SISTEMAS DE SISTEMAS DE POTÊNCIAPOTÊNCIA

GERADOR BÁSICO DE CA

Gerador básico de CA ou Alternador consiste de uma espira de fio disposta de tal modo que se pode ser girada em um

campo magnético uniforme interceptando linhas de força. Este movimento causa a indução de uma corrente na espira. Uma rotação completa da espira é chamada

de ciclo.

O gerador básico de CA converte a energia mecânica em energia elétrica através da

indução eletromagnética.Máquina motriz ou Máquina acionadora é a

máquina que aciona o alternador e tem a sua velocidade expressa em rotações por minuto

(RPM).Ciclo é o movimento realizado pela espira

durante uma volta completa. O ciclo é constituído de duas alternâncias completas

dentro de um período de tempo.

PARTES COMPONENTES:PARTES COMPONENTES:1- Peças polares: produzem o campo magnético (pólos norte e sul);

2- Induzido ou Armadura: é a espira de fio que gira dentro do campo magnético;

3- Anéis coletores: ligados nas extremidades da espira, coletam a FEM gerada no induzido evitando-a para as escovas; e

4- Escovas: Fazem contato com os anéis coletores levando a FEM gerada para o circuito externo (carga).

Clicar na figura para iniciar montagem com imagens sucessivas de um gerador alternador simples.

Clicar no slide para avançar

FORÇA ELETROMOTRIZ

A força eletromotriz induzida terá seu valor de acordo com a intensidade do fluxo

magnético cortado pela espira em cada instante do ciclo. A FEM obtida nos anéis coletores será a soma da tensão induzida em cada lado da espira, porém o sentido

da corrente mudará a cada semiciclo (alternância positiva e negativa)

FEM Induzida:

De a

0° 90° Cresce de zero ao valor máximo positivo

90° 180° Decresce até zero (condutor corta um número cada vez menor de linhas de força)

180° 270° Cresce de zero ao valor máximo negativo (polaridade invertida)

270° 360° Decresce até zero com polaridade invertida

FEM Induzida depende da velocidade da espira (condutor) no campo magnético, do número de espiras e da intensidade do campo magnético

(número de linhas de força).

FORMAÇÃO DE UMA ONDA SENOIDAL

As variações gradativas de tensão e corrente induzidas na espira dentro do campo magnético são proporcionais ao ângulo formado entre a espira e o fluxo magnético (ângulo de corte), formando ondas que se repetem a cada 360°. o gráfico obtido da plotagem dos valores

de amplitude em função do tempo é denominado forma de onda.

ÂNGULOS DE CORTEVariam de 0° a 360° formando valores

crescentes e decrescentes de tensão e corrente para cada polaridade (positiva ou

negativa).

PERÍODO (T)É o tempo gasto para formar um ciclo. A

unidade de medida é o segundo (s) e utiliza-se seus submúltiplos milissegundo (ms = 10-3s)

e o microssegundo (μs = 10-6s).T = 1 F

FREQUÊNCIA (F)É a quantidade de ciclos produzidos na

unidade de tempo. A unidade de medida é o Hertz (Hz) e utiliza-se muito os seus múltiplos kilohertz (Khz = 10³Hz) e o

megahertz (Mhz = 106Hz).

Observação:A freqüência é o inverso do período.

Quanto mais alta for a freqüência menor será o período.

F = PN 120

Onde:F é a freqüência em hertz;P é o número de pólos; eN é a velocidade em rotações por minuto (RPM)

Logo:

F x T = 1

VELOCIDADE ANGULAR (ω)Outra forma de equação trigonométrica

para uma onda senoidal de tensão envolve a velocidade angular do vetor girante; que se

refere ao número de graus (ângulos) percorridos pelo vetor na unidade de tempo.

Porém “ω” é dada em radianos por segundo ao invés de graus por segundo.

90° = π/2180° = π

270° = 3π/2360° = 2π

Se a freqüência da onda senoidal é o número de ciclos por segundo e existem 2π radianos

por ciclo, então o número de radianos explorados por segundo é 2πf. Isso define a velocidade angular (ω = ômega) no vetor de

rotação.

ω = 2πF (rad/s) => ω = 2π/T (rad/s)F = ω/2π (Hz) => T = 2π/ω (s)

FATOR DE CONVERSÃO GRAUS PARA RADIANOS:

πrad/180°

FATOR DE CONVERSÃO RADIANOS PARA GRAUS:

180°/πrad

VALORES DE TENSÃO E CORRENTE EM UMA ONDA SENOIDAL

Como uma onda senoidal de tensão ou corrente possui vários valores instantâneos ao

longo do ciclo, é conveniente especificar os módulos para efeito de comparação de uma

onda com a outra.Osciloscópio é o instrumento de medida usado

para medir os valores de uma onda.São especificados cinco valores importantes associados às ondas senoidais de tensão e

corrente:

VALOR DE PICO ou VALOR MÁXIMO (Emax ou Imax)

É o valor mais alto instantâneo alcançado em cada semiciclo (alternância). O valor

máximo de da tensão ou corrente (amplitude) é alcançado duas vezes em cada ciclo.

Emax = Epp x 0,5 Imax = Ipp x 0,5

VALOR DE PICO-A-PICO (Epp ou Ipp)

É o valor medido entre o pico da alternância positiva e o pico da alternância negativa.

Como as alternâncias da onda senoidal pura são simétricas, Epp (ou Ipp) corresponde ao

dobro de Emax (ou Imax).

