A instalação de capacitores tem sido alvo de muita atenção nas áreas de projeto, manutenção de finanças de empresas interessadas em racionalizar seus equipamentos elétricos.

A correção do fator de potência é um investimento necessário com retorno garantido!

LEGISLAÇÃO ATUAL

Em conformidade com o estabelecido pelo Decreto nº 62.724 de 17 de maio de 1968 e com a nova redação dada pelo Decreto nº 75.887 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 nº 479, 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 06:00 às 24:00 o fator de potência deve ser no mínimo 0,92 para a energia e demanda de potência reativa indutiva fornecida.

• Das 24:00 até às 06:00 no mínimo 0,92 para energia e demanda de potência reativa capacitiva recebida.

DEFINIÇÕES

• Potência: capacidade de produzir trabalho na unidade de tempo.

• Energia: utilização da potência num intervalo de tempo.

• Potência ativa (KW): é a que realmente produz trabalho útil.

• Energia ativa (KWh): uso da potência ativa num intervalo de tempo.

• Potência reativa (KVAR): é a usada para criar o campo eletromagnético das cargas indutivas.

• Energia reativa (KVARh): uso da potência reativa num intervalo de tempo.

• Potência aparente (KVA): soma vetorial das potências ativa e reativa, ou seja, é a potência total absorvida pela instalação. Fator de potência (): é a razão entre potência ativa e potência aparente.

CONCEITOS BÁSICOS

A maioria das unidades consumidoras 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:

• Potência ativa: Potência que efetivamente realiza trabalho gerando calor, luz, movimento, etc. É medida em KW. (Ver figura a seguir).

• Potência reativa: Potência usada apenas para criar e manter os campos eletromagnéticos das cargas indutivas. É medida em KVAR. (Ver figura a seguir a seguir).

Assim, enquanto a potência ativa é sempre consumida na execução de trabalho, a potência reativa, além de não produzir trabalho, circula entre a carga e a fonte de alimentação, ocupando um espaço no sistema elétrico que poderia ser utilizado para fornecer mais energia ativa.

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 freqüentemente utilizado para representar as relações entre KW, KVAR, e KVA. (Ver figura a seguir a seguir).

Define-se fator de potência como sendo a divisão de potência ativa (KW) pela potência aparente (KVA).

Por exemplo: se uma máquina operatriz está trabalhando com 100 KW (potência ativa) e a energia aparente consumida é 125 KVA, dividindo 100 por 125, você chegará a um fator de potência de 0,80.

Define-se também como fator de potência a relação entre potência ativa e potência reativa. Ele indica a eficiência com a qual a energia está sendo usada.

Nas contas de energia elétrica não são mencionados os KVA, mas sim o KVARh e os KWh, portanto para se calcular o fator de potência em tarifações convencionais ou horosazonais mensais, deve-se usar a fórmula abaixo:

KQh, precisaremos utilizar a fórmula abaixo para transformar KQh em KVARrh.

Nota: o fator de potência em um sistema não-linear, não respeita as fórmulas citadas se não forem instalados filtros ou indutores nos equipamentos que geram harmônicas.

CONSEQÜÊNCIAS E CAUSAS DE UM BAIXO FATOR DE POTÊNCIA

PERDAS NA INSTALAÇÃO

As perdas de energia elétrica ocorrem em forma de calor e são proporcionais ao quadrado da corrente total. Como essa corrente cresce com o excesso de energia reativa, estabelece-se uma relação entre o incremento das perdas e o baixo fator de potência, provocando o aumento do aquecimento de condutores e equipamentos.

