Fator de Potência em Instalações Elétricas Industriais

INSTALAÇÕES ELÉTRICAS INDUSTRIAIS OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM Identificar as causas do baixo fator de potência e os aspectos legais envolvidos Descrever as aplicações dos capacitoresderivação Analisar o processo de correção do fator de potência para cargas lineares e não lineares Introdução Fator de potência FP é a medida de quanto a energia que está sendo drenada da concessionária efetivamente está sendo convertida em trabalho útil ou seja tratase de uma medida de eficiência energética Para o setor industrial essa medida é de grande importância haja vista que um baixo FP pode ter implicações e prejuízos para a instalação elétrica Para que o FP seja corrigido podese dimensionar adequadamente os equipamentos ou ainda adicionar capacitores na instalação de modo a diminuir a quantidade de energia reativa drenada da rede da concessionária Neste capítulo você aprenderá a identificar as principais causas de um baixo FP em um ambiente industrial Você também irá entender como funcionam os capacitores em derivação na correção do FP e o efeito que cargas não lineares implica a correção do FP Fator de potência Eduardo Scheffer Saraiva O que é fator de potência FP é a medida de quanta energia presente em um sistema está sendo efetiva mente convertida em trabalho útil e quanto dessa energia está sendo usada para gerar o campo magnético ou elétrico necessário para o funcionamento de determinados equipamentos Para entendermos o FP primeiramente é necessário conhecermos as diferentes potências presentes em uma insta lação elétrica Segundo Alexander e Sadiku 2013 a potência ativa absorvida por uma carga pode ser descrita como P VRMSIRMS cos θv θi A partir disso temos que calcular VRMSIRMS S onde S é o produto entre os valores eficazes da tensão e da corrente Esse termo é conhecido como potência aparente e é a potência total que está sendo consumida da fonte Para diferenciarmos a potência aparente da potência ativa a sua unidade é o voltampere VA Já a componente cos θv θi é o nosso FP de modo que ele representa o cosseno da defasagem entre a tensão e a corrente Como podemos observar se não existir diferença entre os ângulos de fase da tensão e da corrente a potência ativa será igual à potência aparente ou seja toda a energia trans mitida pela fonte será convertida em trabalho FP 1 cos 0 P S Lembrando que por se tratar da razão entre a potência real e a potência aparente o FP é uma medida adimensional Porém estas não são as únicas grandezas presentes em sistemas de potência existe também a potência reativa Q que representa a parcela de potência que é utilizada para a ge ração de campo magnética ou campo elétrico por componentes capazes de armazenar energia A potência reativa não é transformada em trabalho e isto implica uma diminuição do FP Fator de potência 2 Podemos descrever todas as grandezas apresentadas até o momento em uma única expressão a qual é conhecida como potência complexa sendo que essa expressão contém todas as informações a respeito da potência absorvida em uma carga Podemos descrever a potência complexa das seguintes formas S VRMSIRMS ou Para deixar mais claras as relações entre as diferentes potências observe o Quadro 1 Quadro 1 Resumo da relação entre as potências Potência aparente S Potência ativa ou média P S cos θ Potência reativa Q S sen θ Potência complexa S P Qj Fator de potência FP cos θ Onde θ θv θi Outra maneira de representar a relação entre as potências de um modo mais intuitivo é por intermédio do triângulo de potência conforme você pode ver na Figura 1 Fator de potência 3 Figura 1 Triângulo de potências Fonte Adaptada de Boylestad 2003 Quando se aprende como as potências em uma instalação elétrica se relacionam tornase possível entender como ocorre fisicamente a defasagem entre tensão e corrente e consequente a diminuição do FP Equipamentos que carecem de um campo magnético para o seu funcionamento como é o caso dos motores elétricos de indução representam cargas indutivas Essa energia utilizada para a geração do campo magnético girante dos motores de indução é uma energia reativa que está sendo suprida pela concessionária de modo que essa energia fornecida deixa de realizar um trabalho útil causando a diminuição da eficiência energética Isso pode ser observado na Figura 2 na qual a presença de uma carga indutiva cria uma diferença entre a fase da tensão e da corrente e por consequência diminui a potência ativa Figura 2 Efeito de elementos reativos no ângulo entre tensão e corrente Fator de potência 4 Segundo Mamede Filho 2000 as principais causas de um baixo FP em um ambiente industrial são motores de indução trabalhando a vazio durante longos períodos motores superdimensionados transformadores em operação a vazio ou em carga leve grande número de reatores de baixo FP suprindo lâmpadas de descarga fornos a arco ou de indução eletromagnética máquinas de solda a transformador equipamentos eletrônicos grande número de motores de pequena potência em operação durante um longo período Ainda segundo o autor todos esses quesitos devem ser observados pois um FP abaixo de 092 implica um aumento das tarifas por excesso de potência reativa conforme Resolução 569 de 23 de julho de 2013 da Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL 2013 Capacitores em derivação Como a maioria das cargas das instalações industriais é composta por cargas indutivas tornase possível aumentar o FP por meio de um capacitor em derivação com a carga de modo a corrigir a defasagem angular entre tensão e corrente no sistema isso porque o capacitor colocado em derivação pode ser visto como uma fonte de potência reativa localizada e que irá entregar a potência necessária para aquele projeto sem a necessidade de tirar essa potência reativa da concessionária De acordo