Correção do Fator de Potência - Apostilas - Engenharia Elétrica Part1, Notas de estudo de Eletrotécnica

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Manual para Correção do Fator de Potência Transformando energia em soluções ÍNDICE 1 - Legislação Atual .................................................................................................................................. 04 2 - Fator de Potência ................................................................................................................................ 04 2.1 - Conceitos Básicos ........................................................................................................................... 04 2.2 - Conseqüências e Causas de um Baixo Fator de Potência .............................................................. 05 2.2.1 - Perdas na Instalação ........................................................................................................... 05 2.2.2 - Quedas de Tensão ............................................................................................................... 05 2.2.3 - Subutilização da Capacidade Instalada .............................................................................. 05 2.2.4 - Principais Conseqüências .................................................................................................... 06 2.2.5 - Causas do Baixo Fator de Potência.................................................................................... 06 2.3 - Onde Corrigir o Baixo Fator de Potência ........................................................................................ 06 2.4 - Vantagens da Correção do Fator de Potência ................................................................................ 06 2.4.1 - Melhoria da Tensão ............................................................................................................. 06 2.4.2 - Redução das Perdas ........................................................................................................... 07 2.4.3 - Vantagens da Empresa ........................................................................................................ 07 2.4.4 - Vantagens da Concessionária ............................................................................................. 08 3 - Correção do Fator de Potência em Baixa Tensão ............................................................................... 08 3.1 - Tipos de Correção do Fator de Potência ........................................................................................ 08 3.2 - Projeto da Correção do Fator de Potência ..................................................................................... 09 3.2.1 - Levantamento de dados...................................................................................................... 09 3.2.2 - Empresa em projeto ............................................................................................................ 09 3.2.3 - Determinação da Potência Reativa Capacitiva ................................................................... 10 3.2.4 - Dimensionamento da Potência Reativa Capacitiva para a Correção do Transformador ..... 10 3.2.5 - Cálculo da Capacitância do Capacitor ............................................................................... 10 3.2.6 - Cálculo da Corrente do Capacitor para Dimensionar os Contatores .................................. 10 3.2.7 - Proteções Contra Curto-circuito .......................................................................................... 10 3.2.8 - Condutores ........................................................................................................................... 10 3.2.9 - Dimensionamento da Potência Reativa Capacitiva para a Correção Localizada ................ 10 3.2.10 -Dimensionamento da Potência Reativa para Bancos Automáticos .................................... 