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Artigos

Selecção de baterias de condensadores

ligado .

Quando a solução mais económica pode ser a mais cara

Facilmente qualquer técnico com um mínimo de conhecimentos eléctricos é capaz de determinar ou calcular a potência de compensação de energia reactiva. A prática mais habitual é através de “uma” factura de electricidade. Salientamos a utilização de “uma” já que aqui se pode iniciar uma série de erros que podem acabar, infelizmente cada vez mais, em custos muito superiores aos que seria suposto serem determinados por uma bateria de forma correcta.

O cálculo da potência reactiva a compensar através de facturas eléctricas proporciona-nos uma aproximação bastante correcta à ordem de magnitude em que nos encontramos, o nosso ponto de partida. Nestes casos, é importante assegurar que os cálculos referidos sejam realizados com o máximo número de facturas, já que pode existir um forte efeito de temporalidade que podemos ignorar (Exemplo: Escritórios ou Hotéis, consumos totalmente diferentes no Verão e no Inverno).

Como mencionámos anteriormente, deve ser o nosso ponto de partida, mas também devemos ter em conta outros factores que são reflectidos na factura de electricidade e que são de importância vital para uma compensação correcta:

  • Rapidez de flutuação do consumo.
  • Equilíbrio do sistema.
  • Níveis de distorção harmónica.

Centrar-nos-emos neste último, uma vez que cada vez é mais comum encontrar redes com distorção harmónica.

Quando realizamos uma compensação de potência reactiva indutiva, é lógica a incorporação de uma bateria de condensadores em paralelo para atenuar esse consumo, com o fim de aproximar a potência aparente consumida (kVA) a uma potência activa (kW) que realmente seja aplicada para realizar um trabalho útil. Este conceito tão simples pode ser resumido como um circuito paralelo entre uma indutância (L – Transformador e Rede) e uma capacidade (C – Bateria de condensadores).

esquema e curva de ressonância

Se pudéssemos observar a resposta à frequência desse sistema, veríamos que numa frequência fR, a impedância do sistema é muito maior que a do seu comportamento normal.

Como referimos anteriormente, nas instalações actuais existem cada vez mais cargas cujo consumo não é linear, provocando uma maior distorção em corrente harmónica na instalação e, por sua vez, também em tensão.

Tipos de cargas   

1. Rectificador
2. Soldadura por arco
3. Variador de velocidade
4. SAI
5. lâmpadas de descarga
6. Computadores

A existência de correntes cuja frequência é superior à fundamental a 50 ou 60 Hz, faz com que se possam cumprir as condições de ressonância anteriormente descritas. Isto resultaria basicamente em:

  • Amplificação da distorção em tensão para toda a instalação (pode afectar equipamentos e elementos eléctricos sensíveis)
  • Maior absorção de corrente por parte dos condensadores, com o seu consequente sobreaquecimento, redução da sua capacidade e vida útil e, nalguns casos, a destruição do condensador.

Referidos todos estes argumentos e efeitos, vamos ilustrá-los num exemplo real.

Instalação localizada em Espanha, cuja actividade se destaca no sector da metalurgia (tratamento de peças metálicas). Nesta instalação existe um transformador de 1.000 kVA, diferentes subquadros com máquinas rotativas (tornos, fitas transportadoras, elevadores, etc.) e de serviço (escritórios, armazém de expedições, vestiários, etc.).

O técnico de manutenção encarregado desta empresa, verificando que o nível de encargo por consumo de energia reactiva era importante, calculou a partir de “uma” única factura de electricidade qual era a potência da bateria a instalar sem ter em conta qualquer outro factor.

Optou por comprar uma bateria de condensadores convencional manobrada por contactores de 150 kvar.

Depois de ligar a bateria, ao cabo de duas semanas, observou que saía fumo da bateria com o resultado de dois condensadores inutilizados, além do alarme que causou no centro de trabalho próximo. Repuseram ao cabo de uma semana os condensadores, voltando-se a reproduzir o mesmo efeito passado pouco tempo, conjuntamente com disparos de algumas protecções de subquadros menores como vestiários, em maquinarias auxiliares e no armazém de expedições. Voltaram a repor os condensadores avariados, desta vez com condensadores reforçados a 460 V e voltou a suceder o mesmo passado pouco tempo. Finalmente, optaram por desligar a bateria de condensadores, supondo portanto voltar a pagar um encargo pela energia reactiva.