Epp = 2 x Emax Ipp = 2 x Imax

VALOR INSTANTÂNEO (e ou i)

Valor instantâneo pode ser qualquer valor entre zero e a tensão máxima, dependendo do

instante escolhido. O valor instantâneo de uma onda senoidal de tensão ou corrente,

para qualquer ângulo de rotação é determinado pela fórmula:

e = Emax x sen θ i = Imax x sen θ

VALOR EFICAZ ou VALOR RMS (Eef)

É o valor de uma onda CA que produz em um resistor os mesmos efeitos de uma CC de igual valor. O valor eficaz corresponde a

0,707 vezes o valor de pico.Eef = Emax x 0,707Eef = Emax/√2Ief = Imax

x 0,707 Ief = Imax/√2

VALOR RMS (Root Mean Square): RMS, vem do inglês Root Mean Square e

significa Raiz Média Quadrática.

VALOR MÉDIO DE UMA SENÓIDE PURA

O valor médio de um ciclo completo de uma onda senoidal é zero, pois a

alternância positiva é exatamente igual à alternância negativa.

Emed = A1/π – A2/πComo A1 = A2 => Emed = 0

RESUMO:Emax = Emed x 1,570 => Imax = Imed x

1,570Emed = Eef x 0,901 => Imed = Ief x 0,901Eef = Emed x 1,110 => Ief = Imed x 1,110

FATOR DE POTÊNCIA (Fp)

O Fator de potência é uma medida de rendimento entre a potência fornecida pelo

gerador e aproveitada pela carga. Pode variar de zero (valor mínimo) a um (valor maior), este último, é o valor ideal para o

fator de potência.

A Resolução ANEEL 456/2000, determina que o fator de potência deva ser mantido o mais próximo possível da unidade (1), mas permite um valor mínimo de 0,92. acaso o

fator de potência estiver abaixo desse mínimo, a conta de energia elétrica sofrerá um ajuste em reais, com base no seguinte

cálculo:

Acréscimo = Valor da fatura x [(0,92/fator de potência medido)-1]

POTÊNCIAS EM CORRENTE ALTERNADAEm CA temos três tipos de potência

devido às reatâncias do circuito: Ativa (Real), Reativa (Reat ou Q) e Aparente (S)

POTÊNCIA REAL OU ATIVA (P)É a potência que pode ser

transformada em outra forma de energia e é dada em watt (W).

P = ER x IR = E x I x cos θP = I² x R ou P = E² R

POTÊNCIA REATIVA (Q)É causada pela reatância do

circuito,não produz luz nem calor mas requer uma corrente no circuito. É dada em

volt-ampére-reativo (VAR)Q = Ex x Ix = E x I x sen θ

POTÊNCIA APARENTE (S)É a potência total aplicada ao circuito de CA, dada em Volt-ampére (VA)

S = E x I

TRIÂNGULO DAS POTÊNCIASTRIÂNGULO DAS POTÊNCIAS

Aparente

S = E x I

Ativa (Disponível para o trabalho)

P = ER x IRP = S x cos θ

Reativa(Potência que volta

para a linha)

Q = Ex x Ix

Q = S x sen θ

Analisando o triângulo das potências podemos afirmar que o Fp é a razão entre a

potência ativa e a potência aparente. Ele indica a eficiência do uso da energia. Um alto fator de potência indica uma eficiência alta e

inversamente, um fator de potência baixo, indica baixa eficiência energética.

A potência ativa é a potência que efetivamente realiza trabalho gerando calor,

luz, movimento, etc. e a potência reativa, causada pelas reatâncias do circuito, é a potência que é usada apenas para criar e manter os campos eletromagnéticos das

cargas indutivas.

Observação:Enquanto a potência ativa é sempre consumida

na execução de trabalho, a potência reativa além de não produzir trabalho,circula entre a carga e a fonte de alimentação, ocupando um espaço no sistema elétrico que poderia ser reutilizado para fornecer

mais energia.Um fator de potência de 0,7 significa que a

carga utiliza 70% dos volt-ampéres da fonte e 30% são armazenados no campo eletromagnético ou

eletrostático.O fator de potência mostra se a energia elétrica

está sendo consumida adequadamente ou não.Quanto maior for o consumo de energia

reativa,para o mesmo consumo de energia ativa, mais baixo será o fator de potência.

PERDAS NA INSTALAÇÃO

As perdas de energia elétrica ocorrem em forma de calor e são proporcionais ao quadrado da corrente total (I² x R). como essa corrente cresce com o excesso de

energia reativa, estabelece-se uma relação entre o incremento das perdas e o baixo fator de potência, provocando o aumento

do aquecimento de condutores e equipamentos.

QUEDAS DE TENSÃO

O aumento da corrente devido ao excesso de energia reativa leva a quedas

de tensão acentuadas, podendo ocasionar a interrupção do fornecimento de energia

elétrica e a sobrecarga em certos elementos da rede. Esse risco é sobretudo acentuado durante os períodos nos quais a rede é fortemente solicitada. As quedas de tensão podem provocar ainda a diminuição

da intensidade luminosa das lâmpadas e aumento da corrente dos motores.

SUBUTILIZAÇÃO DA CAPACIDADE INSTALADA

A energia reativa, ao sobrecarregar uma instalação elétrica, inviabiliza sua

plena utilização,condicionando a instalação de novas cargas e

investimentos que seriam evitados se o fator de potência apresentasse valores mais altos. O “espaço” ocupado pela

energia reativa poderia ser então utilizado para o atendimento de novas cargas.