10 1 - LEGISLAÇÃO ATUAL Em conformidade com o estabelecido pelo Decreto nº62.724 de 17 de maio de 1968 e com a nova redação dada pelo Decreto nº75.887 de 20 de junho de 1975, as concessionárias de energia elétrica adotaram, desde então, o fator de potência de 0,85 como referência para limitar o fornecimento de energia reativa. O Decreto nº479, de 20 de março de 1992, reiterou a obrigatoriedade de se manter o fator de potência o mais próximo possível da unidade (1,00), tanto pelas concessionárias quanto pelos consumidores, recomendando, ainda, ao Departamento Nacional de Águas e Energia Elétrica - DNAEE - o estabelecimento de um novo limite de referência para o fator de potência indutivo e capacitivo, bem como a forma de avaliação e de critério de faturamento da energia reativa excedente a esse novo limite. A nova legislação pertinente, estabelecida pelo DNAEE, introduziu uma nova forma de abordagem do ajuste pelo baixo fator de potência, com os seguintes aspectos relevantes : - Aumento do limite mínimo do fator de potência de 0,85 para 0,92; - Faturamento de energia reativa excedente; - Redução do período de avaliação do fator de potência de mensal para horário, a partir de 1996 para consumi- dores com medição horosazonal. Com isso muda-se o objetivo do faturamento: em vez de ser cobrado um ajuste por baixo fator de potência, como faziam até então, as concessionárias passam a faturar a quantidade de energia ativa que poderia ser transportada no espaço ocupado por esse consumo de reativo. Este é o motivo de as tarifas aplicadas serem de demanda e consumo de ativos, inclusive ponta e fora de ponta para os consumidores enquadrados na tarifação horosazonal. Além do novo limite e da nova forma de medição, outro ponto importante ficou definido : das 6h da manhã às 24h o fator de potência deve ser no mínimo 0,92 para a energia e demanda de potência reativa indutiva fornecida, e das 24h até as 6h no mínimo 0,92 para energia e demanda de potência reativa capacitiva recebida. 1.1 - Excedente de reativo 1.1.1 - Forma de avaliação A ocorrência de excedente de reativo é verificada pela concessionária através do fator de potência mensal ou do fator de potência horário. O fator de potência mensal é calculado com base nos valores mensais de energia ativa ("kWh") e energia reativa ("kvarh"). O fator de potência horário é calculado com base nos valores de energia ativa ("kWh") e de energia reativa ("kvarh") medidos de hora em hora. 1.1.2 - Faturamento 1.1.2.1 - 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: Manual Para Correção do Fator de Potência 04 n FDR(p) = MAX (DAt . ) - DF(p) . TDA(p) t=1 onde : FDR(P) = Faturamento da demanda de potência reativa excedente por posto tarifário. DAt = Demanda de potência ativa medida de hora em hora. DF(p) = Demanda de potência ativa faturada em cada posto horário. TDAp = Tarifa de demanda de potência ativa FER(p) = Faturamento do consumo de reativo excedente por posto tarifário. CAt = Consumo de energia ativa medido em cada hora. TCA(p) = Tarifa de energia ativa ft = Fator de potência calculado de hora em hora ∑ = Soma dos excedentes de reativo calculados a cada hora MAX = Função que indica o maior valor da expressão entre parênteses, calculada de hora em hora. t = Indica cada intervalo de uma hora p = Indica posto tarifário: ponta e fora de ponta, para as tarifas horo-sazonais, e único, para a tarifa convencional. n = número de intervalos de uma hora, por posto horário no período de faturamento. 1.1.2.2 - 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: FDR = (DM . 0,92 - DF) . TDA fm FER = CA . (0,92 - 1) . TCA fm onde: FDR= Faturamento da demanda de reativo excedente. DM = Demanda ativa máxima registrada no mês (kW). DF = Demanda ativa faturável no mês (kW). TDA = Tarifa de demanda ativa (R$/ kW). FER= Faturamento do consumo de reativo excedente. CA = Consumo ativo do mês (kWh). TCA = Tarifa de consumo ativo (R$ / kWh). fm = Fator de potência médio mensal. A Portaria nº 456, de 29 de novembro de 2000, estabelecida pela ANEEL, através do artigo 34, estabele- ce que o fator de potência da unidade consumidora do Grupo B (consumidores trifásicos atendidos em baixa tensão) será verificado pelo concessionário através de medição transitória, desde que por um período mínimo de 7 dias consecutivos. [FER(p) = [CAt . ( -1)] . TCA(p) n ∑ t=1 0,92 ft 0,92 ft [ ] Manual Para Correção do Fator de Potência - WEG 2 - FATOR DE POTÊNCIA 2.1 - Conceitos Básicos A maioria das cargas das unidades consumidoras consome energia reativa indutiva, tais como: motores, transformadores, reatores para lâmpadas de