Para ajudar nossos leitores que lidam com excesso de potência reativa na planta industrial, vamos comentar sobre pontos chave para fazer a correção do fator de potência.

  1. Primeiro definiremos o que é o fator de potência, com referências legislativas e teóricas;
  2. Depois citaremos quais são os impactos de ter um fator de potência baixo para sua instalação;
  3. Por fim, mostraremos os meios pelos quais é feita a correção do fator de potência, inclusive deixando sugestões de equipamentos para te ajudar na especificação.

Fator de potência: definições básicas

Para conceituar o fator de potência, precisamos falar dos tipos de potência existentes: potência ativa, reativa e aparente.

Uma boa analogia é o belo copo de cerveja a seguir:

Esse copo está dividido em duas partes: a cerveja e a espuma formada acima.

  • A potência ativa (em kW) é representada pela parte amarela da cerveja. Essa potência é gerada por cargas resistivas, como lâmpadas e resistências, e transformada em trabalho.
  • A potência reativa (em kVAr) é representada pela espuma. É gerada por cargas indutivas ou capacitivas, com as indutivas sendo as mais comuns na indústria. Exemplos de cargas indutivas: motores elétricos de indução, transformadores, solenoides, bobinas de contator.
  • Potência Aparente (em kVA): representada pelo copo todo, porém a potência aparente não é a soma das demais potências. Veja a definição abaixo:

E, finalmente, o fator de potência é a divisão da potência ativa pela potência aparente.

Se o fator de potência é igual a 1, é porque só existe potência ativa na instalação.

Portanto haveria uma compensação entre as cargas indutivas e capacitivas, de acordo com o triângulo de potência.

TRIANGULO DE POTENCIA

Um fator de potência de 0,95, por exemplo, pode ser atrasado (indutivo) ou adiantado (capacitivo), mas basicamente significa que existe potência reativa.

Consequências do fator de potência baixo

O excesso de cargas indutivas numa indústria, principalmente gerado pelo uso de motores elétricos de indução, pode gerar um fator de potência baixo.

A ANEEL determinou através do decreto Nº 479 de 20 de março de 1992 o fator de potência mínimo como 0,92, capacitivo ou indutivo, para unidades consumidoras de média e alta tensão (grupo A). Para escapar de multas altas é necessário fazer a correção do fator de potência.

A multa por fator de potência baixo da COPEL (Companhia Paranaense de Eletricidade), por exemplo, é calculada pela fórmula:

E já que essa multa é calculada a partir do seu consumo mensal de energia, na seguinte fórmula está descrito como calcular o fator de potência a partir da energia gasta, dado que aparece na conta de luz:

Além das multas da concessionária, um fator de potência baixo pode gerar:

  1. Perdas na instalação: o fator de potência baixo aumenta a corrente nos condutores, e isso gera uma perda de energia em forma de calor;
  2. Quedas de tensão: essa mesma corrente alta pode gerar sobrecarga ou interrupção de fornecimento de energia elétrica; além de queda na intensidade de luzes e aumento de corrente em motores elétricos;
  3. Subutilização da capacidade instalada: o excesso indevido de energia reativa ocupa “espaço” na rede elétrica, que poderia ser utilizado na instalação de novas cargas, em novos projetos;
  4. Bitolas maiores de condutores em dimensionamentos, por conta de correntes mais altas geradas pelas cargas indutivas em excesso.

7 Vantagens da correção de fator de potência:

  1. Redução significativa do custo de energia elétrica;
  2. Aumento da eficiência energética da empresa;
  3. Melhoria da estabilidade da tensão;
  4. Aumento da capacidade dos equipamentos de manobra;
  5. Aumento da vida útil das instalações e equipamentos;
  6. Redução das perdas de energia por aquecimento;
  7. Redução da corrente reativa na rede elétrica.

Correntes harmônicas em correção de fator de potência

As harmônicas são frequências múltiplas da frequência fundamental (60hz), geradas por cargas não lineares, como inversores de frequência, reatores, fornos de indução, computadores e outras.

Numa aplicação de bancos de capacitores a presença de correntes harmônicas pode gerar fenômenos de ressonância, que danificam os capacitores.

