CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS GERAISCircuitos Elétricos: Fator de potência Aluna: Carla Francielly Ribeiro Ferreira Turma: Mecatrônica 2ª Disciplina: Circuitos Elétricos Professor: Danilo Belo Horizonte, 15 de dezembro de 2011 Introdução Este trabalho vem apresentar uma das questões da qualidade da energia elétrica, o fator de potência (FP. O FP 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. Ademais, o FP também é um dos responsáveis para a minimização de perdas no sistema elétrico, o que é de grande utilidade no momento. 1. O que é Fator de Potência Em diversos equipamentos elétricos, o maior interesse reside na potência. Por exemplo, temos interesse na potência gerada por um alternador, na potência à entrada de um motor elétrico ou na potência de saída de um transmissor de rádio ou televisão. Visando melhorar a qualidade da energia, alguns países criaram normas para regulamentar os limites de consumo de energia reativa e a distorção que as cargas produzem, obtendo assim, uma série de benefícios, como por exemplo, a diminuição de perdas, redução no stress de transformadores, redução da interferência nos sistemas de telefonia e comunicação, entre outros. Antes de apresentar o conceito sobre o Fator de potência (F.P),é necessário alguns conceitos fundamentais e importantes para a compreensão do mesmo. Potência ativa (P): Também chamada de potência real é a energia que está sendo convertida em trabalho no equipamento, ou seja, a capacidade do circuito de produzir trabalho em um determinado período de tempo. Sua unidade é o watt. Potência reativa: é a medida da energia armazenada que é devolvida para a fonte durante cada ciclo de corrente alternada Sua unidade é o Var (volt-ampèrereativo) que representa a energia que está sendo utilizada para produzir os campos elétricos e magnéticos necessários para o funcionamento de alguns tipos de cargas como, por exemplo, motores, retificadores industriais e transformadores. É dada pela equação: Q=VIsenϕ. Potência aparente: Sua unidade é o volt-ampère (VA). É obtida pela soma vetorial das potências ativa e reativa. Sua equação é: N=VI. O fator de potência (FP) de um sistema elétrico qualquer, que está operando em corrente alternada (CA), é definido pela razão da potência ativa pela potência aparente: As equações que exprimem as potências médias, aparente e reativa podem ser desenvolvidas geometricamente em um triângulo retângulo chamado de triângulo das potências. Se φ é o ângulo de fase entre as de ondas de corrente e tensão, então o fator de potência é igual a ,e: P=S Por definição, o fator de potência é um número adimensional entre 0 e 1. Quando o fator de potência é igual a zero (0), o fluxo de energia é inteiramente reativo, e a energia armazenada é devolvida totalmente à fonte em cada ciclo. Quando o fator de potência é 1, toda a energia fornecida pela fonte é consumida pela carga. Normalmente o fator de potência é assinalado como atrasado ou adiantado para identificar o sinal do ângulo de fase entre as ondas de corrente e tensão elétricas. O fator de potência é determinado pelo tipo de carga ligada ao sistema elétrico, que pode ser: • Resistiva: Quando estão ligadas cargas puramente resistivas, as ondas de tensão e de corrente elétrica estão em fase, ou seja, mudando a sua polaridade no mesmo instante em cada ciclo: • Indutiva: Cargas indutivas tais como motores e transformadores (equipamentos com bobinas) produzem potência reativa com a onda de corrente atrasada em relação à tensão: • Capacitiva: Cargas capacitivas tais como bancos de capacitores ou cabos elétricos enterrados produzem potência reativa com corrente adiantada em relação à tensão. Ambos os tipos de carga absorverão energia durante parte do ciclo de corrente alternada, apenas para devolver essa energia novamente para a fonte durante o resto do ciclo. 2. Qual o menor valor do Fator de potência permitido pelas concessionárias. 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, introduziu 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 excedente; • Redução do período de avaliação do fator de potência de mensal para horário, a partir de 1996 para consumidores com medição horosazonal. 