descarga, fornos de indução, entre outros. As cargas indutivas necessitam de campo eletromagnético para seu funcionamento, por isso sua operação requer dois tipos de potência: - Potência ativa: Potência que efetivamente realiza trabalho gerando calor, luz, movimento, etc.. É medida em kW. A fig. 1 mostra uma ilustração disto. Fig. 1 - Potência ativa (kW) - Potência reativa: Potência usada apenas para criar e manter os campos eletromagnéticos das cargas indutivas. É medida em kvar. A fig. 2 ilustra esta definição. Fig. 2 - Potência reativa (kvar) Assim, enquanto a potência ativa é sempre consumida na execução de trabalho, a potência reativa, além de não produzir trabalho, circula entre a carga e a fonte de alimentação, ocupando um espaço no sistema elétrico que poderia ser utilizado para fornecer mais energia ativa. Definição: o fator de potência é a razão entre a potência ativa e a potência aparente. Ele indica a eficiência do uso da energia. Um alto fator de potência indica uma eficiência alta e inversamente, um fator de potência baixo indica baixa eficiência energética. Um triângulo retângulo é frequentemente utilizado para representar as relações entre kW, kvar e kVA, conforme a Fig. 3. Fig. 3 - Triângulo retângulo de potência. 2.2 - Conseqüências e Causas de um Baixo Fator de Potência 2.2.1 - Perdas na Instalação 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, estabelece-se uma relação entre o incremento das perdas e o baixo fator de potência, provocando o aumento do aquecimento de condutores e equipamentos. 2.2.2 - 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. 2.2.3 - 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 1 mostra a potência total que deve ter o transformador, para atender uma carga útil de 800 kW para fatores de potência crescentes. Tabela 1 - Variação da potência do trafo em função do fator de potência Também o custo dos sistemas de comando, proteção e controle dos equipamentos cresce com o aumento da energia reativa. 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. 05 Resistência Lâmpada G G MOTOR Campo Magnético Pot ênc ia a par ent e (k VA ) Potência ativa (kW) Potência reativa (kvar) ϕ Potência útil Fator de Potência do absorvida - kW Potência trafo - kVA 0,50 1.600 800 0,80 1.000 1,00 800 FP = = cos ϕ = coskW arc tg kvar KVA kW( ) FP = kWh kWh2 + kvarh2 Manual Para Correção do Fator de Potência 06 Seção relativa Fator de potência 1,00 1,00 1,23 0,90 1,56 0,80 2,04 0,70 2,78 0,60 4,00 0,50 6,25 0,40 11,10 0,30 Medidor de energia reativa Medidor de energia ativa Capacitor de correção P S R L Q Tabela 2 - Variação da seção do cabo em função do fator de potência A correção do fator de potência por si só já libera capacidade para instalação de novos equipamentos, sem a necessidade de investimentos em transformador ou substituição de condutores para esse fim específico. 2.2.4 - Principais Conseqüências - Acréscimo na conta de energia elétrica por estar operando com baixo fator de potência; - Limitação da capacidade dos transformadores de alimentação; - Quedas e flutuações de tensão nos circuitos de distribuição; - Sobrecarga nos equipamentos de manobra, limitando sua vida útil; - Aumento das perdas elétricas na linha de distribuição pelo efeito Joule; - Necessidade de aumento do diâmetro dos condutores; - Necessidade de aumento da capacidade dos equipamentos de manobra e de proteção. 2.2.5 - Causas do Baixo fator de Potência - Motores de indução trabalhando a vazio; - Motores superdimensionados para sua necessidade de trabalho; - 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; - Nível de tensão acima do valor nominal provocando um aumento do consumo de energia reativa. 