SUBUTILIZAÇÃO DA CAPACIDADE INSTALADA

Os investimentos em ampliação das instalações estão relacionados principalmente

aos transformadores e condutores necessários. O transformador a ser instalado deve atender à

potência total dos equipamentos utilizados, mas devido a presença de potência reativa, a sua capacidade deve ser calculada com base na

potência aparente das instalaçõesDa mesma forma, para transportar a mesma

potência ativa sem o aumento de perdas, a seção dos condutores deve aumentar à medida que o

fator de potência diminui.

PRINCIPAIS CONSEQUÊNCIAS

Acréscimo na conta de energia elétrica por estar operando com baixo fator de potência

Limitação da capacidade dos transformadores de alimentação

Quedas e flutuações de tensão nos circuitos de distribuição

Sobrecarga nos equipamentos de manobra, limitando sua vida útil

Aumento das perdas elétricas na linha de distribuição pelo efeito Joule

Necessidade de aumento do diâmetro dos condutoresNecessidade de aumento da capacidade dos

equipamentos de manobra e de proteçãobaixo rendimento dos equipamentos de iluminação

Queda no rendimento dos motores,equipamentos de aquecimento e refrigeração

CAUSAS DO BAIXO FATOR DE POTÊNCIA

Motores de indução trabalhando a vazioMotores superdimensionados para a sua

necessidade de trabalhoTransformadores trabalhando a vazio ou com

pouca cargaReatores de baixo fator de potência no

sistema de iluminaçãoFornos de indução ou a arco

Máquinas de tratamento térmicoMáquinas de solda

Nível de tensão acima do valor provocando um aumento do consumo de energia reativa.

COMO MELHORAR O FATOR DE POTÊNCIA

A correção do baixo fator de potência é uma das soluções para reduzir as perdas de energia elétrica,

diminuindo os riscos com acidentes elétricos por superaquecimento e também para evitar acréscimo na

fatura de energia.Uma forma econômica e racional de se obter a energia

reativa necessária para a operação adequada dos equipamentos é a instalação de capacitores próximos

desses equipamentos. A instalação de capacitores porém deve ser precedida de medidas operacionais que levem à diminuição da necessidade de energia reativa, como o desligamento de motores e outros cargas indutivas ociosas ou superdimensionadas.

VANTAGENS DA CORREÇÃO DOS FATOR DE POTÊNCIA

As desvantagens de tensões abaixo da nominal em qualquer sistema elétrico são

bastante conhecidas. Embora os capacitores elevem os níveis de tensões é

raramente econômico instalá-los em estabelecimentos industriais apenas para

esse fim. Quando o fator de potência é corrigido e elevado para 0,92 ou mais, a

empresa passa a utilizar a energia de forma mais correta e econômica, veja por que:

•Desaparece o acréscimo cobrado nas contas de energia elétrica

•Melhora o aproveitamento da energia elétrica para geração de trabalho útil

•Diminuem as variações de tensões (oscilações)

•Melhora o aproveitamento dos equipamentos com menos consumo

•Aumenta a vida útil dos equipamentos•Os condutores tornam-se menos aquecidos diminuindo as perdas de energia elétrica na

instalação•Devido a liberação de carga, a capacidade dos

transformadores alcança melhor aproveitamento

VANTAGENS DA CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA NA CONCESSIONÁRIA

O bloco de potência reativa deixa de circular no sistema de transmissão e distribuição

Evita as perdas pelo efeito JouleAumenta a capacidade do sistema de

transmissões e distribuição para conduzir o bloco de potência ativa

Aumenta a capacidade de geração com o intuito de atender mais consumidores

Diminui os custos de geraçõesEvita os riscos de apagões

CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA EM BAIXA TENSÃO

A correção pode ser feita instalando os capacitores de quatro maneiras diferentes,

tendo como objetivos a conservação de energia e a relação custo/benefício.

Correção na Entrada da Energia de Alta tensão: Corrige o fator de potência visto

pela concessionária permanecendo internamente todos os inconvenientes citados pelo baixo fator de potência e o

custo é elevado.

Correção na Entrada da Energia de Baixa tensão: Permite uma correção bastante significativa normalmente com bancos

automáticos de capacitores. Utiliza-se este tipo de correção em instalações elétricas

com elevado número de cargas com potências diferentes e regimes de

utilização pouco uniformes. A principal vantagem consiste em não haver alívio

sensível dos alimentadores de cada equipamento

Correção por Grupo de Cargas: O capacitor é instalado de forma a corrigir um setor ou

um conjunto de pequenas maquinas (<10cv). É instalado junto ao quadro de

distribuição que alimenta esses equipamentos. Tem como desvantagem não diminuir a corrente nos circuitos de

alimentação de cada equipamento.

Correção Localizada: É obtida instalando-se os capacitores junto ao equipamento que se pretende corrigir o fator de potência. Representa do ponto

de vista técnico, a melhor solução,apresentando as seguintes

vantagens:Reduz as perdas energéticas em todas as

instalaçõesDiminui a carga nos circuitos de alimentação dos

equipamentosPode-se utilizar em sistema único de acionamento

para a carga e o capacitor, economizando-se um equipamento de manobra; e

Gera potência reativa somente onde é necessário

Correção Mista: No ponto de vista de conservação de energia, considerando aspectos técnicos, práticos e

financeiros,torna-se uma melhor solução.Instala-se um capacitor fixo diretamente no lado secundário

do transformador

Motores de aproximadamente 10cv ou mais, corrige-se localmente (cuidado com motores de alta inércia, pois

não se deve dispensar o uso de contadores para manobra dos capacitores sempre que a corrente nominal dos

mesmos for superior a 90% da corrente de excitação do motor)

Motores com menos de 10cv corrigem-se por gruposRedes próprias para a iluminação com lâmpadas de

descarga, usando-se reatores de baixo fator de potência, corrige-se na entrada da rede.

