EFE - Fatores de Consumo de Energia Elétrica (1)

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Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza - CPS 
 Escola Técnica Estadual Lauro Gomes - ETEC Lauro Gomes 
 Habilitação: TN Disciplina: EFE Série/Turma: 4ºV Professores: Claudio Goffi/Wilson Sanchez 
 Base Tecnológica: Fatores de Consumo de Energia Elétrica 
 
 Objetivos 
 Ao final deste Texto o Aluno deverá ser capaz de: 
1. Analisar a Curva de Carga de uma Indústria; 
2. Selecionar as medidas adequadas para aumentar o Fator de Carga de uma Indústria; 
3. Selecionar a Topologia adequada para correção de Fator de Potência com capacitores; 
4. Dimensionar o Banco de Capacitores necessário para a correção do Fator de Potência. 
 
 Introdução 
 A Curva de Carga é um gráfico que apresenta o perfil das cargas operantes de uma Instalação E- 
létrica ao longo de um dia ou mês. A área sob essa curva é numericamente igual à Energia Elé- 
trica consumida no período. 
 
 Esse registro gráfico pode ser obtido ao acessar o histórico de um Analisador de Parâmetros Elé- 
tricos conectado na entrada da Instalação Elétrica. A figura 1 a seguir ilustra uma típica Curva de 
Carga Industrial. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Horas 
Figura 1 - Curva de Carga Típica 
 Fatores de Consumo 
 Os fatores de consumo são índices adimensionais que variam de 0 a 1, sendo importantes fer- 
ramentas para o gerenciamento de energia elétrica em uma instalação industrial, pois indicam a 
eficiência no uso dessa energia e sua análise permite adotar medidas para reduzir o custo e aumen- 
tar a produtividade. 
 
1. Fator de Demanda - fD 
 Razão entre a Potência de Demanda Máxima (DM) em um intervalo de tempo e a Potência 
Instalada (PT), pode ser definida para toda a Instalação Elétrica, para um grupo de Aparelhos 
Elétricos com comportamento similar ou até para um tipo específico de Aparelho Elétrico. 
 
 O fator de demanda indica a fração de potência efetivamente usada no período, de toda a Po- 
tência Elétrica da Instação Elétrica, ou da Potência Elétrica de um grupo de Aparelhos Elétricos. 
 
 
 
2. Fator de Carga - fC 
 Razão entre a Potência de Demanda Média (D) e a Potência de Demanda Máxima (DM) no 
mesmo período. Também definido como a relação entre o Consumo de Energia Elétrica Mensal 
e o produto: Potência de Demanda Contratada x Número de horas de faturamento mensal. 
 
 O fator de carga permite avaliar a ra- 
cionalidade no consumo da Energia Elé- 
trica, isto é, o grau de uniformidade da 
Energia Elétrica utilizada no período. 
 
 Quanto maior for o valor desse Fator 
de Consumo de uma Instalação Elétrica 
Industrial faturada pelo Grupo A, me- 
nor a parcela de Potência de Demanda 
Con- tratada que não será utilizada. 
 
 A tabela da figura 2 ao lado indica os 
valores percentuais típicos dos Fatores 
de Consumo até então apresentados, para 
algumas atividades industriais. Figura 2 - Fatores de Demanda e de Carga 
 
 Há dois tipos de medidas para aumentar o fator de carga: 
 
 Corretivas 
 Destinadas a eliminar distorções na Instalação Elétrica e a corrigir a operação inadequada de 
Aparelhos/Máquinas Elétricas. Importante também porque reduz o custo da Energia Elétrica e 
aumenta a segurança da Instalação Elétrica. Resumidas nas providências a seguir: 
 Evitar a partida direta de motores com carga e/ou partidas simultâneas; 
 Instalar dispositivos para redução da corrente de partida dos motores; 
 Dimensionar corretamente os alimentadores e os dispositivos de proteção; 
 Realizar Manutenção Preventiva. 
 
