Correção do Fator de Potência em Eletrotécnica

ELETROTÉCNICA Diogo Braga da Costa Souza Catalogação na publicação Poliana Sanchez de Araujo CRB 102094 S719e Souza Diogo Braga da Costa Eletrotécnica recurso eletrônico Diogo Braga da Costa Souza Rodrigo Rodrigues Porto Alegre SAGAH 2017 Editado como livro em 2017 ISB N 9788595020559 1 Eletrotécnica 2 Engenharia elétrica I Rodrigues Rodrigo II Título CDU 6213 LivroEletrotecnicaindb II LivroEletrotecnicaindb II 06032017 152013 06032017 152013 Correção do fator potência Objetivos de aprendizagem Ao final deste texto você deve apresentar os seguintes aprendizados Conceituar as grandezas e as características das cargas que interferem no fator de potência Dimensionar os elementos para correção do fator de potência Defi nir as vantagens da correção do fator de potência Introdução Um sistema com fator de potência controlado isto é que possui valor quase unitário possibilita a otimização do sistema elétrico da instala ção Isso diminui a taxa de ocupação do sistema de distribuição interna adiando investimentos e evitando a cobrança do consumo de potência reativa que é uma taxa cobrada caso o fator de potência seja menor que o valor determinado pelo órgão nacional responsável No Brasil o valor mínimo do fator de potência definido pela Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL é 092 Neste capítulo você vai conhecer os benefícios e as necessidades da aplicação dos métodos de correção do fator de potência e aprender a dimensionar os equipamentos para tal finalidade Características gerais do fator de potência O fator de potência FP é a grandeza referente à relação entre a potência ativa e a potência aparente Lembrese quanto maior for essa relação maior será a igualdade entre as duas potências O triângulo de potências da Figura 1 ilustra bem esta grandeza na qual o ângulo φ representa o seu ângulo EletrotecnicaU04C02indd 219 EletrotecnicaU04C02indd 219 06032017 152154 06032017 152154 Figura 1 Triângulo de potências No triângulo de potências todas as relações trigonométricas para o triângulo retângulo são válidas o que permite o relacionamento entre as potências e o ângulo do FP NAHVI EDMINISTER 2014 Onde S potência aparente kVA P potência ativa kW Q potência reativa kVAr φ Ângulo do fator de potência Potência aparente A potência aparente é a potência total de consumo da carga formada pela soma vetorial das potências ativa e reativa Essa potência possui um módulo e um ângulo o qual é referente ao fator de potência Sua unidade é o voutampère VA NAHVI EDMINISTER 2014 Para obter o módulo da potência aparente em circuitos monofásicos você utiliza a seguinte fórmula Onde V tensão de alimentação da carga I corrente total do sistema E para expressar essa grandeza você utiliza a seguinte fórmula Eletrotécnica 220 EletrotecnicaU04C02indd 220 EletrotecnicaU04C02indd 220 06032017 152155 06032017 152155 Potência ativa A potência ativa é a potência que é transformada em trabalho como emissão de luz geração de calor movimentação de cargas entre outros tipos de trabalhos Sua unidade é o watt W NAHVI EDMINISTER 2014 Com o levantamento de sua relação no triângulo de potências da Figura 1 esta grandeza é obtida por Potência reativa A potência reativa é a potência elétrica que não produz trabalho útil mas que é capaz de produzir potência ativa Esse tipo de potência é ocasionado por instalações que possuam cargas com características reativas capacitivas ou indutivas Sua unidade é o voutampère reativo VAr NAHVI EDMI NISTER 2014 Com o levantamento de sua relação no triângulo de potências da Figura 1 esta grandeza é obtida por Cargas resistivas As cargas resistivas são aquelas que possuem valor de FP unitário ou seja toda sua potência demandada é ativa Assim a potência aparente possui o mesmo valor da potência ativa conforme representado na Figura 2 MARKUS 2001 Figura 2 Triângulo de potências quando FP 1 Você já deve conhecer alguns exemplos de cargas puramente resistivas como as resistências de aquecimento chuveiro e a lâmpada incandescente cujo filamento é uma resistência de tungstênio 221 Correção do fator potência EletrotecnicaU04C02indd 221 EletrotecnicaU04C02indd 221 