Como selecionar um contator para serviço de capacitor para um banco de capacitores com classificação em kvar

Por que um contator de motor falha em um banco de capacitores

No instante da energização, um capacitor descarregado apresenta inicialmente uma impedância muito baixa, de modo que o primeiro transiente de corrente pode ser extremamente alto. Ao contrário do enrolamento de um motor, não há força contraeletromotriz (CEM) no motor para limitar a corrente inicial. A magnitude do transiente é determinada principalmente pela impedância da fonte, pelas características do transformador e pela indutância das barras e cabos.

A consequência é um pulso de corrente que pode ser muitas vezes maior que a corrente de regime permanente do capacitor. Vários efeitos ocorrem simultaneamente, e a exposição repetida pode acelerar a erosão dos contatos e aumentar o risco de soldagem dos mesmos.

Para um banco de capacitores isolado, o pico de corrente de partida pode atingir dezenas de vezes a corrente nominal do capacitor. Quando um novo banco é conectado em paralelo com estágios de capacitores já energizados, o pico transitório pode se tornar substancialmente maior, pois a energia pode fluir entre os bancos energizados e o banco que está entrando. O pico real depende da instalação e não deve ser tratado como um multiplicador fixo.

O transiente também pode conter oscilações de alta frequência. Os dados de aplicação do fabricante geralmente indicam que a frequência do transiente está na faixa de vários quilohertz, podendo variar de aproximadamente 3 kHz a 15 kHz, dependendo da rede e do arranjo de chaveamento. Esses pulsos de corrente de alta frequência ocorrem durante um intervalo muito curto, em vez de como uma carga contínua de 50 ou 60 Hz.

O que a categoria AC-6b realmente testa

As categorias de utilização descrevem o tipo de carga e as condições de comutação para as quais um contator é projetado e testado. Dois dispositivos podem ter classificações de corrente nominal semelhantes, embora sejam destinados a aplicações elétricas muito diferentes. Para aplicações com capacitores, a categoria de utilização relevante para bancos de capacitores de comutação, segundo a norma IEC 60947-4-1, é AC-6b . A norma IEC 60947-4-1:2023 abrange contatores eletromecânicos e partidas de motores para aplicações de baixa tensão até 1,000 V CA e 1,500 V CC.

É importante não interpretar a norma AC-6b como significando que cada evento de comutação de capacitor produz um multiplicador de corrente de pico fixo. O transiente real depende da instalação. Os dados de aplicação do fabricante mostram que a comutação de capacitor pode produzir correntes transientes de alta amplitude e alta frequência, enquanto a corrente de pico admissível e a resistência elétrica de um contator específico devem ser obtidas nas especificações do fabricante.

Um contator com classificação AC-6b é, portanto, projetado levando em consideração a tensão elétrica associada à comutação de capacitores, e não apenas a corrente em regime permanente. Dependendo do projeto do fabricante, a corrente de pico permitida e a resistência elétrica podem ser substancialmente diferentes das de um contator padrão para motores.

Por exemplo, os dados do fabricante para contatores de comutação de capacitores dedicados podem especificar correntes de pico admissíveis até 200 vezes superiores à corrente nominal sob condições de aplicação definidas, enquanto a resistência elétrica e a frequência máxima de comutação são especificadas separadamente. Esses valores são específicos do produto e não devem ser aplicados como valores universais a todos os contatores de capacitores.

É por isso que o valor de corrente ou kvar mostrado na coluna de capacidade do capacitor não deve ser comparado diretamente com a classificação AC-3 de um contator de motor padrão. A categoria de utilização descreve tanto a operação de chaveamento quanto a carga. Para uma compreensão mais ampla das classificações de contatores, nosso guia completo sobre classificações de contatores explica as diferentes categorias de utilização e valores de datasheet que você pode encontrar.

Convertendo a corrente de pico em números

A corrente de pico não é um múltiplo fixo. Ela depende da impedância da fonte, das características do transformador, da indutância do circuito, da configuração do banco de capacitores e se outros estágios de capacitores já estão energizados.

Para uma estimativa simplificada de engenharia, o transiente pode ser relacionado à tensão e à impedância característica do circuito LC. No entanto, em projetos práticos de PFC (Correção do Fator de Potência), os engenheiros normalmente utilizam os dados de aplicação do fabricante ou calculam a rede completa em vez de assumir um multiplicador universal.