 Operacionais 
 As medidas operacionais podem aumentar o fator de carga de dois modos: 
 
- Reduzir a Potência de Demanda Máxima, mantendo o Consumo de Energia Elétrica, a- 
través da reprogramação do funcionamento dos Aparelhos Elétricos, evitando que operem 
simultaneamente. Procedimento: 
 Elaborar um cronograma de utilização das cargas elétricas, anotando a potência no- 
minal e o período de trabalho de cada uma; 
 Selecionar as cargas elétricas que possam operar fora do Período de Ponta de fatura- 
mento, reduzindo nesse período a Potência de Demanda Medida; 
 Reprogramar o período de operação das cargas passíveis de deslocamento; 
 
- Aumentar o Consumo de Energia Elétrica, mantendo a Potência de Demanda Máxima, e 
o consequente aumento de produção, usando os Aparelhos Elétricos por um número maior 
de horas. 
 
 Essa alternativa depende do incremento no consumo do produto e do aumento no con-
sumo da Energia Elétrica não ultrapassar o valor de Potência de Demanda Contratada, 
 
 
 Procedimento: 
 Verificar as máquinas/equipamentos e os horários ociosos; 
 Adicionar turno laboral, após análise econômico-financeira aprovada. 
Figura 3 - Resultado de Medidas de Aumento do Fator de Carga 
 
3. Fator de Potência - fP 
 Nas instalações elétricas industriais predominam cargas reativas indutivas, tipicamente moto- 
res elétricos CA de indução de pequeno porte ou de baixa rotação, que defasam (atrasam) o si- 
nal da corrente elétrica absorvida para magnetização de suas bobinas, em relação ao sinal de 
tensão elétrica fornecida. 
 
 O fator de potência (fP) traduz a parcela de toda a Energia Elétrica fornecida efetivamente 
utilizada. Calculado através do cosseno desse ângulo de defasagem (φ) entre cada ciclo de ten- 
são elétrica alternada e o respectivo ciclo de corrente elétrica alternada, de um Aparelho Elé- 
trico ou de toda a Instalação Elétrica. 
 
 O fator de potência pode ser indutivo (atrasado) ou capacitivo (adiantado), segundo o modo 
como a energia é armazenada. Conforme adiantado no Texto sobre Tarifação da Energia Elé- 
trica, a resolução 456/00 estabelece que o fator de potência das instalações industriais deve ter 
valor fP≥ 0,92 (capacitivo ou indutivo), fica evidente então, a necessidade da sua correção. 
 
 Principais causas de um baixo fator de potência: 
 Motores Elétricos operando sem carga (vazio) ou com pouca carga; 
 Motores Elétricos superdimensionados; 
 Transformadores Elétricos operando sem carga (vazio) ou com pouca carga; 
 Iluminação Elétrica de Descarga com reator de baixo fator de potência; 
 Operação de Fornos de Indução ou a Arco; 
 Operação de Máquinas de Tratamento Térmico; 
 Operação de Máquinas de solda; 
 Tensão de fornecimento com valor maior que o valor nominal, provocando aumento de 
Energia Reativa. 
 
 Principais consequências de um baixo fator de potência: 
 Acréscimo no custo de Energia Elétrica; 
 Redução da capacidade dos Transformadores Elétricos de serviço; 
 Flutuações de tensão nos circuitos de distribuição; 
 Sobrecarga dos alimentadores; 
 
 Aumento das perdas elétricas na distribuição pelo efeito Joule; 
 Subdimensionamento dos alimentadores e de seus dispositivos de manobra/proteção. 
 
 A parcela da potência fornecida pelo SEP efetivamente utilizada pelo aparelho elétrico ou 
pela instalação elétrica corresponde à potência ativa (P). Já a parcela do total da energia, na 
unidade do tempo, fornecida ao aparelho elétrico ou instalação elétrica armazenada na forma 
de campo magnético pelas bobinas ou na forma de campo elétrico pelos capacitores corresponde 
à potência reativa (Q). 
 
 Outra forma de calcular o fator de potência é dividir o valor da potência ativa (P) pelo corres- 
pondente valor da potência aparente (S) fornecido ao aparelho elétrico ou à instalação elétrica, 
no mesmo período. Também pode ser obtido através da relação entre as respectivas energias elé- 
tricas, sempre referenciadas ao mesmo intervalo de tempo. 
 
