REFLEXÕES SOBRE A CORREÇÃO DE FATOR DE POTÊNCIA EM UNIDADES RESIDENCIAIS Davidson L. Firmo, Carlos E. Pádua Oliveira, Erivelton G. Nepomuceno Laboratório de Sistemas e Sinais, Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de São João del-rei UFSJ, Praça Frei Orlando, 170, Centro, 36307-352, São João del-rei, MG, Brasil davidson@estudante.ufsj.edu.br, cepadua@ufsj.edu.br, nepomuceno@ufsj.edu.br Abstract: Since the publication of the resolution n 456, on 29th November 2000 by the National Agency of Electric Energy, ANEEL, it was established the obligatoriness of controlling the power factor of the electrical installations. However, 22,3% of the total consumption of energy of the country is due to residential units, there is no measurement and control of power factor for residential units. This article aims at presenting a discussion on the correction of the power factor of residential units, and estimation of economy and possible benefits for the Brazilian electrical system. Copyright 2005 CBEE/ABEE Keywords: Power factor, residence, measurement and correction. Resumo: Desde a publicação da resolução n 456, de 29 de novembro de 2000 pela Agência Nacional de Energia Elétrica, ANEEL, ficou estabelecido a obrigatoriedade de se controlar o fator de potência das instalações. Porém, mesmo representando 22,3% do consumo total de energia do país, ainda não existem sistemas de medição e controle aplicados a unidades residenciais. Esse artigo propõe uma discussão sobre a correção do fator de potência de unidades consumidoras residenciais, apresentando estimativas de economia e possíveis benefícios para o sistema elétrico brasileiro. Palavras Chaves: Fator de potência, residências, medição e correção. 1 INTRODUÇÃO A crise do sistema elétrico brasileiro resultou em medidas de racionamento de energia e retração da economia em 2001. Dessa forma, o governo federal, órgãos não governamentais e as concessionárias de energia buscam propagar a cultura da eficiência energética, nos vários setores responsáveis pelo uso final da energia elétrica no Brasil (Salum, 2003). Apesar da crise ter provocado uma retração no consumo de energia, a demanda dos setores responsáveis pelo consumo de energia elétrica voltou a crescer. O setor residencial apresentou em 2003 um crescimento de 4,7% em relação a 2002. Os setores comercial e industrial tiveram aumentos de 6,5% e 5,1% respectivamente (Balanço Energético Nacional, 2004). Além disso, durante o ano de 2003, o setor residencial foi responsável por 22,3% do consumo total de energia elétrica do país, como mostrado na Figura 1. (Balanço Energético Nacional, 2004). Comercial; 14,20% Industrial; 46,90% Residencial; 22,30% Outros; 16,60% Figura 1: Participação no consumo de energia elétrica por setor - 2003.
Esses dados revelam que as cargas residenciais têm forte participação no carregamento do sistema elétrico brasileiro. Dessa forma, devem ser propostas medidas que tenham por objetivo a eficiência energética preservando o conforto e o bem estar da população. Dentre as medidas existentes para a busca pela eficiência energética pode-se citar: Utilização de equipamentos mais eficientes; Elaboração de leis que obriguem as empresas a fabricar equipamentos com maior eficiência; Campanhas de educação da população quanto ao uso da energia; Controle e manutenção do fator de potência das instalações, respeitando os limites estabelecidos por lei. Uma característica importante da classe residencial está no fato de ser composta por um grande número de unidades consumidoras de baixa potência. Isso torna difícil qualquer análise que busque eficiência energética, principalmente quanto ao controle do fator de potência. O controle do fator de potência em residências é importante, pois garante que a residência absorverá apenas a energia necessária para realizar trabalho. Dessa forma, esse artigo propõe uma discussão sobre possibilidades e benefícios da correção de fator de potência em unidades residenciais. O artigo está organizado da seguinte forma. A seção 2 está subdividida em quatro subseções. A subseção 2.1 apresenta um breve resumo da legislação existente; a subseção 2.2 contém uma apresentação das novas tecnologias e pesquisas de novos equipamentos de medição; a subseção 2.3 apresenta um cálculo estimado do valor do fator de potência médio em unidades residenciais e a subseção 2.4 mostra a possível economia de energia proveniente da implementação de equipamentos de medição e correção do fator de potência de residências. Na seção 3 são apresentadas as considerações finais e uma análise dos resultados obtidos, seguida de uma breve discussão. 