Correção Do Fator de Potência

Universidade Federal da Paraba - UFPB

Centro de Energias Alternativas e Renovveis CEAR

Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica PPGEE

Disciplina de Eletrnica de Potncia

Discentes: Fabrcio de Aquino Santos e Phablo Cabral de Oliveira

Docente: Prof. Dr. Isaac Soares de Freitas

Correo do Fator de

Potncia

Sumrio

UFPB Mestrado em Engenharia Eltrica 2

Introduo

Fator de Potncia Conceitos Bsicos

Consequncias e Causas de um Baixo

Fator de Potncia

Vantagens da Correo do Fator de

Potncia

Tipos de Correo de fator de Potncia Correo passiva do fator de potncia

Correo ativa do fator de potncia

Pr-reguladores de fator de Potncia Conversor boost

Conversor buck-boost

Conversor buck

Outros conversores

Conversor Boost como Pr-Regulador

Concluso

Referncias Bibliogrficas

Introduo


.

O Fator de Potencia uma questo cada vez mais relevante para

projetistas de equipamentos eletroeletrnicos, pois um menor

consumo e um melhor aproveitamento da energia eltrica algo que

preocupa.

Objetivando otimizar o uso da energia eltrica gerada no pas, a

ANEEL (Agncia Nacional de Energia Eltrica), estabeleceu que o

fator de potncia mnimo deve ser 0,92.

Com o avano da tecnologia e com o aumento das cargas no

lineares nas instalaes eltricas, a correo do fator de potncia

passa a exigir alguns cuidados especiais.

Fator de potncia:

Conceitos Bsicos


.

A maioria das cargas das unidades consumidoras consome energia

reativa indutiva, tais como: motores, transformadores, reatores para

lmpadas de descarga, fornos de induo, entre outros.

As cargas indutivas necessitam de campo eletromagntico para seu

funcionamento, por isso sua operao requer dois tipos de potncia:

Potncia Ativa e Potncia Reativa.

A potncia ativa sempre consumida na execuo de trabalho, a

potncia reativa, alm de no produzir trabalho, circula entre a carga

e a fonte de alimentao, ocupando um espao no sistema eltrico

que poderia ser utilizado para fornecer mais energia ativa.

Fator de potncia:

Conceitos Bsicos


.

Potncia ativa: Potncia que efetivamente

realiza trabalho gerando calor, luz, movimento,

etc.. medida em kW.

Potncia reativa: Potncia usada apenas

para criar e manter os campos eletromagnticos

das cargas indutivas. medida em kvar.

Fator de potncia:

Conceitos Bsicos


.

O fator de potncia a razo entre a potncia ativa e a potncia

aparente. Ele indica a eficincia do uso da energia.

Um alto fator de potncia indica uma eficincia alta e inversamente,

um fator de potncia baixo indica baixa eficincia energtica.

Um tringulo retngulo frequentemente utilizado para representar as

relaes entre kW, kvar e kVA.

Fator de potncia:

Consequncias e Causas de um Baixo Fator

de Potncia


.

Causas do Baixo fator de Potncia:

- Motores de induo trabalhando a vazio;

- Motores superdimensionados para sua necessidade de trabalho;

- Transformadores trabalhando a vazio ou com pouca carga;

- Reatores de baixo fator de potncia no sistema de iluminao;

- Fornos de induo ou a arco;

- Mquinas de tratamento trmico;

- Mquinas de solda;

- Nvel de tenso acima do valor nominal provocando um aumento do

consumo de energia reativa.

Fator de potncia:

Consequncias e Causas de um Baixo Fator

de Potncia


.

Principais Consequncias

- Acrscimo na conta de energia eltrica por estar operando com baixo

fator de potncia;

- Limitao da capacidade dos transformadores de alimentao;

- Quedas e flutuaes de tenso nos circuitos de distribuio;

- Sobrecarga nos equipamentos de manobra, limitando sua vida til;

- Aumento das perdas eltricas na linha de distribuio pelo efeito Joule;

- Necessidade de aumento do dimetro dos condutores;

- Necessidade de aumento da capacidade dos equipamentos de

manobra e de proteo.