 A potência aparente é o resultado da raiz quadrada da soma dos quadrados da potência 
ativa (P) e da potência reativa (Q), conforme o triângulo de potências ilustrado da figura 4, onde 
a potência reativa indicada éindutiva (QL). 
Figura 4 - Defasagem Tensão-Corrente e Triângulo de Potências CA em Circuito Reativo 
 
 A fim de evitar a multa devida ao excesso de potência reativa, podem ser empregados dois e- 
quipamentos para compensar esse reativo indutivo nas instalações elétricas industriais e corri- 
gir o seu fator de potência, a seguir apresentados: 
 
1. Capacitores 
 A correção pode ser feita ligando em paralelo os con- 
densadores em quatro pontos distintos da instalação e- 
létrica (quatro topologias distintas), objetivando a con- 
servação de energia e a relação custo/benefício: 
 
 Geral Primária 
 Destacada na figura 5 e empregada apenas em insta- 
lações elétricas com fornecimento em tensão de Trans- 
missão, corrige o fator de potência para efeito de tari- 
fação, porém apresenta várias desvantagens: 
 
- Inviabilidade econômica de instalar banco de capa- 
citores controlado; 
- Aumento da corrente de curto-circuito presumida no 
ponto de entrega de Energia Elétrica; Figura 5 - Banco de Capacitores em 13,8 KV 
u(t), i(t) 
 (radianos) 
 
- Instalação duplicada, devido ao fornecimento da Energia Elétrica com duas linhas de Sub- 
transmissão; 
- Possibilidade da instalação com capacitores fixos absorver energia capacitiva em algum pe- 
ríodo; 
- Permanência dos problemas de oscilação de tensão na distribuição e de sobrecarga nos ali- 
mentadores; 
- Aumento de tensão de fornecimento; 
- Dificuldade de manutenção; 
 
 Geral Secundária 
 No quadro geral de distribuição em BT (QGBT), alimentado pelo enrolamento secundário 
do transformador de serviço. Permite uma correção significativa do fator de potência, geralmen- 
te com bancos de capacitores reguláveis (controlado). 
 
 Utilizada em instalações elétricas com grande quantidade de car- 
gas, com potências distintas e regimes de uso disformes. Suas desvan- 
tagens continuam sendo os alimentadores sobrecarregados e o aumento 
do valor de tensão da instalação. Apresenta contudo, as vantagens rela- 
cionadas a seguir: 
- Otimização no uso dos capacitores; 
- Fácil supervisão; 
- Simplicidade de instalação; 
 
 Setorial 
 Destacada na figura 6 ao lado, corrige o fator de potência de um gru- 
po de cargas ou de um conjunto de pequenos motores (P< 10 CV). Ins-
talado junto ao quadro de distribuição que os alimenta. 
 
 Como na topologia anterior, possui a desvantagem de não diminuir a 
Figura 6 - Banco de Capacitores corrente no alimentador de cada motor elétrico, contudo gera maior eco- 
 Setorizado nomia,devido à otimização dos capacitores; 
 
 Localizada 
 Instalando o capacitor junto ao equipamento que carece de correção do fP. Tecnicamente é a 
melhor solução, apresenta as seguintes vantagens: 
 
- Reduz perdas energéticas em toda a instalação; 
- Diminui a sobrecorrente nos alimentadores dos aparelhos/equipamentos; 
- Aumenta o valor de tensão apenas do aparelho elétrico (máquina/equipamento); 
- Acionamento único para carga/capacitor, economizando dispositivo de manobra; 
- Gera potência reativa somente onde é necessário. 
 
