Corrección del factor de potencia

Esta página tiene como objetivo explicar que es el factor de potencia, para que sirve y las formas de hacer una efectiva corrección del mismo en una instalación eléctrica.

Que es el factor de potencia: 

Es un valor que en su origen fué determinado por organizmos del gobierno para que haya un mejor aprobechamiento de la energia eléctrica en los años que era escaza.

En otras palabras es una determinación de cuanta energia de la consumida puede perderse. En sus orígenes ese valor fue determinado en un 92% lo que deja como deducción que el 8% podía perderse por cada consumidor.

Que es potencia:

Es la energía que consume un determinado aparato para realizar alguna acción. Existen tres tipos de potencia:

1. Potencia Activa: potencia realmente consumida en equipos que ofrecen una determinada resistencia. En los circuitos resistivos la tensión se encuentra en fase con la corriente, esto quiere decir que (V-I)=0º , lo que se generalmente se expresa en KW.
   

2. Potencia Indutiva: Potencia utilizada para generar campos magnéticos, necesario para generar motricidad en equipos industriales (motores, transformadores, reactores, etc.), siendo expresado su valor en Kvar. En un circuito inductivo la tensión se encuentra adelantada de la corriente, lo que significa que (V-I)=90º
   

3. Potencia Capacitiva: Potencia utilizada en capacitores, En un circuito capacitivo la tensión se encuentra atrasada con respecto de la corriente o lo que se puede expresar como (V-I)=-90º
   

4. Demanda: Es la utilización de potencia activa durante cualquier intervalo de tiempo, medidas por un aparato integrador (ó medidor). Es la media de la potencia solicitada por el consumidor, durante un intervalo de tiempo, usualmente 15 minutos, registrados por medidores de demanda. En la factura de consumo, la demanda aparece expresada en quilowatt (KW).

Principales causas de un bajo factor de potencia:

 Antes de realizar cualquier implementación para la Corrección del Factor de Potencia es necesario identificar las causas que lo originan.

Las siguientes son las causas mas usuales que se ven en industrias y lugares donde se suelen usar maquinarias:

• Motores Operando en Vacio: Los motores eléctricos consumen praticamente la misma cantidad de energía reactiva, necesaria para la mantención del campo magnético que produce el movimiento de su rotor, cuando funcionan en vacío (sin cargarles peso de arrastre) que cuando estan moviendo algo (arrastrando peso de un sistema mecánico).
  Pero no sucede lo mismo con la energía activa, que es directamente proporcional a la carga mecánica aplicada en el eje del motor. Esto quiere decir que, cuanto menor sea la carga mecánica aplicada al motor, menor menor será la energía activa consumida, y en consecuencia directa menor será el factor de potencia.
  

• Motores Sobre Dimensionados: Este es un caso igual al anterior con idénticas consecuencias para el factor de potencia.
  Generalmente los motores son sobredimeisionados en una media que oscila entre el 70% y el 75% de la potencia nominal del motor, que es la potencia real que la máquina le exige al motor. Esto quiere decir que usualmente una máquina sólo utiliza en su máxima carga a lo sumo el 75% de la capacidad de potencia del motor. Es muy común que técnicos de mantenimiento o personas que reparan las maquinarias sustituyan los motores por otros de mayor potencia, por lo general porque tienen ese motor a mano o porque lo hacen en forma provisoria que luego se torna permanente con el paso del tiempo. Esto proboca un bajo factor de potencia ya que el motor no es cargado en la medida adecuada sino por debajo de ella.
  

• Transformadores trabajando en vacío o con baja carga: Como los motores, los transformadores, cuando están sobre dimensionados para la carga a la cual están conectados, consumen una cierta cantidad de energía reactiva relativamente grande con la energía activa, provocando um bajo Factor de Potencia.
  

• Nível de Tensión por sobre la nominal: La potencia reactiva (Kvar) es, aproximadamente, proporcional al cuadrado de la tensión aplicada, en tanto que la potencia activa praticamente solo depende de la carga mecánica aplicada sobre el eje del motor.
  Por eso, quanto mayor la tensión aplicada, a la nominal de los motores de inducción, mayor será la cantidad de energía reactiva consumida y menor el Factor de Potencia.
  

• Lámparas de descarga: Las lámparas de vapor de mercurio, sodio y las fluorescentes en general, para funcionar necesitan de la ayuda de un reactor. Los reactores, como los motores y los transformadores, poseen bobinas que consumen energía reactiva, colaborando con la reducción del factor de potencia de la instalación. La instalación de reactores de alto factor de potencia pueden subsanar en parte este inconveniente.
  

• Gran cantidad de motores de baja potencia: causa bajo factor de potencia, algunas veces el correcto dimensionamiento de los motores es dificil de lograr. Otras es imposible dado que la máquina no dispone de espacio físico para esos cambios.