QUEDAS DE TENSÃO

O aumento da corrente devido ao excesso de energia reativa leva a quedas de tensão acentuadas, podendo ocasionar a interrupção do fornecimento de energia elétrica e a sobrecarga em certos elementos da rede. Esse risco é, sobretudo acentuado durante os períodos nos quais a rede é fortemente solicitada. As quedas de tensão podem provocar ainda, a diminuição da intensidade luminosa das lâmpadas e aumento da corrente nos motores. SUB UTILIZAÇÃO DA

CAPACIDADE INSTALADA

A energia reativa, ao sobrecarregar uma instalação elétrica, inviabiliza sua plena utilização, condicionando a instalação de novas cargas e investimentos que seriam evitados se o fator de potência apresentasse valores bem mais altos. O "espaço" ocupado pela energia reativa poderia ser então utilizado para o atendimento de novas cargas.

Os investimentos em aplicação das instalações estão relacionados principalmente aos transformadores e condutores necessários. O transformador a ser instalado deve atender à potência total dos equipamentos utilizados, mas devido à presença de potência reativa, a sua capacidade deve ser calculada com base na potência aparente das instalações. A tabela abaixo mostra a potência total que deve ter o transformador, para atender uma carga útil de 1000 KW para fatores de potência crescentes.

Também o custo dos sistemas de comando, proteção e controle dos equipamentos, cresce com o aumento da energia reativa. Da mesma forma, para transportar a mesma potência ativa sem o aumento de perdas, a seção dos condutores deve aumentar à medida que o fator de potência diminui. A tabela abaixo ilustra a variação da seção de um condutor em função do fator de potência. (Nota-se que a seção necessária, supondo-se um fator de potência 0,70 é o dobro da seção para o fator de potência 1,00).

A correção do fator de potência por si só já libera capacidade para instalação de novos equipamentos, sem a necessidade de investimentos em transformador ou substituição de condutores para esse fim específico.

PRINCIPAIS CONSEQÜÊNCIAS

• Acréscimo na conta de energia elétrica por estar operando com baixo fator de potência;

• Limitação da capacidade dos transformadores de alimentação;

• Quedas e flutuações de tensão nos circuitos der distribuição;

• Sobrecarga nos equipamentos de manobra limitando sua vida útil;

• Aumento das perdas elétricas na linha de distribuição pelo efeito Joule;

• Necessidade de aumento do diâmetro dos condutores;

• Necessidade de aumento da capacidade dos equipamentos de manobra e proteção.

CAUSAS DO BAIXO FATOR DE POTÊNCIA

• Motores de indução trabalhando a vazio;

• Motores superdimensionados para sua necessidade de trabalho;

• Transformadores trabalhando a vazio ou com pouca carga;

• Reatores de baixo fator de potência no sistema de iluminação;

• Fornos de indução ou a arco;

• Máquinas de tratamento térmico;

• Máquinas de solda;

• Nível de tensão acima do valor nominal provocando um aumento de consumo de energia reativa.

ONDE CORRIGIR O BAIXO FATOR DE POTÊNCIA?

Uma forma econômica e racional de se obter a energia reativa necessária para a operação adequada dos equipamentos é a instalação dos capacitores próximos desses equipamentos. A instalação de capacitores, porém, deve ser precedida de medidas operacionais que levem à diminuição da necessidade de energia reativa, como o desligamento de motores e outras cargas indutivas ociosas ou superdimensionadas.

VANTAGENS DA CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA

MELHORIA DA TENSÃO

As desvantagens de tensões abaixo da nominal em qualquer sistema elétrico são bastante conhecidas. Embora os capacitores elevem os níveis de tensão, é raramente econômico instalá-los em estabelecimentos industriais apenas para esse fim.

A melhoria da tensão deve ser considerada como um benefício adicional dos capacitores. A tensão em qualquer ponto de um circuito elétrico é igual a da fonte de tensão até aquele ponto. Assim, se a tensão da fonte for geradora e as diversas quedas de tensão forem conhecidas, a tensão em qualquer ponto pode ser facilmente determinada.Como a tensão na fonte é conhecida, o problema consiste apenas na determinação das quedas de tensão.