 Existem, contudo, algumas desvantagens dessa topologia em relação às anteriores: 
 
- Maior custo com capacitores; 
- Subutilização do capacitor conectado ao equipamento que não tenha regime de operação 
permanente; 
 
 Mista 
 Melhor solução para a conservação da energia, considera aspectos técnicos, práticos e finan- 
 
 
ceiros. Descrito a seguir o procedimento para aplicar essa topologia na correção do fator de po- 
tência: 
- Instalar capacitor fixo no secundário do transformador (QGBT); 
- Corrigir localmente o fp para motores com potência mecânica a partir de 10 CV, (cuidado 
com motores de alta inércia, quando tiverem corrente de excitação com valor próximo da 
corrente de manobra dos condensadores); 
- Corrigir setorialmente o fp para motores com potência mecânica menor de 10 CV; 
- Instalar banco de capacitores fixo nos circuitos de iluminação c/ lâmpadas de descarga; 
- Instalar na entrada de energia primária um banco de capacitores regulável para o ajuste 
final do fator de potência global da instalação. 
- Nas formas de compensação reativa geral e setorial, é usual empregar uma solução com 
banco de capacitor regulável (controlado). Consiste num circuito de comando que contém 
um relé varimétrico, que detecta as variações de energia reativa e cujos contatos conectam 
automaticamente os capacitores necessários à obtenção do fator de potência desejado. 
 
 Exige cuidado adicional a conexão de condensadores em instalações elétricas com significativa 
presença de cargas não lineares. As correntes harmônicas geradas por esses equipamentos po- 
derão sobrecarregar os capacitores, devido à ressonância paralelo. 
 
 Esse fenômeno ocorre quando o valor da frequência própria da reatância capacitiva for próximo 
do valor da frequência das correntes harmônicas geradas por conversores, máquinas de solda, 
arrancadores eletrônicos, fornos de indução e outros equipamentos não lineares. 
 
 Para evitar essa ressonância, os capacitores deverão ser ligados à reatores, formando um circui- 
to LC, cujo valor da frequência de ressonância seja menor que o valor da frequência da harmô- 
nica de corrente de menor ordem, ou utilizar filtros para eliminar as componentes harmônicas da 
instalação elétrica. 
 
 O cálculo apresentado a seguir determina o valor da potência reativa (QC) do banco de capacito- 
res trifásico necessária para a compensação reativa de uma instalação elétrica. Procedimento: 
 
- Medir ou Obter na fatura de Energia Elétrica os valores de Demanda Máxima e Consumos ou 
Demandas Ativa e Reativa; 
 - Calcular a tangente relativa ao consumo ativo e reativo: tg φ1= (Q1 ÷ P); 
- Definir o valor de fator de potência desejado (cos φ2) e obter na tabela a seguir o valor da tan- 
gente do ângulo de defasagem final (tg φ2); 
- Calcular a diferença entre os valores dessas tangentes (tg φ1 e tg φ2): Δtg φ= (tgφ1 - tgφ2); 
- Multiplicar o valor de Δtg φ pelo valor da demanda máxima, resul- 
tando o valor de potência reativa do banco de capacitores trifásico 
necessária para a compensação desejada: QC= [DMÁX x (tgφ1 - tgφ2)]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Figura 7 - Compensação Capacitiva no Triângulo de Potências 
 
 
 
 
P 
 
2. Motores CA Síncronos wS= [(120 x f) ÷ p], wS= [(120 x 60) ÷ 8], wS= 900 RPM 
 
 Devido ao fato de carecer de uma fonte separada para a excitação, o motor CA síncrono forne- 
ce potência reativa similar àquela fornecida por um capacitor. Essa potência reativa compensa- 
dora que um motor síncrono CA fornece a instalação é função da corrente de excitação e da carga 
mecânica aplicada no seu eixo, sendo essa excitação constante, a potência reativa compensadora 
aumenta, quando a potência ativa requerida pela carga diminui. 
 
 O motor elétrico CA síncrono com fP= 1,0 aumenta a potência ativa consumida, sem incre- 
mentar a potência reativa indutiva, já esse tipo de motor quando super excitado ou sobre exci- 
tado, além de corrigir o fator de potência (cos φ= 0,8), fornece potência mecânica. 
 
 Entretanto, devido ao fato do motor elétrico CA síncrono ser um equipamento caro, só se torna 
uma solução econômica para potências superiores a 200 CV, operando em regime permanente 
(superior a oito horas diárias) e em médias rotações, segundo ilustrado na figura 8. 
 
