Melhoria do fator de potência em motores de indução

Depois de ler este artigo, você aprenderá sobre: ​​- 1. Introdução à Melhoria do Fator de Potência 2. Potência no Circuito Indutivo / Capacitivo 3. Fator de Potência / Potência no Circuito Resistivo 4. Potência / Fator de Potência na Indutância somente 5. Potência / Potência Fator em Capacitância somente 6. Fator de Potência Líder e Atraso 7. Os Efeitos do Fator de Potência Baixo e sua Correção e Outros Detalhes .

Conteúdo:

  1. Introdução à melhoria do fator de poder
  2. Potência no circuito indutivo / capacitivo
  3. Potência / Fator de Potência somente em Indutância
  4. Potência / Fator de Potência somente em Capacitância
  5. Fator de Potência Líder e Atrasado
  6. Os efeitos do fator de baixa potência e sua correção
  7. Medidores de fator de potência
  8. Aplicação de capacitores de potência
  9. Determinação da classificação do capacitor
  10. Vantagens de capacitores de potência
  11. Plantas industriais
  12. Sistemas de Transmissão

1. Introdução à Melhoria do Fator de Potência:

Quando a corrente fluindo em um sistema de corrente alternada que fornece um motor de indução é examinada, será perceptível que é maior do que o esperado dos requisitos normais do motor. Portanto, uma vez que qualquer carga de mina compreende principalmente motores de indução, segue-se que uma corrente maior está sendo fornecida do que a que é realmente necessária para fornecer o trabalho que está sendo executado.

Este excesso de corrente ocorre apenas em sistemas de corrente alternada e não tem contrapartida em sistemas de corrente contínua. Ele surge devido ao efeito que a reatância do enrolamento de campo tem sobre o ciclo de corrente alternada.

2. Poder no circuito indutivo / capacitivo:

Sabemos que em um circuito CC a potência é dada pelo produto de tensão e corrente. Mas em um circuito CA isso não é verdade. Se o circuito contiver reatância indutiva ou capacitiva, então o produto de tensão e corrente não fornece a potência real, mas a potência aparente. Este poder real é uma fração da potência aparente, sendo a fração conhecida como fator de potência (FP). Assim sendo,

3. Potência / Fator de Potência no Circuito Resistivo:

Para obter a forma atual da onda de potência para uma determinada tensão e corrente, é necessário multiplicar valores instantâneos de tensão e corrente, por exemplo, em um circuito contendo somente resistência, as formas de onda de corrente e tensão são como na Fig. 19.1.

Tomemos o ponto 5 da Figura 19.1 (a), o valor da tensão é dado por CA e o de corrente por AB. A multiplicação desses dois valores juntos dá DE ou ponto 5 na Figura 19.1 (b). Quando este processo é repetido para todos os outros pontos, a curva de potência real é obtida.

Agora, como o circuito contém apenas resistência pura, a curva de potência real também deve ser a curva de potência aparente.

Para um circuito resistivo puro,

Poder real = poder aparente.

. . . Fator de Potência = 1 = Unidade.

4. Potência / Fator de Potência somente na Indutância:

Em um circuito que contém apenas indutância (sem resistência) e usando o mesmo método descrito acima, a curva de potência real pode ser obtida como mostrado na Fig. 19.2. Agora, a partir dessa figura, pode-se ver que, para cada meio ciclo de tensão, há dois pulsos de potência, um positivo e outro negativo.

Por que isso acontece? Vemos que quando a tensão e a corrente são positivas ou ambas negativas, a energia é alimentada à indutância para configurar um campo magnético.

Quando a tensão e a corrente estão em direções opostas, o campo magnético entra em colapso, devolvendo a energia à fonte. E, como tal, percebe-se que a potência média usada durante um ciclo completo é zero. A potência aparente, no entanto, é o produto de tensão e corrente e tem um valor definido. Daqui para o circuito puramente indutivo

Potência real = 0

Fator de Potência = 0 / Potência Aparente = 0

5. Potência / Fator de Potência somente em Capacitância:

Onde um circuito contém apenas capacitância, as formas de onda de corrente e tensão são como na Fig. 19.3. Aqui, como no caso de indutância, temos duas vantagens de energia para cada meio ciclo de tensão, embora as posições dos pulsos positivos e negativos tenham sido trocadas.

Nesse caso, quando a tensão e a corrente são positivas ou negativas, a energia é fornecida à capacitância para configurar um campo eletrostático. Quando a tensão e a corrente estão em direções opostas, o campo eletrostático colapsa a energia de retorno à fonte.