3. Punições para um baixo fator de potência No Brasil, a Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL estabelece que o fator de potência nas unidades consumidoras deve ser superior a 0,92 capacitivo durante 6 horas da madrugada e 0,92 indutivo durante as outras 18 horas do dia. Esse limite é determinado pelo Artigo nº 95 da Resolução ANEEL nº414 de 09 de setembro de 2010, e quem descumpre está sujeito a uma espécie de multa que leva em conta o fator de potência medido e a energia consumida ao longo de um mês: A mesma resolução estabelece que a exigência de medição do fator de potência pelas concessionárias é obrigatória para unidades consumidoras de alta tensão (supridas com mais de 1000 V) e facultativa para unidades consumidoras de baixa tensão (abaixo de 1000 V, como residências em geral). A cobrança em baixa tensão, na prática, raramente ocorre, pois o fator de potência deste tipo de unidade consumidora geralmente está acima de 0,92. Não compensa, pois demanda a instalação de medidores de energia reativa. Quanto às distorções harmônicas (A distorção harmônica na corrente é o efeito de deformidade gerado pelas várias componentes harmônicas que, quando somadas, fazem a corrente não ser mais uma senóide.) o Brasil ainda não publicou legislações para regulamentar os limites das distorções harmônicas nas instalações elétricas. 4. Por que o baixo fator de potência é prejudicial? 4.1 - Perdas na Instalação As perdas de energia elétrica ocorrem em forma de calor e são proporcionais ao quadrado da corrente total (I2. R). 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. 4.2 - 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. 4.3 - Subutilização da Capacidade Instalada A energia reativa, ao sobrecarregar uma instalação elétrica, inviabiliza sua plena utilização, condicionando a instalação de novas cargas a investimentos que seriam evitados se o fator de potência apresentasse valores mais altos. O “espaço” ocupado pela energia reativa poderia ser então utilizado para o atendimento de novas cargas. Os investimentos em ampliação 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 a presença de potência reativa, a sua capacidade deve ser calculada com base na potência aparente das instalações. A Tabela 1 mostra a potência total que deve ter o transformador, para atender uma carga útil de 800 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 2 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. 5. 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. 5.1 – Correção pelo Aumento do Consumo de Energia Ativa O aumento da energia ativa pode ser alcançado 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 aumentará o consumo de KW/h deverá ser cuidadosamente escolhida a fim de não aumentar a demanda de potência da indústria. 5.2 – Correção através de Motores Síncronos Superexcitados A correção através de motores síncronos superexcitado, além de corrigir o Fator de Potência fornece, também, 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 superior a 200 cv, e funcionando pôr grandes períodos (superiores a 8 horas 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 utilizados pelas indústrias são os de Fator de Potência nominal igual a 0,80 a 1,00. 5.3 – Compensação pôr Capacitores Estáticos A correção do Fator de Potência através de capacitores estáticos constitui a solução mais prática para as indústrias em geral. Entretanto, alguns cuidados devem ser tomados, para que os capacitores não sejam usados indiscriminadamente. Podem os capacitores, em principio, serem instalados em quatro pontos distintos do sistema elétrico: a. b. c. d. – Junto às grandes Cargas indutivas (motores, transformadores, Tc...) – No barramento geral de Baixa Tensão (BT). – Na extremidade dos circuitos alimentadores – Na entrada de energia de Alta Tensão (AT). 5.3 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 os elementos comandados pela mesma chave, não se apresenta o risco de haver, em certas horas, excesso ou falta de potência reativa, além do que, obtémse 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 e etc. 5.3 b) – No Barramento geral de Baixa Tensão (BT) Neste tipo de ligação de Capacitores, haverá necessidade de ser instalada uma chave que permita desligá-los quando a indústria finda sua atividades diárias. Não o fazendo, poderão ocorrer sobretensões indesejáveis que, provavelmente, causarão danos as instalações elétricas. 5.3 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. 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 potências reativas de todos os equipamentos. 5.4 d)- Na 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 diversidade de demanda pode redundar em economia na quantidade de capacitores a instalar. BIBLIOGRAFIA CIRCUITOS ELÉTRICOS, Administer, Joseph A. Cap 7, págs 108-116; CIRCUITOS ELÉTRICOS, Bartkowiak, Robert A. Cap 12, págs 310-318; fator_potencia.pdf; fatordepotencia.pdf; file:///F:/Fator de potência – Wikipédia; acesso em 14/12/2011. aneel.gov.br; acesso em 15/12/2011.