2.3 - Onde Corrigir o Baixo Fator de Potência? Uma forma econômica e racional de se obter a energia reativa necessária para a operação adequada dos equipamentos é a instalação de capacitores próximos desses equipamentos. A instalação de capacitores porém, deve ser precedida de medidas operacionais que levem à diminuição da necessidade de energia reativa, como o desligamento de motores e outras cargas indutivas ociosas ou superdimensionadas. Fig. 4 - Representação da correção de fator de potência 2.4 - Vantagens da Correção do Fator de Potência 2.4.1 - Melhoria da Tensão As desvantagens de tensões abaixo da nominal em qualquer sistema elétrico são bastante conhecidas. Embora os capacitores elevem os níveis de tensão, é raramente econômico instalá-los em estabelecimentos industriais apenas para esse fim. A melhoria da tensão deve ser considerada como um benefício adicional dos capacitores. A tensão em qualquer ponto de um circuito elétrico é igual a da fonte geradora menos a queda de tensão até aquele ponto. Assim, se a tensão da fonte geradora e as diversas quedas de tensão forem conhecidas, a tensão em qualquer ponto pode ser facilmente determinada. Como a tensão na fonte é conhecida, o problema consiste apenas na determinação das quedas de tensão. A fim de simplificar o cálculo das quedas de tensão, a seguinte fórmula é geralmente usada : ∆V = R.I.cosϕ ± X.I.senϕ onde : ∆V = Queda de tensão [V] R = Resistência [Ω] I = Corrente total [A] ϕ = Ângulo do fator de potência Manual Para Correção do Fator de Potência 09 Diagrama dos Tipos de Instalação M 3~ M 3~ M 3~ M 3~ M 3~ M 3~ M 3~ M 3~ M 3~ M 3~ M 3~ M 3~ Correção individual Correção por grupos de carga Capacitores Correção geral Control Trafo Nota: Tendo-se capacitores instalados na rede para a correção do fator de potência e desejando-se acrescentar cargas não-lineares (CNL) na instalação (porém detectando a presença de harmônicas com percentuais acima dos limites mencionados no ítem 3.2.1.2), deve-se utilizar indutores anti-harmônicas com capacitores de tensão nominal de no mínimo 10% acima da tensão da rede. 3.2.1.2 - Empresa em Projeto Nas instalações em projeto, deve-se levantar os dados das cargas que serão instaladas, a fim de presumir o Fator de Potência da Instalação: 1. Levantar a potência das cargas não lineares e, se estas não ultrapassarem 20% da carga total da fábrica, pode-se corrigir o fator de potência somente com capacitores, pois é pouca a possibilidade de haver problemas com harmônicas na instalação elétrica; 2. Se o total de cargas não lineares ultrapassar 20% da carga total instalada deverá ser efetuada uma medição detalhada dos níveis de harmônicas. Detectando-se a existência de harmônicas na instalação elétrica deve-se obedecer o seguinte critério: - Limite de distorção harmônica individual de tensão deverá ser menor ou igual à 3%; - Limite de distorção total de harmônicas de tensão (THD) deverá ser menor ou igual à 5%. Ultrapassando estes limites deverão ser instalados indutores de proteção anti-harmônicas nos capacitores ou filtros para as harmônicas significativas; (Conforme IEEE Std. 519 “Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Eletrical Power Sistems”); 3. Decidir tecnicamente pelo tipo de correção mais adequada às necessidades da Empresa (3.1); 4. Elaborar o diagrama unifilar das instalações incluindo os capacitores para a correção do fator de potência; 5. Levantamento do ciclo operacional das cargas da empresa que deverão ser separadas em resistivas ou ativas, indutivas lineares e indutivas não lineares; 6. Elaborar curvas de demanda para as potências ativas e reativas. 3.2 - Projeto da Correção do Fator de Potência Para iniciar um projeto de Correção do Fator de Potência deveremos seguir inicialmente duas etapas básicas: 1. Interpretar e analisar os parâmetros elétricos das instalações: nas Empresas em Operação, através das medições efetuadas e nas Empresas em Projeto, através dos parâmetros elétricos presumidos; 2. Ter em mãos e interpretar as especificações técnicas de todos os materiais que serão empregados na execução do projeto. 3.2.1 - Levantamento de Dados: 3.2.1.1 - Empresa em Operação: Dados a serem considerados - Tipo de tarifação; - Demanda contratada; - Fator de potência registrado. Transformador - Tensão no primário; - Tensão no secundário; - Potência nominal; - Potência de curto-circuito; - Grau de ocupação; - Corrente de magnetização; - Impedância; - Cos ϕ. Medições - Medir as tensões e as correntes ( BT ) nas seguintes condições: Carga mínima Carga máxima Aterramento e pára-raio - Tipo - Resistência - Neutro aterrado ( S/N ) - Local do aterramento Conta de energia elétrica (12 meses) 3.2.2 - Determinação da Potência Reativa Considerando as observações descritas no ítem 3.2.1.2, apresentamos um dimensionamento de capacitores para correção do fator de potência que