O técnico de manutenção da empresa solicitou à CIRCUTOR, como empresa líder em compensação de energia reactiva, que tratasse de averiguar o que se passava com essa bateria de condensadores. Procedeu-se à realização de algumas medições básicas na cabeceira da instalação. Estas medições resumem-se simplesmente a medir sem e com a bateria ligada (sempre com a instalação em carga).

Esquema de THD (U)% e THD (I)% indicando com e sem bateria ligada
Esquema de THD (U)% e THD (I)% indicando com e sem bateria ligada

Embora o sistema denotasse um nível de distorção em corrente relativamente baixo (7-8% de THDI% com XX A), por sua vez o nível em tensão não era nada depreciável (3,3% de THDV%). Por experiência própria empírica, o risco de um sistema poder entrar em ressonância é da ordem de 15% de THDI% e de 2% de THDV% (não existe nada estipulado a este respeito).

Fomos introduzindo manualmente cada um dos condensadores, e observámos como o incremento de THDV% era substancial. Este é um indicador evidente de que está a ser produzida uma ressonância paralela. Com toda a bateria ligada atingiram-se valores de 80% de THDI% a plena carga em fábrica, e de 23% de THDV%. Para se ter uma ideia, o limite que estabelece a qualidade de fornecimento em tensão (UNE EN-50160) é de 8%. 

Sem bateria ligada

Sem bateria ligada

Com bateria ligada

Com bateria ligada

Finalmente, avaliámos os gastos supostos por esta má escolha:

CONCEITO Uds. IMPORTÂNCIA
Bateria convencional 150 kvar 1 4.400 €
Reposição de condensadores 400 V 9 3.056,50 €
Reposição de condensadores 460 V 6 2.474 €
Mão-de-obra (custo estimado 20 €/h) 19 380 €
Paragens de produção e expedição (custo estimado 2.500 €/h) 2,5 6.250 €
Encargo por energia reactiva (custo médio mensal 958 €/mês) 2 1.916 €
Bateria de condensadores dessintonizada tipo FR 1 12.285 €
CUSTO FINAL TOTAL   30.761,50 €

Como podemos verificar, uma solução aparentemente mais barata converte-se num custo económico realmente mais elevado. Se se tivesse realizado um investimento técnico correcto com uma bateria dessintonizada tipo FR, a poupança final teria sido reduzida praticamente para 60%.

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Pode ser qualquer bateria de condensadores?

ligado .

Porque é que não servem da mesma forma todas as baterias de compensação da reactiva?

A importância do filtro de rejeição adequado

No presente artigo, veremos como a instalação de uma bateria de condensadores é, por si só, uma alteração na instalação eléctrica; alteração que, no caso de uma escolha incorrecta da bateria de condensadores poderia desestabilizar o sistema devido às harmónicas; provocando sérios problemas na própria bateria de condensadores e na instalação, chegando a gerar paragens de produção e importantes perdas económicas.

Em seguida, tentaremos explicar as diferentes frequências de sintonização, assim como as consequências de uma má escolha nesta sintonia e a recomendação para evitar estes possíveis riscos.

A melhoria da eficiência energética com baterias de condensadores

A pesquisa da melhoria na eficiência energética e os incrementos de tarifas eléctricas estão a tornar mais comum a compensação da energia reactiva com baterias de condensadores. Todavia, como qualquer equipamento eléctrico, estas baterias têm vários efeitos eléctricos na instalação onde se localizam. O efeito mais importante, além de corrigir o consumo de energia reactiva da instalação, é a alteração de comportamento face às harmónicas que possa existir nessa rede eléctrica. Esta alteração pode produzir um prejuízo a médio prazo na compensação da energia reactiva, uma desestabilização eléctrica na instalação ou até a paragem da produção.

As instalações eléctricas são cada vez mais complexas, incluindo diversas cargas indutivas, capacitivas e electrónica de potência, estas redes costumam apresentar níveis significativos de distorção harmónica, o levou a que a grande maioria de fabricantes de baterias automáticas de condensadores incorporem no seu catálogo, de forma unânime, equipamentos desenhados expressamente para a sua utilização nessas redes.

