Correção do Fator de Potência: O que é? (Fórmula, Circuito e Bancos de Capacitores)

Campo: Eletricidade Básica

China

o que é correção do fator de potência

O que é Correção do Fator de Potência?

A correção do fator de potência (também conhecida como CFP ou Correção do Fator de Potência) é definida como uma técnica usada para melhorar o fator de potência dos circuitos CA reduzindo a potência reativa presente no circuito. As técnicas de correção do fator de potência visam aumentar a eficiência do circuito e reduzir a corrente consumida pela carga.

Geralmente, capacitores e motores síncronos são usados em circuitos para reduzir os elementos indutivos (e, portanto, a potência reativa). Essas técnicas não são usadas para aumentar a quantidade de potência ativa, apenas para diminuir a potência aparente.

Em outras palavras, ela reduz o deslocamento de fase entre tensão e corrente. Portanto, tenta manter o fator de potência próximo da unidade. O valor mais econômico do fator de potência está entre 0,9 e 0,95.

Agora surge a pergunta, por que o valor econômico do fator de potência é 0,95 em vez do fator de potência unitário? Existe alguma desvantagem do fator de potência unitário?

NÃO. Não há nenhuma desvantagem do fator de potência unitário. Mas é difícil e caro instalar equipamentos de CFP unitários.

Portanto, as empresas de utilidades e fornecimento de energia tentam manter o fator de potência em um intervalo de 0,9 a 0,95 para criar um sistema econômico. E esse intervalo é suficiente para um sistema de energia.

Se o circuito CA tiver uma carga indutiva alta, o fator de potência pode ficar abaixo de 0,8. E isso resulta no consumo de mais corrente da fonte.

O equipamento de correção do fator de potência reduz os elementos indutivos e a corrente consumida da fonte. Isso resulta em um sistema mais eficiente e previne a perda de energia elétrica.

Por que a Correção do Fator de Potência é Necessária?

Em circuitos CC, a potência dissipada por uma carga é simplesmente calculada multiplicando a tensão e a corrente. E a corrente é proporcional à tensão aplicada. Portanto, a dissipação de potência pela carga resistiva é linear.

Em circuitos CA, a tensão e a corrente são ondas senoidais. Portanto, a magnitude e a direção mudam continuamente. Em um instante particular, a potência dissipada é o produto da tensão e da corrente nesse instante.

Se um circuito CA tiver cargas indutivas como enrolamentos, bobinas de chowk, solenóides, transformador; a corrente está fora de fase com a tensão. Nessa condição, a potência real dissipada é menor que o produto da tensão e da corrente.

Devido a elementos não lineares em circuitos CA, eles contêm tanto resistência quanto reatância. Portanto, nessa condição, a diferença de fase entre a corrente e a tensão é importante ao calcular a potência.

Para uma carga puramente resistiva, a tensão e a corrente estão em fase. Mas para uma carga indutiva, a corrente fica atrasada em relação à tensão. E isso cria reatância indutiva.

Nessa condição, a correção do fator de potência é mais necessária para reduzir o efeito do elemento indutivo e melhorar o fator de potência para aumentar a eficiência do sistema.

Fórmula de Correção do Fator de Potência

Considere que uma carga indutiva está conectada ao sistema e opera com um fator de potência cosф1. Para melhorar o fator de potência, precisamos conectar equipamento de correção do fator de potência em paralelo com a carga.

O diagrama do circuito dessa configuração é mostrado na figura abaixo.

power factor correction example

O capacitor fornece um componente reativo de avanço e reduz o efeito do componente reativo de atraso. Antes de conectar o capacitor, a corrente de carga é IL.

O capacitor toma uma corrente IC que leva a tensão por 90˚. E a corrente resultante do sistema é Ir. O ângulo entre a tensão V e IR é diminuído em comparação com o ângulo entre V e IL. Portanto, o fator de potência cosф2 é melhorado.

power factor correction phasor diagram

Diagrama Fásico de Correção do Fator de Potência

A partir do diagrama fásico acima, o componente de atraso do sistema é reduzido. Portanto, para mudar o fator de potência de ф1 para ф2, a corrente de carga é reduzida por 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 capacitância do capacitor para melhorar o fator de potência é;

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

Circuito de Correção de Fator de Potência

As técnicas de correção de fator de potência usam principalmente um capacitor ou banco de capacitores e sincronizador condensador. De acordo com o equipamento usado para corrigir o fator de potência, existem três métodos;

Banco de Capacitores
Sincronizador Condensador
Adiantador de Fase

Correção de Fator de Potência usando Banco de Capacitores

O capacitor ou banco de capacitores pode ser conectado como uma capacitância de valor fixo ou variável. É conectado a um motor de indução, painel de distribuição ou fornecimento principal.