2 O FATURAMENTO DE ENERGIA REATIVA DE RESIDÊNCIAS A resolução n 456, de 29 de novembro de 2000 fixou o valor de referência para o fator de potência das instalações como sendo 0,92 indutivo ou capacitivo. Além disso, estabeleceu as regras para a medição e o faturamento para as instalações que apresentam valores de fator de potência abaixo de 0,92. A medição e correção do fator de potência para unidades consumidoras do grupo A é de caráter compulsório. Porém, a lei estabeleceu como facultativa a medição e o faturamento de energia reativa de unidades consumidoras do grupo B. As unidades residenciais pertencem ao grupo B, sendo classificadas como do subgrupo B1. Dessa forma, por ser facultativo, somente a parcela ativa da energia utilizada pelas residências é medida e faturada. Além disso, na tentativa de implementar medidas para economia de energia, consumidores residenciais substituem lâmpadas incandescentes por fluorescentes compactas. Porém, devido à falta de informação, os consumidores residenciais, no momento da compra, optam por lâmpadas de menor custo e que, conseqüentemente, apresentam baixo fator de potência e altos índices de distorção harmônica (THD). Dessa forma, a crescente substituição de lâmpadas incandescentes por lâmpadas fluorescentes compactas de baixo fator de potência, também tem contribuído para uma diminuição do fator de potência global das unidades residenciais (Pomílio, 2001). Com a contínua degradação no valor do fator de potência de unidades residenciais, faz-se necessário o desenvolvimento de formas de medição e controle do fator de potência dessas unidades. 2.1 Medição de fator de potência Apesar de ser interessante a medição de fator de potência de unidades residenciais, essa decisão torna-se complexa sob o ponto de vista econômico. Isso porque devido ao elevado número de unidades residenciais, seria necessário um grande investimento na aquisição de novos medidores. Adicionalmente, para a medição de energia reativa em residências faz-se necessário o uso de equipamentos específicos, projetados de acordo com a demanda residencial, aumentando o custo da medição. Com o desenvolvimento da eletrônica digital, o custo relativo à construção de equipamentos destinados à medição de energia tem caído. Isso tem possibilitado a pesquisa de equipamentos mais simples, precisos e de baixo custo (Firmo et al, 2004). Esse desenvolvimento tem possibilitado a construção de equipamentos que, além de efetuar a medição de energia reativa, faz o controle do fator de potência e da demanda (Andreoli, 2004). Esses medidores utilizam microcontroladores capazes de executar instruções programadas e tomar decisões através do monitoramento de eventos. No Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de São João del-rei está em andamento um projeto que tem por objetivo o monitoramento e a correção do fator de potência de unidades residenciais. Nesse projeto está sendo desenvolvido um medidor para medir grandezas como potência aparente, potência reativa e potência ativa. O equipamento em estudo, também pretende registrar a ocorrência de problemas de qualidade de energia como afundamentos momentâneos de tensão e fazer a correção automática do fator de potência através do acionamento de bancos de capacitores.
Esse equipamento utiliza, como componentes principais, um circuito integrado dedicado designado por ADE 7753 fabricado pela Analog Devices, e um microcontrolador PIC 16F877 fabricado pela Microchip. Informações sobre esses componentes podem ser obtidas nos sites dos fabricantes, www.analog.com e www.microchip.com. 2.2 Consumo residencial e fator de potência A tabela 1 (Costa, 1998) mostra os grupos de equipamentos responsáveis pelo consumo de energia em cada setor. Através da análise desses grupos podemse fazer as seguintes observações quanto à contribuição para o fator de potência em residências: Tabela 1: Consumo de energia Uso final Destino Comercial Industrial Residencial Aquecimento 15% 24% 26% Refrigeração 22% 4% 31% Força-motriz 15% 55% 18% Iluminação 48% 7% 25% Outros 0% 10% 0% TOTAL 100% 100% 100% Aquecimento: Estas cargas, por apresentarem fator de potência unitário, não apresentam problemas de fator de potência. Porém, devese evitar o seu uso em horário de ponta. Refrigeração: Os equipamentos de refrigeração representam a maior parte do consumo residencial. Essas cargas apresentam grande potencial de economia de energia. Esses equipamentos estão presentes no sistema de maneira contínua e apresentam fator de potência relativamente baixo, estando entre 0,7 e 0,8. Força-motriz: A característica principal dessa classe é o fato de ser composta por equipamentos que utilizam motores elétricos, como liquidificadores, batedeiras, maquinas de lavar, etc. Esses equipamentos também contribuem para o baixo fator de potência das instalações. Iluminação: Em unidades comerciais, a iluminação é responsável pela maior parte do consumo. Apesar de já estarem disponíveis no mercado modelos que apresentam alto fator de potência, ainda existem muitas instalações que utilizam reatores eletromagnéticos de baixo fator de potência. Isso torna esses equipamentos responsáveis diretamente pelo fator de potência das unidades comerciais. Nas unidades residenciais, é crescente a troca de lâmpadas incandescentes por lâmpadas fluorescentes compactas. Essas lâmpadas, em grande parte, possuem fator de potência muito baixo, apresentando, na maioria dos casos, fator de potência igual a 0,5 (Haddad, 2001). Devido a esse fato, as unidades residenciais podem vir a apresentar um decréscimo ainda maior no valor global do fator de potência. 