Correção de fator de potência

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ANDRADE, Matheus César Dornelas [1]

ANDRADE, Matheus César Dornelas. Correção de fator de potência. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 03, Ed. 09, Vol. 06, pp. 75-83 Setembro de 2018. ISSN:2448-0959

RESUMO

Atualmente, as cargas elétricas alimentadas pelo sistema de distribuição não possuem as mesmas características elétricas quando comparadas a algumas décadas atrás, quando praticamente todas elas eram lineares. Isso tem ocorrido em função do desenvolvimento da eletrônica de potência, do avanço tecnológico dos dispositivos semicondutores, microprocessadores e microcontroladores, que permitiram a mudança do estilo de vida da população. No entanto, foram introduzidas cargas não lineares nos setores industriais, comerciais e residenciais, de modo que elas têm se destacado em relação àquelas de características lineares [1]. Em uma rede elétrica, existem basicamente três tipos de cargas elétricas: resistivas, indutivas e capacitivas. Esta classificação está diretamente ligada ao fator de potência, que mede se a energia elétrica recebida é suficiente para atender as necessidades do uso diário, seja em residências ou empresas [2]. O fator de potência é utilizado para quantificar e tarifar a energia ativa e reativa presentes no sistema elétrico em praticamente todo o mundo, estudos comprovam que sua definição precisa de algumas considerações se aplicada a sistemas que não possuam formas de onda senoidais para a tensão e/ou corrente. Ou seja, desvios nas condições ideais de operação que podem ocasionar falhas na medição e tarifação [3]. O objetivo deste artigo é demonstrar a importância de corrigir o fator de potência nas instalações elétricas das indústrias. Para tanto, foi apresentado conceitos básicos sobre o fator de potência, importância do seu controle baseado na legislação vigente, causas e consequências dos seus efeitos e, por fim, métodos de correção do fator de potência através de utilização de capacitores. Concluiu-se que a correção do fator de potência traz benefícios para as indústrias com a redução significativa do custo de energia e aumento da eficiência energética, e para a concessionária diminuindo o custo de geração e aumentando a capacidade de geração para atender mais consumidores.

Palavras-Chave Introdução, Fator de potência, Correção do fator de potência, Normas da ANAEEL, Conclusão.

INTRODUÇÃO

O fator de potência (Fp) pode ser definido como a relação entre o componente ativo da potência e o valor total desta mesma potência [4], ou seja:

O fator de potência indica a porcentagem da potência total fornecida (kVA) que é efetivamente transformada em potência ativa (kW). Assim o fator de potência mostra o grau de eficiência do uso de um sistema elétrico. Valores altos de fator de potência (próximos de 1,0) indicam uso eficiente da energia elétrica, enquanto que valores baixos evidenciam seu mau aproveitamento, lém de representar uma sobrecarga para todo o sistema [5]. Tanto assim que, uma vez constatado um fator de potência de valor inferior a um mínimo prefixado, as concessionárias se vêem na contingência de, de acordo com a legislação em vigor, cobrar uma sobretaxa ou multa. Isto representa, para quem não está com suas instalações adequadas, substancial despesa extra, além de sobrecargas nos transformadores, nos alimentadores, bem como menor rendimento e maior desgaste nas máquinas e equipamentos em geral.

Corrigir o fator de potência é fundamental em qualquer instalação industrial. Quedas de tensão, perdas, sobrecargas, são algumas das consequências de um fator de potência baixo numa instalação.

A legislação brasileira, através dois decretos 62 724 de 1968, 75 887 de 1975 e 479 de 1992 determina a manutenção do fator de potência o mais próximo possível de 1, tanto pelas concessionárias como pelos consumidores. [6]

Esses decretos também determinam a forma de avaliação e o critério de faturamento da energia reativa que exceder os novos limites. Esses limites são de 0,92, dependendo do horário. Assim, para os períodos entre 6 e 24 h o fator deve ser no mínimo 0,92 para a energia e demanda de potência reativa indutiva fornecida. Entre 24 e 6h, o mínimo estabelecido é 0,92 para energia e demanda de potência reativa capacitiva recebida.

