Corrección do factor de potencia: Que é? (Fórmula Circuíto e Bancos de Condensadores)

Campo: Electrónica Básica

China

qué é a corrección do factor de potencia

Qué é a corrección do factor de potencia?

A corrección do factor de potencia (tamén coñecida como PFC ou Melora do Factor de Potencia) defineuse como unha técnica utilizada para mellorar o factor de potencia dos circuitos AC reducindo a potencia reactiva presente no circuito. As técnicas de corrección do factor de potencia teñen como obxectivo aumentar a eficiencia do circuito e reducir a corrente consumida pola carga.

Xeralmente, empreganse condensadores e motores síncronos nos circuitos para reducir os elementos inductivos (e, polo tanto, a potencia reactiva). Estas técnicas non se usan para aumentar a cantidade de potencia real, só para diminuír a potencia aparente.

En outras palabras, reduce o desprazamento de fase entre voltaxe e corrente. Así, intenta manter o factor de potencia próximo á unidade. O valor máis económico do factor de potencia está entre 0,9 e 0,95.

Agora surge a pregunta, por que o valor económico do factor de potencia é 0,95 en vez dun factor de potencia unitario? Hai algún inconveniente nun factor de potencia unitario?

NON. Non hai ningún inconveniente nun factor de potencia unitario. Pero é difícil e cara instalar equipos de PFC unitarios.

Por iso, as empresas de utilidades e suministro eléctrico tentan manter un factor de potencia entre 0,9 e 0,95 para crear un sistema económico. E esta gama é suficiente para un sistema de enerxía eléctrica.

Se o circuito AC ten unha carga inductiva alta, o factor de potencia pode estar por debaixo de 0,8. E consume máis corrente da fonte.

O equipo de corrección do factor de potencia reduce os elementos inductivos e a corrente consumida da fonte. Isto resulta nun sistema máis eficiente e prevén a perda de enerxía eléctrica.

Por que é necesaria a corrección do factor de potencia?

Nas correntes contínuas, a potencia dissipada por unha carga calculase simplemente multiplicando o voltaxe e a corrente. E a corrente é proporcional ao voltaxe aplicado. Polo tanto, a dissipación de potencia pola carga resistiva é linear.

Nas correntes alternas, o voltaxe e a corrente son ondas sinusoidais. Polo tanto, a magnitude e a dirección cambian continuamente. En determinado instante, a potencia dissipada é a multiplicación do voltaxe e da corrente nese instante.

Se un circuito de corrente alternada ten cargas inductivas como: bobinas, espiras, solenoides, transformador; a corrente está desfasada co voltaxe. Nesta condición, a potencia real dissipada é menor que o produto do voltaxe e a corrente.

Debido a elementos non lineares nos circuitos de corrente alternada, estes contén tanto resistencia como reactancia. Polo tanto, nesta condición, a diferenza de fase entre a corrente e o voltaxe é importante ao calcular a potencia.

Para unha carga puramente resistiva, o voltaxe e a corrente están en fase. Pero para unha carga inductiva, a corrente se retrasa respecto ao voltaxe. E isto crea reactancia inductiva.

Nesta condición, a corrección do factor de potencia é necesaria para reducir o efecto do elemento inductivo e mellorar o factor de potencia para aumentar a eficiencia do sistema.

Fórmula de corrección do factor de potencia

Considera que unha carga inductiva está conectada ao sistema e opera cun factor de potencia cosф1. Para mellorar o factor de potencia, é necesario conectar equipo de corrección do factor de potencia en paralelo coa carga.

O diagrama de circuito desta disposición móstrase na figura seguinte.

power factor correction example

O capacitor fornece unha compoñente reactiva adiantada e reduce o efecto da compoñente reactiva atrasada. Antes de conectar o capacitor, a corrente de carga é IL.

O capacitor toma unha corrente IC que adianta á tensión en 90˚. E a corrente resultante do sistema é Ir. O ángulo entre a tensión V e IR diminúe en comparación co ángulo entre V e IL. Polo tanto, o factor de potencia cosф2 mellora.

power factor correction phasor diagram

Diagrama fasorial de corrección do factor de potencia

Segundo o diagrama fasorial anterior, a compoñente atrasada do sistema diminúe. Polo tanto, para cambiar o factor de potencia de ф1 a ф2, a corrente de carga diminúe en IRsinф2.

$I_R sin \phi_2 = I_L sin \phi_1 - I_C$

$I_C = I_L sin \phi_1 - I_R sin \phi_2$

A capacitancia do condensador para mellorar o factor de potencia é;

$C = \frac{I_C}{\omega V}$

Circuíto de Corrección do Factor de Potencia

As técnicas de corrección do factor de potencia utilizan principalmente condensadores ou bancos de condensadores e síncrono condensador. Segundo o equipo utilizado para corrixir o factor de potencia, hai tres métodos;

Banco de Condensadores
Síncrono Condensador
Avanzador de Fase

Corrección do Factor de Potencia usando Banco de Condensadores

O condensador ou banco de condensadores pode estar conectado como unha capacitancia fixa ou variable. Está conectado a un motor de indución, painel de distribución ou suministro principal.