Na entrada instala-se um banco automático de pequena potência para a equalização final.

PROJETO DA CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA

Quando se corrige um fator de potência de uma instalação, consegue-se um aumento de potência

aparente disponível e também uma queda significativa da corrente.

Para iniciar um projeto para a correção do fator de potência, deveremos seguir inicialmente

duas etapas básicas:

Interpretar e analisar os parâmetros elétricos das instalações nas Empresas em Operação,

através das medições efetuadas e nas Empresas em Projeto, através dos parâmetros

elétricos presumidos; eTer em mãos e interpretar as especificações

técnicas de todos os materiais que serão empregados na execução do projeto.

DETERMINAÇÃO DA POTÊNCIA REATIVA

Apresentamos um dimensionamento de capacitores para a correção do Fp que não tenha interferência significativa

de harmônicas.

1- Pot Reat. (KVAR) = Pot. Ativa total (KW) x F2- Pot. Reat. (KVAR) = (% de carga x pot. Ativa x F)/n

Onde:“F” é o fator de multiplicação necessário para a correção do fator de potência existente para o desejado coletado; e

“n” é o rendimento do motor de acordo com a carga aplicada ao eixo.

Utilizar a equação 1 em todos os casos com exceção de motores, usa-se a equação 2.

PROTEÇÕES CONTRA CURTO CIRCUITO

Dimensionar para a utilização de fusíveis, características gL-gG, conforme a seguinte

equação:

Inf = Inc x 1,65

Onde:“Inf” é a corrente calculada do fusível (usar o valor comercial do fusível imediatamente

superior); e“Inc” é a corrente nominal do capacitor.

CONDUTORES

Utilizar condutores superdimensionados em 1,43 vezes a corrente nominal do

capacitor e levar em consideração outros critérios tais como: maneira de instalar, temperatura ambiente e etc., segundo a

norma NBR 5060

DIMENSIONAMENTO DA POTÊNCIA REATIVA PARA BANCOS AUTOMÁTICOS

Recomenda-se dividir em estágios de no máximo 25 KVAR (380/440V) ou 15 KVAR (220V) por

estágio do controlador, executando-se um dos estágios que deve ter a metade da potência em

KVAR do maior estágio para facilitar o ajuste fino do fator de potência, pois os controladores

modernos fazem leitura por varredura, buscando a melhor combinação de estágios em cada

situação

Nota:

A recomendação de valor máximo para os estágios não é aleatória. Está baseada em aspectos práticos de

aplicação e permite que se mantenham as correntes de surto, provocadas pelo chaveamento de bancos (ou módulos) em paralelo, em níveis aceitáveis para os

componentes, decorrendo daí, todo o tipo de dano que possa ser provocado por altas correntes em um circuito

qualquer (atuação de fusível, queima de contatos dos contatores, queima dos resistores de pré-carga, além da

expansão da caneca do capacitor, com conseqüente perda deste)

PROTEÇÃO COM FUSÍVEIS

CONTATORES DE MANOBRA

Proteção contra corrente de surto. Em bancos automáticos com estágios de potência superior a 15

KVAR em 220V e 25 KVAR em 380/440V, utilizar sempre em série com os capacitores, proteção contra surto de corrente que surge no momento em que se energiza os

capacitores. Tal proteção pode ser através da associação de contatores convencionais mais os resistores de pré-recarga ou através de contator convencional em série

com indutores anti-surto feitos com os próprios cabos de força que alimentam os capacitores. No caso de se optar

pelo uso de indutores, dimensionar o contator convencional para regime AC-6b

Cálculo da indutância anti-surto

)(75,0log303,22,0

)(2

1

)(910²2

)(

)4( HlLc

CfXc

FVfff

KVARaQCapacitivC

dl

Onde:Xc é a reatância capacitiva;

Vff é a tensão fase-fase, em volts;l é o comprimento do condutor em metros;

d é o diâmetro do condutor em metros;Lc é a indutância do cabo; e

Xl = 2 x π x f x Lc (Ω)

CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA EM REDES HARMÔNICAS

A tarefa de corrigir o Fp em uma rede elétrica com harmônicas é mais complexa, pois, as

harmônicas podem interagir com os capacitores causando fenômenos de ressonância.

Harmônicas são freqüências múltiplas da freqüência fundamental e na prática observa-se

uma única forma de onda distorcida.

ORIGEM DAS HARMÔNICAS

As harmônicas têm sua principal origem na instalação de cargas não-lineares cuja

forma de onda de corrente não acompanha a forma de onda senoidal da tensão de alimentação. Nos transformadores de

força, são conseqüências da relação não-linear entre o fluxo de magnetização e a corrente de excitação correspondente

CLASSIFICAÇÃO DAS HARMÔNICAS

Atualmente as cargas não-lineares são classificadas em três categorias de acordo com

a natureza da deformação.

CATEGORIA 1: Nessa categoria encontram-se os equipamentos com características operativa de

arcos voltaicos, tais como: fornos a arco, máquinas de solda, lâmpada de descarga e

outros. A natureza da deformação da corrente é oriunda da não linearidade do arco voltaico.

CATEGORIA 2: Nessa categoria encontram-se os equipamentos de núcleo magnético saturado,

tais como: reatores e transformadores de núcleo saturados. A natureza da deformação da

corrente é oriunda da não linearidade do circuito magnético.