1.1 FATOR DE POTÊNCIA

O fator de potência é um dos diversos parâmetros existentes para avaliar a qualidade da energia elétrica e tem implicação direta em questões relacionadas à utilização, ao carregamento e planejamento das redes de distribuição de energia elétrica [1]. Para amenizar o impacto do baixo fator de potência, e consequentemente uma baixa qualidade de energia, é importante que as indústrias, em suas plantas elétricas, corrijam o fator de potência. Evitando assim, multas cobradas pela concessionária por excedente de consumo de potência reativa e obtendo uma melhor utilização da energia disponível.

1.2 – PROBLEMAS DE BAIXO FATOR DE POTENCIA

além de ser obrigatória a manutenção do fator de potência de uma instalação industrial dentro dos limites estabelecidos por lei, o profissional também deve se preocupar com um baixo fator de potência por outros motivos. Esses motivos são os seguintes:

QUEDA DE TENSÃO – Com um rendimento menor, devido à energia reativa em excesso, temos um aumento na intensidade da corrente no circuito. Isso leva a uma perda adicional por calor na fiação e consequente queda na tensão.

PERDAS NA INSTALAÇÃO – As perdas na linha de alimentação são proporcionais ao quadrado da intensidade da corrente conduzida. Como a intensidade da corrente aumenta com o aumento da energia reativa, aumenta-se então de forma geométrica as perdas na fiação além de ocorrer o aparecimento de um problema adicional que é o aquecimento dos condutores.

SOBRECARGAS

O aumento da corrente pela energia reativa em excesso pode causar sobrecargas perigosas. Além disso, temos a impossibilidade de se usar uma rede em sua plena capacidade. Para compensar essas sobrecargas deve-se investir em diversos elementos da instalação, cujo custo não é baixo. Por esse motivo, pode ser muito mais interessante investir na correção do fator de potência e não na sua compensação com um dimensionamento maior das instalações.

Com relação às consequências de um baixo fator de potência, além da multa aplicada, as perdas joules são os pontos mais críticos, pois essa perda é desperdício de energia. Também, quanto menor o fator de potência de um circuito, maior é a necessidade da capacidade do transformador e maior a seção dos cabos para conduzir toda essa energia. Vejamos um exemplo com relação ao condutor na tabela 1. [7]

Para que o leitor tenha uma idéia de como isso afeta o dimensionamento dos cabos, tomemos como exemplo a tabela abaixo:

Fator de Potência Seção relativa do cabo
1,0 1,0
0,90 1,23
0,80 1,56
0,70 2,04
0,60 2,78
0,50 4,0

tabela 1 – relação FP e seção do cabo.

Observe então que a simples passagem para um fator de potência de 1,0 para 0,7 leva à necessidade de dobrar à seção dos cabos usados! Na figura 1 temos uma ideia do problema, levando em conta que os condutores têm seu preço determinado pelo peso.

Figura 1 – Seção do cabo

000.jpg
Fonte: autor

Se o fator de potência cair para 0,5, serão necessários cabos com 4 vezes a área útil para dar conta da corrente exigida pela instalação. Podemos resumir então as conseqüências mais graves de um fator de potência baixo da seguinte forma:

  • Aumento da conta de energia elétrica
  • Flutuações e queda de tensão em vista da sobrecarga dos circuitos.
  • Se a instalação usar transformadores eles podem limitar seriamente a potência útil disponível na empresa.
  • Para manter o nível de consumo é preciso aumentar a espessura dos cabos de distribuição.

1.3- O QUE CAUSA UM BAIXO FATOR DE POTENCIA

Diversas são as causas para um baixo fator de potência. Os profissionais das indústrias devem estar atentos, fiscalizando constantemente tais itens, fazendo correções quando necessárias.

  • Motores trabalhando em vazio
  • Motores superdimensionados para trabalho que devem realizar.
  • Fornos de indução ou arcos.
  • Reatores com baixo fator de potência no sistema de iluminação.
  • Transformadores trabalhando em vazio
  • Tensão acima do valor nominal, causando um acréscimo de consumo na energia reativa.