 Já o gráfico da figura 9 vincula o rendmento (η) à potencia ativa, para um motor CA de indução e 
para os motores CA síncronos com fP= 1,0 e com fP= 0,8,todos com a mesma potência nominal. 
 Figura 8 - Aplicação de Motores CA 
 Figura 9 - Comparativo de Eficiência Motores CA: Síncronos x Assíncrono 
 
 Exemplos de Aplicação 
 
01- Para a Indústria cuja defasagem tensão-corrente por fase 
está ilustrada nas formas de onda ao lado, responda: 
 
A- Incide multa devido ao baixo fator de potência? 
B- Qual o valor da potência reativa do banco de capacitores 
(QC) necessário p/corrigir o fator de potência dessa empresa 
para cos φ2= 0,96, sendo o valor de sua potência de demanda 
(PD) 405 KW? 
 
 A- φ1= 0,54615 RAD, ou φ1= [(180 x 0,54615) ÷ π], 
 φ1= 31,3o, logo: cos φ1= 0,8545. Como cos φ1≤ 0,92: A empresa está sendo multada. 
 
 B- tg φ1= tg 31,3º, tg φ1= 0,608, tg φ2= 0,291 (tabela) 
 ∆ tg φ= (tg φ1 - tg φ2), ∆ tg φ= (0,608 - 0,291), ∆ tg φ= 0,317 
 QC= (PD x ∆ tg φ), QC= (405.000 x 0,317), QC= 128.385 VAr ou QC= 128,38 KVAr 
RPM 
φ1= 0,54615 φ1= 0,54615 RAD 
 
02- Para a indústria cuja carga instalada totaliza S= 563,4 KVA e cuja curva de carga típica de um 
mês laboral é a seguir ilustrada, calcule o valor da: 
A- Demanda média (D); B- Fator de demanda (fD); C- Fator de carga (fC). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A- Para calcular a potência de demanda média (D), deve-se: 
 Calcular a área de cada retângulo (base x altura) na curva de carga; 
 Somar todos esses valores de área e multiplicar pela escala do eixo vertical (25 KVA/div); 
 Dividir o resultado pelo período (30 dias). 
 
 
 D= [(6 x 2) + 1 + (9 x 3) + 14 + (12 x 2) + 1 + (7 x 3) + 5 + (11 x 2) + 1 + (16 x 2) + (13 x 2) + (3 x 2) + 1 + (8 x 2) + (2 x 2) + 15 + 9] x 25 
 30 
 
A- D= [(237 x 25.000) ÷ 30], D= 276.000 VA ou 197,5 KVA 
 
 
 
B- fD= (DMÁX ÷ SINSTALADA), 
 DMÁX= (16 x 25.000), DMÁX= 400.000 VA ou 400 KVA 
 fD= (400.000 ÷ 563.400), fD= 0,71 
 
 
 
 
C- fC= (D ÷ DMÁX), 
 fC= (197.500 ÷ 400.000), fC= 0,49375 
 
 
03- Uma indústria possui potência aparente trifásica (S1) instalada de 455,4 KVA e consome a po- 
tência ativa trifásica (P) de 382,5 KW. Qual a potência reativa do banco de capacitores trifásico 
(QC) necessária para corrigir o seu fator de potência para o valor de 0,98? 
 
cos φ1= fP= (P ÷ S1), fP= (382,5 ÷ 455,4), cos φ1= fP= 0,84 φ1= arco cos 0,84, φ1= 32,86º 
tan φ2= 0,203 (tabela para fP= 0,98) 
QC= PD MÁX x (tan φ1 - tan φ2), QC= 382,5 x (tan 32,86º - 0,203), 
QC= 382,5 x (0,646 - 0,203), QC= 382,5 x 0,443, QC= 169,423 KVAr ou QC= 169.423 VAr 
16 
15 
14 
13 
12 
11 
10 
09 
08 
07 
06 
05 
04 
03 
02 
01 
DMÁX= 400,0 KVA 
D= 197,5 KVA