Novamente, como na indutância, embora não exista valor de poder útil, existe um valor de poder aparente. Por isso, para um circuito puramente capacitivo

Potência Real = 0

Fator de Potência = 0 + Potência Real = 0

6. Fator de Potência Líder e Atrasado:

A partir dos circuitos de indutância e capacitância, como afirmado acima, vemos que ambos os circuitos possuem fator de potência zero. Agora, a fim de distinguir entre os dois, dizemos que o circuito indutivo tem uma corrente que fica com a voltagem, e assim tem fator de potência atrasado, e o circuito capacitivo tem uma corrente que conduz a voltagem e tem uma potência de liderança

Além disso, como um circuito de resistência pura possui uma corrente que está em fase com a tensão que gera uma unidade de fator de potência, pode-se ver facilmente que combinações de todos os três circuitos podem fornecer um fator de potência em algum ponto entre zero atraso e zero. Na prática, vemos a partir de nossa experiência que uma indústria ou indústria de carvão típica usa predominantemente motores de indução com fator de potência variando entre 0, 5 e 0, 75.

7. Os efeitos do fator de baixa potência e sua correção:

Um baixo fator de potência é um assunto caro para uma indústria. Infelizmente este é um fenômeno regular, mas não necessariamente inevitável.

De fato, as indústrias e os consumidores pagam pelo baixo fator de potência de duas maneiras:

(a) Sobre o custo inicial da instalação, e

(b) Sobre os encargos de fornecimento de eletricidade.

Portanto, para qualquer indústria, é uma obrigação para executar o equipamento em um FP mais próximo da unidade. No caso de um baixo fator de potência, o consumidor pode reduzir a conta instalando capacitores adequados para melhorar o fator de potência. No entanto, o princípio seguido na correção do fator de potência pode ser melhor demonstrado por alguns pequenos exemplos. Tomemos o caso de uma carga monofásica de 250 volts com uma corrente de 10 ampères com um fator de potência de 71 voltas, como mostrado na Fig. 19.4.

Aqui vemos:

Potência Aparente = 10 x 250 = 2500 watts,

e Potência Real = 10 x 250 x 0, 71 = 1775 watts aprox.

Portanto, é possível mostrar que a corrente de 10 amperes pode ser dividida em dois componentes, sendo um no fator de potência unitário e o outro no fator de potência zero, como mostrado na Fig. 19.4. b). O valor máximo dessas correntes é de 7, 1 ampères.

O fator de potência unitário está realizando o trabalho útil, enquanto o fator de potência com atraso zero é o componente de corrente magnetizante que deve ser eliminado. Portanto, uma corrente exatamente igual, mas na direção zero, deve ser aplicada ao circuito para cancelar a corrente de magnetização, como mostrado na Fig. 19.5. Isso geralmente é obtido conectando-se um capacitor no circuito de tamanho suficiente para gerar uma corrente de 7.1 amp. A final é mostrada na Fig. 19.6. onde uma corrente reduzida de 7.1 está no fator de potência unitário.

Portanto, Potência real = Potência aparente = 7, 1 x 250 = 1780 watts.

Na verdade, o que acontece é que agora a fonte só vê o motor e capacitor como uma carga puramente resistiva e passa energia suficiente para fazer o trabalho real de girar o eixo do motor, e o capacitor está continuamente enviando e recebendo a corrente de magnetização dos enrolamentos do motor .

De fato, dois tipos de equipamentos:

(1) capacitores e

(2) Motores síncronos são usados ​​para melhorar o fator de potência.

Mas desses dois equipamentos, os capacitores são usados ​​atualmente extensivamente para corrigir o fator de potência. Uma tabela de correção do fator de potência é fornecida no final do capítulo. A razão do uso extensivo de capacitores é que os capacitores estáticos estão disponíveis em várias classificações adequadas e são instalados mais facilmente em massa no ponto de fornecimento de mina ou para corrigir motores de indução individuais conectando capacitores em seus terminais. Custo sábio também, eles são mais baratos.

8. Medidores de fator de potência:

Os medidores de fator de potência geralmente são instalados na subestação de superfície principal e fornecem uma indicação direta do fator de potência do circuito ao qual ele está conectado. Um instrumento montado em tal posição só pode fornecer o fator de potência total de toda a mina de carvão, ou uma grande parte dela.

Se for necessário o fator de potência de um motor individual, é comum a instalação de instrumentos portáteis para registrar a tensão e a corrente real de energia, a partir da qual o fator de potência pode ser calculado ou, em muitos casos, registrado diretamente.

9. Aplicação de Capacitores de Potência:

Um engenheiro deve sempre considerar cuidadosamente a aplicação de capacitores. De fato, a partir de nossa experiência, vemos que para uma operação bem sucedida da melhoria do fator de potência, depende muito da localização dos capacitores no sistema, e condições ideais são obtidas quando o fator de potência mais alto é mantido sob todas as condições de carga.