1.4- COMO CORRIGIR O FATOR DE POTENCIA

Um procedimento simples para se evitar a presença do consumo de energia reativa, consiste em se desligar as cargas ociosas. No entanto, quando o problema é inerente às características dos próprios dispositivos alimentados a solução deve ser outra.

Assim, o procedimento mais usado para se compensar a presença de uma carga fortemente indutiva que afete o fator de potência, consiste na conexão próxima de bancos de capacitores. Esses capacitores devem ser dimensionados para fazer com que o fator de potência caia dentro da faixa de valores desejada para melhor aproveitamento da energia.

2. FATOR DE POTENCIA

Antes de entender o distúrbio que chamamos de redução do fator de potência, vamos dar uma passada pelo conceito de fator de potência.

figura 2 – triangulo de potência.

triangulo.png
Fonte: autor

O fator de potência na figura 2, é representado pelo cosseno do angulo. Vamos aproveitar e relembrar os conceitos de potência útil ou ativa, aparente e reativa.

  • POTENCIA APARENTE: é o valor total da potência que será utilizada de uma fonte geradora, ou seja, é a soma vetorial da potência útil (P) e reativa (Q).
  • POTENCIA ATIVA OU ÚTIL: é a componente da potência aparente S, que é utilizada por um equipamento para realizar trabalho, ou seja, é a potência transformada integralmente em trabalho. Sua unidade é o Watt.
  • POTENCIA REATIVA: ao contrário da potência útil, a potência reativa é a componente da potência aparente que não realiza trabalho. Aparece no circuito devido às características das impedâncias dos componentes da rede e dos equipamentos ligados a ela. Sua unidade é o Var, ou Volt-ampère reativo. [7]

Como podemos ver, o triangulo de potência mostra que o angulo entre as potencias aparente e ativa representa quanto um circuito é eficaz no uso da energia, isto é, quanto mais próximo de 1 o cosseno do angulo, menor será a potência reativa e, consequentemente, as perdas serão menores. Vamos a um exemplo, imagine que dois circuitos monofásicos há um consumo de potência ativa de 1000W, porém o primeiro traz um fator de potência de 0,5 e o outro traz um de 0,85. Avaliando pelos cálculos, o primeiro circuito precisa extrair da rede 2000VA para obter os 1000W de trabalho, enquanto o circuito com o fator de potência 0,85 precisa extrair somente 1176,6VA. Isso significa que a eficiência dos circuitos em termos de utilização da energia será dada pelo fator de potência. [7]

Em função dessa condição, os países se preocupam em estabelecer os valores mínimos de fator de potência que um circuito pode operar de forma a coibir o abuso, e então permitir que os sistemas sejam melhor aproveitados:

  • Espanha – 0,92
  • Coréia do Sul – 0,93
  • França – 0,93
  • Bélgica – 0,95
  • Alemanha – 0,96
  • Suíça – 0,96
  • Argentina – 0,95

O Brasil não ficou pra trás e estabeleceu o valor de 0,92 indutivo durante o dia e capacitivo durante a madrugada (Prodist – módulo 8 – item 3).

2.1- BAIXO FATOR DE POTENCIA

Um baixo fator de potência causa mais problemas do que apenas desperdício na instalação. Ter um baixo fator de potência significa que maior quantidade de energia reativa circula pelas linhas de alimentação, portanto um baixo fator de potência prejudica não só a instalação, mas também a rede a qual está ligada. [8]

Por essa razão, o Departamento Nacional de Águas e Energia Elétrica (DNAEE), pelo decreto nº 479 de 20 de março de 1992, estabeleceu o valor mínimo a todo território nacional igual a 0,92.

Instalação com fator de potência < 0,92, estão sujeitas à multa; as consequências mais significativas do baixo fator de potência são:

  • Acréscimo na conta de energia elétrica;
  • Limitação da capacidade dos transformadores;
  • Quedas e flutuação da tensão;
  • Sobrecargas nos dispositivos de manobra, e consequentemente, redução da vida útil.
  • Perdas na linha por efeitos joule;
  • Necessidade de aumento dos condutores;
  • Necessidade de aumento dos equipamentos de proteção.