A fim de simplificar o cálculo das quedas de tensão, a seguinte fórmula é geralmente usada:

REDUÇÃO DAS PERDAS

Na maioria dos sistemas de distribuição de energia elétrica de estabelecimentos industriais, as perdas RI2t variam de 2,5 a 7,5% dos kWh da carga, dependendo das horas de trabalho a plena carga, bitola dos condutores e comprimento dos alimentadores e circuitos de distribuição.

As perdas são proporcionais ao quadrado da corrente e como a corrente é reduzida na razão direta da melhoria do fator de potência, as perdas são inversamente proporcionais ao quadrado do fator de potência.

Redução percentual das perdas:

A figura a seguir está baseada na consideração de que a potência original da carga permanece constante. Se o fator de potência for melhorado para liberar capacidade do sistema e, em vista disso, for ligada a carga máxima permissível, a corrente total é a mesma, de modo que as perdas serão também as mesmas. Entretanto a carga total em kW será maior, portanto a perda percentual no sistema será menor.

Algumas vezes torna-se útil conhecer o percentual das perdas em função da potência aparente (S) e potência reativa (Q) da carga e da potência reativa do capacitor (Qc). Assim:

VANTAGENS DA EMPRESA

• Redução significativa do custo de energia elétrica;

• Aumento da eficiência energética da empresa;

• Melhoria da tensão;

• Aumento da capacidade dos equipamentos de manobra;

• Aumento da vida útil das instalações e equipamentos;

• Redução do efeito Joule;

• Redução da corrente reativa na rede elétrica.

VANTAGENS DA CONCESSIONÁRIA

• O Bloco de potência reativa deixa de circular no sistema de transmissão e distribuição;

• Evita as perdas pelo efeito Joule;

• Aumenta a capacidade do sistema de transmissão e distribuição para conduzir o bloco de potência ativa;

• Aumenta a capacidade de geração com intuito de atender mais consumidores;

• Diminui os custos de geração.

CORREÇÃO DE FATOR DE POTÊNCIA EM BAIXA TENSÃO

TIPOS DE CORRENTE DO FATOR DE POTÊNCIA

A correção pode ser feita instalando os capacitores de quatro maneiras diferentes, tendo como objetivo a conservação de energia e a relação custo/beneficio:

a) Correção na entrada da energia de alta tensão: corrige o fator de potência visto pela concessionária, permanecendo internamente todos os inconvenientes citados pelo baixo fator de potência.

b) Correção na entrada de energia de baixa tensão: Permite uma correção bastante significativa, normalmente com bancos automáticos de capacitores. Utiliza-se este tipo de correção em instalações elétricas com elevado numero de cargas com potências diferentes e regimes de utilização pouco uniformes. A principal desvantagem consiste em não haver alívio sensível dos alimentadores de cada equipamento.

c) Correção por grupos de cargas: o capacitor é instalado de forma a corrigir um setor ou um conjunto de pequenas máquinas (<10 cv). É instalado junto ao quadro de distribuição que alimenta esses equipamentos. Tem como desvantagem não diminuir a corrente nas alimentadoras de cada equipamento.

d) Corrente localizada: é obtida instalando-se os capacitores junto ao equipamento que se pretende corrigir o fator de potência. Representa, do ponto de vista técnico, a melhor solução, apresentando as seguintes vantagens:

• Reduz as perdas energéticas em toda a instalação;

• Diminui a carga nos circuitos de alimentação dos equipamentos;

• Pode-se utilizar em sistema único de acionamento para a carga e o capacitor, economizando-se um equipamento de manobra;

• Gera potência reativa somente onde é necessário.

e) Correção Mista: no ponto de vista "Conservação de Energia", considerando aspectos técnicos, práticos e financeiros, torna-se a melhor solução. Usa-se o seguinte critério para correção mista:

• Instala-se um capacitor fixo diretamente no lado secundário do transformador;

• Motores de aproximadamente 10 cv ou mais, corrige-se localmente (cuidado com motores de alta inércia, pois não se deve dispensar o uso de corrente para manobra dos capacitores sempre que a corrente nominal dos mesmos for superior a 90% da corrente de excitação do motor);

• Motores com menos de 10 cv, corrige-se por grupos;

• edes próprias para iluminação com lâmpadas de descarga, usando-se reatores de baixo fator de potência, corrige-se na entrada da rede;

• Na entrada instala-se um banco automático de pequena potência para equalização final.