CATEGORIA 3: Nesta categoria encontram-se os equipamentos eletrônicos, tais como:

inversores, retificadores, UPS, televisores, microondas, computadores e outros. A

natureza da deformação da corrente é oriunda da não linearidade dos componentes

eletrônicos.

CARGAS NÃO LINEARES

São cargas que não distorcem a forma de onda de corrente e/ou tensão, tais como:

Conversores/inversores de freqüênciaAcionamento de corrente contínua

RetificadoresFornos a arco e indução

Transformadores com núcleo saturadoNo-breaks (UPS)

Controladores tiristorizadosFontes chaveadas

Máquinas de solda elétricaLâmpadas fluorescentes

Microcomputadores (CPU), e etc.

PROBLEMAS CAUSADOS PELAS HARMÔNICAS

Os altos níveis de harmônicas numa instalação elétrica podem causar problemas para as redes de distribuição das

concessionárias e para a própria instalação, assim como para os equipamentos ali instalados.

O aumento da tensão causado pelas harmônicas aceleram a fadiga dos motores, isolações de fios e cabos o que pode causar queimas, falhas e desligamentos. As harmônicas

aumentam a corrente RMS devido a ressonância em série acarretando elevações de temperatura de operação de diversos equipamentos e diminuição da sua vida útil.

Essas freqüências superiores a fundamental causam vários danos ao sistema, dentre os quais podemos destacar:

Aumento das perdas nos estatuais e rotores de máquinas rotativas, causando superaquecimento

danoso;

Ocasiona nos elementos de ligação de uma rede, perdas adicionais causadas pelo aumento da

corrente RMS, quedas de tensão harmônicas nas várias impedâncias do circuito. Nos cabos causa

fadiga dos dielétricos, diminuindo a sua vida útil e aumentando os gastos com manutenção e podem

afetar os transformadores;

Distorção das características de atenuação de relés de proteção;

Aumento da margem de erro dos instrumentos de medida de energia, calibrados para medir ondas

senoidais puras;Interferências em equipamentos de comunicação,

aquecimento em reatores de lâmpadas fluorescentes, interferência na operação de

comutadores e em equipamentos de variação de velocidade de motores, etc.; e

Aparecimento de ressonâncias entre capacitores para correção de fator de potência e o restante do

sistema, causando sobre-tensões e sobre-correntes que podem causar sérios danos ao

sistema

FATOR DE POTÊNCIA EM HARMÔNICASQuando há distorção harmônica na instalação elétrica, o triângulo das potências sofre uma alteração, recebendo uma terceira dimensão

provocada pela potência aparente necessária para sustentar a distorção da freqüência fundamental

(50/60Hz).

FATOR DE POTÊNCIA REALO fator de potência real leva em consideração a

defasagem entre a corrente e a tensão, os ângulos de defasagem de cada harmônica e a potência reativa para produzi-las. Seu valor é sempre menor que o fator de potência de deslocamento sendo que a

correção deverá ser feita pelo fator de potência real.

Potência Reativa(VAr)Potência Aparente

(VA)

Potência Ativa(P)

Distorção da potência aparente

FATOR DE POTÊNCIA DE DESLOCAMENTOConsidera apenas a defasagem entre a corrente e a tensão na freqüência fundamental. Em regime

permanente senoidal o fator de potência é entendido como sendo um fator que representa o quanto da potência aparente é transformada em

potência ativa (cobrado pela concessionária).

Onde:Vn é a tensão da harmônica "n”, eVf é a tensão fundamental (RMS)

00100

Vf

VnDF

MEDIÇÕES

Os instrumentos convencionais, tipo bancada ou tipo alicate, são projetados para medir as formas de onda senoidal pura, ou seja, sem distorção alguma. Porém devemos admitir

que, atualmente, são poucas as instalações que não tem distorção significativa na

senóide 50/60Hz. Nestes casos os instrumentos de medida devem indicar o valor

RMS verdadeiro (conhecido como “True RMS”), identificado no próprio instrumento

EFEITOS DA RESSONÂNCIA

Quando se tem harmônicas presente na rede elétrica acima dos valores preestabelecido anteriormente,

corre-se o risco que ocorra a ressonância série entre o trafo e o capacitor ou banco de capacitores ou

ressonância paralela entre os mesmo e as cargas (motores, etc.). nesta situação, usa-se indutores anti-harmônicas em série com os capacitores, os quais evitam a ressonância do(s) capacitor(es) com todo o

espectro de harmônicas que possa ser gerado. O fenômeno na ressonância série ou paralela, também, pode ocorrer em instalações livres de harmônicas e

com fator de potência unitário. Nesta condição, a impedância capacitiva, submetendo a instalação

elétrica aos efeitos danosos da ressonância.

Ressonância série: é a condição na qual as reatâncias capacitiva e indutiva de um circuito

RLC são iguais. Quando isso ocorre, as reatâncias se cancelam entre si e a impedância do circuito se torna igual à resistência, a qual é

um valor muito pequeno. Ocorre entre o transformador de força e os capacitores ou o

banco de capacitores ligados num mesmo barramento. A ressonância série e a responsável por sobre-correntes que danificam os capacitores

e os demais componentes do circuito.

Ressonância paralela: baseia-se na troca de energia entre um indutor e um capacitor

ligados em paralelo com uma fonte de tensão. Na condição ressonância paralela a

corrente de linha é nula por que a soma vetorial das correntes no circuito “tanque” é zero. A tensão e a impedância resultante

assumem valores muitos elevados.