com Mamede Filho 2000 ao utilizar capacitores em derivação para sistemas industriais temos as seguintes vantagens correção do FP da instalação liberação dos transformadores circuitos de distribuição e circuitos terminais secundários para uma maior entrega de potência ativa redução das perdas por Efeito Joule na resistência e na reatância do sistema elétrico aumento do nível de tensão na carga e liberação dos equipamentos de manobra dos motores quando os capacitores estão ligados junto aos seus terminais de ligação Na Figura 3 você pode ver o uso do capacitor em derivação de modo que é possível observar uma defasagem entre tensão e corrente para o sistema com a carga indutiva O capacitor em derivação com a carga indutiva tem como característica diminuir essa defasagem e aumentar a potência ativa Com isso podemos dimensionar o capacitor que será utilizado em derivação com a carga para atingir um determinado valor mínimo de FP Na prática adotase um valor de FP um pouco maior que aquele estipulado em norma devido aos diversos fatores e variáveis presentes em um ambiente industrial A expressão que permite o cálculo da capacitância é dada por C Qc 2 π f V² RMS onde Qc é a potência reativa que será entregue pelo capacitor θ1 é o ângulo de defasagem antes da correção θ2 é o ângulo projetado Exemplo Sabendo que um sistema é alimentado com uma tensão de 380 V e 60 Hz e ele consome uma potência ativa de 15 kW com um FP de 075 calcule o capacitor necessário para que o FP seja corrigido para 095 Para calcularmos o capacitor é necessário obter os ângulos para a defasagem atual do sistema e o ângulo para o projeto o que pode ser obtido pela seguinte expressão cosθ1 075 cos1 075 414 cosθ2 095 cos1095 1819 Como sabemos a potência consumida pela carga temos a expressão para o capacitor como Podemos observar o papel do capacitor por meio do triângulo de potências presente na Figura 4 É possível perceber que a potência aparente que será consumida pelo equipamento S1 deverá ser fornecida pelo sistema porém ao utilizarmos o capacitor parte da potência reativa original será entregue pelo capacitor na forma de Qc e isso diminui a potência reativa que é entregue pela concessionária de Q1 para Q2 havendo portanto uma diminuição do ângulo de θ1 para θ2 e consequentemente uma diminuição do FP Figura 4 Exemplo do efeito do capacitor no tri ângulo de potências Fonte Adaptada de Alexander e Sadiku 2013 Fator de potência 7 Cargas não lineares Em um ambiente industrial nem sempre teremos como entrada uma onda perfeitamente senoidal diversos equipamentos introduzem distorções harmônicas na rede e essas distorções afetam o FP da instalação como um todo Segundo Mamede Filho 2000 os principais elementos que inserem distorções harmônicas na instalação são cargas operadas por arcos voltaicos cargas operadas com núcleo magnético saturado cargas operadas por fontes chaveadas Sendo que a potência aparente é dada por Vrmsrms S Isso ocasiona o aumento da corrente eficaz devido ao fato de os componentes harmônicos aumentarem também a potência aparente diminuindo o FP FP fracPVrmsIrms O efeito dessas cargas não lineares poderá ser adicionado ao triângulo de potências de modo a esboçarmos um tetraedro de potência conforme mostra a Figura 5 Com a adição do componente das distorções harmônicas adicionase uma dimensão que expressa a relação entre as diferentes grandezas Figura 5 Tetraedro de potências Fonte Adaptada de Akagi Watanabe e Aredes 2017 Com isso a potência aparente pode ser obtida pela seguinte equação onde D representa as distorções harmônicas presentes na instalação Para evitar essa diminuição do FP é necessário a instalação de filtros passivos para atenuar essas distorções nas frequências das harmônicas pois só a frequência fundamental é transformada em trabalho útil Para mais informações a respeito dos diferentes filtros para sistemas com cargas não lineares leia o livro Power quality in power systems and electrical machines FUCHS MASOUM 2011 Nele os autores dedicam um capítulo da obra apenas ao estudo dos diferentes filtros aplicados aos sistemas de potência sujeitos a cargas não lineares Neste capítulo você aprendeu mais sobre o FP como essa medida diminui e as maneiras de corrigir esse fator para evitar prejuízos à empresa Além disto você pode conhecer os cálculos de dimensionamento de capacitores para a correção do FP e entender de que maneira as cargas não lineares influenciam no FP Fator de potência 9 Referências AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA ANEEL Resolução 569 de 23 de julho de 2013 Modifica a abrangência na aplicação do fator de potência para faturamento do excedente de reativos de unidades consumidoras e altera a Resolução Normativa nº 414 de 9 de setembro de 2010 Diário Oficial da União seção 1 Brasília DF v 150 n 156 p 43 14 ago 2013 Disponível em httpwww2aneelgovbrcedocren2013569 pdf Acesso em 22 dez 2020 ALEXANDER C K SADIKU M N O Fundamentos de circuitos elétricos Porto Alegre AMGH 2013 AKAGI H WATANABE E H AREDES M Instantaneous power theory and applications to power conditioning John Wiley Sons 2017 BOYLESTAD R L Introductory circuit analysis Harlow Pearson Education 2003 MAMEDE FILHO J Instalações elétricas industriais Rio de Janeiro LTC 2000 Leitura recomendada FUCHS E MASOUM M A S Power quality in power systems and electrical machines Cambridge Academic Press 2011 Os links para sites da web fornecidos neste capítulo foram todos testados e seu funcionamento foi comprovado no momento da publicação do material No entanto a rede é extremamente dinâmica suas páginas estão constantemente mudando de local e conteúdo Assim os edito res declaram não ter qualquer responsabilidade sobre qualidade precisão ou integralidade das informações referidas em tais links Fator de potência 10 Contéudo SA GAH SOLUÇÕES EDUCACIONAIS INTEGRADAS