Fator de Potência e Fator de Carga

 

O fator de potência e o fator de carga são índices que demonstram se a utilização da energia é eficiente e se existem possibilidades de melhoria. O conhecimento e o gerenciamento desses índices proporciona maior eficiência e segurança às instalações e equipamentos, além da redução do custo com a energia elétrica.

1- Fator de Potência

A energia elétrica é a força motriz de máquinas e equipamentos elétricos. Essa energia é utilizada de duas formas distintas: a energia ativa e a energia reativa. A energia ativa é que realmente executa as tarefas, isto é, faz os motores girarem, realizando o trabalho do dia a dia.
A energia reativa forma um campo magnético necessário para que o eixo dos motores possa girar. A energia reativa está presente em: motores,  transformadores,  reatores,  lâmpadas fluorescentes, etc.

Se efetuarmos a composição destas duas formas de energia, achamos a energia aparente ou total.  Resumindo, o fator de potência é um índice que indica quanto da energia foi utilizada em trabalho e quanto foi utilizada em magnetização.

O fator de potência (FP) é o quociente da potência ativa (kW) pela potência aparente (kVA).  E, conforme o "Triângulo de Potências" abaixo mostrado, o fator de potência é igual ao cosseno do ângulo .

 Assim:        
 


Fórmulas mais comuns:



Para ilustrar a importância do fator de potência em uma instalação elétrica, vejamos o seguinte exemplo:

Suponhamos a ampliação de uma indústria e que, para isto, seja necessário instalar um motor que opere com 100 kW e um FP = 0,67 (ou 67%). Para alimentar este motor será necessário dispor de um transformador de, no mínimo, 150 kVA de capacidade e a  fiação  deverá ser adequada para suportar essa potência (150 kVA).

Considerando a fórmula:

Se melhorarmos o FP para  1,0 (ou 100%), será necessário somente um transformador de 100 kVA, conforme demostrado a seguir:



Origens de um baixo fator de potência

Tudo o que exige uma energia reativa elevada, acaba causando um baixo fator de potência:

a) Nível de tensão da instalação acima da nominal;
b) Motores trabalhando a vazio durante grande parte do tempo;
c) Motores superdimensionados para as respectivas cargas;
d) Grandes transformadores alimentando pequenas cargas, por muito tempo;
e) Transformadores ligados em vazio, por longos períodos;
f) Lâmpadas de descarga (vapor de mercúrio, fluorescentes, etc), sem correção individual do fator de potência; e
g) Grande quantidade de motores de pequena potência.

Conseqüências de um baixo fator de potência

Um baixo fator de potência mostra que a energia está sendo mal aproveitada. Além do custo adicional da energia (cobrança de energia e demanda reativa excedentes),  as instalações correm vários riscos:
a) Variações de tensão que, por sua vez, podem ocasionar a queima de motores;
b) Perdas de energia dentro de sua instalação;
c) Redução do aproveitamento da capacidade dos transformadores;
d) Condutores aquecidos; e
e) Diminuição da vida útil da instalação.

Como melhorar o fator de potência

Para melhorar o FP deve-se reduzir o consumo de energia reativa, ou seja, solicitar menos energia reativa da concessionária. As alternativas para melhorar o fator de potência são as seguintes:

a) Alternativa operacional:

A alternativa operacional procura eliminar as distorções que porventura existam na instalação. As providências básicas para eliminar estas distorções são:

  • verificação do nível de tensão da instalação;
  • elevação do consumo de quilowatt-hora, se isto convier;
  • dimensionamento correto dos motores, transformadores e outros equipamentos; e
  • utilização e operação conveniente dos equipamentos, como motores e transformadores.

É importante ressaltar que embora a eliminação de parte das distorções existentes não seja, em muitas vezes, o suficiente para melhorar o FP a níveis desejados, a mesma deve ser sempre utilizada antes da opção pela alternativa da instalação de capacitores, devido a razões econômicas e de segurança.

b) Instalação de Capacitores

Para a instalação de capacitores deve ser seguida a "NT-02 - Norma  para Instalação de Capacitores" da Celesc, a qual tem como objetivo normatizar e disciplinar as instalações de capacitores.

Algumas considerações

Efetuando-se uma correção adequada do fator de potência, obtém-se as seguintes vantagens:

  • eliminação da cobrança da energia e demanda reativa excedentes nas contas de energia elétrica;
  • redução das perdas de energia elétrica;
  • os condutores tornam-se menos aquecidos;
  • diminuição das variações de tensão;
  • liberação de uma parte da capacidade do(s) transformador(es), que pode ser aproveitada por outras cargas;

Energia e Demanda Reativas Excedentes

O art. 64 da Resolução nº 456,  de 29.11.2000, da ANEEL, estabelece um nível máximo para a utilização de energia reativa pela unidade consumidora, em função da energia ativa consumida. O fator de potência indica qual a porcentagem da potência total fornecida é efetivamente usada como potência ativa.

