Cálculo Banco De Capacitores - Manual Siemens

Cálculo Banco De Capacitores - Manual Siemens

(Parte 1 de 2)

Siemens Ltda 1outubro/2002
Conceitos e definições para correção do fator de potência

s através de carga capacitiva

Manobra de capacitores

Na ligação de capacitores a uma rede ocorre um processo transitório severo até que seja atingido o valor nominal de carga. Durante este processo, podem surgir picos de corrente elevados (“in rush”), em freqüências na faixa de centenas até milhares de Hertz, exigindo muito dos dispositivos de manobra. Os fatores determinantes para a amplitude da freqüência e das correntes de ligação são a capacitância dos capacitores, reatâncias do circuito e o valor instantâneo de tensão, no instante da alimentação.

Manobra de capacitores individuais

Na ligação de um capacitor de determinada potência, a corrente de ligação (“in rush”) é determinada basicamente pela potência do transformador e pela impedância da rede em base a potência dos capacitores.

As solicitações para os dispositivos de manobra aumentam proporcionalmente com:

• o aumento da potência dos capacitores • o aumento da potência do transformador, com correspondente reatância de curto- circuito

• a diminuição da impedância dos cabos

Manobra de bancos de capacitores

No caso de ligação de bancos de capacitores, por exemplo, os dispositivos de manobra, no momento da ligação de um determinado estágio, estarão sujeitos a uma condição especialmente crítica, pois os capacitores já alimentados, de outros estágios, representam uma fonte de energia adicional.

Os picos de corrente serão limitados pela impedância dos cabos e, em condições favoráveis, pela indutância dos capacitores e pelas indutâncias entre os vários estágios dos capacitores.

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A solicitação sobre os dispositivos de manobra será determinada, portanto:

• pela relação entre a potência dos capacitores a serem ligados e os capacitores já alimentados

• pelo comprimento dos cabos de alimentação, ou seja, pela resistência dos cabos entre os capacitores individuais

• pela indutância intrínseca dos capacitores. Por exemplo, no caso de módulo de capacitor de carcaça cilíndrica com baixas perdas, poderá ser desprezada.

Proteção de motores trifásicos assíncronos com correção individual

A correção do fator de potência do motor é feita utilizando-se capacitores conectados aos seus terminais e que são ligados e desligados juntamente com o motor (figura 1). Somente a corrente ativa Iw será fornecida pela rede. Esta corrente fluirá pelo contator e pelo relé de sobrecarga. O ajuste do relé de sobrecarga deverá ser feito em base a esta corrente.

A corrente de ajuste do relé Ir é calculada em base aos dados básicos nas seguintes formas:

Dados básicos: Corrente nominal In e cosϕ do motor

Exemplo

Motor trifásico assíncrono, quatro pólos, potência 30 cv / 2 kW em 380 V / 60 Hz. Corrente nominal In = 43 A, e cosϕ = 0,83. Deverá ser feita correção para cosϕ = 0,9.

A corrente de ajuste Ir do relé será de:

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Dados básicos: Corrente nominal In e cosϕ do motor, tensão nominal de rede Un e potência do capacitor Qc.

qL2 er

I cos.I

Exemplo:

Motor trifásico assíncrono, quatro pólos, potência 10 cv / 7,5 kW com 380V / 60Hz. Corrente nominal In = 16 A e cosϕ = 0,87. Potência do capacitor Qc = 3 kvar.

Figura 1 Proteção contra sobrecarga de um motor trifásico assíncrono com correção individual por capacitor

L2 L3

L2 L3

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Proteção de capacitores

Capacitores devem ser dimensionados, segundo a norma DIN EN 60831-1 (VDE 560 Parte 46), para uma corrente eficaz maior de 1,3 vezes a corrente de nominal para tensão e freqüência alternada.

Em função deste dimensionamento, na maioria dos casos de aplicação de capacitores, permite-se não utilizar da proteção de sobrecarga.

