máquinas elétricas e aparelhos e limita a utilização da energia elétrica no equipamento. Uma forma de descrever a energia reativa de maneira mais simples é comparando-a com um barco sendo rebocado por um canal, veja figura abaixo. O barco é rebocado pela corda S, que por sua vez forma um ângulo, Æ, em direção ao movimento. A tração na corda pode ser dividida na força em direção ao movimento (P) e a força transversal em direção a margem do canal (Q). A força que atua em direção ao movimento é o trabalho ativo útil. Este é o trabalho dirigindo o barco adiante. A força nos ângulos retos cria apenas uma pressão lateral que não contribui para o movimento do barco e atualmente representa as perdas de parte da energia do cavalo. Em princípio em termos elétricos, potência elétrica ativa é a única potência útil, enquanto potência reativa não trabalha, mas cria uma carga nos cabos e linhas de transmissão e, então, causam maiores perdas. P é a componente ativa, Q a componente reativa, e a resultante S é chamada de componente aparente. O cosseno do ângulo Æ entre as componentes ativa e aparente está referida ao fator de potência. Isto descreve facilmente quanto da potência aparente, ou total, é energia ativa. Correção do fator de potência, ou compensação da energia reativa altera esta relação entre potência aparente e ativa. O ângulo Æ também denota o deslocamento entre corrente e tensão.
Teoria Correção do Fator de Potência A explicação didática: O eixo horizontal é a potência ativa (P) e o eixo vertical é a potência reativa (Q). O arco é a potência aparente (S), que é a soma geométrica de P e Q. O vetor está sempre no arco e dará uma relação diferente de P e Q nos diferentes ângulos de fase (Æ). Se potência reativa (Q) é injetada de uma fonte externa do sistema, por exemplo, usando um banco de capacitor, o ângulo de fase Æ1 é reduzido para Æ2 e a potência ativa desenhada do sistema é aumentada de P1 para P2, mas com a mesma potência aparente (Potência Total). O fator de potência, a relação de potência ativa comparada com a potência aparente tem sido aumentada de cosæ1 para cosæ2. A explicação leiga: 1. Um transformador totalmente carregado está alimentando uma carga com energia ativa (azul) e reativa (vermelha). 2. Se a carga está alimentada com energia reativa do banco de capacitores ao invés do transformador, o transformador e a linha de transmissão estão sem carga reativa. 3. Outra carga, também compensada por um banco de capacitores, pode ser adicionada ao sistema, sem sobrecarregar o transformador. Todas as cargas que precisam de campo magnético para operar precisam de potência reativa, por exemplo, cargas indutivas, transformadores, motores, lâmpadas fluorescentes, moinhos rotativos, fornos de arco elétrico, etc. Essas cargas são, portanto objetos potenciais para serem compensadas com instalações de banco de capacitores.
Teoria - Conexão Série e Shunt Capacitores podem ser conectados no sistema de 2 formas, em série ou em paralelo (shunt). Série Reduz variações de tensão Auto-regulagem instantânea Melhora o perfil da tensão Shunt Preço baixo Menos complexidade em proteção e controle Não-flexível
Teoria - Conexão Série Em capacitores série (CS) a potência reativa é proporcional ao quadrado da corrente de linha. Quanto maior a corrente de linha, maior a potência reativa gerada pelo CS. Pois a potência reativa está controlando a tensão em um sistema, o CS será contrário a queda de tensão na linha, por exemplo, em um caso de grande carga no fim de uma linha frágil. A compensação é instantânea e auto-regulável. Nos sistemas de transmissão, CS é usado para compensar a indutância da linha, que faz a linha parecer menor do ponto de vista elétrico. Em sistemas de distribuição, CS é usado para compensar quedas de tensão, melhorando o fator de potência e ajustando as perdas na linha.
Teoria Perfil da Tensão Melhorada (Conexão Serie) O capacitor série também melhorará o perfil da tensão para cargas com operação com constante mudança e variação, por exemplo, um forno elétrico. A figura abaixo mostra o perfil de tensão para um forno compensado e outro não-compensado. Desde que a média da tensão possa ser mantida alta e estável, o forno irá operar mais eficientemente e o volume de produção de aço será otimizado.
Teoria - Conexão Shunt (Paralelo) A compensação shunt é a mais comum usada para bancos de capacitores. Ela é principalmente usada para melhorar o fator de potência, aumentar a tensão e reduzir as perdas no sistema. A regra geral para conectar um capacitor shunt é colocá-lo o mais próximo possível das cargas reativas. Dessa forma, não é necessário transmitir a energia reativa através dos transformadores existentes, linhas de transmissão, cabos, etc. O capacitor shunt gera potência reativa proporcional ao quadrado da tensão aplicada. Isto significa que o capacitor shunt não é tão adaptativo e auto-regulável quanto o capacitor série, mas por outro lado mais simples de instalar e usar e com preço consideravelmente menor. Capacitores shunt aumentam a tensão no ponto de conexão e é ainda mais freqüentemente conectado para níveis de tensão de distribuição e sub-transmissão.
Teoria - Capacitores no Sistema Capacitores podem, e são instalados em todos os níveis do sistema de transmissão, veja figura abaixo. Transmissão No nível de tensão de transmissão, o necessário para potencia reativa e regulação de tensão usualmente varia com a carga de dia e de noite. Capacitores serie (CS) são usados para obter uma compensação de regulação automática baseada na corrente de linha. Compensadores VAr Estáticos (SVC) são equipamentos conectados em paralelo com a linha, e consiste de um tiristor reator controlado em paralelo com capacitores. Desta forma a geração ou consumo de reativo pode ser controlado de acordo com as necessidades atuais da linha e um fator de potencia estável e um controle de tensão são alcançados. Distribuição Em tensões baixas o Capacitor Shunt (QBANK) é usado como uma compensação fixa ou chaveado automaticamente. O uso do capacitor shunt melhorará o fator de potência e estabilizará a tensão tão bem quanto reduzirá as perdas no sistema. Indústria Cargas não-lineares comuns em indústrias e fábricas geram harmônicas. Para reduzir a carga harmônica e ainda melhorar o fator de potência e reduzir as perdas, Filtros Harmônicos (CHARM) são instalados. Para cargas industriais pesadas com variação rápida, SVC s são mais comuns, por exemplo, em moinhos rotativos e plantas de forno a arco.