PROTEÇÕES CONTRA HARMÔNICAS

Tendo concluído haver mais de 20% de CNL na instalação e que os índices de

harmônicas estão acima dos limites, deve-se instalar indutores anti-harmônicas em

série com os capacitores. Nessa condição utilize apenas capacitores com tensão

reforçada (redimensionar a potência do capacitor)

Indutor anti-harmônicas: protege os capacitores contra harmônicas e correntes de surto, porém as harmônicas permanecem na

rede elétrica.

Filtro anti-harmônicas: elimina uma harmônica específica da rede elétrica evitando assim

problemas na instalação e nos equipamentos. Caso existam problemas com mais de uma harmônica, deve-se colocar filtro individual

para cada uma delas.

CUIDADOS NA APLICAÇÃO DOS CAPACITORES

Tensão elevada:Junto a transformadores poderão ser submetidos

a acréscimos de tensão nos períodos de baixa carga;

Harmônicas na rede; eRessonância paralela.

Corrente de surto:Manter a corrente de surto 100 vezes menos que a

corrente nominal; eTempo de chaveamento muito pequeno poderá elevar a tensão no capacitor, provocando danos

(redução da vida útil)

Harmônicas na rede elétrica:

Evitar ressonância série (aumento da corrente) e ressonância paralela (aumento da tensão)

Temperatura:Não deve ultrapassar o limite máximo do

capacitor;Máximo de 50ºC;

Média 24h: 40ºC; eMédia anual: 30ºC, conforme IEC

Terminais do capacitor

ATENÇÃO!

Não utilizar os terminais das células para fazer a interligação entre si pois assim a

corrente que circula nos terminais aumenta, aquece os terminais e provoca

vazamento nas células.

INTERPRETAÇÃO DOS PRINCIPAIS PARÂMETROS DOS CAPACITORES

a) Temperatura de operaçãoSão os limites de temperatura das células,

montadas dentro dos capacitares. Não confundir com temperatura ambiente.

b) Máxima Tensão Permissível (IEC 831/1)1,0 . Vn - Duração Continua - Maior valor médio

durante qualquer período de energização do Banco.

1.1 . Vn - (Duração de 8h a cada 24h de operação não continua) - Flutuações do

sistema.1.15. Vn - Duração de 30 min a cada 24h de operação (não continuo) - Flutuações do

sistema. 1,20. Vn - Duração de 5 min (200 vezes durante

a vida do capacitor) - Tensão a carga leve.1,30. Vn - Duração de 1 min (200 vezes durante

a vida do capacitar)

Obs.: Causas que podem elevar a tensão nos terminais dos capacitares:

Aumento da tensão da rede elétrica,Fator de potência capacitivo;

Harmônicas na redeDescargas atmosféricas,

Mau contato nos cabos e fusíveis;Tempo de religamento (banco automático)

muito curto;Ligar e desligar os capacitores. sem

respeitar o tempo de religação mínimo (linha MON e BON igual a 305 e linha UCW-

T igual a três min.).

c) Máxima Corrente Permissível: (1,30). In)É a corrente máxima permitida, considerando os

efeitos das harmônicas e a sobre-tensão por curtos períodos de tempo (não confundir com

corrente nominal).

d) Taxa de Variação da Tensão Máxima (dv/dt):Este parâmetro informa o limite máximo da taxa

da variação de tensão no capacitor em V/ms.

e) Perdas Joule por KVAR:Esse dado ê importante para dimensionar a

temperatura interna de banco de capacitores.

f) Corrente de pico Transitória Máxima: (100. In)

É a máxima corrente de surto na energização do capacitor.

NOTA: Deve-se ter um cuidado especial com o instrumento de medição utilizado

que deve ser do tipo True RMS.

Utilização de capacitores com tensão nominal reforçada, ou seja, acima do valor de operação da rede: Capacitor com Vn de 380V/60Hz em rede de 220V/ 60Hz:

a potência nominal do mesmo fica reduzida em 220” 380,= 0,335, ou seja, em 66.5%:

Capacitor com Vn de 440V/60Hz em rede de 380V/ 60Hz: a potência nominal do mesmo fica reduzida em

380,/440,= 0,746. ou seja, em 25,4%:

Capacitores com Vn de 480 V/60Hz em redes de 440V/60Hz: a Potência nominal do Capacitor fica

reduzida em 440,/4800= 0,84, ou seja, em 16%.Nota: é necessário sobre-dimensionar a potência

nominal dos capacitores dividindo a mesma pelo fator de redução.

CUIDADOS NA INSTALAÇÃO DE CAPACITORES

Local da Instalação:Evitar exposição ao sol ou proximidade de equipamentos com temperaturas elevadas;

Não bloquear a entrada e salda de ar dos gabinetes;Os locais devem ser protegidos contra materiais sólidos e liquides em suspensão (poeira, óleos); Evitar instalação de capacitores próximos do teto

(calor);Evitar instalação de capacitores em contato direto

sobre painéis e quadros elétricos (calor); Cuidado na instalação de capacitores próximo a cargas não

lineares

LOCALIZAÇÃO DOS CABOS DE COMANDO

Os cabos de comando deverão estar preferencialmente dentro de tubulações

blindadas com aterramento na extremidade do Controlador Automático do Fator de Potência.