O capacitor de valor fixo está conectado continuamente com o sistema. Um capacitância de valor variável ajusta a quantidade de KVAR de acordo com a necessidade do sistema.

Para a correção do fator de potência, o banco de capacitores é usado para se conectar à carga. Se a carga for uma carga trifásica, o banco de capacitores pode ser conectado em estrela ou delta.

Banco de Capacitores Conectado em Delta

O diagrama de circuito abaixo mostra um banco de capacitores conectado em delta com uma carga trifásica.

banco de capacitores conectado em delta

Banco de Capacitores Conectado em Delta

Vamos encontrar a equação do capacitor por fase quando ele está conectado em conexão delta. Na conexão delta, a tensão de fase (VP) e a tensão de linha (VL) são iguais.

$V_P = V_L$

A capacitância por fase (C∆) é dada como;

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

Banco de Capacitores Conectado em Estrela

O diagrama de circuito abaixo mostra um banco de capacitores conectado em estrela com uma carga trifásica.

Banco de Capacitores Conectado em Estrela

Na conexão em estrela, a relação entre a tensão de fase (VP) e a tensão de linha (VL) é:

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

A capacitância por fase (CY) é dada como;

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

Das equações acima;

$C_Y = 3 C_\Delta$

Isso significa que a capacitância necessária na conexão em estrela é três vezes a capacitância necessária na conexão em delta. Além disso, a tensão de fase operacional é 1/√3 vezes a tensão de linha.

Portanto, o banco de capacitores conectado em delta é um bom projeto e é por isso que, em uma conexão trifásica, o banco de capacitores conectado em delta é mais utilizado na rede.

Correção do Fator de Potência usando Condensador Síncrono

Quando um motor síncrono está sobreaquecido, ele toma a corrente avançada e se comporta como um capacitor. Um motor síncrono sobreaquecido funcionando em condição sem carga é conhecido como condensador síncrono.

Quando este tipo de máquina é conectado em paralelo com o fornecimento, ele toma uma corrente avançada. E melhora o fator de potência do sistema. O diagrama de conexão do condensador síncrono com o fornecimento é mostrado na figura abaixo.

correção do fator de potência usando condensador síncrono

Correção do Fator de Potência Usando Condensador Síncrono

Quando a carga tem um componente reativo, ela retira uma corrente atrasada do sistema. Para neutralizar a corrente, este dispositivo é usado para tomar uma corrente avançada.

diagrama fasorial do condensador síncrono

Diagrama Fasorial do Condensador Síncrono

Antes que o condensador síncrono seja conectado, a corrente retirada pela carga é IL e o fator de potência é фL.

Quando o condensador síncrono é conectado, ele toma a corrente Im. Nesta condição, a corrente resultante é I e o fator de potência é фm.

A partir do diagrama fasorial, podemos comparar ambos os ângulos do fator de potência (фL e фm). E фm é menor que фL. Portanto, o cosфm é maior que cosфL.

Este tipo de método de melhoria do fator de potência é usado em estações de fornecimento em massa devido às vantagens abaixo.

A magnitude da corrente consumida pelo motor é alterada variando a excitação do campo.
É fácil remover as falhas que ocorrem no sistema.
A estabilidade térmica do enrolamento do motor é alta. Portanto, é um sistema confiável para correntes de curto-circuito.

Antecipador de Fase

O motor de indução consome corrente reativa devido à corrente de excitação. Se outra fonte for usada para fornecer a corrente de excitação, o enrolamento do estator fica livre da corrente de excitação. E o fator de potência do motor pode ser melhorado.

Esta configuração pode ser feita usando o antecipador de fase. O antecipador de fase é um excitador AC simples montado no mesmo eixo do motor e conectado ao circuito do rotor do motor.

Ele fornece corrente de excitação ao circuito do rotor na frequência de deslizamento. Se você fornecer mais corrente de excitação do que o necessário, o motor de indução pode operar com fator de potência avançado.

A única desvantagem do antecipador de fase é que não é econômico para motores de pequeno porte, especialmente abaixo de 200 HP.

Correção Ativa do Fator de Potência

A correção ativa do fator de potência fornece um controle mais eficiente do fator de potência. Geralmente, é usada no design de fontes de alimentação para mais de 100W.

