Compensação de energia reativa, correção do fator de potência em instalações elétricas e mitigação das harmônicas – Parte 01/04

Resumo

Este artigo apresenta uma abordagem das variáveis envolvidas para a implantação de um projeto de compensação de energia reativa em instalações industriais e semelhantes, como complexos comerciais e os aspectos relacionados às correntes harmônicas e ressonância nas mesmas devido à presença das cargas não lineares, apresentando soluções com filtros passivos sintonizados ou antirressonantes. Nesta edição, você terá acesso a primeira de quatro parte que iremos divulgar.

I. Aspectos históricos

A injeção de reativos ou de potência reativa por capacitores é uma valiosa ferramenta para a melhoria da regulação de tensão, da eficiência de equipamentos, redução de perdas e das correntes elétricas nos circuitos de instalações industriais e comercias de grande porte. O aspecto de quantificação da energia reativa a ser injetada, em geral próximo aos valores consumidos pela carga, não é o tema mais importante, mas sim a forma que esta energia reativa será injetada e os cuidados necessários, evitando ressonância harmônica, má operação de sistemas elétricos e cargas em particular e até mesmo explosões de capacitores e queima de equipamentos por decorrência.

Historicamente e muito antes da proliferação de cargas não lineares nas instalações e também do início da regulamentação da cobrança desta energia reativa (excedente) pelas empresas distribuidoras de energia, os capacitores já tinham sua aplicação na obtenção de melhoria da  regulação de tensão das instalações, ou seja, a correta aplicação de capacitores em uma instalação elétrica impõe significativo incremento na qualidade de energia de alimentação das cargas, com fortes consequências na produtividade, aumento da capacidade, redução de perdas elétricas e redução de investimentos de infraestrutura. O tema, sempre discutido, é relacionado à estreita relação da energia reativa (gerada pelos capacitores) e a qualidade de energia fornecida às cargas da instalação.

As perdas nos processos industriais relativas aos problemas com consumo de energia reativa e qualidade de energia tendem a ser mais importantes e consideráveis que as próprias cobranças de excedente de energia reativa pelas distribuidoras devido ao baixo fator de potência que este consumo de reativos possa causar.

Diante deste cenário, a condição pode ser entendida como a necessidade da adequabilidade da tensão de fornecimento (regulação, equilíbrio, ausência de afundamentos e elevações de tensão, baixa distorção harmônica, entre outras), sob pena de perdas no processo de produção. A popularização do uso dos capacitores pelas indústrias ocorreu em maiores proporções justamente quando as distribuidoras passaram a aplicar multas ou sobre taxar os consumidores que apresentassem valores médios mensais de fator de potência menores que um valor fixo definido, inicialmente (nos anos 80/90) com limite médio de 85%, conforme definições do poder concedente à época. A mudança de critério da cobrança, com novas regras que incluíam a medição horário e o novo limite em 92%, foi possibilitada pelos medidores eletrônicos que chegavam ao mercado. Esta mudança que ocorreu no Brasil na primeira metade da década de 90, seguiu uma tendência mundial presente até hoje, e trouxe a necessidade de um ajuste mais acurado da injeção de reativos, pois diversas instalações que estavam incólumes ao critério anterior passaram a ser consideradas no novo modelo de cobrança. O que se observou foi uma verdadeira corrida pela adequação do fator de potência aos novos padrões estipulados. Consumidores desavisados assistiam seus capacitores explodirem até descobrirem (ou não) as causas e soluções.

Entre outras mudanças o que era tratado como “multa por fator de potência” passou a ser tratado como “tarifação de energia reativa excedente” ou outras terminologias similares muitas vezes ainda não absorvidas até hoje por consumidores que pagam as contas de energia sem que as mesmas sejam analisadas adequadamente em todos os seus pontos.

Alguns consumidores consideram o “faturamento de energia reativa” como uma cobrança normal de energia tal qual a energia ativa o é, sem a mínima ideia de seu potencial em “gerar” sua própria energia reativa com a correta aplicação de capacitores.

Outros consumidores ainda absorvem tais custos, pois consideram equivocadamente a inexistência de tecnologia para adequação do fator de potência e compensação reativa da instalação; cansados de observarem sistemas simplesmente explodirem com fortes implicações na produção, se permitem arcar com os custos de uma energia mais cara, por conta da preservação da capacidade de produção. Por outro lado, não são todas as distribuidoras de energia que alertam e orientam seus consumidores para a situação, informando da possibilidade de se evitar o faturamento adicional de forma adequada e com ganhos técnicos agregados.

II. A injeção da potência reativa e a adequação do fator de potência

 O projeto de compensação de energia reativa deve necessariamente considerar a análise prévia do perfil de carga, isto é, o comportamento em análise temporal das demandas de potência ativa e reativa e do comportamento do fator de potência, por instrumento adequado, que definirá a potência reativa a ser injetada. Em função da solução que se esteja buscando, a medição inicial deve possuir características específicas associadas ao comportamento das cargas e, se for o caso, com avaliações ciclo a ciclo e análise de formas de onda no domínio do tempo http://www.acaoenge.com.br/controle/upd/downloads/169.pdf [18]. Caso a instalação seja nova, convém se basear em instalações semelhantes considerando adequadamente os fatores de carga e ciclos de operação, além das características de correntes harmônicas destas. Conforme exposto, a compensação reativa é uma excelente ferramenta para correção de problemas ocasionados por cargas que, ao partir ou a operar em regime, causem impactos na instalação (afundamentos, transientes, baixo fator de potência e outros). Sob a ótica da legislação da cobrança de energia reativa (ANEEL 414 [1] e ANEEL PRODIST módulo 8 [2]), o fator de potência (FP) é definido pela relação quadrática clássica (1) e (2), como o cosseno do ângulo de fase, ou cos φ, podendo ser equacionado como:

FP=cosφ     (1)

FP=cos(atang(Q/P))     (2)

• onde φ é o ângulo de fase
• Q a demanda da potência reativa (kvar)
• P a demanda da potência ativa(kW)

Outras modelagens considerando os consumos ativos e reativos horários e suas relações também são aplicáveis.

Outras informações úteis sobre o tema da cobrança de excedentes de energia reativa estão disponíveis em www.aneel.gov.br e nos sites das distribuidoras de energia locais.  Continua na próxima edição.