Somente em redes com elementos que geram harmônicas elevadas (por ex., geradores e acionamentos com semicondutores) os capacitores poderão sofrer sobrecargas. Os capacitores formam um circuito ressonante paralelo, pela ligação em série do transformador como reatância de curto-circuito para rede. Há o surgimento de fenômenos ressonantes quando a freqüência própria deste circuito oscilante for a mesma, ou estiver próxima da corrente harmônica gerada por um semicondutor. Para evitar isto, os capacitores deverão ser ligados a reatores. No lugar de um capacitor puro, é utilizado um circuito LC, cuja freqüência de ressonância situa-se abaixo da harmônica de corrente de menor ordem (250 Hz). Desta forma, o banco de capacitores assumirá uma característica indutiva para todas as harmônicas de corrente, não podendo mais formar um circuito ressonante com a reatância de rede.

Uma outra possibilidade é a de utilizar filtros para eliminação de componentes harmônicas na rede. Os filtros são circuitos ressonantes em série que, ao contrário do conjunto capacitor-reator, são calculados para filtrarem as componentes harmônicas específicas da rede. A impedância, neste caso, será próxima a zero.

Os capacitores deverão, então, ser ligados a reatores ou deverão ser substituídos por filtros de rede.

capacitor

No caso de utilização de relés de sobrecarga para a proteção contra sobrecargas, o relé poderá ser ajustado a um valor de 1,3 a 1,43 vezes a corrente nominal do capacitor pois, considerando-se a tolerância permitida do valor de corrente do capacitor, esta poderá atingir o valor de 1,1 x 1,3 = 1,43 vezes a corrente nominal do

No caso de utilização de relés de sobrecarga de disjuntores com transformadores de corrente poderá ocorrer, através da alteração da relação do transformador causada pelas harmônicas, uma elevação da corrente secundária do transformador. Em função disso, poderão ocorrer desligamentos indevidos, a um valor de corrente mais baixo.

A proteção de curto-circuito de capacitores é normalmente feita através de fusíveis NH de classe gL/gG.

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Para evitar-se uma atuação indevida dos fusíveis em função dos transitórios na manobra dos capacitores, eles deverão ser dimensionados para uma corrente nominal correspondente a 1,6 a 1,7 vezes a corrente nominal do capacitor.

Dispositivos para a manobra de capacitores trifásicos

Manobra com disjuntores

corrente nominal do capacitor, em geral, não deve ser superior a 75% da corrente nominal do disjuntor

Na manobra de capacitores deverá ser observado que os capacitores, dependendo do teor de harmônicas presentes na rede, acrescerão um determinado valor de correntes harmônicas. O valor eficaz da corrente e suas correntes harmônicas não deverão ultrapassar a corrente nominal do disjuntor. Em função disso, a

Manobra com contatores

Na manobra de capacitores através de contatores (veja tabela 1), os capacitores deverão estar descarregados, por meio de resistores de descarga ou por reatores antes da sua ligação.

Na ligação de capacitores que não estiverem completamente descarregados, dependendo da duração da ligação, poderão surgir picos de corrente com o dobro da amplitude quando completamente descarregados. Nestes casos, pode haver solda dos contatos dos contatores assim como destruição de outras partes.

Dada a importância de que no religamento os capacitores devem estar descarregados, os tempos de descarga / nível de tensão são orientados pela norma IEC 831-1. Para módulos de capacitores de série MT, o tempo para religamento, ou seja, tempo de descarga é de 3 minutos.

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Tabela 1 Escolha de contatores para manobra de capacitores (veja figura 2)

Acionamento em CA Categoria de emprego AC-6b

Manobra de capacitores trifásicos em temperatura ambiente de 60ºC

Contatos auxiliares

Tensão de comando nominal Us

Terminais de ligação por parafusos

Potência dos capacitores em 50/60 Hz em 230 V 400 V 500 V 690 V kvar kvar kvar kvar

Tipo

Tamanho S00

Para fixação por parafusos ou em trilho DIN 35 m 4 – 7,5 7 – 12,5 9 – 15 12 – 21 2 NA 24 V, 50/60 Hz 3RT16 17-1AC21 110 V, 50/60 Hz 3RT16 17-1AF01 220 V, 50/60 Hz 3RT16 17-1AN21

Tamanho S0
Tamanho S3

Manobra de bancos de capacitores

Na ligação de capacitores em paralelo com outros já alimentados, estes atuarão como uma fonte de energia adicional, representando uma carga adicional ao contator no período transitório de partida. Para elevar a capacidade de manobra de contatores na ligação dos capacitores, deverão ser utilizados resistores de précarga ou reatores (veja figura 2).

