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.

cos φ =

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.

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.

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 dealimentação 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.

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.

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 anexa, pode-se calcular facilmente a potência dos condensadores ou do equipamento necessário para corrigir a instalação.

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 = 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 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.

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 DESTESEQUIPAMENTOS 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

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 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

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ESQUEMA DE LIGAÇÃO DE UM TRANSFORMADOR DE INTENSIDADE