Um baixo fator de potência pode ser causado por excesso de cargas indutivas ou capacitivas. Das 06h às 24h a tendência na indústria é aumentar a parcela indutiva, devido ao acionamento de motores.

Das 24h às 06h a situação se inverte, tende a um fator de pontencia capacitivo, isso ocorre em virtude da iluminação, principalmente lâmpadas fluorescentes. [8]

Várias condições são responsáveis pela redução dos fatores de potência. Iniciamos com os próprios equipamentos, que são fabricados com perdas enormes e baixa eficiência, na maioria das vezes para minimizar os custos de fabricação. A instalação com varios equipamentos com baixo fator de potência em um circuito pode afetar o circuito como um todo. É o caso, por exemplo, de lâmpadas de descargas que utilizam reatores com baixo fator de potência; imagine um galpão de uma fábrica com a iluminação toda em lâmpada com essa característica, somem-se isso com outros fatores como motores superdimensionados que operam em curva de baixo rendimento , ou mesmo o uso de elevado número de motores de baixa potência , que acabam diminuindo o fator de potência da instalação pela elevada carga indutiva. Outro item que pode levar ao baixo fator de potência é o fato de transformadores operarem em vazio, seja durante algum período do dia, ou mesmo o superdimensionamento desses transformadores podem colaborar. Os fornos de indução ou máquinas de solda a transformador são equipamentos que causam o baixo fator de potência. É importante salientar que o fator de potência de um circuito é medido em função dos somatórios dos equipamentos do circuito, portanto importa cada um dos componentes de forma conjunta. Quanto maior o número de equipamentos com baixo fator de potência, maior chance desse circuito possuir fator de potência baixo. [7]

2.2 – MOTORES E TRANSFORMADORES SUPERDIMENSIONADOS

Ao contrário do que se pensa, um motor ou transformador superdimensionado não é uma boa prática. Todos os componentes eletromagnéticos de uma instalação devem ser dimensionados com valor nominal coerente com a carga. Ao superdimensioná-los, aumenta -se o consumo da energia reativa, pois os enrolamentos são mais potentes, sem, contudo, produzir maior trabalho útil. [8]

A conclusão é que o fator de potência nos motores é diretamente proporcional à sua carga, portanto motores que rodam em vazio apresenta o pior fator de potência.

  • Reatores de baixo fator de potência no sistema de iluminação.
  • Fornos de indução ou a arco.
  • Nível de tensão acima do valor nominal.

2.3 – CUSTO DE UM BAIXO FATOR DE POTENCIA

O baixo fator de potência aumenta o preço da conta de energia elétrica, portanto é preciso mantê-lo o mais próximo possível de 1. Isso se faz por meio de banco de capacitores. O consumo registrado pela concessionária se faz pela soma do montante da energia ativa (útil) e a reativa (desperdício). Como não se pode diminuir a energia útil sem comprometer a produção, a alternativa é diminuir a energia reativa. Com isso, a quantidade de energia que sai da concessionária é menor, o que torna a conta mais barata. [8]

3 – CORREÇÃO DO FATO DE POTENCIA

Para entender melhor como é possível corrigir o fator de potência, faremos duas análises, sendo a primeira física, que mostra eletricamente como ligar banco de capacitores, e a segunda matemática, para que possamos dimensioná-los.

3.1 – ANÁLISE FÍSICA

Um banco de capacitores ligado em delta é conectado em paralelo ao motor do qual se deseja aumentar o fator de potência. Essa correção se chama local, pois se faz na carga.

O banco de capacitores varia em capacidade e forma. Pode até ser construído com células capacitivas; dependendo da potência necessária, essas células podem ser alocadas em um rack.

3.1.1 – ONDE DEVE SER COLOCADO O BANCO DE CAPACITORES?

Nessa técnica, cada carga tem seu próprio banco, e é uma das melhores soluções, pois apresenta as seguintes vantagens:

  • Reduz as perdas energéticas em toda a instalação;
  • Reduz a corrente nos circuitos de alimentação;
  • Pode-se utilizar um único acionamento para a carga e para o banco de capacitores;
  • Gera potência reativa somente onde é necessária.