A importância da frequência de sintonização nas baterias de condensadores

No entanto, onde não existe a referida unanimidade, é na escolha da frequência de sintonização que é oferecida como padrão, tanto nas baterias automáticas de condensadores como nos grupos de compensação fixos, equipadas com filtros de rejeição (também conhecidos como filtros dessintonizados).

Para o caso, bastante menos habitual, de predomínio de harmónicas de ordem 3 (150 Hz em redes de 50 Hz), tornam-se de uso comum os filtros de rejeição sintonizados a 134 Hz (factor de sobretensão de p = 14%); no entanto, para a grande maioria de instalações, onde é necessária uma bateria equipada com filtros de rejeição apropriada para a presença de harmónicas de ordem 5 (250 Hz em redes de 50 Hz) ou superior, que são os normalmente gerados pelas fontes de correntes harmónicas mais usuais, isto é, cargas trifásicas equipadas com uma ponte rectificadora de 6 impulsos na sua entrada: variadores de velocidade ou frequência, rectificadores CA/CC, fornos de indução,….claro que a variedade de frequências de sintonia propostas é significativamente variada, deslocando-se geralmente dentro de um intervalo compreendido entre os 170 e os 215 Hz (de p = 8,7% a p = 5,4%).

Todavia, existem duas sintonias que predominam perante as restantes; as correspondentes a um factor de sobretensão de p = 7% (frequência de sintonia de 189 Hz em redes de 50 Hz) e a p = 5,67% (frequência de sintonia de 210 Hz em redes de 50 Hz).

Poderia deduzir-se facilmente do exposto anteriormente que a escolha de um valor de p = 7% ou de p = 5,67% deveria ser indiferente e que ambas deveriam proporcionar o mesmo resultado devido ao seu comportamento, uma vez ligadas à rede eléctrica, mas isso não é estritamente certo.

Os filtros de rejeição e o seu efeito nas instalações

Para realizar a argumentação deste último comentário, efectuaremos uma breve revisão do princípio de funcionamento dos filtros de rejeição. Observando o gráfico de impedância-frequência de um conjunto em série de reactância-condensador com p = 7% (linha verde na Fig. 1), vemos que oferece a menor impedância a 189 Hz, enquanto que o correspondente a p = 5,67% (linha vermelha na Fig. 1) oferece a menor impedância a 210 Hz. Em ambos os casos, a impedância aumenta paulatinamente para ambos os lados desta, com a particularidade de a impedância ser de carácter capacitivo em frequências inferiores a 189 Hz, e de carácter indutivo, para frequências superiores. É precisamente esse carácter indutivo face às frequências harmónicas de ordem 5 ou superior que evita a possibilidade de se reproduzir um fenómeno de ressonância em alguma dessas frequências. Todavia, também constitui um parâmetro chave para o funcionamento correcto do filtro de rejeição, o valor dessa impedância às diferentes frequências harmónicas. Assim, nesta impedância-frequência da Fig. 1 pode ver-se com clareza a diferença de impedância de cada sintonia à frequência harmónica de 250 Hz que, recordamos, é a predominante das harmónicas de tensão e/ou frequência presentes nas redes eléctricas. Para p = 5,67%, o valor da impedância é praticamente a metade do valor para p = 7%.

Fig. 1 Gráfico impedância-frequência de um filtro de rejeição com p = 7% (189 Hz) e p = 5,67% (210 Hz)

Fig. 1 Gráfico impedância-frequência de um filtro de rejeição com p = 7% (189 Hz) e p = 5,67% (210 Hz)

Qual é a principal consequência desta diferença de impedância apresentada por ambas as sintonias? É fácil deduzir que a absorção de correntes harmónicas presentes na rede será maior para p = 5,67% do que para p = 7%. Isto poderia ser entendido como benéfico para a instalação, se se deduzisse que então o nível de corrente harmónica de ordem 5 circulante a montante do ponto de ligação da bateria à rede será inferior, quando comparado com o que existiria com uma bateria de potência análoga por sintonia tipo p = 7%; não obstante, tanto a experiência como a própria realidade da natureza da maioria das redes, que afasta do que seria um comportamento de rede ideal, tornam esta percepção incorrecta num elevado número de ocasiões.