Na prática, o ponto principal é que o seu esquema de comutação importa quase tanto quanto o tamanho do banco de capacitores. Um estágio de 50 kvar que é o único capacitor em um alimentador tem uma tarefa de comutação diferente do mesmo estágio de 50 kvar conectado como mais uma etapa em um painel PFC automático.

Por esse motivo, a especificação de corrente de pico permitida pelo fabricante deve ser verificada sempre que o circuito PFC envolver múltiplos estágios de capacitores ou comutação back-to-back.

Como os resistores de amortecimento limitam o primeiro transiente

A solução padrão de engenharia é introduzir impedância durante o período inicial de energização, de modo que o primeiro pico de corrente seja limitado antes que os contatos principais suportem a corrente total do capacitor.

Contatores dedicados para capacitores atingem esse objetivo por meio de contatos de fechamento antecipado e resistores de amortecimento de pré-inserção. O sincronismo exato dos contatos e o arranjo do circuito dependem do projeto do contator. A sequência pode ser compreendida em três etapas:

• Primeiro nome, os contatos de pré-inserção se fecham. Inicialmente, a corrente flui pelos resistores de amortecimento, reduzindo a severidade do primeiro transiente percebido pelos contatos principais.
• Segundo, os contatos principais se fecham após um curto intervalo. Em seguida, os contatos principais contornam o caminho de amortecimento e estabelecem a conexão normal de baixa impedância com o banco de capacitores.
• TerceiroQuando o contator se abre, os contatos principais se separam primeiro, enquanto o circuito de pré-inserção permanece conectado pela sequência necessária. A sequência exata de abertura é específica para cada produto e é projetada para gerenciar a energia armazenada no capacitor e a tensão residual durante a desconexão.

É por isso que um contator capacitivo dedicado tem uma aparência diferente de um contator de motor padrão. O circuito resistivo, o arranjo de contato de pré-inserção e o sistema de contato são projetados especificamente para lidar com transientes de comutação capacitiva. A série UKC1 da KRIPAL utiliza um mecanismo de pré-inserção com um circuito resistivo de pré-carga para limitar a corrente de pico antes do contato principal se engatar.

Como ler a folha de dados de um contator capacitivo

Esta é a parte que causa mais confusão na aquisição. A folha de dados de um contator capacitivo não fornece necessariamente um valor de kvar universal. O valor de kvar permitido pode variar com a tensão do sistema, portanto, a coluna de tensão correta deve ser usada para a aplicação.

A razão é que a capacidade de comutação do capacitor do contator está relacionada à demanda elétrica imposta pelo banco de capacitores. Portanto, o valor em kvar não é intercambiável com a classificação de corrente geral AC-1 ou AC-3.

A seguir, apresentamos a tabela de seleção de comutação de capacitores KRIPAL UKC1 utilizada para a gama:

A atual família de produtos UKC1 da KRIPAL abrange correntes de 9A a 85A, incluindo contatores capacitivos de 50A e 75A. As informações do produto publicadas pelo fabricante devem ser usadas como referência final na seleção de um modelo específico.

Uma regra útil, portanto, é simples: selecione o contator capacitivo na tabela de kvar de capacidade de carga do fabricante para a tensão real do sistema e, em seguida, verifique todas as condições de aplicação. Não determine a capacidade de carga do capacitor com base apenas na corrente nominal AC-3 do contator. A capacidade de comutação do capacitor publicada pelo fabricante é o ponto de partida apropriado para a seleção final.

Exemplo prático para um banco de 50 kvar a 400 V

Considere um painel PFC automático com um estágio de 50 kvar a 400 V, em uma planta com algum conteúdo harmônico proveniente de inversores de frequência. Execute os passos na ordem indicada.

