Banco de Capacitores ou painéis de Correção de Fator de Potência

Conceitos Básicos:

A maioria das cargas das unidades consumidoras consome energia reativa indutiva, tais como: motores, transformadores, reatores para 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.
A figura 1 mostra uma ilustração disto.

Potência Reativa: potência usada apenas para criar e manter os campos eletromagnéticos das cargas indutivas. É medida em kvar.
A fig. 2 ilustra esta definição.

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. Definição: o fator de potência é a razão 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 energética. Um triângulo retângulo é frequentemente utilizado para representar as relações entre kW, kvar e kVA, conforme a Fig. 3.

Consequências 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 (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.

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.

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.

Potência últil absorvida	Fator de Potência	Potência do trafo – kVA
800	0,50	1.600
	0,80	1.000
	1,00	800

Tabela 1 – Variação da potência do trafo em função do fator de potência

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 em 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.

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 geradora menos a queda de tensão até aquele ponto. Assim, se a tensão da fonte 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

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 Fig. 4 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 e, 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.

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 (Cos ϕ): Razão entre Potência Ativa e Potência Aparente

Legislação:

A legislação determina que o Fator de Potência deve ser mantido o mais próximo possível da unidade (1), mas permite um valor mínimo de 0,92. Abaixo deste valor, a Concessionária deve cobrar multa na fatura de energia sobre o excedente de energia reativa. A ocorrência de excedente de reativo é verificada pela concessionária através do fator de potência mensal ou do fator de potência horário.