O uso de filtros passivos de harmónicas é um tema que requer sempre um mínimo de estudo prévio, pois o comportamento destes depende das características da rede; portanto, a pretensão de equiparar em certo grau o uso de um filtro sintonizado a 210 Hz ao que teria um sintonizado a cerca de 225 Hz, que é a frequência habitual dos filtros de absorção para correntes harmónicas de ordem 5 em redes de 50 Hz, também deveria assumir as referidas considerações e raramente é assim. Em resumo, é mais imprevisível determinar o consumo real de corrente harmónica que pode ter uma bateria com filtros tipo p = 5,67% que uma idêntica com tipo p = 7%, instaladas ambas na mesma rede.

Outros efeitos da sintonia de filtragem

Existem também outros pontos a ter em conta. Um efeito básico é o facto de, se de base a a de p = 5,67% vai ter um maior consumo de corrente harmónica, os seus elementos, principalmente a reactância e o condensador associado devem ser desenhados para suportar a sobrecarga, a nível de intensidade e de temperatura, aos que vão ser submetidos; aparece então aqui uma das maiores problemáticas destes filtros. No caso particular das reactâncias, estas, tal a de potência de p = 7%, e se o critério de desenho se basear simplesmente nesse valor, o resultado é uma reactância de menor tamanho e peso, ou seja, menor custo, e a mesma tentação pode aplicar-se aos condensadores, no sentido de o valor de sobretensão a que vão ser submetidos ser 25% menor que no caso de p = 7%, e, por conseguinte, pode apresentar-se como justificado o uso de condensadores de menor tensão nominal. Definitivamente, existe o risco de a bateria ter de suportar maiores níveis de sobrecarga harmónica, com elementos de menor robustez, o que derivará, inexoravelmente, numa deterioração mais rápida desta, em comparação com a análoga de p = 7%.

O outro ponto essencial a considerar, que em opinião da CIRCUTOR é o mais relevante, é a influência da capacidade dos condensadores na sintonia do grupo série reactância-condensador, de acordo com a fórmula da Fig. 2.

Fig. 2 Fórmula para o cálculo da frequência de ressonância de um circuito série L-C

Fig. 2 Fórmula para o cálculo da frequência de ressonância de um circuito série L-C

É fácil deduzir que uma diminuição da capacidade do condensador terá como consequência o aumento da frequência de ressonância do conjunto. Os condensadores são elementos que, seja pelas suas condições de uso (tensão, temperatura, cadência de manobras de ligação,...) ou pela própria degradação natural do polipropileno que compõe o seu dieléctrico, perdem capacidade ao longo do tempo. Uma mesma perda de capacidade num filtro de p = 5,67% e num de p = 7%, implica que o primeiro se aproximará muito mais da frequência de ordem 5 que o segundo, e quanto mais próximo se encontrar, maior absorção de corrente harmónica apresentará, maior sobrecarga sofrerá, e acabará por derivar numa maior deterioração. Por outras palavras, a margem de segurança proporcionada face a este fenómeno de perda de capacidade é consideravelmente superior num filtro com p = 7%.

Conclusões para a escolha correcta das baterias de condensadores

A conclusão é, neste caso, clara, e não pode ser outra que não seja a recomendação inequívoca por parte da CIRCUTOR do uso de filtros com p = 7% em lugar de p = 5,67%, em todas as instalações que tenham necessidade da sua aplicação devido ao nível de distorção harmónica que apresentam.

A finalidade desta recomendação não é outra senão a de reduzir o risco evidente de que uma perda na capacidade do condensador gere o aparecimento de problemas sérios provocados por sobrecorrentes na bateria de condensadores, de forma muito mais prematura, permitindo um maior tempo de reacção, através das pertinentes acções de manutenção que são sempre aconselháveis em qualquer equipamento, podendo-se aplicar assim as medidas correctivas antes de a deterioração ser definitiva e, por conseguinte, de ocorrerem consequências económicas piores.

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