não tenha interferência significativa de harmônicas. Pot.Reat. (kvar) = Pot.Ativa Total (kW) . F (I) onde: F é o fator de multiplicação necessário para a correção do fator de potência existente para o desejado, coletado do Anexo A . η é o rendimento do motor de acordo com a carga aplicada ao eixo. Utilizar a equação I para todos os casos, com exceção de motores onde deverá ser utilizada a equação II. Nota: Para especificação do capacitor, consultar catálogo modelo 911 3.2.3 -Dimensionamento da Potência Reativa para a Correção do Transformador Determina-se a potência do capacitor na correção de transformadores funcionando a vazio, através da seguinte expressão: Qo = ( io . Sn / 100) 2 - Po 2 Onde: Qo é a potência reativa do transformador (kvar) necessá- ria para corrigir seu fator de potência para 1. io é a corrente em vazio (valor em p.u. e em %, ou seja, Io Ins Sn é a potência nominal do transformador (KVA). Io corrente a vazio do transformador em A (dado da placa do fabricante ou fornecido via relatório de ensaio). Ins corrente nominal no secundário do transformador Po potência de perdas a vazio, em kW (dado da placa do fabricante ou fornecido em relatório de ensaio). Obs.: recomendamos a utilização em kvar's de 95% do valor calculado em Qo 3.2.4 - Cálculo da Capacitância do Capacitor C = µF 3.2.5 - Cálculo da Corrente nominal do capacitor Inc = (A) 3.2.6 - Proteções Contra Curto-Circuito Dimensionar para utilização de fusíveis, características gL - gG, conforme a seguinte equação: If = Inc . 1,65 onde: Inf = Corrente calculada do fusível (usar o valor comercial do fusível imediatamente superior); Inc = Corrente nominal do capacitor 3.2.7 - Condutores Utilizar condutores superdimensionados em 1,43 vezes (NBR 5060) a corrente nominal do capacitor e levar em consideração outros critérios tais como: maneira de instalar, temperatura ambiente, etc. 3.2.8 - Dimensionamento da Potência Reativa para a Correção Localizada de Motores Para o cálculo da potência reativa necessária consultar o ítem 3.2.2, equação II. Nota: Cuidados especiais com chaves de partidas estáticas e com motores de alta inércia (vide ítem 5.3). 3.2.9 - Dimensionamento da Potência Reativa para Bancos Automáticos. Para o cálculo da potência reativa necessária consultar o ítem 3.2.2., equação I. a) Quantidade de Estágios: Recomenda-se dividir em estágios de no máximo 25 kvar (380/440V) ou 15 kvar (220V) por estágio do contro- lador, excetuando-se um dos estágios que deve ter a metade da potência em kvar do maior estágio para facilitar o ajuste fino do fator de potência, pois os controladores modernos fazem leitura por varredura, buscando a melhor combinação de estágios em cada situação. Nota: A recomendação de valor máximo para os estágios não é aleatória. Está baseada em aspectos práticos de aplicação e permite que se mantenha as correntes de surto, provocadas pelo chaveamento de bancos (ou módulos) em paralelo, em níveis aceitáveis para os componentes. Estas correntes podem atingir patamares superiores a 100 vezes a corrente nominal dos capacitores, decorrendo daí, todo o tipo de dano que possa ser provocado por altas correntes em um circuito qualquer (atuação de fusível, queima de contatos dos contatores, queima dos resistores de pré-carga, além da expansão da caneca do capacitor, com conseqüente perda deste). b) Proteção com Fusíveis: Idem item 3.2.6. c) Contatores de manobra: Vide ítem 9. d) Proteção contra corrente de surto:Em bancos automáticos com estágios de potência superior a 15 kvar em 220V e 25 kvar em 380/440V, utilizar sempre em série com os capacitores, proteção contra o surto de corrente que surge no momento em que se energiza capacitores. Tal proteção pode ser através da associação de contatores convencionais mais os resistores de pré-carga (vide anexo D) ou através de contator convencional em série com indutores anti-surto (vide ítem e) feitos com os próprios cabos de força que alimentam os capacitores. No caso de se optar pelo uso de indutores, dimensionar o contator convencional para regime AC-6b (vide anexo M). Manual Para Correção do Fator de Potência 10 Pot.Reat. (kvar) = (II) (%carga . Pot.Ativa . F) η .100). Pot. Reat. Capacitiva (kvar) (VFF 2 . 2 . π . f .10-9) Pot. Reat. . (kvar) . 