• Primeiro passo: calcular a corrente nominal do capacitor.
  Para um sistema trifásico: I = Q / (√3 × U)
  Para um estágio de 50 kvar e 400 V: I = 50,000 / (1.732 × 400) ≈ 72 A
  Esta é a corrente reativa nominal na tensão indicada.
• Na segunda etapa, considere a corrente contínua permitida no ramo do capacitor.
  Bancos de capacitores podem apresentar correntes acima da sua corrente nominal de frequência fundamental devido a variações de tensão, tolerância de capacitância e correntes harmônicas. Dependendo da norma aplicável ao capacitor e das condições de projeto, um valor em torno de 1.3 a 1.5 vezes a corrente nominal pode precisar ser considerado para o circuito do capacitor e equipamentos associados. Os dados de aplicação do fabricante também indicam aproximadamente 1.5 vezes a corrente nominal como uma consideração de projeto para aplicações de chaveamento de capacitores. No entanto, esse fator não deve ser multiplicado mecanicamente pela classificação AC-3 do contator e usado como substituto para sua classificação kvar de serviço do capacitor. O contator deve ser selecionado utilizando os dados específicos para chaveamento de capacitores fornecidos pelo fabricante.
• Passo três, selecione na coluna kvar.
  Para um sistema de 400 V, utilize a coluna de 400–440 V na tabela de seleção de contatores capacitivos. Encontre o modelo cuja classificação de kvar para comutação capacitiva publicada seja adequada para o estágio de 50 kvar. Na tabela de seleção da KRIPAL acima, o UKC(D)1-75C está listado com 54 kvar para 400–440 V, tornando-o um candidato para um estágio de 50 kvar. A seleção final do modelo deve ser verificada com base na folha de dados mais recente da KRIPAL e nas condições completas de comutação, especialmente quando houver múltiplos estágios capacitivos ou reatores desafinados.
• Passo quatro, confirme o esquema de comutação.
  Se este estágio puder ser energizado enquanto outros estágios de capacitores já estiverem conectados ao barramento, a corrente de pico de partida poderá ser substancialmente maior do que em um banco isolado. Portanto, é necessário verificar a corrente de pico admissível do contator, a frequência de comutação e os requisitos de aplicação do fabricante do PFC.

Se o projeto utilizar um reator desafinado, o conjunto completo capacitor-reator deve ser avaliado, em vez de selecionar o contator apenas com base na capacidade do capacitor.

Como o desajuste dos reatores altera o cálculo

Os bancos de PFC dessintonizados adicionam um reator em série, geralmente especificado com impedância de 5.67%, 7% ou 14%. O reator desloca a frequência de ressonância LC para um valor abaixo de uma ordem harmônica selecionada e ajuda a reduzir o risco de ressonância harmônica entre o banco de capacitores e a rede de alimentação.

Para um sistema de 50 Hz, a frequência de sintonia aproximada pode ser expressa como: fᵣ = f / √p (onde p é a porcentagem da impedância do reator expressa em decimal).

O reator também altera o comportamento transitório e de frequência fundamental do ramo do capacitor. Ele pode alterar substancialmente a corrente de irrupção, mas o transiente real deve ser avaliado para o arranjo completo capacitor-reator-rede, em vez de assumir que caia para um múltiplo fixo.

A corrente de ramificação e o kvar fornecido também precisam ser considerados como parte do conjunto completo capacitor-reator. A impedância do reator, a capacidade do capacitor, a tensão de operação e a saída de kvar pretendida afetam o projeto final.

Na prática, isso significa que a seleção do contator deve ser feita para o conjunto aprovado de capacitor e reator, e não para um banco de capacitores isolado. Se o projeto posteriormente adicionar um reator, a seleção original do contator deverá ser revisada considerando a corrente de ramificação revisada, os transientes de comutação e os dados de aplicação do fabricante.

Frequência de comutação e vida útil esperada

Nem todos os painéis PFC operam na mesma frequência, e a escolha do contator deve levar em conta o ciclo de trabalho real, e não apenas o tamanho do banco de contatos. Um painel PFC com chaveamento manual de um único banco e um painel PFC automático de resposta rápida representam aplicações diferentes.

A resistência elétrica é específica para cada produto. Contatores dedicados à comutação de capacitores podem apresentar valores de resistência AC-6b e frequências máximas de comutação elétrica substancialmente diferentes, dependendo do projeto. Por exemplo, dados publicados pelo fabricante podem especificar centenas de milhares de ciclos de operação AC-6b para famílias específicas de contatores, mas isso nunca deve ser assumido para todos os contatores de capacitores.