Cuidados na Instalação LocalizadaAlguns cuidados devem ser tomados quando se decide fazer uma correção de fator de potência

localizada:

a) Cargas com alta inércia:Ex: Ventiladores, bombas de recalque,

exaustores, etc.Aplicar tensão em capacitores ainda carregados. Deve instalar-se contatores para a comutação do

capacitor, pois o mesmo quando é permanentemente ligado a um motor. podem

surgir problemas quando o motor é desligado da fonte de alimentação. O motor ainda girando irá

atuar como um gerador e fazer surgir sobre-tensão nos terminais do capacitor. Pode-se

dispensar o contator para o capacitor, desde que sua corrente nominal seja menor ou igual a 90% da corrente de excitação do motor (NBR 5060)

b) Inversores de Freqüência:Inversores de freqüência que possuam reatância de rede conectada na entrada dos mesmos emitirão baixos níveis de Freqüências harmônicas para a rede. Se a correção do

fator de potência for necessária, aconselha-se a não instalar capacitores no mesmo barramento de

alimentação do(s) inversa(as). Caso contrário, instalar em série com os capacitores Indutores Anti-harmônicas.

c) Soft-starter:Deve-se utilizar um contator protegido por fusíveis

retardados (gL-gG) para manobrar o capacitor, o qual deve entrar em operaç3o depois que a soft-starter entrar em regime. É sempre importante medir as harmônicas de tensão e corrente se o capacitor for inserido no mesmo

barramento da soft-starter.

Periodicidade e Critérios para Inspeção

a) MensalVerifique visualmente em todas as Unidades Capacitivas se

houve atuação do dispositivo de segurança interno, indicado pela expansão da caneca de alumínio no sentido longitudinal.

Caso positivo, substituir por outra com a mesma potência;Verifique se há fusíveis queimados. Caso positivo, tentar

identificar a causa antes da troca. Usar fusíveis com corrente nominal indicada no Catálogo;

Verificar o funcionamento adequado dos contatores;Nos bancos com ventilação forçada, comprovar o

funcionamento do termostato e do ventilador. Medir a temperatura interna (máxima de 450C):

Medir a tens30 e a corrente das unidades capacitivas:Verificar o aperto das conexões (fast-on) dos capacitores.

Obs.: Sempre que um terminal tipo “fast-on” for desconectado, deverá ser reapertado antes de ser reconectado.

b) Semestralfetuar limpeza completa do armário metálico, interna e

externamente, usando álcool isopropílico; Repetir todos os procedimentos do item anterior

(mensal);Reapertar todos os parafusos dos contatos elétricos e

mecânicos;Medir a temperatura dos cabos conectados ao contator.Verificar estado de conservação das vedações contra a entrada de insetos e outros objetos Instalaçã dos cabos

de sinal de corrente e tensão muito próximos ao barramento (50cm), causando interferências

eletromagnéticas;Defeito de fabricação do controlador, ou seja, controlador

de baixa qualidade.

Obs.: Cuidar com o repique (rápida abertura e fechamento dos contatos de salda) que pode ocorrer no controlador,

provocando com isso queima dos indutores de pré-carga dos contatores e

expansão dos capacitores.

PRINCIPAIS CONSEQUÊNCIAS DA INSTALAÇÃO INCORRETA DE CAPACITORES

1- Queima do Indutor de Pré-Carga do Contator EspecialCausa:

Repique do contator, que pode ser causado pelo repique do controlador.

2- Queima de FusíveisCausas:

Harmônicas na rede, gerando ressonância série, provocando sobre-corrente:

Desequilíbrio de tensão;Fusíveis ultra-rápidos (usar fusível retardado); eAplicar tensão em capacitores ainda carregados

3- Expansão da Unidade CapacitivaCausas:

Repique no contator que pode ser causado pelo repique do controla dor;

Temperatura elevada;Tensão elevada;

Corrente de surto elevada (> 100 . In);Descargas atmosféricas;

Chaveamento de capacitores em bancos automáticos sem dar tempo (30 ou 180s) para a descarga dos

capacitores:Final de vida.

4- Corrente Especificada Abaixo da Nominal. Causas:Tensão do capacitor abaixo da nominal;

Células expandidas.

5- Aquecimento nos Terminais da Unidade Capacitiva (vazamento da resina pelos terminais)

Causa :Mau contato nos terminais de conexão;

Erro de instalação (ex: solda mal feita nos terminais);Interligação entre células capacitivas, conduzindo

corrente de uma célula para outra via terminal.

6- Tensão Acima da NominalCausa;

Fator de potência ter ficado unitário, mesmo não tendo harmônicas, porém provocou ressonância

paralela;Efeito da ressonância paralela entre os capacitores e

a carga.

7- Corrente acima da nominalCausa:

Efeito de ressonância série entre os capacitores e o trafo, provocado pela

igualdade entre a freqüência do trafo e a freqüência de alguma harmônica

significativa na instalação.

CAPACITORES EM INSTALAÇÕES ELÉTRICAS COM FONTE DE ALIMENTAÇÃO ALTERNATIVA

(Grupo Gerador)

Em instalações elétricas com fonte de alimentação alternativa através de grupo gerador,

aconselha-se que todos os capacitores sejam desligados, pois o próprio grupo gerador pode corrigir o fator de potência da carga, evitando

assim problemas tais como perda de sincronismo e excitação pelo fato do gerador operar fora da

sua curva de operação.

APLICAÇÃO DE CONTATORES PARA MANOBRA DE CAPACITORES

Em correção localizada: pode ser instalado contator convencional especificado para regime AC 6b (vide anexo

M). Sua manobra depende de um contato auxiliar do contator principal da chave de partida. O contator pode ser dispensado para carga de baixa inércia ou sempre

que a corrente nominal do capacitor for menor ou igual a 90% da corrente de excitação do motor.

