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FACTOR DE POTÊNCIA Pesquisa

CORRECÇÃO DO FACTOR DE POTÊNCIA DE UMA INSTALAÇÃO ELÉCTRICA

Sobre o custo da energia eléctrica inside, consideravelmente, a penalização por baixofactor de potência (Cos φ) de acordo com o contrato com o fornecedor de energiaeléctrica. Principalmente por isto, mas também por outras importantes razões, surgea necessidade de corrigir o Cos φ da instalação.

A correcção é uma técnica que, melhorando o factor de potência da máquina, permitea utilização racional da energia, realizando importantes poupanças económicas eimportantes melhoramentos técnicos.

As vantagens económicas são tanto mais importantes quanto maior é o consumo deenergia eléctrica.

O BAIXO FACTOR DE POTÊNCIA

O factor de potência envolve a relação de dois tipos de potência: a potência activa e a potênciareactiva.

A maior parte das cargas, no actual sistema eléctrico de distribuição, são indutivas. Isto significaque, para funcionarem, necessitam de um campo electromagnético e de receber da rede doistipos de potência:

Potência Activa : responsável pelo trabalho, calor, força, movimento, etc..

Potência Reactiva: produz apenas o campo electromagnético necessário ao funcionamento damáquina.

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 potênciaaparente referida à fundamental; esta relação pode variar entre 0 e 1.

Cos φ=

A figura 1 representa estas formas de potência e a figura 2 exemplifica como a potência reactivapode não ser fornecida pelo distribuidor de energia eléctrica, mas sim por equipamentos comcondensadores.

Fig. 1 Fig. 2

RAM 415

CAM H

CAM HC

CAM HAG

CFM HC

CFT HC

BCF HC

REGULADORES

ANALISADORES

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No caso de carga indutiva verifica-se um desfasamento entre a curva da tensão e a deintensidade em que a intensidade está em atraso relativamente à tensão, atingindo os seusvalores 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 datensão e da intensidade de uma carga resistiva, perfeitamente em fase e a figura C com umacarga capacitiva com a sinusoide da intensidade avançada relativamente à tensão.

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 deenergia 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 umainstalação eléctrica é o de ligar condensadores em paralelo com a carga.

Os condensadores funcionam como geradores de energia reactiva, fornecendo ás máquinaseléctricas toda a energia reactiva necessária para manter o campo electromagnético.

Na prática, os condensadores têm a propriedade de "absorver" uma intensidade que está emantecipação de 90º relativamente à tensão, comportando-se como um verdadeiro gerador de

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antecipação de 90º relativamente à tensão, comportando-se como um verdadeiro gerador deenergia 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, doexcedente de energia reactiva consumida.

Pelo diagrama verificamos, por exemplo, que uma máquina ou um quadro eléctrico que estejacom 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 efectivamenteutiliza.

Por exemplo: Numa instalação com o Cos φ = 0,7 indutivo, apenas 70 % da potência fornecidapelo transformador do P.T., é utilizada para produzir trabalho útil, enquanto o restante é energiareactiva solicitada pela máquina para criar campos electromagnéticos.

Com a carga perfeitamente corrigida Cos φ = 1, portanto com a energia reactiva fornecida porcondensadores, 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 dovalor 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 interrompemo ciclo produtivo.

ONDE CORRIGIR UMA INSTALAÇÃO

Os condensadores podem ser instalados em qualquer ponto da rede eléctrica que possuamáquinas eléctricas com baixo factor de potência, porém, o local exacto deverá ser devidamenteponderado em função de razões técnicas e razões económicas.

Numa industria o n.º de motores eléctricos ou máquinas de carga indutiva pode ser elevado ecada 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 transformadorde 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 tensãoquando 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 sercorrigida além do Cos φ = 1, para evitar sobrecompensação, os quais podem dar origem a gravesdesequilíbrios na rede, tais como, perigosos aumentos de tensão, sobrecargas de intensidade nalinha e nos aparelhos de distribuição.

Todos estes problemas são resolvidos com a correcção centralizada, que consiste na montagemde 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 reactivados 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 emserviço e aguarda um novo ciclo de trabalho.

Esta solução designada por correcção centralizada, é a mais económica, mas, tecnicamente amenos correcta.

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Tg φCos φ da

instalação

Cos φ Pretendido

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

menos correcta.

A solução que preconizamos é uma solução mista:

Corrigindo pontualmente os motores de maior potência, actuando, preferencialmente, nosquadros eléctricos que os alimentam.

Corrigindo os quadros parciais de maiores cargas e/ou os quadros mais distantes, e osmais 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 potênciado 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 doCos φ indicados nas facturas do fornecedor de energia. Se este valor não estiver disponível, serásuficiente aplicar a fórmula a seguir indicada, a qual permite encontrar o Cos φ conhecendo oconsumo de energia activa (Kwh) (horas cheias + horas de ponta) e o consumo de energiareactiva (Kvarh) (horas fora do vazio).

Estes valores estão sempre disponíveis na factura mas também é possível utilizar as leituras doscontadores durante um período suficiente (1 mês), conhecendo eventuais factores demultiplicação dessas leituras.