2.3 Estimativa do fator de potência residencial Para a análise do fator de potência de unidades residenciais utilizou-se de pesquisas para dois casos: Análise de condomínios residenciais; Análise de residências, (unitário). No caso de condomínios residenciais, foram utilizados dados de pesquisas realizadas pela Companhia Energética de Brasília, CEB, em conjunto com a Universidade de Brasília, UnB. A pesquisa baseou-se na análise do consumo de energia reativa de dez condomínios residenciais. Os condomínios possuíam mais de dez pavimentos e foram escolhidos aleatoriamente (Nonato, 1998). Os resultados, obtidos através de uma média, mostraram que o fator de potência dos condomínios analisados situa-se próximo a 0,66 indutivo. Além disso, o fator de potência apresentou uma característica variável durante o dia, o que torna difícil a correção através da inserção de bancos de capacitores estáticos. No caso de residências, a análise foi realizada observando-se: Análise da participação dos equipamentos no consumo final de energia, Figura 2 (Costa, 1998); Verificação do fator de potência, FP, típico de cada grupo de equipamentos, Tabela 2 (Pomílio, 2001); Análise de dois casos, simulando a participação de lâmpadas fluorescentes compactas de baixo fator de potência no consumo residencial; Reagrupamento dos dados para obtenção do fator de potência médio da unidade consumidora. A Figura 2 mostra a participação dos grupos de equipamentos no consumo final de energia de uma unidade consumidora residencial.
Força-motriz 18% Aquecimento 26% KVA total KVAr total Ilum. Refrig. Força-motriz Refrig. Aquec. Ilum. KW total Força-motriz Iluminação 25% Refrigeração 31% Figura 2: Participação dos grupos de equipamentos no consumo final de energia elétrica residencial. Tabela 2: Fator de potência dos diversos grupos de equipamentos de uso residencial. Destino Fator de potência Refrigeração 0,75 Iluminação incandescente 1 Iluminação fluorescente integrada baixo FP 0,5 Figura 3: Triângulo de potência resultante representando a soma vetorial utilizada para cálculo do fator de potência resultante. Para análise do fator de potência referente à participação do sistema de iluminação foram admitidos dois casos, sendo: 1. 50% das lâmpadas são do tipo fluorescente compacta de baixo fator de potência; 2. 100% das lâmpadas são do tipo fluorescente compacta de baixo fator de potência. Tabela 3: Fator de potência global da unidade residencial em função da participação de lâmpadas fluorescentes compactas de baixo fator de potência Participação Fator de potência médio Caso 1 0,77 Caso 2 0,71 Força-motriz 0,7 Aquecimento 1 Utilizando os dados da Figura 2 e os dados referentes ao fator de potência dos equipamentos, mostrados na Tabela 2, pode-se chagar a uma estimativa do fator de potência residencial. Para o cálculo do fator de potência global de unidades residenciais procedeu-se da seguinte maneira. Primeiramente, determinou-se a potência aparente e a potência reativa absorvidas por unidades residenciais devido a cada grupo de equipamentos por meio das equações KW KVA = (1) FP KVAr 2 2 2 = KVA KW, (2) em que KVA é a potência aparente absorvida; KW é a potência ativa absorvida; KVAr é a potência reativa solicitada; FP é o fator de potência do grupo de equipamentos. Em seguida, a partir dos dados KVA, KVAr e KW fezse a soma vetorial de cada contribuição para obter-se o fator de potência global, como mostrado na Figura 3. No caso 1 considerou-se que dos 25% referentes ao consumo devido à iluminação, 12,5% era devido a lâmpadas fluorescentes compactas de baixo fator de potência. Os outros 12,5% foram considerados como provenientes da utilização de lâmpadas incandescentes. No caso 2, utilizou-se uma estimativa mais pessimista, em que foi considerado que o consumo total relativo à iluminação como proveniente do uso de lâmpadas compactas de baixo fator de potência. Porém, em ambos os casos, 1 e 2, o fator de potência situa-se abaixo do limite especificado por lei. Com relação às diferenças referentes ao fator de potência de condomínios residenciais e residências, podem ser atribuídas a: Existência de cargas atípicas às residências, como elevadores e motores para acionamento de bombas de abastecimento de água; Maior número de lâmpadas de descarga, utilizadas em áreas comuns como pátios, saguão, garagens, entre outras. 2.4 Economia estimada Pode-se estimar a economia proveniente da adequação do fator de potência residencial aos valores estabelecidos por lei. Ao final do ano de 2003, o consumo total de energia, do setor residencial brasileiro