Na prática, para obter arranjos flexíveis, o KVA total requerido é geralmente dividido em classificações menores e isso pode ser alcançado como explicado abaixo:

(a) Método de correção de FP individual:

Este sistema de correção é aplicado para grandes motores de indução, transformadores e equipamentos de solda a arco, que são operados por longos períodos. Em cada caso, o capacitor é conectado em paralelo diretamente aos terminais. E como tal, o capacitor pode ser ligado e desligado junto com o próprio equipamento.

Este método tem a grande vantagem de aliviar todas as linhas de fornecimento que levam a equipamentos reativos que consomem energia. Além disso, este método é automático e também garante um alto fator de potência sob condições de carga. A tabela 19.1. ajuda a determinar a capacidade do capacitor para conexão direta com motores de indução.

(b) Método de correção do grupo PF:

Em um sistema onde uma grande parte da carga é composta de pequenos motores e a operação é periódica, a correção individual do fator de potência não é praticável nem econômica. Nestes casos, a correção é obtida por capacitores maiores conectados através das barras de barramento principais e controlados por chaves operadas manualmente.

(c) correção automática de FP:

Em sistemas onde as flutuações de carga são altas, o controle automático é o método ideal. O capacitor total KVAr é subdividido em vários estágios de regulação, tanto quanto possível, de capacidade igual. Para compensar a potência reativa sem carga de transformadores e equipamentos permanentemente conectados, um estágio fixo, independente da seção automática, é fornecido e permanece conectado à instalação permanentemente. Por meio de um relé de potência reativa, os estágios de regulagem são ligados e desligados, conforme o caso, até que o FP desejado pré-ajustado seja alcançado.

No entanto, para eliminar comutações indevidamente frequentes, quando ocorrem cargas de pico de curta duração, um relé de tempo é incorporado para comutação de estágio para estágio. Novamente, em caso de interrupção da alimentação, o relé de tensão zero reinicializa os dispositivos de controle em sua posição neutra de modo que, na restauração da alimentação, os estágios do capacitor são ligados novamente estágio por estágio, evitando picos indesejáveis ​​de corrente e tensão.

10. Determinação da Classificação do Capacitor:

Para determinar a capacidade do capacitor para melhorar a potência de Cos φ 1 para Cos let 2, vamos nos referir à Fig. 19.6 dando um diagrama vetorial.

Conforme o diagrama vetorial, o montante de compensação exigido

Na Tabela 19.1. vemos um gráfico de seleção de capacitores.

Um exemplo para explicar a economia de capacitores de energia é dado abaixo. Um consumidor com uma carga máxima de 5000 KW teve um fator de potência de carga de 0, 8. A demanda máxima em KVA era 6250. A tarifa máxima do KVA era, digamos, Rs. 10 / - por KVA por mês.

Para melhorar o fator de potência, digamos, para 0, 95, capacitores de 2105 KVAr foram instalados de acordo com o cálculo abaixo :

Agora diga investimento de capital para o capacitor @ Rs. 60 = 2105 x 60 = Rs. 1, 26, 300. Portanto, o investimento de capital para a instalação do capacitor seria de fato recuperado em cerca de 13 meses, e após esse período haveria uma economia mensal de Rs. 9850.

No exemplo dado acima, suponhamos que os transformadores, comutadores e cabos fossem classificados para manipular apenas 6250 KVA. Assim, com um fator de potência de 0, 8, eles só poderiam suportar uma carga de 5000 KW, enquanto que, ao melhorar o fator de potência para 0, 95, instalando capacitores, eles podem agora lidar com 5940 KW, o que significa que:

(a) Uma potência extra ativa de 940 KW está agora disponível para o consumidor sem qualquer sanção especial da empresa de fornecimento.

(b) O mesmo equipamento estaria movimentando 940 KW a mais de potência ativa, aumentando sua utilidade e eficiência.

Assim, a instalação de capacitores de energia resultou nos seguintes benefícios:

(1) Uma redução substancial na conta de eletricidade.

(2) Melhor aproveitamento da capacidade dos transformadores, chaves de manobra, cabos, etc., especialmente se a energia for recebida em alta tensão por parte da empresa fornecedora.

(3) Uma tensão de alimentação mais estável, o que significa um desempenho melhor e mais eficiente das máquinas elétricas.

11. Vantagens de capacitores de potência:

As principais vantagens da instalação de capacitores de potência são:

1. Redução substancial na demanda de KVA:

Esta redução na procura do KVA reduz a tarifa cobrada pelas empresas de fornecimento de electricidade com base nas taxas de energia e no KVA máximo exigido. Algumas empresas também cobram uma penalidade por baixo fator de potência, enquanto oferecem um bônus de incentivo para maior fator de potência. Os capacitores de energia tornam esse bônus de incentivo uma realidade.

