CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA (FP)

CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA
(FP)
Prof. Marcos Fergütz
Maio/2016
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.
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:
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:
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.
Potência ativa:
Potência que efetivamente realiza trabalho gerando calor,
luz, movimento, etc. É medida em kW.
Potência Reativa:
Potência usada apenas para criar e manter os campos
eletromagnéticos das cargas indutivas. É medida em kvar.
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
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.
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.
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.
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.
CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA (FP)
Q
- Objetivo: Manter o FP ≥ 0,92
𝛗 ≤ 23°
P
REFERÊNCIA PARA ELABORAÇÃO DO TRIÂNGULO DE POTÊNCIA
- Natureza da Carga
𝑆 = 𝑃 + 𝑗𝑄
𝑆 = 𝑉𝑟𝑚𝑠 𝐼𝑟𝑚𝑠 ∠𝛼 − 𝜃
S
(𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑟𝑒𝑡â𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟)
(𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑓𝑎𝑠𝑜𝑟𝑖𝑎𝑙)
Q
Indutivo
Corrente está atrasado em
relação a tensão
Ф > 0°
P
P
Capacitivo
Corrente está adiantada com
relação a tensão
Ф < 0°
S
Q
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;
✓ Fornos de indução ou a arco;
✓ Máquinas de tratamento térmico;
✓ Máquinas de solda;
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
Banco
formado por
vários
módulos
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.
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;
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
FORMAS DE CORREÇÃO
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.
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.
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.
CÁLCULO TEÓRICO
Motor 3Φ/10cv/380V/4 pólos/FP=0,85at/η=0,86  FP=0,98at
PEIXO  3xVL xI L xFPx
PEIXO
10 x736

 15,3 A
3 xVL xFPx
3 x380 x0,85 x0,86
IL 
S3  3 xVL xI L  3 x380 x15,3  10 kVA
P3  S3 xFP  10 x103 x0,85  8,5kW
Q3  S3 xSen(31,80 )  10 x103 x0,53  5,3kVAR (at )
S3FINAL 
8,5kW
1,7kVAR
P3
FPFINAL
8,5 x103

 8,7kVA
0,98
8,7kVA
ΔQC
10kVA
Q3FINAL  S3FINAL xSen(11,50 )  8,7 X 103 x0,2  1,7kVAR (at )
5,3kVAR
QC  QC  5,3x103  1,7 x103  3,6kVAR (ad )
Solução:
(1,5+2)kVAR em //
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?
Motor 150cv
Instalação
P  1.480 x0,87  1.288kW
150 x0,736
 133,5kVA
0,87 x0,95
Pm  133,5 x0,87  116kW
Q  1.480 xsen29,5o  730kVARat
Qm  133,5 xsen29,5o  65,8kVARat
Sm 
S  1.480kVA
PT  P  Pm  1288  116  1.404kW
Sendo que a Potência Aparente deve ser mantida em 1.480kVA, então :
1404
 0,95at
1480
Assim,
FPT 
795,8
QT  1.480 xsen18,2o  462kVARat
QC  Q  795,8  462  334kVARad
Solução: (12x25)kVAR + (2x12,5)kVAR + (1x10)kVAR em //
Liberação de Carga em CCM
Deseja-se instalar um motor de 100cv/0,87/0,92 em um CCM cuja corrente
medida no alimentador (300mm2/Iz=435A) é 400A com FP=0,71at.
Determinar o reativo capacitivo a ser adicionado para evitar a troca da
fiação.
I CCM  400 A
PCCM  3 x380.x 400 x0,71  187kW
VN  380V
SCCM  3 x380 x 400  263kVA
FPccm  0,71at
QCCM  263xsen44,8o  185kVARat
100 x0,736
 92kVA
0,87 x0,92
PM  92 x0,87  80kW
SM 
QM  92 xsen29,5o  45,4kVARat
PT  187  80  267kW
267
 0,94at
3 x380 x 430
267
ST 
 284kVA
0,94
FP 
QT  284 xsen20o  97kVARat
QC  Q  185  45,4  97  133,4kVARad
Solução: (5x25)kVAR + (1x10)kVAR em //
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).
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:
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%
𝑄𝑡𝑟𝑎𝑓𝑜 =
𝑄𝑡𝑟𝑎𝑓𝑜 =
(𝑖𝑜 ∗ 𝑆𝑛 /100)² − 𝑃𝑜
(2,3 ∗ 150/100)² − 0,485 = 3,37 𝑘𝑉𝐴𝑟
𝑄𝑡𝑟𝑎𝑓𝑜 =
(𝑖𝑜 ∗ 𝑆𝑛 /100)² − 𝑃𝑜
SISTEMA TRIFÁSICO
medição nas três fases
Tamanho Máximo do Módulo: 25kVAR (380V) e 15kVAR(220V)
Fonte: catálogo WEG
Fonte: catálogo WEG
Fonte: catálogo WEG
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
𝑃𝑠𝑎í𝑑𝑎 10 ∗ 736
𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 =
=
= 8,558 𝑘𝑊
ƞ
0,86
Dimensionamento do capacitor
𝑄𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑜𝑟 = 𝐹𝑀 ∗ 𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 0,417 ∗ 8558 = 3,569𝑘𝑉𝐴𝑅
Anexo A: TABELA DO FATOR MULTIPLICADOR (F)
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:
𝑄𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑜𝑟 = 3,0𝑘𝑉𝐴𝑟
Anexo B: TABELA PARA CORRECAO DE MOTORES
Aplicação : MOTORES TRIFASICOS WEG - 380V - 60Hz
Fator de Potencia mínimo desejado : 0,95 indutivo
Cálculo da Capacitância do Capacitor
𝐶=
𝑄𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑜𝑟 (𝑘𝑉𝐴𝑟)
[𝜇𝐹]
𝑉𝐿2 ∗ 2 ∗ 𝜋 ∗ 𝑓 ∗ 109
Cálculo da Corrente Nominal do Capacitor
𝐼𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑜𝑟 =
𝑄𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑜𝑟 (𝑉𝐴𝑟)
3 ∗ 𝑉𝐿
Proteções Contra Curto-Circuito / utilização de fusível
Característica gL – gG:
𝐼𝑛𝐹 = 1,65 ∗ 𝐼𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑜𝑟
Contatores:
𝐼𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑡𝑜𝑟
𝐼𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑜𝑟
= 1,5 ∗
𝐹𝐶𝑇 ∗ 𝐹𝐶𝐴
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.
𝐼𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑜𝑟
𝐼𝑐𝑎𝑏𝑜 = 1,43 ∗
𝐹𝐶𝑇 ∗ 𝐹𝐶𝐴
2)Queda de tensão 1%
3)Bitola Mínima : circuito de força 2,5mm²
PARTIDA DIRETA COM BANCO DE CAPACITORES
SEM CONTATOR
CONTATORES PARA MANOBRA DE CAPACITORES (AC-6b)
CONTATORES CONVENCIONAIS PARA REGIME AC-6b
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
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
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
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