Em correção para grupos de motores: pode ser instalado contator convencional conforme citado no item acima. Geralmente, o mesmo entra ou sai de funcionamento

através de um contato auxiliar do contator principal que aciona o motor de maior potência do grupo.;

Em bancos automáticos: devem ser instalados contatores especiais da série K para potências reativas inferiores a 15 KVAR em 220V (CW17K ou CWM32K) e 25 KVAR em 380/440V (CW37K

ou CWM40K). Para potências reativas superiores.

Em correções gerais de carga através de um único capacitor: deve ser instalado contator

convencional especificado conforme item 9.1. A manobra deste contator geralmente depende dos seguintes dispositivos: relé horário, foto-

célula, botoeira ou comutador de comando liga-desliga e etc.

SUBESTAÇÕES ATÉ 13,8KV

Sempre que a demanda instala for superior a 225 KVA e inferior 2.000 KVA (2MVA) a

edificação deverá ter uma unidade abaixadora (subestação) de MT/BT,

conforme exigência da concessionária local. Para cargas entre 75 KVA e 225 KVA, poderá ser fornecida em BT diretamente da rede externa ou em através de subestações

simplificadas com medição em BT.

MODALIDADES DE SUBESTAÇÕES

a) Quanto à alimentação, podem ser:

Com entrada aérea -> Quando a rede da concessionária é composta por chaves e transformadores com

barramentos sempre aéreos;

Com entrada subterrânea -> Quando os cabos da concessionária são colocados em dutos enterrados no

solo.

Obs.: Existem casos que a rede da concessionária é aérea e a entrada do consumidor subterrânea, ou vice-

versa.

b) Quanto à medição de energia, podem ser:

Medição em MT (média tensão) -> É o caso mais utilizado, principalmente no caso das subestações abrigadas;

Medição em BT (baixa tensão) -> É o caso das simplificadas, instaladas em postes dentro dos limites da unidade

consumidora.

c) Quanto a sua localização, podem ser:

Aérea ou “ao tempo” -> O equipamento fica ao ar livre, cercado por tela protetora, fixada em armação metálica. São muito

utilizadas para tensões primárias bem elevadas (A T);

Abrigada -> O equipamento fica localizado em um compartimento.

PRESCRIÇÕES QUANTO ÀS SUBESTAÇÕES

A seguir temos algumas informações básicas para construção e instalação de uma unidade abaixadora

de tensão MT IBT:

Devem estar localizadas, preferivelmente, junto ao alinhamento da via pública, salvo recuo, investiduras

e afastamentos impostos pelas autoridades (lei Orgânica Municipal);

Mediante acordo entre consumidor e concessionária, a subestação pode ficar afastada do alinhamento,

desde que o comprimento do ramal (cabo alimentador) não ultrapasse a 100 metros;

Para afastamentos que ultrapassem o comprimento acima citado, deve ser construída no alinhamento da via pública, ou com recuo máximo de 10 metros, uma subestação de manobra, proteção e medição provida

de disjuntor;

O pé direito (distância entre o piso e o teto) das subestações abrigadas deverá ser de 6 metros, quando localizada no pavimento térreo, ou de 3 metros, quando localizada a partir do segundo

pavimento em diante;

O ramal de ligação aéreo não poderá ser maior que 40 metros e nem passar sobre edificações;

O ramal de ligação subterrânea utiliza dutos a uma profundidade de 50 centímetros em relação ao nível do solo. As caixas de passagem devem

ficar distanciadas entre si, no máximo 60 metros;

As caixas de passagem deverão ter as seguintes dimensões:

a) Para locais onde há trânsito de veículos:1,20 x 1,60 x 2,00 metros.

b) Para locais sem trânsito de veículos:1,00 x 1 ,00 x 2,00 metros.

Os postes podem ter 9,10 ou 11 metros, devendo ser levado em consideração que os condutores

do ramal devem passar 6 metros, no mínimo, acima de qualquer terreno;

Os cabos podem ser uni polar ou tripolar, armados ou não-armados. Se forem empregados

cabos não armados, estes devem ter, em todo seu percurso, proteção mecânica adequada, com

manilhas de barro, tubos de PVC, canaflex etc. Os cabos armados podem ser enterrados

diretamente no solo;

A ligação dos transformadores é em delta, no lado do primário, e em estrela, no lado do

secundário;

Em edifícios, dá-se preferência a transformadores a seco, pois não explodem. Necessitam apenas

de uma boa circulação de ar;Nas subestações com ramal de entrada aéreo deve-se instalar pára-raios tipo válvula com

tensão disruptiva de impulso atmosférico de 62 KV;

Deve-se executar uma malha de aterramento dentro da subestação, com 6 hastes no mínimo espaçadas entre si de uma distância maior ou igual ao seu comprimento, e aterrar todas as

partes metálicas não energizadas, bem como o neutro e o pára-raios;

No caso do sistema de proteção contra incêndio e pânico necessitar de ser alimentado através de uma subestação, devido a sua potência, deverá

ser construída uma subestação a parte, caso contrário, pode ser requerida uma ligação em BT

só para o sistema.

DETERMINAÇÃO DA CAPACIDADE DOS TRANSFORMADORES

O correto para efetuar tal cálculo e estar de posse do projeto de distribuição elétrica, efetuar o cálculo de

demanda, para determinar com a maior precisão possível.Caso isso não seja possível pode-se estimar a

capacidade dos trafos pegando a ATE (Área Total Edificada) e utilizar a relação abaixo:

S = ATE( 0,1 KVAI m²)

Onde “S” é a capacidade do trafo em KVA