Corrigir o fator de potência é fundamental em qualquer instalação industrial. Quedas de tensão, perdas, sobrecargas são algumas das conseqüências de um fator de potência baixo numa instalação. Todo profissional que trabalha com eletrônica industrial deve estar atento a esse fato. Neste artigo tratamos um pouco mais desse assunto, já abordado em outras ocasiões nesta mesma revista, dada sua grande importância.
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.
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 6 h, o mínimo estabelecido é 0,92 para energia e demanda de potência reativa capacitiva recebida.
Veja que esses valores estão bem próximos dos adotados para alguns países que estão tipicamente na faixa de 0,92 a 0,96.
Para que os leitores que não acompanharam os artigos anteriores em que tratamos do assunto, ou ainda desejam reciclar seus conhecimentos sobre fator de potência, uma breve revisão dos conceitos básicos de fator de potência é importante.
Fator de Potência
Potência ativa é a que efetivamente realiza um trabalho sendo convertida totalmente em luz, calor, movimento, etc. Essa potência é medida em W (watt) e seus múltiplos (kW ou MW).
Um exemplo de carga que consome totalmente a potência que lhe é fornecida é uma lâmpada. Ela representa uma carga resistiva pura, conforme mostra a figura 1, pois nela corrente e tensão estão em fase.
Figura 1
No entanto, em muitas aplicações encontramos cargas que não são resistivas puras, mas sim reativas (capacitores e indutores) como é o caso de motores.
Numa carga deste tipo, a potência é reativa e é medida em VAR (Volt-Ampères Reativos) ou seus múltiplos (kVAR e MVAR), conforme mostra a figura 2.
Figura 2
O que ocorre é que nos indutores, a potência reativa não é usada na produção de trabalho, pois ela apenas tem por função estabelecer os campos magnéticos.
Essa potência, não aproveitada, poderia ser usada com finalidades melhores numa instalação industrial. A soma vetorial da potência ativa com a potência reativa nos dá a potência real, conforme mostra a figura 3.
Figura 3
Veja que, se a potência reativa for pequena, o ângulo entre a potência real e a potência ativa diminui, indicando um uso mais eficiente da energia.
Assim, em lugar de se especificar a potência ativa ou a potência reativa, é comum indicar-se a eficiência no fornecimento e uso da energia pelo cosseno do ângulo mostrado na figura 3. Esse ângulo, denominado ? (phi), letra grega que se pronuncia “fi”,tem seu cosseno se aproximando de 1 quando ele tende a zero e ele define o fator de potência.
Assim, considerando-se que na figura, esse ângulo pode assumir valores entre 0 e 90 graus, seu cosseno variará entre 0 e 1, conforme mostra a figura 4.
Figura 4
Podemos então dizer que o cosseno de ? pode variar entre 0 e 1. Tanto melhor será o aproveitamento da energia quanto mais próximo o fator de potência (FP) estiver próximo de 1, que é o valor ideal.
Também é possível medir o fator de potência como a relação entre a potência ativa e a reativa.
Assim, nas contas de energia temos a especificação dos kVA, mas sim os kVARh (quilowatts-reativos x hora) e os kWh (quilowatts x hora). Para se calcular o fator de potência, deve-se aplicar a seguinte fórmula:
É importante observar que tudo isso é válido quando a energia está dentro dos padrões de qualidade que essas aplicações exigem.
A presença de harmônicas numa instalação altera tudo isso, e a fórmula acima não pode ser aplicada.
Os Problemas de Um Baixo Fator de Potência
Conforme explicamos na introdução, 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:
a)Quedas 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. A figura 5 mostra o que ocorre.
Figura 5
O resultado pode ser o acionamento dos dispositivos de proteção além da drenagem maior de corrente pelos motores que tendem a compensar a queda de tensão.
O problema é acentuado nos horários em que a energia é solicitada de forma mais intensa, quando maior número de máquinas se encontra ligada.
b)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.
c)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.
Para que o leitor tenha uma idéia de que 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
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 6 temos uma idéia do problema, levando em conta que os condutores têm seu preço determinado pelo peso.
Figura 6
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 quedas 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
As perdas nas linhas de distribuição aumentam pela dissipação de energia na forma de calor (Efeito Joule).
Os dispositivos de proteção devem ter sua capacidade aumentada assim como os equipamentos de manobra
O Que Causa um Baixo Fator de Potência
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 (sem carga)
Motores superdimensionados para o trabalho que devem realizar
Fornos de indução ou arco
Reatores com baixos fatores de potência no sistema de iluminação
Máquinas de solda
Transformadores trabalhando em vazio ou com carga muito abaixo da máxima especificada.