Algumas cargas não lineares que podem gerar correntes harmônicas:

  • Conversores / inversores de frequência;
  • No–Breaks (UPS);
  • Controladores tiristorizados;
  • Fontes chaveadas;
  • Máquinas de solda elétrica;
  • Lâmpadas Fluorescentes com reatores eletrônicos.

Como corrigir um fator de potência baixo?

O uso de motores elétricos de indução, transformadores, relés, indutores, bobinas e outros no ambiente industrial gera fator de potência atrasado (indutivo).

Portanto é necessário fazer a instalação de um sistema de capacitores, que consumirão energia reativa de forma a compensar o uso de indutores.

Basicamente, é necessário instalar capacitores com impedância suficiente para compensar o uso de indutores, de acordo com o triângulo de potência.

Porém esse processo é dificultado por fatores como distância das cargas do painel e cargas que são ligadas em momentos diversos do dia.

Sistemas de correção de fator de potência podem ser:

  1. Distribuído por cargas, ou seja, capacitores ligados diretamente em paralelo com as cargas indutivas;
  2. Por grupo, com um banco de capacitores destinado a um grupo de cargas semelhantes;
  3. Centralizado: concentrar os capacitores num único lugar, próximo a origem da instalação, para corrigir a potência de equipamentos distribuídos pela planta. Isso é útil pela redução de custos, mas é necessária uma solução para automatizar a comutação dos bancos de capacitores;
  4. Combinado: união de sistemas distribuídos e centralizados;
  5. Correção de fator de potência automática: sabendo que os equipamentos elétricos de uma indústria funcionam em momentos determinados por ciclos de trabalho, é vantajoso ter um sistema que comuta automaticamente a quantidade certa de bancos de capacitores, equilibrando as cargas indutivas e capacitivas.

Para instalar um sistema de correção de fator de potência automatizado é necessário:

  • Controlador de fator de potência;
  • Banco de capacitores;
  • Contatores de potência apropriados para essa aplicação;
  • Dispositivos de proteção.

Veja a sugestão de topologia abaixo:

Correção de fator de potência

Controladores de fator de potência RVC e RVT

Imagine que sua planta industrial tem equipamentos distribuídos por um grande barracão, e que esses equipamentos fiquem ligados em momentos diferentes.

Como comutar os capacitores junto com esses equipamentos, pelo período de tempo correto?

Levar os capacitores com cabeamento até os equipamentos será uma solução cara demais, e uma automação sem controladores ficará financeiramente inviável ou pouco confiável.

Os controladores são essenciais para ligar e desligar os estágios de capacitores e manter o fator de potência desejado sem desperdícios.

As opções da ABB contam com poderosos microprocessadores que leem a rede elétrica em tempo real para compreender quantos estágios precisam ser comutados.

Lógicas de comutação

Visando preservar os capacitores ou obter melhor performance, existem 3 escolhas de lógicas no funcionamento dos controladores.

1- Controle linear ou circular:

Determina a ordem de comutação dos capacitores. No controle linear o primeiro capacitor a ser comutado será o último a ser desligado.

Enquanto isso, no controle circular o primeiro capacitor a ser comutado é o primeiro a ser desligado. A lógica circular preserva a vida útil dos capacitores e é padrão do ABB RVC-12.

2- Estratégias Direta ou Progressiva:

Na estratégia Direta o controlador começa a comutar pelo excesso, tentando atingir a capacitância necessária de forma ágil. É gerado um pico de corrente alto, que pode ser prejudicial.

Enquanto isso, na estratégia Progressiva os estágios vão sendo ligados gradativamente. Ocorre perda de agilidade, mas economia de materiais elétricos.

3- Estratégias Integral ou Normal

Para comutar os capacitores o controlador espera um período, determinado automaticamente ou parametrizado.

Na estratégia integral o controlador atua os capacitores caso o fator de potência tenha ficado abaixo de um valor definido por mais tempo do que ficou acima desse valor.

Na estratégia normal o controlador só atua os capacitores se o fator de potência estiver permanentemente abaixo do valor definido por todo o período.