O condensador de valor fixo está conectado continuamente ao sistema. Unha capacitancia de valor variable varía a cantidade de KVAR segundo a necesidade do sistema.

Para a corrección do factor de potencia, usa-se un banco de condensadores para conectar coa carga. Se a carga é unha carga trifásica, o banco de condensadores pode conectarse como conexión en estrela ou delta.

Banco de Condensadores Conectado en Delta

O seguinte diagrama de circuito amosa un banco de condensadores conectado en delta cunha carga trifásica.

delta connected capacitor bank

Banco de Condensadores Conectado en Delta

Vamos atopar a ecuación do condensador por fase cando está conectado en delta. Na conexión delta, a tensión de fase (VP) e a tensión de liña (VL) son iguais.

$V_P = V_L$

A capacitancia por fase (C∆) dáse como;

$C_\Delta = \frac{Q_C}{\omega V_P^2} = \frac{Q_C}{\omega V_L^2}$

Banco de condensadores en estrela

O diagrama de circuito a seguir mostra un banco de condensadores en estrela cunha carga trifásica.

Banco de condensadores en estrela

Na conexión en estrela, a relación entre a tensión de fase (VP) e a tensión de liña (VL) é;

$V_P = \frac{1}{\sqrt{3}} V_L$

A capacitancia por fase (CY) dáse como;

$C_Y = \frac{Q_C}{\omega V_P^2} = \frac{Q_C}{\omega (\frac{V_L}{\sqrt{3}})^2} = \frac{3Q_C}{\omega V_L^2}$

Dende as ecuacións anteriores;

$C_Y = 3 C_\Delta$

Isto significa que a capacitancia necesaria na conexión en estrela é tres veces a capacitancia necesaria na conexión en delta. Ademais, a tensión de fase operativa é 1/√3 veces a tensión de liña.

polo tanto, o banco de condensadores conectado en delta é un deseño bo e esa é a razón pola que, nunha conexión trifásica, o banco de condensadores conectado en delta úsase máis na rede.

Corrección do factor de potencia usando condensador síncrono

Cando un motor síncrono está sobreexcitado, toma corrente adiantada e comportase como un condensador. Un motor síncrono sobreexcitado que se executa en condición sen carga coñécese como condensador síncrono.

Cando este tipo de máquina está conectado en paralelo coa alimentación, toma unha corrente de avance. E mellora o factor de potencia do sistema. O diagrama de conexión do condensador síncrono coa alimentación é como se mostra na figura a continuación.

power factor correction using synchronous condenser

Corrección do factor de potencia usando un condensador síncrono

Cando a carga ten un compoñente reactivo, tira unha corrente de retardo do sistema. Para neutralizar a corrente, emprega-se este dispositivo para tomar unha corrente de avance.

synchronous condenser phasor diagram

Diagrama fasorial do condensador síncrono

Antes de que o condensador síncrono esté conectado, a corrente tirada pola carga é IL e o factor de potencia é фL.

Cando o condensador síncrono está conectado, toma a corrente Im. Nesta condición, a corrente resultante é I e o factor de potencia é фm.

Do diagrama fasorial, podemos comparar ambos os ángulos do factor de potencia (фL e фm). E фm é menor que фL. Polo tanto, o cosфm é maior que cosфL.

Este tipo de método de mellora do factor de potencia úsase en estacións de abastecemento a gran escala debido ás seguintes vantaxes.

A intensidade da corrente consumida polo motor cambia variando a excitación do campo.
É fácil eliminar as fallos que ocorren no sistema.
A estabilidade térmica do enroscado do motor é alta. Polo tanto, é un sistema fiable para correntes de curto circuito.

Avance de Fase

O motor de indución consume corrente reactiva debido á corrente de excitación. Se se usa outra fonte para proporcionar a corrente de excitación, o enroscado do estator queda libre da corrente de excitación. E o factor de potencia do motor pode mellorarse.

Esta disposición pode realizarse usando o avance de fase. O avance de fase é un excitador AC simple montado no mesmo eixe do motor e conectado ao circuito do rotor do motor.

Proporciona corrente de excitación ao circuito do rotor a frecuencia de deslizamento. Se se proporciona máis corrente de excitación do necesario, o motor de indución pode operar cun factor de potencia líder.

A única desvantaxe do avance de fase é que non é económico para motores pequenos, especialmente abaixo dos 200 HP.

Corrección Activa do Factor de Potencia

A corrección activa do factor de potencia ofrece un control máis eficiente do factor de potencia. Xeralmente, empregase no deseño de fornecemento de enerxía para máis de 100W.

Este tipo de circuito de corrección do factor de potencia consiste en elementos de conmutación de alta frecuencia como díodos, SCR (interruptores electrónicos de potencia). Estes elementos son elementos activos. Polo tanto, este método denomínase método de corrección activa do factor de potencia.