Este tipo de circuito de correção do fator de potência consiste em elementos de comutação de alta frequência, como diodos e SCR (interruptores eletrônicos de potência). Esses elementos são ativos. Portanto, este método é chamado de correção ativa do fator de potência.

Na correção passiva do fator de potência, os elementos reativos como capacitores e indutores usados no circuito são não controlados. Como o circuito de correção passiva do fator de potência não usa nenhuma unidade de controle e elementos de comutação.

Devido aos elementos de comutação de alta frequência e à unidade de controle usados no circuito, o custo e a complexidade do circuito aumentam em comparação com o circuito de correção passiva do fator de potência.

O diagrama de circuito abaixo mostra os elementos básicos de um circuito de correção ativa do fator de potência.

correção ativa do fator de potência

Correção Ativa do Fator de Potência

Para controlar os parâmetros do circuito, é utilizado uma unidade de controle no circuito. Ela mede a tensão e a corrente de entrada. E ajusta o tempo de comutação e o ciclo de trabalho na tensão e corrente de fase.

O indutor L é controlado pelo interruptor de estado sólido Q. A unidade de controle é usada para controlar (ligar e desligar) o interruptor de estado sólido Q.

Quando o interruptor está ligado, a corrente do indutor aumenta por ∆I+. A tensão através do indutor inverte a polaridade e libera a energia acumulada através do diodo D1 para a carga.

Quando o interruptor está desligado, a corrente do indutor diminui por ∆I–. A mudança total durante um ciclo é ∆I = ∆I+ – ∆I–. O tempo de ligar e desligar do interruptor é controlado pela unidade de controle alterando o ciclo de trabalho.

Com a seleção adequada do ciclo de trabalho, podemos obter a forma desejada da corrente para a carga.

Como Dimensionar a Correção do Fator de Potência?

Para dimensionar a correção do fator de potência, precisamos calcular a necessidade de potência reativa (KVAR). E conectamos essa capacidade de capacitância com o sistema para atender à demanda de potência reativa.

Existem duas maneiras de encontrar a necessidade de KVAR.

Método do Multiplicador de Tabela
Método de Cálculo

Como o nome sugere, no método do multiplicador de tabela, podemos encontrar diretamente uma constante de multiplicador em uma tabela. Podemos encontrar diretamente o KVAR necessário multiplicando a constante pela potência de entrada.

table multiplier method

Método do Multiplicador de Tabela

No método de cálculo, precisamos calcular o multiplicador conforme mostrado no exemplo abaixo.

Exemplo:

Um motor de indução de 10 kW tem um fator de potência de 0,71 em atraso. Se precisarmos operar este motor com um fator de potência de 0,92, qual será o tamanho do capacitor?

Potência de Entrada = 10kW
Fator de Potência Atual (cos фA) = 0,71
Fator de Potência Requerido (cos фR) = 0,92

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

$\phi_1 = 44.765^\circ$

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

$\phi_2 = 23.073^\circ$

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

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

$Constante Multiplicadora = 0.9918-0.4259 = 0.5658$

KVAR Requerido = Potência de Entrada x Constante Multiplicadora

$KVAR = 10 \times 0.5658$

$KVAR = 5.658$

Portanto, 5.658 KVAR de potência reativa são necessários para melhorar o fator de potência de 0,71 para 0,92. E o capacitor conectado ao sistema tem uma capacitância de 5.658 KVAR.

Aplicações da Correção do Fator de Potência

Em uma rede de sistemas de energia, o fator de potência desempenha um papel extremamente importante na qualidade e gestão do sistema. Ele determina a eficiência do fornecimento de energia.

Sem a correção do fator de potência, a carga retira uma corrente de grande magnitude da fonte. Isso aumenta as perdas e o custo da energia elétrica. O equipamento de PFC (Power Factor Correction) tenta alinhar as ondas de corrente e tensão. Isso aumentará a eficiência do sistema.
Na rede de transmissão, é necessário um alto fator de potência. Devido ao alto fator de potência, as perdas da linha de transmissão diminuem e a regulagem de tensão melhora.
O motor de indução é um equipamento amplamente utilizado nas indústrias. Para evitar o superaquecimento e melhorar a eficiência do motor, os capacitores são usados para mitigar o efeito da potência reativa.
O equipamento de PFC reduz a geração de calor em cabos, disjuntores, alternadores, transformadores, etc.
Devido à alta eficiência da rede, precisamos gerar menos energia, o que reduz a emissão de carbono na atmosfera.
A queda de tensão é consideravelmente reduzida com o uso de equipamentos de PFC no sistema.

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Tópicos:

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