Nos tempos actuais, a compensação de factor de potência é uma das medidas de eficiência energética a ser considerada e realizada. Sendo na maioria aplicada com o objectivo da não penalização do distribuidor de energia e ao mais baixo custo, não considerando o teor harmónico da instalação eléctrica e o tipo de compensação adequado.
Nos tempos actuais, a compensação de factor de potência é uma das medidas de eficiência energética a ser considerada e realizada. Sendo na maioria aplicada com o objectivo da não penalização do distribuidor de energia e ao mais baixo custo, não considerando o teor harmónico da instalação eléctrica e o tipo de compensação adequado.
ENERGIA ACTIVA
Todas as máquinas eléctricas alimentadas com corrente alterna transformam a energia eléctrica fornecida, em trabalho mecânico e calor. Esta energia mede-se em kWh e denomina-se por energia activa. Os receptores que absorvem unicamente este tipo de energia denominam-se por resistivos.
ENERGIA REACTIVA
Certos receptores necessitam de campos magnéticos para o seu funcionamento (motores, transformadores...) e consomem outro tipo de energia denominada por energia reactiva.
A razão é que este tipo de cargas (denominadas indutivas) absorvem energia da rede durante a criação dos campos magnéticos de que necessitam para o seu funcionamento e fornecem energia à rede durante o funcionamento dos mesmos. Esta transferência de energia entre os receptores e a fonte (fig. 1), provoca perdas nos condutores, quedas de tensão nos mesmos, e um consumo suplementar de energia que não é directamente aproveitada pelos receptores.
O COS j E O FACTOR DE POTÊNCIA
A ligação de cargas indutivas numa instalação provoca o desfasamento entre as ondas de corrente e de tensão. O ângulo j mede este desfasamento e indica a relação entre a intensidade reactiva (indutiva) de uma instalação e a intensidade activa da mesma.
Esta mesma relação é estabelecida entre as potências ou energias activa e reactiva. O cos j indica a relação entre a potência activa e a potência aparente na harmónica fundamental ( H1), enquanto que o factor de potência é relativo ao valor total (H1+H2+H3+H4+H5+Hn) da instalação (os kVA que se podem consumir, como máximo). Por esta razão, o factor de potência indica o “rendimento eléctrico” de uma instalação (fig.1)
CONSEQUÊNCIAS E CAUSAS DE UM FACTOR DE POTÊNCIA REDUZIDO
› Perdas na Instalação
As perdas de energia eléctrica ocorrem em forma de calor e são proporcionais ao quadrado da corrente total I2xR. Como essa corrente aumenta com o excesso de energia reactiva, estabelece-se uma relação entre o incremento das perdas e o factor de potência baixo, provocando o aumento do aquecimento de condutores e equipamentos.
› Quedas de Tensão
O aumento da corrente devido ao excesso de energia reactiva implica quedas de tensão acentuadas, podendo ocasionar a interrupção do fornecimento de energia eléctrica 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 da iluminação e aumento da corrente nos motores.
› Sobredimensionamento excessivo da Potência Instalada
A energia reactiva, ao sobrecarregar uma instalação eléctrica, inviabiliza a sua utilização. Condicionando a instalação de novas cargas, a investimentos que seriam evitados se o factor de potência apresentasse valores mais altos (fp = 0,93). O “espaço” ocupado pela energia reactiva poderia ser utilizado.
Assim como o custo dos equipamentos de corte e protecção é proporcional ao aumento da energia reactiva. Da mesma forma, para transportar a mesma potência activa sem o aumento de perdas, a secção dos condutores aumenta quando o factor de potência diminui.
Principais Consequências: Aumento da factura de energia eléctrica, disponibilidade de potência, quedas e flutuações de tensão, aumento das perdas de Joule na instalação, aumento da secção dos cabos, aumento dos calibres da aparelhagem de corte e protecção.
Causas de Factor de Potência reduzido: motores de indução em vazio, motores sobredimensionados excessivamente para o trabalho requerido, transformadores em vazio ou carga reduzida, iluminação não compensada, fornos de indução, máquinas de injecção, máquinas de soldadura, tensão acima do valor nominal provocando um aumento do consumo de energia reactiva.
› Onde compensar?
A localização dos equipamentos de compensação de energia reactiva, numa instalação eléctrica determina-se consoante : o objectivo pretendido, supressão das penalidades, descarga das linhas e transformadores, aumento da tensão no final da linha, o modo de distribuição da energia eléctrica, o regime de carga, a previsível influência dos condensadores na rede e o custo da instalação.