Linha RVC

Algumas características do Controlador de fator de potência microprocessado RVC:

É muito simples configurar o RVC-12, com praticamente todo o trabalho de configuração sendo feito de forma automática, pelo próprio controlador. Veja no vídeo a seguir:

O RVT, além de um excelente controlador de fator de potência, é também um analisador de rede capaz de obter dados sobre:

  • Potência ativa;
  • Potência aparente;
  • Potência reativa;
  • Potência reativa para alcançar o cosϕ;
  • Tensão;
  • Corrente;
  • Cosϕ;
  • Taxa total de distorção harmônica;
  • Tensões/Correntes harmônicas: H2 a H49 (% e espectro).

Capacitores linha QCap

Os capacitores da linha QCap são do tipo cilíndrico, e desenvolvidos com base nos 70 anos de experiência da ABB em tecnologias de capacitores.

 

 

Algumas das vantagens do produto para os clientes:

Desconexão de fases automática:

Em caso de sobrepressão ou fim da vida útil, os capacitores QCap desconectam as 3 fases , impedindo que o capacitor continue operando com uma das fases inoperantes

Qualidade e Durabilidade:

Seu design diminui a temperatura do capacitor promovendo maior vida útil e evitando falhas prematuras.

E sua matéria prima é escolhida cuidadosamente para manter uma durabilidade elevada.

Instalação simples e segurança

Perfeitamente hermético, sem óleos que podem contaminar o meio ambiente ou gases que geram explosões.

Com design padronizado para as principais faixas de baixa tensão utilizadas na indústria e instalável em qualquer posicionamento. O QCap é fácil de instalar e seguro.

Contatores linha UA..RA e UA

As duas características importantes de um contator para banco de capacitores são:

  1. Suportar 1.5x a corrente nominal do banco de capacitores de forma permanente;
  2. Suportar um alto pico de corrente por um breve intervalo de tempo.

Usar um contator inadequado para esta aplicação seria economicamente ruim, pois seria necessário usar um contator de maior calibre, que suporte mais corrente, para suportá-la apenas por um breve intervalo de tempo.

Temos duas opções para essa aplicação:

 

 

Linha UA..RA com resistor de amortecimento embutido, que permite correntes de pico praticamente sem limitação e eleva a vida útil do capacitor.

Linha UA para correntes de pico de até 100 vezes a corrente nominal RMS.

Dispositivo de proteção adequado

Em aplicações com capacitores podem acontecer sobrecorrentes e surtos, e é necessário utilizar equipamentos de proteção adequados. Cada um dos contatores da topologia precisa de um disjuntor ou chave seccionadora com fusível.

A seccionadora é uma boa opção por conta da alta corrente de curto circuito do fusível, porém é necessário substituir o fusível a cada surto.

Já um disjuntor de caixa moldada é interessante quando o banco de capacitores está longe do transformador. Desta forma, a corrente de curto circuito é baixa, diminuída pela impedância dos cabos, e o disjuntor é mais barato comparado à seccionadora.

A ABB tem opções referências globais nos dois produtos:

Chave Seccionadora XLP

A seccionadora XLP é ideal para aplicações de bancos de capacitores.

Ela atende requisitos da norma EN 60947-3, de segurança, performance, isolação e fabricação, preservando a integridade do operador e permitindo seccionamento sob carga.

Além disso tem proteção IP30 na parte frontal, manopla ergonômica e seu fusível suporta curto circuito de até 50kA.

Para correção de fator de potência, é provável que seja utilizada a versão com 3 polos.

 

 

Disjuntor de caixa moldada

A ABB é referência global na construção de disjuntores.

São disponibilizadas as linhas TMax e Formula, respectivamente para aplicações mais complexas e mais cotidianas.

À esquerda: o TMax é um disjuntor que suporta surtos de até 200kA em 415V, e é um produto extremamente confiável, robusto e durável, suportando até 25 mil operações elétricas.

Enquanto isso, à direita, o Formula é mais acessível, e suporta surtos de até 50kA. É igualmente robusto e confiável, porém não tem funções de análise de rede, comunicação e digitalização como o TMax.