Por este princípio, o nível máximo de energia reativa fornecida, sem cobrança, é o definido pelo fator de potência de referência = 92% ou 0,92.  Valores inferiores indicam excedente de reativo, que será faturado na conta de energia elétrica. O faturamento da energia e demanda reativas excedentes utiliza as tarifas de consumo e demanda de potência ativas de forma a se efetuar a cobrança da energia ativa reprimida no sistema elétrico.

Sempre que o fator de potência de uma unidade consumidora for inferior a 0,92 ou 92,00%, cabe a cobrança da energia e demanda reativas excedentes.

Na estrutura tarifária convencional a energia e a demanda reativas excedentes são mensuradas através do fator de potência médio mensal. O fator de potência médio mensal é calculado com base nos valores medidos mensalmente de energia ativa (kWh) e energia reativa (KVArh).

Na estrutura tarifária horo-sazonal a  determinação do fator de potência é horária e não média mensal como na tarifa convencional. O fator de potência horário é calculado com base nos valores de energia ativa (kWh) e energia reativa (kVArh) medidos de hora em hora.

No período de 6 (seis) horas consecutivas,  compreendendo o horário entre 23h30m e 06h30m,  o  MEP considera apenas a energia reativa capacitiva verificada,  para o cálculo o FP horário. Durante o período diário complementar a este, o MEP considera apenas a energia reativa indutiva verificada, para o cálculo o FP horário. O período exato de cada consumidor é definido em função do seu horário de ponta. A Celesc possui duas situações:


a) FP  capacitivo: 23h30 às 05h30

     FP   indutivo:    05h30 às 23h30

Utilizado quando o horário de ponta do consumidor é das xxh30 às xxh30.

b) FP  capacitivo: 24h00 às 06h00

     FP  indutivo:    06h00 às 24h00

Utilizado quando o horário de ponta do consumidor é das xxh00m às xxh00m. Alguns consumidores ligados antes da publicação da Resolução nº 456,  de 29.11.2000  possuem horário de ponta diferenciado, não mais disponível a partir daquela data.

Para consumidores novos, ou anteriormente faturados nas modalidades Convencional ou Monômio, é concedido  um período de ajustes, de 3 (três) ciclos consecutivos e completos de faturamento, durante o qual,  o faturamento será realizado com base no fator de potência médio mensal. Durante o período de ajustes, a concessionária informará os valores de faturamento do reativo excedente que seriam efetivados através da medição do fator de potência médio horário.


2 - Fator de Carga


O Fator de Carga (FC) é um índice que demonstra se a energia consumida está sendo utilizada de maneira racional e econômica. Este índice varia entre zero a um, e é obtido pela relação entre a demanda média e a demanda máxima, durante um período definido.

O fator de carga é expresso pela relação entre a energia ativa consumida num determinado período de tempo e a energia ativa total que poderia ser consumida, caso a demanda medida do período (demanda máxima)  fosse utilizada durante todo o tempo.

Em que:
kWh    = consumo de energia ativa
kW      = demanda de potência ativa medida
t           = nº de horas ocorridas no intervalo

Considerando valores apurados no mesmo período de tempo.

O fator de carga também pode ser expresso em percentual,  calculado com a aplicação da expressão:



No caso de consumidores enquadrados no Sistema Tarifário horo-sazonal,  o fator de carga é definido por segmento horo-sazonal (ponta e fora de ponta), conforme as seguintes expressões:

Em que:
FC      = fator de carga
kWh  = consumo em kWh,  ocorrido no segmento 
kW    = demanda medida em kW, ocorrida no segmento
       = segmento de ponta
fp       = segmento de fora de ponta
        = tempo em horas, ocorrido no segmento

Considerando valores apurados no mesmo período de tempo.

A melhoria (aumento) do fator de carga, além de diminuir o preço médio pago pela energia consumida, conduz a um melhor aproveitamento da instalação elétrica, inclusive de motores e equipamentos e à otimização dos investimentos nas instalações.