Na corrección pasiva do factor de potencia, os elementos reactivos como condensadores e inductores usados no circuito son non controlados. Como o circuito de corrección pasiva do factor de potencia non utiliza ningún elemento de control ou conmutación.

Debido aos elementos de conmutación de alta frecuencia e unidades de control utilizados no circuito, o custo e a complexidade do circuito aumentan en comparación co circuito de corrección pasiva do factor de potencia.

O diagrama de circuito seguinte mostra os elementos básicos dun circuito de corrección activa do factor de potencia.

corrección activa do factor de potencia

Corrección activa do factor de potencia

Para controlar os parámetros do circuito, úsase unha unidade de control no circuito. Mede a tensión e corrente de entrada. E axusta o tempo de conmutación e o ciclo de traballo na tensión e corrente de fase.

O indutor L está controlado polo interruptor de estado sólido Q. A unidade de control úsase para controlar (ON e OFF) o interruptor de estado sólido Q.

Cando o interruptor está ON, a corrente do inductor aumenta por ∆I+. A tensión a través do inductor invértese de polaridade e libera para acumular enerxía a través do díodo D1 á carga.

Cando o interruptor está OFF, a corrente do inductor diminúe por ∆I–. O cambio total durante un ciclo é ∆I = ∆I+ – ∆I–. O tempo de ON e OFF do interruptor está controlado pola unidade de control cambiando o ciclo de traballo.

Con unha selección adecuada do ciclo de traballo, podemos obter a forma desexada da corrente á carga.

Como dimensionar a corrección do factor de potencia?

Para dimensionar a corrección do factor de potencia, necesitamos calcular o requerimento de potencia reactiva (KVAR). E conectamos esa capacidade co sistema para satisfacer a demanda de potencia reactiva.

Hai dúas formas de atopar o requerimento de KVAR.

Método do multiplicador de táboa
Método de cálculo

Como o nome indica, no método do multiplicador de táboa, podemos atopar directamente unha constante de multiplicador dunha táboa. Podemos atopar directamente o KVAR necesario multiplicando a constante coa potencia de entrada.

table multiplier method

Método do Multiplicador de Taboa

No método de cálculo, temos que calcular o multiplicador como se mostra no exemplo seguinte.

Exemplo:

Un motor de indución de 10 kW ten un factor de potencia de 0,71 en retardo. Se necesitamos executar este motor cun factor de potencia de 0,92, cal será o tamaño do capacitor?

Potencia de Entrada = 10kW
Factor de Potencia Real (cos фA) = 0,71
Factor de Potencia Requirido (cos фR) = 0,92

$\cos \phi_1 = 0.71 \Rightarrow \phi_1 = \cos^{-1} 0.71$

$\phi_1 = 44.765^\circ$

$\cos \phi_2 = 0.92 \Rightarrow \phi_1 = \cos^{-1} 0.9$

$\phi_2 = 23.073^\circ$

$\tan \phi_1 = \tan (44.765^\circ) = 0.9918$

$\tan \phi_2 = \tan (23.073^\circ) = 0.4259$

$Multiplier \, Constant = 0.9918-0.4259 = 0.5658$

KVAR necesario = Potencia de entrada x Constante multiplicadora

$KVAR = 10 \times 0.5658$

$KVAR = 5.658$

Por tanto, é necesario unha potencia reactiva de 5.658 KVAR para mellorar o factor de potencia de 0.71 a 0.92. E o condensador conectado ao sistema ten unha capacitancia de 5.658 KVAR.

Aplicacións da corrección do factor de potencia

Nunha rede de sistemas eléctricos, o factor de potencia xoga un papel moi importante na calidade e xestión do sistema. Determina a eficiencia do suministro de enerxía.

Sen corrección do factor de potencia, a carga extrae unha corrente de alta magnitude da fonte. Isto aumenta as perdas e o custo da enerxía eléctrica. O equipo de corrección do factor de potencia (PFC) intenta facer que as formas de onda da corrente e do voltaxe estean en fase. Iso aumentará a eficiencia do sistema.
Na rede de transmisión, é necesario un alto factor de potencia. Debido ao alto factor de potencia, as perdas da liña de transmisión diminúen e mellora a regulación do voltaxe.
O motor de indución é un equipo ampliamente utilizado nas industrias. Para evitar o sobrecalentamento e mellorar a eficiencia do motor, úsanse condensadores para mitigar o efecto da potencia reactiva.
O equipo PFC reduce a xeración de calor nos cables, interruptores, alternadores, transformadores, etc.
Debido á alta eficiencia da rede, necesitamos xerar menos enerxía. Esto redunda en unha menor emisión de carbono á atmosfera.
A caída de voltaxe diminúe considerablemente ao usar equipo PFC no sistema.

Declaración: Respetar o orixinal, os bons artigos merecen ser compartidos, se hai algún dereito de autor por favor contacta para eliminar.

Dá unha propina e anima ao autor

Temas:

Sistemas de enerxía

Transmisión

Sobre os expertos

Electrical4u

China

Área de especialización

Basic Electrical

Artigo profesional

607