Os intervalos de manutenção devem, portanto, seguir as recomendações do fabricante do contator e a carga de comutação real do painel PFC. Se a resistência de contato for medida durante a manutenção, o resultado deve ser avaliado em relação ao método de teste e ao limite de aceitação especificados pelo fabricante, e não em relação a um valor universal, como 100 microohms.

O que incluir na especificação de compra

A maioria dos erros de seleção decorre de uma consulta incompleta. Se a especificação abaixo for enviada juntamente com a solicitação, o fornecedor poderá selecionar um dispositivo testado com base na carga de comutação real do capacitor, em vez de fazer uma estimativa a partir de um valor em amperes.

• Tensão e frequência do sistema, incluindo a tensão operacional máxima esperada.
• O estágio kvar e o arranjo de conexão, delta ou estrela.
• Se um reator de desintonização está instalado e, se conhecido, qual a sua porcentagem de impedância.
• Número de estágios e se eles podem ser energizados enquanto outros já estão conectados.
• Número de operações esperadas por dia e tempo mínimo de inatividade entre reconexões.
• Temperatura ambiente e condições de encapsulamento dentro do painel.
• Tensão e tipo de alimentação da bobina.
• Contatos auxiliares necessários para indicação e intertravamento.
• Requisitos de coordenação com fusíveis ou disjuntores a montante.
• Padrão de referência e, quando aplicável, certificado de um laboratório reconhecido.

Dois desses pontos merecem destaque. A tensão máxima de operação é importante porque a corrente reativa do capacitor e o ciclo de trabalho de comutação dependem da tensão real do sistema. Portanto, um sistema com tensão nominal de 400 V deve ser verificado em relação à faixa de tensão aplicável na tabela de ciclo de trabalho do capacitor do contator. O tempo mínimo de desligamento também é importante. Um capacitor que não tenha descarregado o suficiente antes de religar pode apresentar uma diferença de tensão significativa no instante da comutação. Isso pode produzir um transiente mais severo do que um banco de capacitores totalmente descarregado.

Erros que se repetem em todos os projetos

Diversos erros de seleção aparecem repetidamente em projetos de bancos de capacitores:

• Selecionando apenas pela classificação atual: Um contator com capacidade de corrente AC-3 suficiente não é automaticamente adequado para comutação de capacitores. Verifique a capacidade de carga do capacitor e os dados de aplicação AC-6b do fabricante.
• Ignorando a corrente de pico do capacitor: A corrente nominal em kvar não representa a corrente transitória na energização. O arranjo de comutação, a impedância da fonte e se outros estágios de capacitores já estão energizados podem afetar significativamente a corrente de pico.
• Utilizando dados genéricos de resistência: Não assuma que um contator com capacidade nominal para um determinado número de operações terá a mesma vida útil elétrica ao comutar bancos de capacitores. Verifique a resistência elétrica e a frequência de comutação permitida para o contator AC-6b, conforme especificado.
• Tratar todos os bancos de capacitores como a mesma carga: Um único banco isolado, um painel PFC automático de múltiplos estágios e um banco operando com reatores desafinados podem impor diferentes condições de comutação. A seleção deve refletir a configuração real do sistema.
• Ignorando harmônicos e reatores de desafinação: A distorção harmônica pode aumentar a corrente do capacitor e a tensão elétrica. Quando reatores são utilizados, avalie o conjunto completo capacitor-reator em vez de aplicar um fator de correção genérico.
• Escolher a proteção a montante sem verificar a coordenação: A seleção de fusíveis ou disjuntores deve levar em consideração a corrente contínua do banco de capacitores, as condições de pico de corrente, o nível de falha e as recomendações de coordenação do fabricante.
• Utilizar um intervalo de reconexão inadequado: Os capacitores podem reter tensão após a desconexão. O controlador PFC e o circuito de descarga devem fornecer um atraso de reconexão adequado para que a tensão do capacitor tenha caído o suficiente antes da religação.
• Aplicando as especificações do contator do motor à capacidade de um capacitor: As classificações AC-3 descrevem a capacidade de comutação do motor e não devem ser usadas como substituto para os dados de capacidade do capacitor ao selecionar um contator para aplicações de PFC (Correção de Fator de Potência).