Fator de potência
Fator de potência foi um valor pré determinado pôr órgãos do governo, para que haja um melhor aproveitamento da energia elétrica, já que nos dias de hoje ela anda tão escassa.
Em conformidade com o estabelecido pelo Decreto nº62.724 de 17 de maio de 1968 e com a nova redação dada pelo Drecreto nº75.887 de 20 de junho de 1975, as concessionárias de energia elétrica adotaram, desde então, o fator de potência de 0,85 como referência para limitar o fornecimento de energia reativa.
O Decreto nº479, de 20 de março de 1992, reiterou a obrigatoriedade de se manter o fator de potência o mais próximo possível da unidade (1,00), tanto pelas concessionárias quanto pelos consumidores, recomendando, ainda, ao Departamento Nacional de Águas e Energia Elétrica - DNAEE - o estabelecimento de um novo limite de referência para o fator de potência indutivo e capacitivo, bem como a forma de avaliação e de critério de faturamento da energia reativa excedente a esse novo limite.
A nova legislação pertinente, estabelecida pelo DNAEE, introduz uma nova forma de abordagem do ajuste pelo baixo fator de potência, com os seguintes aspectos relevantes :
Aumento do limite mínimo do fator de potência de 0,85 para 0,92;
Faturamento de energia reativa capacitiva excedente;
Redução do período de avaliação do fator de potência de mensal para horário,
a partir de 1996.
Com isso muda-se o objetivo do faturamento : em vez de ser cobrado um ajuste por baixo fator de potência, como faziam até então, as concessionárias passam a faturar a quantidade de energia ativa que poderia ser transportado no espaço ocupado por esse consumo de reativo. Este é o motivo porque as tarifas aplicadas serem as de demanda e consumo de ativos, inclusive ponta e fora de ponta para os consumidores enquadrados na tarifação horosazonal.
Além do novo limite e da nova forma de medição, outro ponto importante ficou definido : das 6h da manhã às 24h o fator de potência deve ser no mínimo 0,92 para a energia e demanda de potência reativa indutiva fornecida, e das 24h até as 6h no mínimo 0,92 para energia e demanda de potência reativa capacitiva recebida. consome energia reativa indutiva, como motores, transformadores, lâmpadas de descarga, fornos de indução, entre outros. As cargas indutivas necessitam de campo eletromagnético para seu funcionamento, por isso sua operação requer dois tipos de potência.
Podemos definir o fator de potência como sendo a relação entre a potência ativa e a potência aparente. Ele indica a eficiência do uso da energia. Um alto fator de potência indica uma eficiência alta e inversamente, um fator de potência baixo indica baixa eficiência. Um triângulo retângulo é frequentemente utilizado para representar as relações entre kW, kvar e kVA.
Potência é a energia gasta pela máquina para realizar algum tipo de trabalho. Existem três tipos de Potência, e vamos velas logo abaixo.
Potência realmente gasta em dispositivos que oferecem resistência, no circuito resistivo a tensão anda em fase com a corrente (V-I)=0º, e é expresso em KW.
Potência utilizada para a criação de campos magnéticos, necessário ao funcionamento de equipamentos industriais (motores, transformadores, reatores, etc.), sendo expresso seu valor em Kvar, no circuito indutivo a tensão anda adiantada da corrente (V-I)=90º.
Potência utilizada em capacitores, no circuito capacitivo a tensão anda em atraso em relação a corrente (V-I)=-90º.
É a utilização da potência ativa durante qualquer intervalo de tempo, medida pôr aparelho integrador (medidor). É a média das potências solicitadas pelo consumidor, durante um intervalo de tempo, usualmente 15 minutos, registrados pôr medidores de demanda.
Na conta de carga elétrica, a demanda aparece expressa em quilowatt-hora (KWh).
3. Principais Causas de um Baixo Fator de Potência
Antes de realizar qualquer investimento para Correção de Fator de Potência é necessário a identificação da causa de sua origem.
Apresentamos a seguir as principais causas que originam um Baixo Fator de Potência.