› Compensação global
Vantagens:
- Suprime as penalizações por consumo excessivo de energia reactiva
- Ajusta a potência aparente (S em kVA) à necessidade real da instalação
- Aumento da disponibilidade de potência no transformador (em kW).
Observações:
A corrente reactiva (Ir) está presente na instalação desde o nível 1 até aos receptores e as perdas por efeito de Joule nos cabos não são diminuídas.
› Compensação parcial
Vantagens:
- Suprime as penalizações por consumo excessivo de energia reactiva.
- Optimiza uma parte da instalação, a corrente reactiva não é transportada entre os níveis 1 e 2.
- Aumento da disponibilidade de potência no transformador (em kW).
Observações:
A corrente reactiva (Ir) está presente na instalação desde o nível 2 até aos receptores e as perdas por efeito de Joule nos cabos diminuem.
› Compensação individual
Vantagens:
- Suprime as penalizações por consumo excessivo de energia reactiva.
- Optimiza toda a instalação eléctrica. A corrente reactiva Ir é optimizada junto da carga
- Aumento da disponibilidade de potência no transformador (em kW)
Observações:
A corrente reactiva não está presente nos cabos da instalação e as perdas por efeito de Joule nos cabos são totalmente suprimidas.
COMPENSAÇÃO DE ENERGIA REACTIVA EM REDES POLUÍDAS (PRESENÇA ELEVADA DE HARMÓNICAS)
O objectivo de corrigir o factor de potência numa instalação na presença de harmónicas é mais complexo, pois as harmónicas podem interagir com os condensadores causando fenómenos de ressonância.
Harmónicas são frequências múltiplas da frequência fundamental (H2 = 100hz, H3 = 150hz, H4 = 200hz, etc.), na prática o resultado é uma forma de onda distorcida.
› Origem das Harmónicas
As harmónicas têm a sua origem na instalação de cargas não-lineares, cuja forma de onda da corrente não acompanha a forma de onda sinusoidal da tensão de alimentação.
› Problemas causados pelas Harmónicas
Altos níveis de distorção harmónica numa instalação podem causar problemas para a própria instalação, assim como para os equipamentos instalados. O aumento de tensão causado pela distorção harmónica acelera a fadiga dos motores e dos isolamentos dos condutores, o que pode provocar defeitos diferenciais ou mesmo até curto-circuitos e incêndio (ver figura 6). As harmónicas aumentam a corrente eficaz (RMS, devido à ressonância série), provocando um aumento de temperatura na exploração dos equipamentos, diminuindo assim o seu tempo de vida útil. Essas ondas de frequência múltiplas da fundamental causam vários problemas à instalação, tais como: aumento das perdas nos estatores e rotores de máquinas rotativas, aquecimento dos condutores por efeito de Joule, quedas de tensão nas várias impedâncias do circuito.
No caso dos cabos há um aumento de fadiga dos dieléctricos, diminuindo sua vida útil e aumentando os custos de manutenção. O aumento das perdas e o desgaste precoce dos isolamentos também podem afectar os transformadores, parametrização incorrecta nos equipamentos de corte e protecção, aumento do erro em aparelhagem de medida de energia, interferência em equipamentos de comunicação, interferência na operação de computadores e em equipamentos para variação de velocidade de motores, aparecimento de ressonâncias entre condensadores para correcção de factor de potência e outros equipamentos, provocam sobretensões e sobrecorrentes que podem causar graves na instalação.
Que equipamento utilizar na presença de harmónicas, redes poluídas.
A utilização de equipamentos de compensação não preparados para redes poluídas irá provocar um aumento das taxas de distorção harmónica em tensão e em corrente.
A THD U deve ser inferior a 8%, de acordo com a norma NP EN 50160. Recomenda-se que a THD I seja inferior a 5%.
Na presença de harmónicas, redes poluídas, no equipamento de compensação (bateria de condensadores e filtros) os condensadores devem ser sobrevoltados, aumentando assim o seu tempo de vida útil e a utilização de indutâncias anti-harmónicas. Neste caso, estaremos na presença de um circuito do tipo RLC.
Como seleccionar o equipamento de corte e protecção (disjuntor) e a canalização de forma correcta:
Para tal é necessário calcular a corrente consumida pelo equipamento de compensação,
Para considerar todo o teor harmónico é aconselhável a multiplicar o resultado da equação anterior de acordo com a tabela seguinte:
Se estiver na posse de informação detalhada do teor harmónico, THD I e U, poderá seleccioná-la de acordo com a tabela seguinte:
AUTOR:José Andrade | Schneider Electric