Outra técnica é corrigir o fator de potência na entrada de baixa tensão, indica-se essa prática a instalações elétricas com elevado número de cargas, porém com potencias diferentes e regimes de utilização não uniforme. Sua principal desvantagem é não reduzir a corrente elétrica nos circuitos de cada equipamento. [8]

3.1.2- POR QUE A CONCESSIONÁRIA DE ENERGIA SE PREOCUPA EM CORRIGIR O FATOR DE POTENCIA?

Porque ela também se beneficia com isso, tendo em vista que a potência reativa deixa de circular no sistema de transmissão e distribuição, evita perdas pelo efeito joule, aumenta a capacidade do sistema a fim de atender mais consumidores e diminui os custos de geração [8]

3.1.3- AO INSTALAR BANCOS FIXOS DE CAPACITORES, CORRE-SE O RISCO DE ULTRAPASSAR A POTENCIA CAPACITIVA DAS 24H ÀS 06H?

Sim. Trata-se do corretor automático de fator de potência. Esse equipamento é capaz de ligar e desligar bancos (procurando manter o maior fator de potência possível) automaticamente, e alguns modelos tem até 12 saídas, ou seja, capacidade para 12 bancos. A análise do fator de potência se faz pela leitura da corrente elétrica e tensão elétrica. [8]

3.2- ANÁLISE MATEMÁTICA

Agora já sabemos como e por que corrigir o fator de potência, só resta dimensionar o banco de capacitores. O banco é expresso em KVAr.

Para facilitar a compreensão, a seguir a um pequeno formulário:

Potencia KW= potência CVx0,736

figura 3 – formulário

1.1.JPG
Fonte: autor

4. NORMAS DA ANEEL COM RELAÇÃO A EXCEDENTES RELATIVOS DE UNIDADES CONSUMIDORAS

O Diretor-Geral da Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL, no uso de suas atribuições regimentais, de acordo com deliberação da Diretoria, tendo em vista o disposto na Lei nº 9.427, de 26 de dezembro de 1996, com base no art. 4º, inciso IV e XVI, Anexo I, do Decreto nº 2.335, de 6 de outubro de 1997 e no que consta do Processo nº 48500.002798/2012-61 e considerando:

que o art. 1º da Lei nº 4.454, de 06 de novembro de 1964, estabelece que é adotada a frequência de 60 Hertz para distribuição de energia elétrica no território nacional,

a necessidade de se criar sinais regulatórios para incentivar o uso eficiente das redes de distribuição de energia elétrica,

a necessidade de se estabelecer a definição do fator de potência no caso de haver distorções harmônicas na rede elétrica.

Art. 1º. Inserir o inciso XXXV-A no art. 2º da Resolução Normativa nº 414, de 9 de setembro de 2010, com a seguinte redação:

“Art. 2º XXXV-A – fator de potência de deslocamento: razão entre a energia elétrica ativa e a raiz quadrada da soma dos quadrados das energias elétricas ativa e reativa, consumidas num mesmo período especificado e medidas considerando-se as componentes de tensão e corrente apenas na frequência nominal da rede elétrica;”

“Art. 76. O fator de potência de deslocamento da unidade consumidora, para fins de cobrança, deve ser verificado pela distribuidora por meio de medição permanente, de forma obrigatória para o grupo A e facultativa para os subgrupos B2, B3 e B4 do grupo B. Parágrafo Único. As unidades consumidoras enquadradas no subgrupo B1 do grupo B não podem ser faturadas pelo excedente de reativos devido ao baixo fator de potência de deslocamento.”

Art. 2º. Alterar a redação do caput do art. 76 e inserir o Parágrafo Único do mesmo artigo da Resolução Normativa nº 414, de 9 de setembro de 2010, que passa a vigorar com a seguinte redação:

“Art. 76. O fator de potência de deslocamento da unidade consumidora, para fins de cobrança, deve ser verificado pela distribuidora por meio de medição permanente, de forma obrigatória para o grupo A e facultativa para os subgrupos B2, B3 e B4 do grupo B.