06032017 152155 06032017 152155 Cargas indutivas As cargas indutivas são cargas formadas por bobinas comumente presentes em transformadores e motores o que proporciona o consumo de potência reativa indutiva atrasando a corrente em relação à tensão As cargas elétricas comuns com essa característica não são puramente indutivas fazendo o fator de potência ter um valor menor que 1 mas não zero MARKUS 2001 Figura 3 Diagrama fasorial de uma carga indutiva Cargas capacitivas As cargas capacitivas são cargas que atrasam a tensão em relação à cor rente nos sistemas elétricos Em sua maioria essas cargas são constituídas com equipamentos que possuem capacitores de entrada como as fontes de alimentação presentes em computadores e lâmpadas LED Outra carga capacitiva muito usual é a aplicação de capacitores para correção do fator de potência Como estes componentes possuem apenas a finalidade de correção eles consomem teoricamente apenas potência ativa MARKUS 2001 As cargas elétricas com características capacitivas possuem valor de fator de potência menor que 1 Eletrotécnica 222 EletrotecnicaU04C02indd 222 EletrotecnicaU04C02indd 222 06032017 152155 06032017 152155 Figura 4 Diagrama fasorial de uma carga capacitiva Os elementos elétricos com características resistivas transformam toda energia elétrica entregue em trabalho No entanto essa característica não garante que este tipo de elemento possua alto rendimento ela apenas determina que toda potência demandada é ativa Por isso não confunda fator de potência com rendimento Cálculo da correção do fator de potência A correção do fator de potência é realizada pela inserção de um componente elétrico cujo consumo de potência reativa seja o contrário do consumo reativo do sistema Ou seja em sistemas cujo FP é demasiado indutivo você deve inserir cargas capacitivas Em sistemas com FP muito capacitivo você precisa inserir cargas indutivas Estes elementos de correção de FP muitas vezes não realizam trabalho de conversão de energia sendo então instalados apenas com a fi nalidade da correção do FP Outra característica do cálculo do fator de potência é que não é necessária a correção de toda a potência reativa do sistema O objetivo aqui é que seu valor alcance um valor permitido conforme a legislação vigente Na correção do fator de potência não ocorre a variação da potência ativa do circuito mas sim a variação da potência reativa Assim a correção tem a finalidade justamente de fazer essa redução MARKUS 2001 223 Correção do fator potência EletrotecnicaU04C02indd 223 EletrotecnicaU04C02indd 223 06032017 152155 06032017 152155 Para determinar o valor da potência reativa a ser corrigida você deve calcular o valor da potência reativa do circuito atual e depois subtrair do valor da potência reativa com o fator de potência que deve ser alcançado Considerando que Em que Qc potência reativa de correção P1 Q1 S1 φ1 são as grandezas iniciais do circuito sem a correção P2 Q2 S2 φ2 são as grandezas finais do circuito após a correção A maioria dos capacitores aplicados na correção do FP é dimensionada pelo valor da tensão de aplicação e pela potência ativa a ser compensada Assim o cálculo da capacitância do capacitor é necessário apenas quando o elemento de correção utilizar capacitores não dedicados a essa finalidade Com o valor da potência reativa de correção é possível obter o calor da reatância do elemento de correção logo sua especificação Como o tipo de correção mais comum é o de excedentes reativos indutivos você vai ver a seguir o método de obtenção da capacitância de correção Em que Xc reatância capacitiva necessária para compensação do FP C capacitância para correção do FP f frequência da rede Eletrotécnica 224 EletrotecnicaU04C02indd 224 EletrotecnicaU04C02indd 224 06032017 152155 06032017 152155 Correção de FP em circuitos trifásicos Em circuitos trifásicos a correção do fator de potência é realizada por meio de um banco de capacitores Este elemento é constituído de no mínimo três capacitores iguais para que não haja desequilíbrio de correção entre as fases MARKUS 2001 Para o cálculo dos elementos de correção você deve prestar atenção ao nível de tensão aplicada em cada capacitor