Quando se corrige um fator de potência de uma instalação, consegue-se um aumento de potência aparente disponível e também uma queda significativa da corrente conforme exemplo:

Uma carga de 930 KW, 380V e FP=0,65 (deseja-se corrigir o fator de potência para 0,92):

• Sem Correção do fator de potência: Potência Aparente Inicial = 1431 KVA Corrente Inicial= 2174 A.

• Com Correção de fator de potência: Potência Aparente Final = 1010 KVA Corrente Final = 1536 A.

Neste caso poderá aumentar 41% de carga na instalação. (Ver o diagrama dos tipos de Instalações).

f) Correção na Média Tensão:

Desvantagens:

• Inviabilidade econômica de instalar banco de capacitores automáticos;

• Maior probabilidade da instalação se tornar capacitiva (capacitores fixos);

• Aumento de tensão do lado da concessionária;

• Aumento da capacidade de curto-circuito na rede da concessionária;

• Maior investimento em cabos e equipamentos de Baixa tensão;

• Manutenção mais difícil;

• Benefícios relacionados com a diminuição das correntes reativas nos cabos, trafos, etc., não são obtidos.

COMO UTILIZAR CAPACITORES EM CIRCUITOS COM AMBIENTE NÃO-LINEAR, NÃO SENOIDAL (COM HARMÔNICAS)?

Até bem pouco tempo atrás, todas as cargas eram lineares com a corrente acompanhando a curva senoidal de tensão. Ultimamente, o número de cargas não lineares que utilizam pulsos de corrente numa freqüência diferente de 60 HZ, tem aumentado significativamente. Exemplos de equipamentos lineares e não-lineares:

O aumento das cargas não lineares provocou distorções harmônicas nos sistemas de distribuição elétrica. Embora os capacitores não sejam geradores de harmônicas, eles podem agravar o problema. A existência de correntes harmônicas é um problema específico de cada instalação. Ela resulta de relações complexas entre todos os equipamentos eletro-eletrônicos da instalação e, portanto é muito difícil prever e modelar.

Uma discussão sobre Acionamentos de Freqüência Variável (AFV) poderá ajudar a explicar o problema das harmônicas. Um AFV utiliza uma fonte chaveada para controlar a saída de potência. Num AFV de seis pulsos, o controle liga seis vezes por ciclo tentando simular uma onda senoidal. À medida que o tempo entre pulsos muda, o motor recebe uma freqüência aparente variável e muda sua velocidade.

Essas mudanças na freqüência aparente levam a dois problemas: grandes picos de tensão, e formas de onda de corrente distorcidas. Os picos de tensão são geralmente muito rápidos e não afetam equipamentos que não utilizam a passagem por zero da tensão para sincronismo. A onda senoidal distorcida é a "geradora de harmônicas".

As harmônicas causam um ruído adicional na linha, e esse ruído gera calor. O aumento de temperatura pode provocar falhas em disjuntores. Os capacitores de potência sofrem o mesmo problema. A sobrecarga térmica faz queimar os fusíveis dos capacitores. As harmônicas tornam-se um risco para a instalação após a 7ª ordem.

BANCOS DE CAPACITORES E TRANSFORMADORES PODEM CRIAR RESSONÂNCIA

Bancos de capacitores instalados na entrada de energia podem criar perigosas condições de ressonância. Nessas condições, as harmônicas geradas por equipamentos não lineares podem ser amplificadas para valores absurdos.

CORREÇÃO DE HARMÔNICA COM CAPACITORES

Os capacitores instalados em tensão acima da Nominal à rede amenizam as harmônicas, melhorando sensivelmente todas as instalações, além da correção do Fator de Potência.