1000 √3 . VFF Onde: XC = Reatância capacitiva VFF = Tensão fase-fase, em volts l = Comprimento do condutor em metros d = Diâmetro do condutor em metros LC = Indutância do cabo XL = 2 . π . f . Lc (Ω) Pot. Reat. Capacitiva (kvar) . 1000 In = ——————————— √3 . VFF Is1 = 100 . In (A) (corrente de surto nominal) VFF . √2 Is2 = ——————— (A) (corrente de surto real) √3 √XL . XC Se Is1 ≥ Is2 o capacitor está devidamente protegido, caso contrário, calcular a indutância necessária para Is1, conforme equação abaixo : √2 . VFF L = C . ———— (µH) √3 . Is1 Conferindo a corrente de surto real com a nova indutância calculada: XL = 2 . π . f . L (Ω) V . √2 Is2 = ———————— (A) √3 . √XL . XC Concluindo assim Is1 ≥ Is2 . Para confecção do indutor L de N espiras, utiliza-se a seguinte expressão : Li . d N = ———————————————— S 3,142 . 10-7 . (D - d - 2 . ———) 2 3,14 onde : Li = indutância do indutor em µH; d = diâmetro externo do cabo em m; S = seção do condutor em m²; D = diâmetro interno do indutor (desejável no mínimo 0,075m ou 75mm). 3.3 - Correção do fator de Potência em Redes com Harmônicas A tarefa de corrigir o fator de potência em uma rede elétrica com harmônicas é mais complexa, pois as harmônicas podem interagir com os capacitores causando fenômenos de ressonância. Harmônicas são freqüências múltiplas da freqüência fundamental (H2 = 120Hz, H3 = 180Hz, H4 = 240Hz, etc) e, na prática, observa-se uma única forma de onda distorcida. 3.3.1 - Origem das Harmônicas As harmônicas têm sua principal origem na instalação de cargas não-lineares cuja forma de onda da corrente não acompanha a forma de onda senoidal da tensão de alimentação. Nos transformadores de força, são conseqüência da relação não linear entre o fluxo de magnetização e a corrente de excitação correspondente. 3.3.2 - Classificação das Harmônicas Atualmente as cargas não lineares são classificadas em três categorias de acordo com a natureza da deformação: a) CATEGORIA 1 – Nesta categoria encontram-se os equipamentos com característica operativa de arcos voltaicos, tais como: fornos a arco, máquinas de solda, lâmpada de descarga e outros. A natureza da deformação da corrente é oriunda da não linearidade do arco voltaico. b) CATEGORIA 2 – Nesta categoria encontram-se os equipamentos de núcleo magnético saturado, tais como: reatores e transformadores de núcleo saturados. A natureza da deformação da corrente é oriunda da não linearidade do circuito magnético. c) CATEGORIA 3 – Nesta categoria encontram-se os equipamentos eletrônicos, tais como: inversores, retificadores, UPS, televisores, microondas, computadores e outros. A natureza da deformação da corrente é oriunda da não linearidade dos componentes eletrônicos. 3.3.3 - Cargas não Lineares São cargas que distorcem a forma de onda de corrente e/ou tensão, tais como: - Conversores / inversores de freqüência; - Acionamentos de corrente contínua; - Retificadores; - Fornos a arco e indução; - Transformadores com o núcleo saturado; - No–Breaks (UPS); - Controladores tiristorizados; - Fontes chaveadas; - Máquinas de solda elétrica; - Lâmpadas Fluorescentes; - Microcomputadores (Centro de processamento de dados), etc. Manual Para Correção do Fator de Potência 11 Pot. Reat. Capac. (kvar) C = ——————————— (µF) 2 . π . f . VFF 2 . 10-9 1 Xc = ———————— (Ω) 2 . π . f . C Lc = 0,2 . l [(2,303 log ( 4 x l ) / d ) – 0,75] (µH) e) Cálculo da Indutância Anti-surto: 2 Manual Para Correção do Fator de Potência 14 3.3.9 - Fluxograma da correção na presença de harmônicas 20% ou mais da carga total é compreendida por CNL*? * Cargas Não Lineares ESTUDO DE HARMÔNICA SE FAZ NECESSÁRIO SIM MEDIÇÃO DE HARMÔNICA NÃO Limites de distorção harmônica total de tensão são inferiores a 5% e no espectro indivi- dual é inferior a3%? IMPEDÂNCIA DA REDE É BAIXA? SIM NÃO A probabilidade de haver ressonância é alta! NÃO Instalação de filtros L-C em derivação localizados junto as fontes harmônicas de porte e, sintonizados em série na freqüência harmônica perturbadora. Se os capacitores produzirem ressonância para as harmônicas geradas, a sua localização ou parte podem ser alteradas para eliminar a ressonância, ou indutor anti-harmônica podem ser adicionado em série para dessinto- nizá-los na freqüência perturbadora de ressonân- cia. Torna-se necessário o uso de capacitores