2. Redução considerável de transformadores e perdas de linha:

Isto é conseguido porque a redução na demanda de KVA faz com que uma corrente menor flua através das linhas. Como resultado, existe uma ótima utilização da capacidade existente de transformadores, painéis e linhas.

3. Minimização de quedas de tensão em linhas:

Com a minimização das quedas de tensão nas linhas, obtém-se um melhor desempenho dos equipamentos elétricos.

4. A instalação de capacitores de energia ajuda a reduzir a demanda de energia reativa do sistema de alimentação, pois o próprio capacitor de potência fornece a energia reativa necessária para motores, transformadores e outras cargas indutivas, e assim melhora o fator de potência do sistema. O sistema de distribuição de energia é deixado para lidar principalmente com o fornecimento de energia ativa.

Os capacitores de potência também liberam a capacidade do sistema e o possível aumento na carga ativa em uma planta é tão alto quanto aproximadamente 30% se o seu fator de potência for elevado de 0, 7 para 0, 95. Os capacitores de potência melhoram o fator de potência, dando a mesma potência por menos dinheiro, e onde a demanda de KVA ou uma tarifa de cláusula de fator de potência é operacional, as economias são realmente impressionantes. O custo inicial de uma instalação de capacitor de energia é recuperado dentro de um ano ou dois de sua instalação e a economia feita a partir de então é inteiramente um lucro líquido nos próximos anos.

12. Plantas Industriais:

Na maioria das plantas industriais, a maioria dos equipamentos elétricos de CA, como motores de indução, transformadores, equipamentos de soldagem, etc., exigem energia reativa para seu campo magnético. Mas ao contrário da energia ativa, essa energia reativa não é convertida em energia mecânica, mas oscila entre o gerador e o equipamento consumidor, e constitui uma carga adicional no sistema de abastecimento. Isso resulta nas seguintes desvantagens econômicas e técnicas.

(1) Uma sobrecarga pesada na conta de eletricidade do cliente por uma carga de baixo fator de potência.

(2) Cabos, interruptores e transformadores carregam a corrente extra sem corrente, tornando assim o equipamento elétrico e investimento de capital subutilizados.

(3) Queda de tensão excessiva e eficiência reduzida do equipamento elétrico.

13. Sistemas de Transmissão:

Nos sistemas de transmissão, do ponto de vista econômico, existe um valor ótimo de potência reativa que pode ser transmitido da estação geradora. Em grandes redes de sistema de energia interconectadas, o valor ideal não é fixo e varia de hora para hora.

É mais econômico e vantajoso fornecer energia reativa na área de carga de instalações de capacitores de energia do que gerar e transmitir energia reativa sobre linhas de transmissão.

No entanto, de acordo com os requisitos do sistema ou instalação, o capacitor de potência adequadamente disposto pode fornecer

(1) melhoria do fator de potência.

(2) melhor regulação de tensão.

(3) redução de perdas de linha.

(4) liberação da capacidade de carga do circuito.

(5) redução da flutuação de tensão e reatância do circuito.

Informações a serem fornecidas com as perguntas:

1. Saída exigida em KV Ar

2. Tensão Nominal

3. frequência nominal

4. Número de fases

5. Indique se os aumentos anormais de tensão são esperados. Em caso afirmativo, indique a tensão mais alta esperada.

6. Limite superior da categoria de temperatura.

7. Localização proposta do capacitor, dentro de casa ou ao ar livre.

8. Altitude acima do nível do mar da localização do capacitor, se acima de 1000 metros.

9. Natureza do circuito de alimentação: por exemplo, se o capacitor deve ser conectado

(a) para uma subestação local, (em caso afirmativo, indicar a classificação KVA dos transformadores, etc.)

(b) para um trabalho de rede subterrânea local

(c) para linhas aéreas.

10. Se o capacitor for conectado diretamente às linhas aéreas, verifique se:

(a) tempestades são predominantes na localidade?

(b) pára-raios ou desviadores são instalados nas linhas?

11. Detalhes do equipamento de manobra ou controlador automático a ser usado com o capacitor.

12. Se o capacitor for conectado diretamente aos terminais de um motor, indique a classificação do motor, a velocidade, o tipo e o fabricante.

13. Qualquer requisito especial que possa afetar o projeto ou operação do capacitor.

Serviço técnico:

Como cada instalação apresenta problemas diferentes, a instalação do capacitor de potência deve ser cuidadosamente projetada para atender a condições particulares de carga e tarifa de energia.