Fator de potncia:


Potncia


.

Vantagens da Empresa

- Reduo significativa do custo de energia eltrica;

- Aumento da eficincia energtica da empresa;

- Melhoria da tenso;

- Aumento da capacidade dos equipamentos de manobra;

- Aumento da vida til das instalaes e equipamentos;

- Reduo do efeito Joule;

- Reduo da corrente reativa na rede eltrica.

Fator de potncia:


Potncia


.

Vantagens da Concessionria

- O bloco de potncia reativa deixa de circular no sistema de transmisso

e distribuio;

- Evita as perdas pelo efeito Joule;

- Aumenta a capacidade do sistema de transmisso e distribuio para

conduzir o bloco de potncia ativa;

- Aumenta a capacidade de gerao com intuito de atender mais

consumidores;

- Diminui os custos de gerao.

Tipos de Correo de Fator de Potncia


.

O circuito retificador de entrada tipicamente utilizado em fontes chaveadas consiste em uma ponte de diodos e um filtro capacitivo. Na entrada do

retificador esto representadas as componentes resistiva e indutiva da

impedncia da rede eltrica.



.

Pode-se observar que a corrente de entrada ICA(t) apresenta uma forma de onda muito diferente da ideal, ocasionando o baixo fator de potncia.



.

Correo passiva do fator de potncia

Introduzir elementos passivos (resistores, indutores, capacitores) para

aumentar o fator de potncia

Se o fator de potncia da carga mudar, o circuito compensador

projetado poder se tornar ineficiente

Circuitos passivos usualmente so simples e robustos, mas so

volumosos e pesados



.

Necessita de um indutor caro e pesado se comparado aos demais componentes presentes no equipamento;

No fornece tenso de sada regulada, isto , variaes de tenso na rede e alteraes a carga provocam variaes considerveis no nvel de tenso do

barramento CC.




.

Apesar de reduzir o contedo harmnico da corrente de alimentao, causa uma defasagem entre esta corrente e a tenso da rede;

A tenso de sada reduzida em comparao com a sada de um retificador de onda completa comum.




.

Correo ativa do fator de potncia

Empregam interruptores controlados associados a elementos

passivos para aumentar o fator de potncia

Se o fator de potncia da carga mudar, o circuito compensador poder

se ajustar e continuar operando adequadamente (operao em malha

fechada)

Circuitos ativos usualmente so menos robustos, mas so mais leves

e menos volumosos

Pr-reguladores de fator de potncia:

Conversor boost


.

Tem sido o conversor mais utilizado para correo do FP

Entrada com caractersticas de fonte de corrente e sada com

caractersticas de fonte de tenso

Como a corrente de entrada no interrompida (no modo de

conduo contnuo), as exigncias de filtro de EMI so minimizadas

A tenso de sada sempre maior que o valor de pico da tenso de

entrada

Pode operar em conduo descontnua e contnua.


Conversor boost


.




.

Permite ter tenses de sada menores ou maiores do que a tenso de

entrada

Facilidade de introduo de isolamento entre entrada e sada

Caracterstica de fonte de tenso na entrada e na sada

Elevada EMI conduzida, pois a corrente de entrada descontnua

A tenso no interruptor soma das tenses de entrada e de sada

Inverso na polaridade da tenso de sada no circuito no isolado,

podendo trazer alguma dificuldade adicional para o controle




.


Conversor buck


.

A tenso de sada sempre menor que a tenso de entrada

Devido a isso, o conversor abaixador (buck ou forward, se for isolado)

tem uso muito restrito como pr-regulador de fator de potncia, uma

vez que introduz uma zona de corrente nula na entrada (quando a

tenso de sada menor do que a tenso de entrada.

Ainda, como a corrente de entrada sempre descontnua (devido

ao do interruptor), apresenta valores elevados de EMI conduzida


Conversor buck


.


Outros conversores


.

Os conversores abaixo tambm possuem caractersticas de fontes de

corrente na entrada

Operam como conversor abaixador-elevador

Maior nmero de componentes

Maiores esforos de tenso e corrente nos semicondutores



.