com tensão reforçada. OU REALIZAR NOVAS MEDIÇÕES É muito pouca a probabilidade de haver ressonância. SIM Recomendamos o uso de capacitores c/ ten- são reforçada para garantir maior vida útil. FIM SISTEMAS ELÉTRICOS INDUSTRIAIS EM OPERAÇÃO NA PRESENÇA DE HARMÔNICAS 4 - CUIDADOS NA APLICAÇÃO DE CAPACITORES a) Tensão elevada: - Junto a transformadores poderão ser submetidos a acréscimos de tensão nos períodos de baixa carga; - Harmônicas na rede (vide ítem 3.3.1); - Ressonância paralela (vide ítem 3.3.7). b) Corrente de Surto: - Manter a corrente de surto menor que 100 vezes a corrente nominal (vide ítem 3.2.9); - Tempo de chaveamento muito pequeno poderá elevar a tensão no capacitor, provocando danos (redução da vida útil). c) Harmônicas na Rede Elétrica: - Evitar ressonância série (aumento da corrente) e ressonância paralela (aumento da tensão) (vide ítem 3.3.7). d) Temperatura: - Não deve ultrapassar o limite máximo do capacitor. - Máximo: 50o C; - Média 24h: 40o C; - Média anual: 30o C; conforme IEC. e) Terminais do Capacitor: ATENÇÃO! - Não utilizar os terminais das células para fazer interligação entre si, pois assim a corrente que circula nos terminais aumenta, aquece os terminais e provoca vazamento nas células. 4.1 - Interpretação dos principais parâmetros dos capacitores a) Temperatura de operação: São os limites de temperatura das células, montadas dentro dos capacitores. Não confundir com temperatura ambiente. b) Máxima Tensão Permissível (IEC 831/1): 1,0 . Vn - Duração Contínua – Maior valor médio duran- te qualquer período de energização do Banco. 1,1 . Vn - Duração de 8h a cada 24h de operação (não contínuo) – Flutuações do sistema. 1,15 . Vn - Duração de 30 min a cada 24h de operação (não contínuo) – Flutuações do sistema. 1,20 . Vn - Duração de 5 min (200 vezes durante a vida do capacitor) – Tensão a carga leve. 1,30 . Vn - Duração de 1 min (200 vezes durante a vida do capacitor) Obs: Causas que podem elevar a tensão nos terminais dos capacitores: - Aumento da tensão da rede elétrica; - Fator de potência capacitivo; - Harmônicas na rede; - Descargas atmosféricas; - Mau contato nos cabos e fusíveis; - Tempo de religamento (banco automático) muito curto; - Ligar e desligar os capacitores, sem respeitar o tempo de religação mínimo (linha MCW e BCW igual a 305 e linha UCW-T igual a 3 min.). c) Máxima Corrente Permissível: (1,30 . In) É a corrente máxima permitida, considerando os efeitos das harmônicas e a sobre-tensão por curtos períodos de tempo (não confundir com corrente nominal). Ver ítem 3.3.6 d) Taxa de Variação da Tensão Máxima (dv/dt): Este parâmetro informa o limite máximo da taxa da variação de tensão no capacitor em V/ms. e) Perdas Joule por kvar: Esse dado é importante para dimensionar a temperatura interna de banco de capacitores. f) Corrente de pico Transitória Máxima: (100 . In) É a máxima corrente de surto na energização do capacitor (ver ítem 3.2.10). NOTA: Deve-se ter um cuidado especial com o instrumento de medição utilizado que deve ser do tipo True RMS (vide ítem 3.3.6) g) Utilização de capacitores com tensão nominal reforçada, ou seja, acima do valor de operação da rede: - Capacitor com Vn de 380V/60Hz em rede de 220V/ 60Hz: a potência nominal do mesmo fica reduzida em 2202 / 3802 = 0,335, ou seja, em 66,5%; - Capacitor com Vn de 440V/60Hz em rede de 380V/ 60Hz: a potência nominal do mesmo fica reduzida em 3802 / 4402 = 0,746, ou seja, em 25,4%. - Capacitores com Vn de 480 V/60Hz em redes de 440V/60Hz: a potência nominal do capacitor fica reduzida em 4402 / 4802 = 0,84 , ou seja, em 16%. Nota: é necessário sobredimensionar a potência nominal dos capacitores dividindo a mesma pelo fator de redução. 5 - CUIDADOS NA INSTALAÇÃO DE CAPACITORES 5.1 - Local da Instalação - Evitar exposição ao sol ou proximidade de equipamentos com temperaturas elevadas; - Não bloquear a entrada e saída de ar dos gabinetes; - Os locais devem ser protegidos contra materiais sólidos e líquidos em suspensão (poeira, óleos); - Evitar instalação de capacitores próximo do teto (calor); - Evitar instalação de capacitores em contato direto sobre painéis e quadros elétricos (calor); - Cuidado na instalação de capacitores próximo de cargas não lineares (vide ítem 3.3.3). Manual Para Correção do Fator de Potência 15 5.2 - Localização dos Cabos de Comando - Os cabos de comando deverão estar preferencialmen- te dentro de tubulações blindadas com aterramento na extremidade do Controlador Automático do Fator de Potência. 