Tensão acima do valor nominal, causando um acréscimo de consumo de energia reativa
Máquinas de tratamento térmico
Como Corrigir o Fator de Potência
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.
Conforme mostra a figura 7, podemos ver que uma a energia reativa devido a uma carga indutiva pode ser neutralizada pela presença de uma carga capacitiva.
Figura 7
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, conforme mostra a figura 8.
Figura 8
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.
Para as instalações de baixa tensão, os capacitores podem ser instalados de quatro maneiras diferentes:
1.Na entrada de alta tensão – neste caso, a correção é do fator de potência visto pela concessionária apenas. Internamente, os problemas causados por um baixo fator de potência permanecem.
2.Correção na entrada de baixa tensão – neste caso, temos uma correção melhor, sendo usados normalmente bancos automáticos de capacitores. Esse tipo de correção é indicado para instalações que possuam muitas cargas com potências e regimes de utilização diferentes.
3.Correção por grupos de cargas – trata-se de um sistema em que o banco de capacitores é instalado de modo a corrigir setores de uma instalação, normalmente máquinas de potências inferiores a 10 cv. Os capacitores são instalados junto aos quadro de distribuição que alimenta esse equipamentos. A desvantagem é que a corrente não é reduzida na alimentação de cada equipamento.
4.Correção localizada ou individual – essa correção é feita com a instalação dos capacitores junto a cada equipamento que se pretende corrigir o fator de potência. Tecnicamente é a melhor solução, pois os valores dos capacitores são adequados a cada equipamento.
Existe ainda uma forma adicional de se fazer a correção que consiste em em se utilizar os diversos processos acima, conforme o setor considerado. Podemos dizer que se trata de um processo de “correção mista”.
Pelos aspectos práticos e pelo próprio custo, trata-se de uma solução bastante interessante e que deve ser analisada, pois tem muitas vantagens. Na figura 9 temos uma idéia de como ela pode ser feita.
Figura 9
Conforme podemos ver, inicialmente temos a instalação de um banco de capacitores fixos do lado do secundário do transformador de entrada (C1).
A seguir, motores de 10 cv ou mais têm seu fator de pot6encia corrigido localmente. Deve-se prestar especial atenção aos motores que possuam uma inércia elevada. (C2, C3 e C4 são os capacitores usados para essa finalidade).
Para motores de pequenas potências, abaixo de 10 cv, o fator de pot6encia é corrigido por grupos, sendo usado o banco de capacitores C5 na figura.
Para a alimentação do sistema de iluminação, que normalmente usa lâmpadas de descarga com baixio fator de potência, utiliza-se um capacitor na entrada de sua alimentação, C6 no nosso exemplo.
Finalmente, na entrada do sistema pode ser usado um banco automático de capacitores adicional para equalização adicional.
Correção em Redes “Sujas”
Tudo seria simples se a energia de uma rede fosse limpa, com forma de onda perfeitamente senoidal, livre de harmônicas, alimentando cargas lineares comuns.
No entanto, a utilização de grande quantidade de dispositivos comutadores de potência como SCRs, IGBTs, MOSFETs, TRIACs, etc faz com que numa rede de 60 Hz estejam presentes harmônicas que deformam bastante a energia disponível.
Dentre as cargas não lineares temos os dispositivos alimentados por inversores de freqüência, fornos de indução, computadores, no-breaks, etc.
O mais grave a ser considerado é que, quando na tentativa de se corrigir o fator de potência, numa rede rica em harmônicas, a presença de capacitores pode agravar o problema em lugar de solucioná-lo.
Um dos problemas mais graves ocorre quando ligamos um banco de capacitores em paralelo com uma carga fortemente indutiva (como um motor) formando um circuito ressonante, conforme mostra a figura 10.
Figura 10
Se as harmônicas ressonarem na freqüência desse circuito, é gerada uma alta tensão em seus extremos. Essa alta tensão pode alcançar valores muito altos com sérios perigos para a integridade de tudo que está ligado à mesma rede.
Outro problema é a sobrecarga dos circuitos que gera calor, provocando o disparo dos sistemas de proteção.
Conclusão
Fator de potência é coisa muito séria quando se trata de fornecimento de energia para qualquer tipo de consumidor, principalmente as indústrias.
Estar atento para que ele se mantenha dentro dos valores exigidos pela lei não é apenas uma preocupação que leva a menores contas de consumo de energia. Conforme vimos, um fator de potência baixo pode causar muitos outros problemas que tanto podem mexer com o bolso de quem é afetado, exigindo investimentos na instalação (cabos) como na sua correção, usando dispositivos apropriados.
Esperamos que este artigo tenha esclarecido alguns pontos fundamentais que podem ajudá-lo a solucionar os problemas que eventualmente possam ocorrer com sua empresa ou na instalação que você cuida.