Resistores de pré-carga ou reatores permitem atenuar os fenômenos transitórios na ligação de capacitores. A pré-carga ocorre através dos contatos adiantados do contator. O contator possui os resistores de pré-carga incorporados.

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3RT16 173RT16 27

Figura 2 Esquema de ligação de contatores para manobra de capacitores 3RT16

Correção de fator de potência

Princípios básicos

Diversas cargas elétricas absorvem da rede, além da potência ativa, potência reativa necessária, por exemplo, para a magnetização de motores e transformadores, e no caso de semicondutores.

Conduzir potência reativa implica em gastos desnecessários, pois ela não pode ser utilizada. Nos capítulos seguintes são abordados os princípios básicos da compensação da energia reativa, a aplicação prática de sistemas de compensação e a compensação em redes com cargas alimentadas por inversores.

A relação entre a potência ativa P e a potência reativa S é proporcional ao co-seno do ângulo ϕ (fator de potência) (figura 3):

S Pcos=ϕ

O ângulo ϕ é idêntico ao ângulo de defasagem entre a tensão e a corrente.

4344 A1 A2

A1 A2

L1 L2 L3

4344 A1 A2

A1 A2

L1 L2 L3

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A potência reativa Q, que deverá ser compensada, possui a relação:

Um capacitor com a mesma potência reativa Qc compensaria esta potência reativa, levando a um valor de fator de potência (cos ϕ) igual a 1.

Na prática não é usual a compensação do fator de potência com capacitor com valor unitário fixo, pois isto poderia provocar uma sobrecompensação nos momentos de flutuação de carga e pela inércia do regulador. Normalmente as concessionárias de energia indicam qual o valor final de fator de potência, para o qual deve ser feita a compensação.

ϕ = ângulo de defasagem

S1 = potência aparente não compensada S2 = potência aparente com compensação através de capacitores

Figura 3 Fator de potência em função da potência ativa e da potência aparente

A potência dos capacitores (Qc) é determinada pela fórmula:

Qc = P. (tan ϕ1 - tan ϕ2) (vide também em projeto na página 14)

Q2 Potência reativa

Potência ativa

Potência aparenteP.SQ =Q.SP = Q.PS = kvar kVA kW

Q1 Qc

Q2 Potência reativa

Potência ativa

Potência aparenteP.SQ =Q.SP = Q.PS = kvar kVA kW

Q1 Qc

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Formas de correção do fator de potância

Em redes com cargas indutivas (por ex., motores), o fator de potência cos ϕ altera-se com manobras e flutuações da carga. A concessionária exige que a relação entre a potência ativa P e a potência reativa S não ultrapasse determinado valor.

Escolha da forma mais econômica da correção do fator de potência

Na decisão para escolha se o fator de potência de cargas individuais deva ser corrigido com capacitores fixos ou através de sistema de banco de capacitores centralizado, aspectos econômicos e técnicos devem ser levados em conta. Sistemas para compensação automática centralizada do fator de potência possuem um custo mais alto por carga instalada. Se for considerado, porém, que na maioria das plantas elétricas as cargas não estarão ligadas simultaneamente, um sistema de compensação automático centralizado terá um valor menor do que o necessário para compensar toda a potência instalada.

Correção individual

Na correção individual os capacitores são conectados diretamente aos terminais das cargas individuais, sendo ligados simultaneamente (figura 4).

Recomenda-se uma compensação individual para os casos onde haja grandes cargas de utilização constante e longos períodos de operação.

Desta forma pode-se reduzir a bitola dos cabos de alimentação da carga.

Os capacitores geralmente podem ser conectados diretamente aos terminais das cargas, sendo manobrado por meio de um único contator.

Figura 4 Correção individual

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Correção para grupo de cargas

Na compensação de um grupo de cargas, o sistema de compensação de reativos estará relacionado a um grupo de cargas, que poderá ser composto, por ex., de lâmpadas fluorescentes, que serão manobradas por meio de um contator ou de disjuntor (figura 5).

