Correção de fator de potência e harmônicas em instalações elétricas

Os equipamentos elétricos/eletrônicos estão cada vez mais presentes nas indústrias, no comércio e nas residências, proporcionando eficiência e comodidade.

Introdução

Corrigir o fator de potência é fundamental em qualquer instalação industrial. Quedas de tensão, perdas, sobrecargas são algumas das consequências de um fator de potência baixo numa instalação. Esta correção é obtida utilizando banco de capacitores, que tem a capacidade de gerar localmente a energia reativa necessária para suprir o consumo das cargas consumidoras.

Além do problema do fator de potência, alguns equipamentos, tais como: circuitos eletrônicos e acionamentos elétricos presentes na instalação geram correntes harmônicas que são injetados na rede e como consequência acabam poluindo e distorcendo as formas de onda de outras cargas ali conectadas. Portanto, o uso de filtros de harmônicas dimensionados corretamente, sejam eles passivos ou ativos contribuem para melhorar a qualidade de energia das instalações.

1. Generalidades sobre a correção do fator de potência

O Fator de Potência (FP= cosϕ) é definido pela relação entre a potência ativa (P) e a potência aparente (S), como mostra a figura (1.1).

Onde:
Potência ativa (P) representa a energia que está sendo convertida em trabalho no equipamento. Sua unidade é dada em Watts (W).

Potência reativa (Q) representa a energia que está sendo utilizada para produzir os campos elétricos e magnéticos necessários para o funcionamento de alguns tipos de cargas como, por exemplo, motores, transformadores, cargas não-lineares e etc. Sua unidade é dada em Volt-ampère reativo (Var).

Potência Aparente (S) é obtida pela “soma vetorial” das Potências Ativa e Reativa. Sua unidade é dada em Volt-ampère (VA).

Melhorar o fator de potência significa tomar medidas necessárias para aumentar o FP em uma seção definida da
instalação elétrica. Essa melhoria é uma solução que permite vantagens técnicas e econômicas para a instalação, garantindo assim, um melhor aproveitamento da energia drenada da rede de energia elétrica. Isso se deve a redução do valor RMS da corrente para um mesmo valor de Potência Ativa, reduzindo as perdas na fiação e, também, evitando a sobrecarga do sistema de potência da rede elétrica. Além disso, reduzindo a Potência Reativa drenada da rede elétrica, estará também, reduzindo as components harmônicas. As medidas legislativas em vigor nos diferentes países permitem que as autoridades nacionais de fornecimento de energia possam definir detalhadamente seu sistema de cobrança de tarifas.

2. Vantagens técnicas e econômicas de correção de fator de potência

Como mencionado anteriormente, corrigindo o fator de potência da instalação é possível reduzir o valor da corrente
e, consequentemente a energia total absorvida no lado de carga desta instalação. Isto implica em numerosas vantagens, entre as quais uma melhor utilização de máquinas elétricas (geradores e transformadores) e de linhas elétricas (linhas de transmissão e distribuição). A correção do FP permite obter vantagens também para o dimensionamento de cabos da instalação, em consequência da diminuição da corrente.

No Brasil, a Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL estabelece que o fator de potência nas unidades consumidoras deve ser 0,92. Esse limite é determinado pelo Artigo nº 95 da Resolução ANEEL nº 414 de 09 de setembro de 2010, e quem descumpre está sujeito a uma multa que leva em conta o fator de potência medido e a energia consumida ao longo de um mês. É importante lembrar que há um custo de instalação com o investimento de bancos de capacitores para correção de FP. Na prática, as economias obtidas corrigindo o fator de potência permite a recuperação do custo de instalação do banco de capacitores nos primeiros meses ou em poucos anos de utilização, isso vai depender da característica da planta de cada consumidor final.

3. Cálculo do fator de potência e do banco de capacitores

Para o dimensionamento do banco de capacitor a ser instalado em uma planta é necessário calcular corretamente o
fator de potência de acordo com o consumo da planta. Para realizar a devida correção do FP é necessário calcular o cosϕ de uma única carga ou do grupo de cargas.

Uma vez definido o fator de potência (cosϕ) da instalação e o fator de potência a ser obtido (cosϕ), é possível calcular a potência reativa do banco de capacitor necessária para corrigir o fator de potência através da equação apresentada abaixo:

Onde:
− P é a potência ativa instalada;
− ϕ1 é o ângulo de defasagem antes da correção do FP
− ϕ2 é o ângulo de deslocamento de fase a ser obtido
− Qc é a capacidade do banco de FP
− Fator K (kvar/kW instalado)

4. Efeitos harmônicas em instalações elétricas

Os efeitos harmônicos são os componentes de uma forma de onda distorcida. A presença de harmônicos no sistema elétrico é um indicador da distorção da forma de onda da tensão ou corrente, e esta implica uma tal distorção da energia elétrica que pode causar o mau funcionamento dos equipamentos. Computadores pessoais, Lâmpadas Fluorescentes, Conversores estáticos, Inversores, Máquinas de solda, são alguns dos equipamentos que podem contribuir com distorções harmônicas.

4.1 Filtros de harmônicas

A instalação de filtros de correntes harmônicas, surge como outra possibilidade para adequação dos valores registrados de distorção de tensão por conta do controle das correntes harmônicas. De uma forma geral, os filtros evitam que as harmônicas circulem pelas fontes, reduzindo, portanto, as tensões harmônicas à montante e, por consequência, reduzindo também as distorções de tensão nos barramentos de baixa tensão. Os filtros mais comumente aplicáveis são os filtros passivos e filtros ativos.

5. Comutação e proteção de bancos de capacitores

Um sistema para a correção do fator de potência é constituído, essencialmente, por: um dispositivo de proteção; um dispositivo de comutação (contator); um ou mais capacitores adequadamente conectados; resistores para descarregar dos capacitores.

No caso de um sistema de compensação automática, há também uma unidade de estação de controle para comandar a mudança do estado dos capacitores.

6. Oferta ABB

6.1 Disjuntores

ABB oferece disjuntores caixa moldada e disjuntores para proteção contra sobrecargas e desconexão dos bancos de capacitores:

• Disjuntor caixa moldada – linha Tmax XT e Tmax;
• Disjuntor caixa aberta – linha Emax e Emax 2.

6.2 Contatores

A ABB oferece três versões diferentes de contatores de acordo com o valor de corrente de pico:

• Contatores UA..RA, 3 polos com ilimitada corrente de pico;
• Contatores UA, 3 polos com pico de corrente menor ou equivalente a 100 x In;
• Contatores AF, padrão de 3 polos.

6.3 Controladores de Fator de Potência

A ABB possui 2 linhas de controladores automáticos de fator de Potência: RVC e RVT;

6.4 Capacitores

A ABB possui 2 linhas de capacitores totalmente à seco: CLMD e Qcap.

6.5 Filtros para qualidade de energia

Os filtros ABB (PQF – filtros de qualidade de energia) executam tripla função de filtragem: harmônica, compensação de energia reativa e balanceamento de carga. A linha PQF de filtros ativos monitora a corrente de linha em tempo real e processa a medição das harmônicas como sinais digitais em uma alta potência, através da saída DSP (Processador de Sinal Digital). O controlador digital gera sinais PWM (modulagem de largura de pulso) que dirigem módulos de potência IGBT, os quais, através de reatores de linha, injetam harmônicas de corrente com a fase exatamente oposta a aquelas que deverão ser filtradas.