O fator de carga da unidade consumidora depende, entre outras coisas, das características dos equipamentos elétricos e do regime de operação dos mesmos, que por sua vez tem relação com a atividade executada no local.
Formas simples de avaliar se é  possível melhorar o FC de  sua unidade consumidora:

  • acompanhar o FC de diversos períodos (faturamentos), identificando o regime de operação dos equipamentos (forma de utilização, processo de produção)  para fatores de carga diferentes. Avaliar se é possível implementar o regime de operação do período de maior eficiência (maior FC) para os demais períodos;
  • comparar seu índice com o FC de outras unidades consumidoras que realizem  a mesma atividade. Se o FC de outra unidade for maior, verificar o regime de operação dos equipamentos e avaliar a possibilidade de  implementá-lo em sua unidade;
  • Comparar seu índice com o  fator de carga típico do seu ramo de atividade.

 
Curva de Carga de uma instalação

Em uma instalação consumidora de energia elétrica existem normalmente várias cargas e, como seu funcionamento nem sempre é simultâneo, a cada instante pode ser solicitada uma demanda diferente, dando origem à "curva de carga" da instalação, que é a representação gráfica das demandas nos seus horários de ocorrência.

No gráfico a seguir, representativo da curva de carga, a área em azul corresponde ao consumo da energia elétrica da instalação no intervalo de tempo "t"; a demanda média corresponde ao consumo dividido pelo tempo "t" e a demanda máxima corresponde à maior potência demandada no intervalo de tempo.



Preço Médio da Energia

A determinação  do preço médio da energia elétrica (relação entre o valor faturado relativo aos itens que compõem o fornecimento de energia elétrica e o consumo físico (kWh) do período)  possibilita:

  • determinação do custo da energia/produção;
  • acompanhamento simplificado do preço da energia ao longo do período;
  • comparação com o custo de outros energéticos ou fornecedores.

O preço médio da energia consumida varia mensalmente com o fator de carga: para fatores de carga crescentes, temos preços médios decrescentes e vice-versa, conforme demonstrado nas expressões a seguir:

1 - Tarifa Convencional



2 - Tarifa horo-sazonal Azul



3 - Tarifa horo-sazonal Verde



A fim de demonstrar a influência do FC no preço médio do kWh consumidor, apresentamos um exemplo comparativo mostrando duas situações. Considerando duas empresas que executam a mesma atividade, mas com fatores de carga diferentes.

1ª - FC = 0,4



2ª - FC = 0,65



Conclusões:

  • A empresa com o melhor (maior) FC possui  um  custo médio da energia inferior (11,35%)
  • A melhoria (aumento) do FC  otimiza a utilização da energia elétrica e  reduz os custos com esse insumo,  aumentando  a competitividade.

Obs.: Tarifas de Consumo e Demanda vigentes em 05/2006 - Grupo A4 - modalidade Convencional.

Evite estes desperdícios de energia

  • Equipamentos funcionando simultaneamente quando poderiam operar em horários distintos;
  • Equipamentos energizados sem produzir em determinados períodos;
  • Falta de programação para a utilização de energia; e
  • Curtos-circuitos e fugas de energia.

Medidas para aumentar o fator de carga

a) Alternativa Funcional: visa especialmente corrigir distorções existentes, quanto às instalações  elétricas e o funcionamento dos equipamentos elétrico. A correção dessas distorções é importante porque além de reduzir o preço médio da energia, aumenta a segurança das  instalações. Para tanto devem ser tomadas as seguintes providências:

  • Evitar a "partida" (ligação)  de motores com carga e/ou a partida simultânea;
  • Instalar chaves especiais de partida dos motores, para redução da corrente elétrica;
  • Dimensionar corretamente as instalações e equipamentos de  proteção; e
  • Efetuar manutenção preventiva, tanto das instalações quanto dos equipamentos.

b) Alternativa Operacional: a ser aplicada depois da correção das distorções funcionais.
   
b.1) Redução da demanda conservando o mesmo consumo, através da reprogramação do funcionamento dos equipamentos, evitando-se que funcionem ao mesmo tempo.  Procedimentos:

  • Fazer um cronograma de utilização dos equipamentos elétricos,  anotando a potência e o período de trabalho de cada um (levantamento das cargas e do seu horário de funcionamento);
  • Selecionar os equipamentos que possam operar fora do período de demanda máxima, reduzindo assim a demanda medida;
  • Reprogramar o período de funcionamento das cargas passíveis de deslocamento;

b.2) Aumento do consumo mensal do kWh, sem aumentar a demanda,  com conseqüente aumento de produção, utilizando-se os equipamentos por um número maior de horas. Procedimentos:

  • Verificar se existe colocação no mercado, do incremento na produção;
  • Verificar máquinas e horários ociosos; e
  • Adicionar mais turnos de trabalho, se a análise econômico-financeira for viável.