Lembrese de que a tensão de linha tensão entre fases pode não ser igual à tensão de fase tensão direta no capacitor se o banco estiver ligado em estrela Lembrese ainda de que as potências trifásicas são aplicadas em todo o sistema de compensação Assim você precisa transformar essas potências em potências monofásicas potências em cima de cada capacitor utilizando para isso a seguinte fórmula Onde P1 potência monofásica P3 potência trifásica Um dispositivo Z de FP 07indutivo e consumo de 24kW é alimentado por um gerador monofásico CA 127 V60 Hz Determine o valor da capacitância de correção do FP para o valor de 092 Resolução Esse valor obtido não é comercial e para uma escolha segura você deve escolher o capacitor com valor comercial acima do calculado cuja tolerância não permita que o FP seja menor que o valor estipulado 225 Correção do fator potência EletrotecnicaU04C02indd 225 EletrotecnicaU04C02indd 225 06032017 152155 06032017 152155 Vantagens da correção do fator de potência O controle do valor do FP em valores próximos a 1 proporciona uma série de vantagens à instalação elétrica da empresa Essas vantagens estão relaciona das à redução da corrente que circula nos seus condutores de alimentação e representam eficiência no consumo de energia elétrica adiamento de investimentos na instalação redução no custo de instalação de equipamentos principalmente refe rente a cabeamentos redução da perda joulica nos condutores da instalação menor queda de tensão no sistema melhorando assim a qualidade da energia Vamos verificar essa redução em um exemplo simples de uma instalação trifásica com tensão de alimentação 220 V cujo consumo é de 100 Kw Seu FP é igual a 075 e desejamos corrigilo para 095 Nesse exemplo há uma redução de 7367 A no valor da corrente elétrica gerando uma redução de perdas joulicas nos cabos perdas relacionadas à resistência dos cabos Pj R I2 de aproximadamente 38 A seção do cabo no melhor caso é reduzida de 150 para 95 mm² WEG 2015 As vantagens econômicas são visíveis para a empresa principalmente na redução do custo da energia elétrica devido à isenção da cobrança do con sumo de potência reativa No Brasil de acordo com a Resolução Normativa nº 414 de 9 de setembro de 2010 da Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL atualizada em alguns aspectos pela Resolução Normativa nº 569 de 23 de julho de 2013 as concessionárias de energia podem cobrar o consumo reativo de instalações cujo FP alcance valores menores que 092 no período de consumo de consumidores que recebem níveis de tensão acima de 23 kV os denominados consumidores classe A AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA 2015 Eletrotécnica 226 EletrotecnicaU04C02indd 226 EletrotecnicaU04C02indd 226 06032017 152156 06032017 152156 Para a concessionária de energia elétrica além das vantagens comuns em relação à empresa é possível WEG 2015 obter um menor custo de geração reduzir a taxa de ocupação das redes de transmissão e de distribuição proporcionar uma maior entrega de potência ativa aos consumidores Para saber mais sobre os cuidados na aplicação e instalação de capacitores para a correção do fator de potência leia o Manual para Correção do Fator de Potência WEG 2015 1 Marque a opção que contém um possível problema ocasionado pelo baixo valor do fator de potência de uma instalação a A ocorrência de uma elevação do valor da potência ativa da instalação b A corrente elétrica de alimentação é menor que a necessária para o fornecimento de potência ativa c Redução das perdas joulicas nos condutores elétricos da instalação d A isenção do pagamento do excedente de consumo de potência reativa e Superdimensionamento de condutores para a instalação elétrica 2 A instalação elétrica de uma empresa apresenta consumo mensal de 17 MW com fator de potência indutivo 0866 Qual é o valor da potência reativa a ser compensada e qual tipo de elemento deve ser instalado para a correção do fator de potência para o valor de 092 a Instalação de elemento capacitivo que compense uma potência reativa de aproximadamente 982 kVAr b Instalação de elemento indutivo que compense uma potência reativa de aproximadamente 982 kVAr c Instalação de