Figura 5 Correção para grupo de cargas

Correção centralizada das cargas

Para a compensação centralizada são normalmente utilizados bancos de capacitores ligado diretamente a um alimentador principal (figura 6). Isto é particularmente vantajoso quando a planta elétrica for constituída de diversas cargas com diferentes potências e períodos de operação.

Uma compensação centralizada possui ainda as seguintes vantagens:

• os bancos de capacitores, por estarem centralizados, podem ser supervisionados mais facilmente • ampliações futuras tornam-se mais simples

• a potência dos capacitores pode ser adaptada constantemente por aumento de potência da planta elétrica

• considerando-se o fator de simultaneidade, geralmente a potência reativa necessária é inferior à potência necessária para a compensação das cargas individualmente

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Figura 6 Correção centralizada das cargas

Correção de fator de potência para uma planta elétrica

Numa planta elétrica pode-se partir do princípio que as cargas operem, de forma usual com um fator de potência médio de cós ϕ = 0,7. Para a correção para cós ϕ = 0,9, será necessária uma potência reativa Qc, correspondente a cerca de 50% da potência ativa P. Assim:

Qc = 0,5 . P

A potência necessária para o banco de capacitores para a correção do fator de potência, em função do fator de potência atual do sistema, pode ser determinada pela tabela 2.

Exemplo

O fator de potência atual de uma instalação, de cós ϕ1 = 0,76, deverá ser corrigido para cós ϕ2 = 0,9. De acordo com a tabela 2, para cada kW de potência ativa, são necessários 0,37 kvar para correção. Para uma potência total ativa (por ex., obtidos por medição) de 140 kW, será necessário um banco de capacitores de potência: 140 x 0,37 = 51,8 kvar; será selecionado então um banco de 50 kvar.

Correção de fator de potência para motores assíncronos trifásicos

A potência Qc de bancos de capacitores para motores assíncronos trifásicos não poderá exceder 90% da potência reativa em vazio do motor, pois neste caso poderá ocorrer auto-excitação do motor no desligamento do mesmo, ocasionando uma elevada sobretensão nos terminais do motor.

Regulador

Regulador

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Qc ≅ 0,3 a 0,35 . PnM

Na prática, é válido:

PnM Potência nominal do motor.

Tabela 2 – Fatores de kvar por kW

Fator de potência atual da rede

Potência do banco de capacitores em kvar por kW de potência ativa para fator de potência desejado cos ϕ2 cos ϕ1 0,8 0,85 0,9 0,95 1

1,67 1,54 1,42

1,31 1,21 1,1

1,02 0,94 0,86

0,78 0,71 0,65

0,58 0,52 0,46

0,4 0,34 0,29

0,24 0,18 0,13

0,08 0,03 -

1,81 1,68 1,56

1,45 1,34 1,25

1,16 1,08 1

0,92 0,85 0,78

0,72 0,6 0,59

0,54 0,48 0,43

0,37 0,32 0,27

0,21 0,16 0,1

0,06 -

1,96 1,83 1,71

1,6 1,5 1,4

1,31 1,23 1,15

1,08 1 0,94

0,87 0,81 0,75

0,69 0,64 0,58

0,53 0,47 0,42

0,37 0,32 0,26

0,21 0,15

2,29 2,16 2,04

1,93 1,83 1,73

1,64 1,56 1,48

1,41 1,3 1,27

1,2 1,14 1,08

1,02 0,96 0,91

0,86 0,8 0,75

0,7 0,65 0,59

0,54 0,48

Correção do fator de potencia individual para motores assíncronos trifásicos

Na correção do fator de potencia individual em motores com partida direta, os capacitores podem ser conectados diretamente nos terminais do motor. Motor e capacitores são ligados simultaneamente.

Na partida estrela- triângulo, se o banco de capacitores for conectado diretamente nos terminais do motor, poderá ocorrer uma auto-excitação perigosa no motor no desligamento da rede na transição de estrela para triângulo. O motor torna-se gerador, sendo excitado pelos capacitores.

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