Os motores elétricos consomem praticamente a mesma quantidade de energia reativa, necessária à manutenção do campo magnético, quando operando a vazio ou a plena carga.
Entretanto o mesmo não acontece com a energia ativa, que é diretamente proporcional a carga mecânica aplicada no eixo do motor.
Assim quanto menor a carga mecânica aplicada, menor a energia ativa consumida, conseqüentemente, menor o Fator de Potência.
3.2. Motores Super Dimensionados
Este é um caso equivalente ao anterior, cujas conseqüências são idêntica.
Geralmente os motores são super dimensionados para as respectivas máquinas sendo, em média, de 70% a 75% da potência nominal do motor, a potência efetivamente exigida pela máquina (motores de pequena e média potência).
É muito comum o costume da substituição de um motor pôr outro de maior potência, principalmente nos casos de manutenção para reparos e que, pôr acomodação, a substituição transitória passa a ser permanente, não se levando em conta que um super dimensionamento provocara baixo Fator de Potência.
3.3. Transformadores Operando em Vazio ou com Pequenas Cargas
Como os motores, os transformadores, quando super dimensionados para a carga a qual estão ligados, consomem uma certa quantidade de energia reativa relativamente grande, quando comparada com a energia ativa, provocando um baixo Fator de Potência.
3.4. Nível de Tensão acima da Nominal
A potência reativa (Kvar) é aproximadamente, proporcional ao quadro de tensão aplicada, enquanto que a potência ativa praticamente só depende da carga mecânica aplicada no eixo do motor.
Assim sendo, quanto maior a tensão aplicada, alem da nominal aos motores de indução, maior será a quantidade de energia reativa consumida e menor o Fator de Potência.
As Lâmpadas de descarga (vapor de mercúrio, sódio, fluorescente etc.), para funcionarem necessitam do auxilio de um reator.
Os reatores, como os motores e os transformadores, possuem bobinas ou enrolamentos que consomem energia reativa, contribuindo para redução do Fator de Potência nas instalações.
A instalação de reatores de alto Fator de Potência pode contornar, em parte, este problema.
3.6. Grande Quantidade de Motores de Pequenas Potência
A grande quantidade de motores de pequena potência, provoca baixo Fator de Potência, uma vez que o correto dimensionamento desse motores às máquinas a eles acopladas é dificultoso.
4. Métodos de Correção do Fator de Potência
A correção do Fator de Potência deverá ser cuidadosamente analisada e não resolvida de forma simples, podendo isso levar a uma solução técnica e econômica insatisfatória. É preciso critério e experiência para efetuar uma adequada correção, lembrando que cada caso deve ser estudado especificamente e que soluções imediatas podem ser as mais inconvenientes.
De um modo geral, quando se pretende corrigir o Fator de Potência de uma instalação surge o problema preliminar de se determinar qual o melhor método a ser adotado.
Independentemente do método a ser adotado o Fator de Potência ideal, tanto para os consumidores como para a concessionária, seria o valor unitário (1,0 ou 100%) que significa a inexistência de Kvar no circuito.
Entretanto, esta condição nem sempre é conveniente e, geralmente não se justifica economicamente. A correção efetuada até o valor de 0,95 ou 95% é considerada suficiente.
4.1. Correção pelo Aumento do Consumo de Energia Ativa
O aumento da energia ativa pode ser alcançada quer pela adição de novas cargas com alto Fator de Potência, quer pelo aumento do período de operação das cargas com Fatores de Potência próximos ou iguais a unidade.
Este método é recomendado quando o consumidor tem uma jornada de trabalho fora do período de ponta de carga do sistema elétrico (aproximadamente das 18 às 20 horas).
Além de atender as necessidades da produção industrial, a carga ativa que aumentara o consumo de KW/h deverá ser cuidadosamente escolhida a fim de não aumentar a demanda de potência da industria.
4.2. Correção 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:
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:
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:
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.
Atualizado em 09-Dez-2000.
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