Métodos de Corrección del Factor de Potencia:

La corrección del Factor de Potencia deberá ser cuidadosamente analisada y no resuelta de forma simple, pudiendo eso llevar a una solución técnica y económicamente insatisfactoria. Se requiere criterio y experiencia para efectuar una adecuada corrección, tomando en cuenta que cada caso debe ser estudiado de forma precisa y que las soluciones inmediatas pueden no ser las mas adecuadas..

Generalmente, cuando se pretende corregir el Factor de Potencia de una instalación aparece como problema preliminar el determinar cual método es el mas eficáz para cada caso.

Independientemente del método a ser adoptado el Factor de Potencia ideal, tanto para los consumidores como para la empresa proveedora de energía, sería el valor unitario (1,0 o 100%) que significa la inexistencia de Kvar en el circuito.

Por otra parte esta condición no siempre es conveniente y, generalmente no se justifica económicamente. La corrección efectuada hasta un valor de 0,95 o 95% se considera suficiente.

Corrección por incremento del consumo de energía activa:

El aumento de energía activa se puede lograr o bien agregando nuevas cargas con elevado factor de potencia, o bien aumentando el tiempo de operación de las cargas con factores de potencia próximos o iguales a 1.

Este método es recomendado cuando el consumidor tiene una jornada de trabajo fuera del período de carga pico del sistema eléctrico (aproximadamente desde las 18 hasta las 20 horas).

Con el fin de atender las necesidades de la producción industrial, la carga activa que aumentará el consumo de KW/h deberá ser cuidadosamente escogida con el fin de no aumentar la demanda de potencia de la industria.

Corrección através de Motores Síncronos Superexcitados:

A correção através de motores síncronos superexcitado, além de corrigir p Fator de Potência, fornecem potência mecânica útil.

          Entretanto, devido ao fato de ser um equipamento bastante caro, nem sempre é compensador sobre o ponto de vista econômico, só sendo competitivo em potência superiores a 200 cv, e funcionando pôr grandes períodos (superiores a 8/h pôr dia).

          A potência reativa que um motor síncrono fornece a instalação é função da corrente de excitação e da carga mecânica aplicada no seu eixo. Os tipos de motores síncronos comumente utilizado pelas industrias são os de Fator de Potência nominal igual a 0,80 a 1,00.

4.3 – Compensação pôr Capacitores Estáticos

          A correção do Fator de Potência através de capacitores estáticos constitui a solução mais prática para as industrias em geral.

          Entretanto, alguns cuidados devem ser tomados, para que os capacitores não sejam usado indiscriminadamente.

Podem os capacitores, em principio, serem instalados em quatro pontos distintos do sistema elétrico:

1. – Junto às grandes Cargas indutivas (motores, transformadores, Tc...)
2. – No barramento geral de Baixa Tensão (BT).
3. – Na extremidade dos circuitos alimentadores
4. – Na entrada de energia de Alta Tensão (AT).

4.3 a) – Junto às grandes cargas indutivas

           A instalação junto às grandes cargas, tem a vantagem de permitir uma previsão mais precisa da potência reativa necessária, de tal modo que o capacitor compense exatamente a carga.

          Sendo ambos elementos comandados pela mesma chave, não se apresenta o risco de haver, em certas horas, excesso ou falta de potência reativa, além do que, obtém-se uma redução no custo da instalação, pelo fato de não ser necessário um dispositivo de comando e proteção separado para o capacitor.

          Uma das vantagens desta opção, é que este tipo de instalação alivia todo o sistema elétrico, pois a corrente reativa vai do capacitor às cargas, sem circular pelo transformador, barramentos, circuitos alimentadores, Tc...

          Pôr essas razões a localização dos capacitores junto à motores, reatores, etc; é uma das soluções preferidas para a Correção do Fator de Potência.

4.3 b) – No Barramento geral de Baixa Tensão (BT)

          Neste tipo de ligação de Capacitores, haverá necessidade de ser instalada uma chave que permita desliga-los quando a industria finda sua atividades diárias.

          Não o fazendo, poderão ocorrer sobretensões indesejáveis que, provavelmente, causarão danos as instalações elétricas.

4.3 c) – Na extremidade dos circuitos alimentadores

          É utilizada geralmente quando o alimentador supre uma grande quantidade de cargas pequenas, onde não é conveniente a compensação individual.

          Este método usufrui em parte da diversidade entre as cargas supridas, embora a economia seja inferior à obtida pelo aproveitamento da diversidade entre alimentadores. Pôr outro lado, fica aliviado também o circuito alimentador.

          A vantagem dessa ligação é que se pode obter apreciável economia, usufruindo da diversidade de demanda entre os circuitos alimentadores, uma vez que a potência reativa solicitada pelo conjunto da instalação é menor que a soma das potência reativas de todos os equipamentos.