5.3 - Cuidados na Instalação Localizada - Alguns cuidados devem ser tomados quando se decide fazer uma correção de fator de potência localizada: a) Cargas com alta inércia: Ex:Ventiladores, bombas de recalque, exaustores, etc. Deve instalar-se contatores para a comutação do capacitor, pois o mesmo quando é permanentemente ligado a um motor, podem surgir problemas quando o motor é desligado da fonte de alimentação. O motor ainda girando irá atuar como um gerador e fazer surgir sobretensão nos terminais do capacitor. Pode-se dispensar o contator para o capacitor, desde que sua corrente nominal seja menor ou igual a 90% da corrente de excitação do motor (NBR 5060). b) Inversores de Freqüência: Inversores de freqüência que possuam reatância de rede conectada na entrada dos mesmos, emitirão baixos níveis de freqüências harmônicas para a rede. Se a correção do fator de potência for necessária, aconselha-se a não instalar capacitores no mesmo barramento de alimentação do(s) inversor(es). Caso contrário, instalar em série com os capacitores Indutores Anti-harmônicas. c) Soft-starter: Deve-se utilizar um contator protegido por fusíveis retardados (gL-gG) para manobrar o capacitor, o qual deve entrar em operação depois que a soft-starter entrar em regime. É sempre importante medir as harmônicas de tensão e corrente se o capacitor for inserido no mesmo barramento da soft-starter. 6 - MANUTENÇÃO PREVENTIVA 6.1 - Periodicidade e Critérios para Inspeção a) Mensal - Verifique visualmente em todas as Unidades Capacitivas se houve atuação do dispositivo de segurança interno, indicado pela expansão da caneca de alumínio no sentido longitudinal. Caso positivo, substituir por outra com a mesma potência; - Verifique se há fusíveis queimados. Caso positivo, tentar identificar a causa antes da troca. Usar fusíveis com corrente nominal indicada no Catálogo; - Verificar o funcionamento adequado dos contatores; - Nos bancos com ventilação forçada, comprovar o funcionamento do termostato e do ventilador. Medir a temperatura interna (máxima de 450C); - Medir a tensão e a corrente das unidades capacitivas; - Verificar o aperto das conexões (fast-on) dos capacitores. Obs.: Sempre que um terminal tipo "fast-on" for desconectado, deverá ser reapertado antes de ser reconectado. b) Semestral - Efetuar limpeza completa do armário metálico interna e externamente, usando álcool isopropílico; - Repetir todos os procedimentos do ítem anterior (mensal); - Reapertar todos os parafusos dos contatos elétricos e mecânicos; - Medir a temperatura dos cabos conectados ao contator; - Verificar estado de conservação das vedações contra a entrada de insetos e outros objetos. - Instalação dos cabos de sinal de corrente e tensão muito próximos ao barramento (<50cm), causando interferências eletromagnéticas. - Defeito de fabricação do controlador, ou seja, controlador de baixa qualidade. Obs: Cuidar com o repique (rápida abertura e fechamento dos contatos de saída) que pode ocorrer no controlador, provocando com isso queima dos indutores de pré-carga dos contatores e expansão dos capacitores. 7 - PRINCIPAIS CONSEQÜÊNCIAS DA INSTALAÇÃO INCORRETA DE CAPACITORES I - Queima do Indutor de Pré-Carga do Contator Especial Causa: - Repique do contator, que pode ser causado pelo repique do controlador. II - Queima de Fusíveis Causas: - Harmônicas na rede, gerando ressonância série, provocando sobrecorrente; - Desequilíbrio de tensão; - Fusíveis ultra-rápidos (usar fusível retardado); - Aplicar tensão em capacitores ainda carregados. III - Expansão da Unidade Capacitiva Causas: - Repique no contator que pode ser causado pelo repique do controlador ; - Temperatura elevada; - Tensão elevada; - Corrente de surto elevada (> 100 . In); - Descargas atmosféricas; - Chaveamento de capacitores em bancos automáticos sem dar tempo (30 ou 180s) para a descarga dos capacitores; - Final de vida. IV - Corrente Especificada Abaixo da Nominal. Causas: - Tensão do capacitor abaixo da nominal; - Células expandidas. Manual Para Correção do Fator de Potência 16