Em que: Energia Activa = Energia Activa (Horas Cheias + Horas de Ponta)

Exemplo:

Energia Activa Horas Cheias = 14.140 kWh

Energia Activa Horas Ponta = 5.660 kWh

Energia Activa Total = 19.800 Kwh

Energia Reactiva Fora do Vazio = 20.770 Kvarh

Consultando a tabela seguinte, pode-se calcular facilmente a potência dos condensadores ou doequipamento necessário para corrigir a instalação.

Em correspondência ao valor doCos φ da instalação e do valor doCos φ que queremos atingir,encontramos um coeficiente (F), oqual multiplicado pela potênciamáxima da instalação em Kw, dá-nos o valor da potência doscondensadores em Kvar.

Façamos um exemplo de umutilizador que tem uma potênciamáxima de 110 Kw, um Cos φ de0,69 e calculemos não só apotência do equipamentonecessário mas também apoupança que se obtém com estacorrecção.

Dados retirados da factura:

Potência máxima Kw = 110

Factor de potência Cos φ = 0,69

Energia activa consumida Kwh =19.800

Energia Reactiva consumida Kvarh= 20.770

Energia Reactiva paga Kvarh =12.850

Penalização por baixo Cos φ € =159,34

Cálculos:

Potência necessária para corrigirpara 0,95

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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

Cos φ da instalação = 0,69

Cos φ pretendido = 0,95

Factor F (da tabela) = 0,72

Potência do Equipamento = 0,72 x110 = 79,2 Kvar = 80 Kvar

Penalização Anual estimada = 12 x159,34 € = 1.912,08 €

Custo de um equipamento de 80Kvar previsto para THC < 40 %

CAM H 80 KVAr 1.720,00 €

O cálculo efectuado demonstracomo o custo do equipamento éamortizado em menos de 1 ano.

CORRECÇÃO EM PRESENÇA DEHARMÓNICOS

Antes de escolher o equipamentoautomático de correcção, énecessário certificar-se daexistência ou não, de harmónicospara evitar a sobrecarga da bateriade condensadores.

Portanto é indispensável verificar aexistência, na instalação, de certosequipamentos que possam gerareste fenómeno, como por exemploU.P.S., fornos a arco, motores develocidade variável, trefiladoras,transformadores saturados.

Um equipamento não dimensionadoadequadamente, numa instalaçãocom carga deste tipo, ficaradanificada e rapidamente fora deserviço ou completamentedestruída.

ESCOLHA DO EQUIPAMENTO

A vida dos condensadores dependeda opção tomada no momento dacompra e deve atender àsseguintes condições de trabalho:

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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

Existência de harmónicos na instalação provocados por variadores de velocidade, UPS, iluminaçãode potência significativa e outras máquinas, que provocam sobrecargas de intensidade noscondensadores (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 sobrecargaharmónica 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 120

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

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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

COMO SE CALCULA A POTÊNCIA DOS CONDENSADORES PARA CORRIGIR UM MOTORASSÍNCRONO

A potência do condensador não deve superar apotência reactiva em vazio, do motor, devido aorisco de fenómenos de auto excitação e deressonância entre o condensador e a indutânciado motor.

A potência reactiva absorvida por um motordepende de vários factores, tais como: potêncianominal, carga do motor, frequência, velocidadede rotação, tensão, etc..

Geralmente, para evitar um factor de potênciacapacitivo, determina-se a corrente reactiva docondensador para 90 % da corrente em vazio domotor.

Se este dado não estiver disponível, podemoscorrigir, correctamente, com um condensador depotência de 25 % da potência aparente do motor(potência em KVA).

Os equipamentos da série CFM foramexpressamente concebidos para esta aplicação.

COMO SE CALCULA A POTÊNCIA DOS CONDENSADORES PARA CORRIGIR UMTRANSFORMADOR DE POTÊNCIA

A potência reactiva de um transformador,relativamente à sua potência nominal, é muitoinferior à de um motor assíncrono, porque aindutância de um transformador é elevadadevido ao circuito electromagnético.

O Condensador tem como objectivo corrigir aintensidade magnetizante do transformador queserve para criar uma campo magnético ao seufuncionamento. Em geral, porque o condensadordeve compensar unicamente a corrente emvazio fortemente desfasada, deverá serutilizado um condensador com uma intensidadede cerca de 90 % da intensidade em vazio dotransformador.

Se este dado não estiver disponível, pode-secompensar, correctamente, com umcondensador de potência com 3 a 5 % dapotência aparente do transformador.

Os equipamentos da série CFT foramconcebidos especialmente para esta aplicação.

COMO CORRIGIR CORRECTAMENTE O FACTOR DE POTÊNCIA DE UMA MÁQUINA DESOLDAR POR PONTOS

As máquinas de soldar estáticas são constituídas por

um transformador de forte dispersão de fluxomagnético e cujo o factor de potência tem um valoraltamente variável, geralmente entre Cos φ 0,25 eCos φ 0,50.

Valores assim baixos são devidos à forte reactânciado braço do porta eléctrodos e à distorção da formade onda.

O primário do transformador permanece sempre emtensão e a carga é fortemente variável. Por estarazão estamos na presença de um transformadorque geralmente trabalha em vazio ou a baixa cargacom consequente factor de potência muito baixo.

Um notável melhoramento das condições de trabalhodestas máquinas, consegue-se com a instalação deum condensador, cuja potência será correspondentea 30 a 40 % da potência aparente da máquina desoldar.

ESQUEMA DE LIGAÇÃO DE UM TRANSFORMADOR DEINTENSIDADE

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INTENSIDADE

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