4.3 d)- Ma entrada de energia em Alta Tensão (AT).

          Não é muito freqüente encontrarmos exemplos da instalação do lado da Alta Tensão.

          Tal localização não alivia nem mesmo os transformadores, e exige dispositivos de comando e proteção dos capacitores com isolação para a tensão primária.

          Embora o preço pôr Kvar dos capacitores seja menor para maiores tensões, este tipo de instalação em geral só é encontrada nas industrias que recebem grandes quantidades de energia elétrica e dispõem de varias subestações transformadoras.

          Neste caso a diversividade de demanda pode redundar em economia na quantidade de capacitores a instalar.

5 – Bancos Automáticos de Capacitores

          A automatização de Bancos de Capacitores, ou seja, o ligamento e desligamento automático de capacitores em estabelecimentos industriais, deve apresentar condições especiais de operação que justifiquem os investimentos a serem efetuados.

          Considerando que determinadas industrias possuem equipamentos que provoquem oscilações freqüentes, levando o Fato de Potência a índices não desejáveis, e que essas oscilações são provenientes da carga variada e do tipo de trabalho efetuado, é justificável, como solução técnica e econômica, o controle da potência reativa (Kvar) através de Bancos Automáticos de Capacitores.

6 – Dimensionamento do Banco de Capacitores

          No que se refere ao dimensionamento de bancos de capacitores, isto é na determinação da potência reativa em Kvar a ser instalada, de modo a corrigir o Fator de Potência, vimos que tal problema não é suscetível a uma solução imediata e simplista.

          Pôr um lado, a potência reativa a instalar, está intimamente relacionada ao local de instalação escolhido. Pôr outro lado, depende do período de tempo em que permanecem ligados os capacitores e as cargas que utilizam energia reativa, ainda que deste período, devam ser deduzidas as horas em que a potência reativa fornecida pêlos capacitores excede à necessária para as instalações, uma vez que as concessionárias não "aceitam" de volta os Kvars fornecidos pelo consumidor.

        Pôr essa razões, cada problema de Correção de Fator de Potência deve ser considerado como um caso individual, não existindo soluções pré-fabricadas.

7 – Benefícios resultantes da Correção de Fator de Potência

Além da redução do preço médio do KW/h consumido, a Correção Fator de Potência traz os seguintes benefícios:

• Libera uma certa parcela da capacidade em KVA dos transformadores;
• Libera uma certa parcela da capacidade dos alimentadores e do sistema;
• Reduz as perdas de energia das instalações e do sistema;
• Reduz as quedas de tensão melhorando a nível da voltagem nas instalações.

8 – Preocupação e Segurança na Utilização de Capacitores

          O uso cada vez mais difundido dos capacitores, torna necessária uma análise um pouco mais detalhada do seu desempenho.

          Embora, na maioria dos casos, os capacitores não oferecem problemas, podem teoricamente ser causa de vários transtornos no sistema, alguns dos quais de certa gravidade. Erros na seleção e localização de capacitores, dimensionamento insuficiente dos dispositivos de comandos e proteção, rotinas de operação inadequadas, tensão de suprimento excessiva ou com alto conteúdo "Harmônico", estão entre as causas principais dos problemas originados pêlos capacitores.

Quanto a segurança e eficiência na operação dos bancos de capacitores, sugerimos as seguintes precauções:

• Instale os capacitores em local que haja boa ventilação e com espaçamento adequado entre as unidades.
• Após desligar um capacitor, espere cerca de cinco minutos, no mínimo, para fazer o religamento ou aterramento. Isto porque o capacitor retém a sua carga durante alguns minutos e é necessário esperar que a resistência amortecedora, nele instalada, dissipe a carga armazenada.
• Antes de tocar na estrutura ou terminais de um capacitor, mesmo que devidamente aterrado, deve-se observar o que foi explicado no item anterior.
• Para Capacitores ligados em Alta Tensão é sempre conveniente que as operações de ligar e desligar sejam feitas utilizando-se o disjuntor (Chave a óleo) principal da industria, antes de se abrir ou fechar a chave principal do banco de capacitores.
• Evite energizar, simultaneamente, dois ou mais bancos de capacitores, afim de evitar possíveis sobretensões

9 – Dispositivos de Proteção para Capacitores

           A NBR3 da ABNT – (Associação Brasileira de Normas Técnicas) recomenda que os capacitores devem ser equipados com dispositivos que permitam o desligamento do circuito durante períodos de cargas leves e de manutenção de equipamentos.

          Além disso, tais dispositivos permitirão também que os capacitores sejam desligados durante os feriados e fins de semana, devendo permanecer ligados somente algumas unidades, para que possam suprir o reativo dos transformadores e outras cargas que permaneçam ligadas.

Wagner de Souza dos Santos