Art. 4º. Alterar a redação do caput do art. 96 e dos incisos I e II do §1º do mesmo artigo da Resolução Normativa nº 414, de 9 de setembro de 2010, que passam a vigorar com a seguinte redação:

“ERE = valor correspondente à energia elétrica reativa excedente à quantidade permitida pelo fator de potência de deslocamento de referência “fR”, no período de faturamento, em Reais (R$);

fR = fator de potência de deslocamento de referência igual a 0,92 para unidades consumidoras conectadas em níveis de tensão inferiores a 69 kV e 0,95 para as demais unidades consumidoras;

fT = fator de potência de deslocamento da unidade consumidora, calculado em cada intervalo “T” de 1 (uma) hora, durante o período de faturamento, observadas as definições dispostas nos incisos I e II do § 1o deste artigo;

DRE(p) = valor, por posto horário “p”, correspondente à demanda de potência reativa excedente à quantidade permitida pelo fator de potência de deslocamento de referência “fR” no período de faturamento, em Reais (R$);

§ 1o Para a apuração do ERE e DRE(p), deve-se considerar:

I – o período de 6 (seis) horas consecutivas, compreendido, a critério da distribuidora, entre 23h 30min e 6h 30min, apenas os fatores de potência “fT” inferiores a 0,92 capacitivo para unidades consumidoras conectadas em níveis de tensão inferiores a 69 kV ou inferiores a 1 capacitivo para as demais unidades consumidoras, verificados em cada intervalo de 1 (uma) hora “T”; e

II – O período diário complementar ao definido no inciso I, apenas os fatores de potência “fT” inferiores a 0,92 indutivo para unidades consumidoras conectadas em níveis de tensão inferiores a 69 kV ou inferiores a 0,95 indutivo para as demais unidades consumidoras, verificados em cada intervalo de 1 (uma) hora “T”. [9]

CONCLUSÕES

Chegamos à conclusão que a correção do fator de potência se torna muito importante quando falamos em qualidade de energia, mantendo o sistema transmissão e distribuição o mais limpo possível, e contribuir para que chegue uma energia de maior qualidade aos consumidores. Sendo assim, se torna um dever de as unidades consumidoras manterem o fator de potência dentro dos padrões da ANEEL, e garantirem nosso sistema elétrico de potência o melhor possível e com um alto padrão de qualidade.

REFERÊNCIAS

[1] Revista O SETOR ELÉTRICO, São Paulo: Atitude. Edição 66, 2011.

[2] Revista TECNOGERA, São Paulo, 2015.

[3] MATEUS, Valdecir. Fator de potência. Cuiabá, 2001.

[4] MAMEDE, João. Instalações elétricas industriais. Rio de Janeiro: LTC, 2007.

[5] DUALIBE, Paulo. Capacitores: Instalação e correção do fator de potência. São Paulo, 2000.

[6] NEWTON C. BRAGA. Fator de Potência. 2011. Disponível em: <http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/artigos/54-dicas/819-fator-de-potencia-a-necessidade-da-correcao-art111.html>. Acesso em: 20 jun. 2018.

[7] MARTINHO, Edson. Distúrbio da energia elétrica. 3. ed. São Paulo: Saraiva, 2013. 142 p.

[8] CAPELLI, Alexandre. Energia Elétrica: Qualidade e eficiência para aplicações industriais. São Paulo: Saraiva, 2017. 272 p.

[9] RESOLUÇÃO NORMATIVA No 414, DE 09 DE Setembro DE 2012. Disponível em: http://www2.aneel.gov.br/aplicacoes/audiencia/arquivo/2012/065/documento/ren_-_alteracoes_-_fp_-_11-06-2012.pdf>. Acesso em: 28 jun. 2018.

[10] ANICETO, Diego Machado. Importância da correção do fator de potência. Especialize, São Paulo, v. 5, n. 8, p.1-17, 20 jun. 2018. Semanal

[1] Formado em Engenharia elétrica

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