chegou a 76,14 TWh, (Balanço Nacional de Energia, 2004). Levando-se em conta os resultados obtidos na Tabela 3, e os resultados apresentados por Nonato (1998), adota-se um valor estimado de 0,7. Esse valor não tem como objetivo representar um valor preciso do fator de potência do setor residencial. Antes, 0,7 indica um valor aproximado e um alerta para uma importante fonte de economia. A Tabela 4 indica uma ordem de grandeza da economia. Essa economia representa, aproximadamente, uma redução de 23% no consumo total de energia devido ao setor residencial durante o ano de 2003. Além da economia direta, devem-se ressaltar também os benefícios provenientes da melhoria do desempenho de transformadores, economia na instalação de autotransformadores destinados à manutenção de níveis de tensão. Tabela 4: Estimativa de economia de energia proveniente do controle de energia reativa do setor residencial. Consumo 2003 (TVAh) Fator de potência global (condomínios + residências) 108,7 0,70 82,8 0,92 Economia 25,9 TVAh 3 CONSIDERAÇÕES FINAIS Os resultados mostram, de maneira estimada, que o setor residencial apresenta um consumo excessivo de energia reativa. Os estudos realizados por Nonato (1998) revelaram a necessidade de correção de fator de potência em condomínios residenciais. Isso porque com a crescente urbanização e o conseqüente o aumento no número de condomínios o fator de potência do setor residencial tende a diminuir. A pesquisa apresentada por este artigo mostra também que, além dos condomínios residenciais, as residências também contribuem de maneira significativa para o baixo fator de potência do setor residencial. Além disso, é importante observar que o valor do fator de potência varia consideravelmente no decorrer do dia. Dessa forma torna-se necessário o desenvolvimento de sistemas que tenham por objetivo a medição e a correção do fator de potência, levando-se em consideração sua dinâmica. O controle e a possível correção do fator de potência de unidades residenciais representam grande economia de energia, adiando, dessa forma, investimentos em novas centrais geradoras e em linhas de transmissão. Além disso, o desenvolvimento da eletrônica digital e da eletrônica de potência têm possibilitado o desenvolvimento de equipamentos de baixo custo, viabilizando a implantação de projetos de medição e controle do fator de potência. Há, entretanto de se preocupar, para que esse controle não passe a ser mais um ônus ao consumidor. Uma alternativa para esse impasse poderia vir de investimentos públicos que seriam ressarcidos a medida que a economia de energia fosse sendo obtida. Espera-se assim, que a tecnologia aliada ao investimento e conhecimento possam servir para a eficientização do setor energético. O fator de potência em residências pode ser uma área de atuação cujo impacto seja positivo. 4 REFERÊNCIAS Agência Nacional de Energia Elétrica, ANEEL (2000). Resolução n 456 de 29 de novembro de 2000, governo federal. Brasília, DF. Andreoli, A. L., Cagno J. A. e Outros (2004). Sistema de controle de demanda e fator de potência aplicado a consumidores de pequeno e médio porte. XV congresso brasileiro de automação, Gramado, RS. Costa, G. J. C. (1998). Iluminação Econômica: Cálculo e avaliação. Editora EDIPUCRS, Porto Alegre, RS. Firmo, D. L., C. E. P. Oliveira e Outros (2004). Medição de fator de potência de residencias. Anais do III congresso de produção científica da universidade federal de São João del-rei. São João del-rei, MG. Haddad, J., P. H. R. P. Gama e Outros (2001). Conservação de energia: eficiência energética de instalações e equipamentos. Editora da EFEI, Itajubá, MG. Ministério das Minas e Energia (2004). Balanço Energético Nacional 2004, governo federal, Secretaria de Energia. Brasília, DF. Nonato, J. C. and M. M. Severino (1998). Faturamento de energia reativa em condomínios residenciais. Revista eletricidade moderna, Volume n o 287, páginas 60 a 68. Pomílio, J. A. (2001). Lâmpadas fluorescentes compactas: Consumo e qualidade. Sociedade brasileira de eletrônica de potência, Campinas, SP. Salum, L. J. B. (2003). Propagação da eficiência energética. Gerência de utilização de energia CEMIG, Belo Horizonte, MG. Souza, D. J. (2000). Desbravando o PIC. Editora Érica, São Paulo, SP.