elemento capacitivo que compense uma potência reativa de aproximadamente 257 kVAr d Instalação de elemento indutivo que compense uma potência reativa de aproximadamente 257 kVAr 227 Correção do fator potência EletrotecnicaU04C02indd 227 EletrotecnicaU04C02indd 227 06032017 152156 06032017 152156 e Instalação de elemento capacitivo que compense uma potência reativa de aproximadamente 724 kVAr 3 Especifique o capacitor necessário para corrigir o fator de potência para 095 de um motor monofásico com as seguintes especificações V 127 V I 20 A F 60 Hz e FP 085 a C 22005 uF 127 V b C 10335 127 V c C 10335 uF 220V d C 6879 uF 220 V e C 22005 uF 220 V 4 Um sistema trifásico com especificações 220 V 25 A 60 Hz e FP indutivo 089 necessita de capacitores para correção do fator de potência para o valor de 092 Sabendo que no estoque da empresa só existem capacitores para 127 V determine qual é o fechamento dos capacitores e qual é a capacitância necessária para essa finalidade a Fechamento estrela de três capacitores de 23805 uF b Fechamento triângulo de três capacitores de 7935 uF c Fechamento estrela de três capacitores de 4011 uF d Fechamento triângulo de três capacitores de 7935 uF e Fechamento estrela de três capacitores de 23812 uF 5 De acordo com os métodos usuais de correção do fator de potência marque a opção correta a Para correção de fator de potência indutivo não é possível a aplicação de motores síncronos pois estes se comportam sempre como carga indutiva b Instalações em que são utilizados poucos motores e muitos computadores as lâmpadas de LED possuem fator de potência tendencialmente indutivo c Para correção de fator de potência indutivo é possível a aplicação de motores síncronos pois estes se comportam sempre como carga capacitiva d Os capacitores são utilizados para correção do fator de potência em instalações nas quais o fator de potência é indutivo sendo que esse componente não permite uma correção linear do fator de potência pois os bancos de capacitores utilizados não possuem capacitâncias variáveis e Os capacitores são utilizados para correção do fator de potência em instalações nas quais o fator de potência é capacitivo sendo que esse componente não permite uma correção linear do fator de potência pois os bancos de capacitores utilizados não possuem capacitâncias variáveis Eletrotécnica 228 EletrotecnicaU04C02indd 228 EletrotecnicaU04C02indd 228 06032017 152156 06032017 152156 AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA Condições gerais de fornecimento de energia elétrica Brasília ANEEL 2015 Disponível em httpwww2aneelgovbr arquivosPDFREN2010414TextoAtualizadoCompactorev6702015pdf Acesso em 07 jan 2017 AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA Resolução Normativa nº 414 de 9 de setembro de 2010 Brasília ANEEL 2010 Disponível em httpwwwaneelgov brdocuments65687714486448bren2010414pdf3bd3329726f94ddf94c3 f01d76d6f14aversion10 Acesso em 07 jan 2017 AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA Resolução Normativa nº 569 de 23 de julho de 2013 Brasília ANEEL 2013 Disponível em httpwww2aneelgovbraplicacoes audienciaarquivo2012065resultadoren2013569pdf Acesso em 26 jan 2017 MARKUS O Circuitos elétricos corrente contínua e corrente alternada São Paulo Érica 2001 NAHVI M EDMINISTER J A Circuitos elétricos 5 ed Porto Alegre Bookman 2014 Coleção Schaum WEG Manual para correção do fator de potência Jaraguá do Sul WEG 2015 Disponível em httpecatalogwegnetfileswegnetWEGcorrecaodofatordepotencia958 manualportuguesbrpdf Acesso em 05 jan 2017 Leitura recomendada PEREIRA R F et al Correção do fator de potência estudo de viabilidade da implantação de um banco capacitor em uma empresa de mineração localizada em Cataguases MG In ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO 35 Fortaleza Anais Fortaleza ENEGEP 2015 Disponível em httpwwwabeproorgbrbiblioteca TNSTP21426727339pdf Acesso em 07 jan 2017 229 Correção do fator potência EletrotecnicaU04C02indd 229 EletrotecnicaU04C02indd 229 06032017 152156 06032017 152156 Encerra aqui o trecho do livro disponibilizado para esta Unidade de Aprendizagem Na Biblioteca Virtual da Instituição você encontra a obra na íntegra