O transistor Q1 mantido em conduo durante um tempo de carga tON, transferindo energia da fonte V1 para o indutor;

Ao ser interrompida a conduo de corrente em Q1, a energia previamente armazenada no indutor se transfere para o capacitor de sada atravs do

diodo D1, descarregando o indutor;



.

Essa descarga pode ocorrer durante um tempo tx e se completar antes do incio de um novo ciclo de chaveamento, caracterizando assim uma

operao em conduo descontnua.



.

Se o transistor acionado novamente antes da descarga completa do indutor, tem-se uma operao em conduo contnua.



.

Durante o tempo tON uma tenso de entrada Vi aplicada no indutor. Aps a interrupo da corrente no transistor, o indutor passa a receber sobre seus

terminais uma diferena de potencial igual a (Vo Vi), onde Vo a tenso presente na sada do conversor.

Anlise da operao do boost em conduo descontnua



.

Para operao em conduo descontnua com perodo de chaveamento T constante, necessrio garantir que a soma dos tempos tON e tx seja menor

que T.

Anlise da operao do boost em conduo descontnua

Uma vez conhecidos os tempos de carga e descarga, o valor mdio IL da corrente no indutor por ciclo de chaveamento pode ser determinado



.

Modulao com tON fixo e conduo descontnua



.


Para a esta configurao, assume-se que a tenso de entrada Vi(t) no conversor boost uma senoide retificada.

O ripple de corrente causado pela conduo descontinua do boost na entrada do retificador filtrado por L2 e C2. Deste modo, o valor absoluto

instantneo da corrente de alimentao ICA(t) depende do valor mdio por

ciclo de chaveamento IL da corrente em L1.



.




.

Modulao com tON varivel

Para que o circuito opere com uma corrente de alimentao senoidal, a corrente ICA(t) deve ser diretamente proporcional tenso de alimentao

VCA(t). Isto implica em ter uma corrente mdia IL no indutor L1 proporcional

ao valor instantneo de Vi(t) a cada ciclo de chaveamento. Assumindo que o

tempo de carga do indutor L1 definido pelo circuito de comando do

transistor, possvel variar tON de forma a impor na entrada do conversor

boost uma corrente mdia proporcional Vi(t), seguindo a forma dada por:

onde G uma constante de proporcionalidade que define a relao desejada entre a tenso instantnea de entrada e a corrente mdia por ciclo

de chaveamento.



.


O valor de G na modifica a amplitude da corrente de alimentao, portanto, este parmetro deve ser ajustado conforme a potncia consumida na sada

do conversor. Isolando tON e fazendo Vi = Vi(t) se obtm:

Finalmente, substituindo-se IL por IL(t) obtida a equao que calcula o tempo de carga que deve ser utilizado a cada ciclo de chaveamento, em

funo do valor instantneo da tenso de entrada do conversor.



.


Concluso


.

Novos regulamentos tm surgido visando otimizar o uso dos sistemas

de distribuio de eletricidade, despertando o interesse por solues para

correo do fator de potncia em equipamentos eletrnicos que utilizam fontes

chaveadas.

A partir da anlise entre os tipos de correo de fator de potncia

passivo e ativo, foi possvel observar que o circuito retificador com correo

ativa, obteve uma resposta melhor em comparao ao circuito retificador com

correo passiva, onde o primeiro apresentou um comportamento semelhante

ao de uma carga puramente resistiva, drenando correntes com forma de onda

senoidal e fator de potncia muito prximo da unidade.

Referncias Bibliogrficas


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SEDRA, A. S. e SMITH, K. C., Microeletrnica, 5a. Edio, Makron Books, 2005.

BOYLESTAD, R. L. e NASHELSKY, L., Dispositivos Eletrnicos e Teoria de Circuitos, 6a. Edio, Editora PHB, 1998.

DAVID COMER, DONALD COMER, Fundamentos de Projeto de Circuitos Eletrnicos, LTC, 2005.

JIMMIE J. CATHEY, Dispositivos e Circuitos Eletrnicos, 2a. Edio., Coleo Schaum, Bookman, 2003.

MALVINO, ALBERT PAUL. Eletrnica Volume 1. McGraw-Hill, So Paulo, 1986.

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