Bancos de Capacitores: O que são e Como Funcionam

No ambiente comercial e industrial, a eficiência energética é essencial para manter a competitividade e minimizar custos. Contudo, empresas enfrentam desafios como baixo fator de potência, que acarreta multas e tarifas elevadas, perdas de energia por ineficiências no sistema, quedas de tensão e danos em equipamentos devido a harmônicos na rede. Esses problemas aumentam os custos operacionais e comprometem a estabilidade das instalações, sendo crucial sua correção para otimizar a performance financeira e operacional.

Neste artigo, vamos explorar o que são esses bancos, suas aplicações e como eles funcionam.

Entendendo as Cargas em sua instalação elétrica:

Entender o funcionamento de um banco de capacitores exige um olhar sobre os conceitos de energia reativa e fator de potência. No sistema elétrico, as cargas podem ser classificadas em três tipos principais: resistivas, indutivas e capacitivas.

1. Carga Resistiva: Transforma energia elétrica diretamente em trabalho ou calor, e a tensão e corrente estão em fase, ou seja, atingem seus picos ao mesmo tempo.
2. Carga Indutiva: Comum em motores e transformadores, nessas cargas a corrente está atrasada em relação à tensão. Isso acontece porque cargas indutivas armazenam energia temporariamente no campo magnético e liberam essa energia de volta para a rede, causando um atraso na corrente.
3. Carga Capacitiva: Neste caso, a corrente adianta-se em relação à tensão. As cargas capacitivas armazenam energia no campo elétrico e a liberam antes de receber mais energia da fonte, o que adianta a corrente em relação à tensão.

(1) Carga Resistiva: Tensão e Corrente em fase (2) Carga Indutiva: Corrente atrasada em relação a Tensão (3) Carga Capacitiva: Corrente adiantada em relação a Tensão

Fator de Potência: É uma medida que indica quão efetivamente a energia está sendo usada em um sistema elétrico. Um fator de potência de 1 (ou 100%) é ideal, indicando que toda a energia fornecida está sendo usada efetivamente para realizar trabalho. Um fator de potência menor que 1 indica que parte da energia está sendo usada para sustentar os campos magnéticos e elétricos sem realizar trabalho produtivo.

Onde ϕ é o ângulo de fase entre a tensão e a corrente.

Energia Reativa: A energia reativa é necessária para manter os campos magnéticos e elétricos em cargas indutivas e capacitivas, respectivamente. Nas cargas indutivas, há consumo de energia reativa, enquanto as capacitivas fornecem energia reativa de volta ao sistema. A energia reativa é essencial para o funcionamento adequado dos sistemas de energia, mas não realiza trabalho efetivo, e seu excesso pode causar ineficiências e custos adicionais.

Como Funciona um Banco de Capacitores?

Os bancos de capacitores são implementados para corrigir o fator de potência em sistemas onde há predominância de cargas indutivas. Ao introduzir capacitores, adiciona-se energia reativa capacitiva ao sistema. Como os capacitores liberam corrente que está adiantada em relação à tensão, eles compensam o atraso de corrente causado pelas cargas indutivas. Isso alinha melhor a tensão e a corrente, aproximando o fator de potência de 1, melhorando a eficiência do sistema, reduzindo perdas de energia e minimizando custos com energia elétrica.

O que é um Banco de Capacitores?

Os bancos de capacitores existem em diversos tipos e formatos e podem ser classificados com base em vários critérios, como sua aplicação, modo de conexão, e se são fixos ou automáticos:

1. Fixos e Automáticos:
   • Fixos: Consistem em um conjunto de capacitores que são conectados permanentemente ao sistema e não se ajustam em resposta às mudanças na demanda de carga. Eles são adequados para situações onde a demanda de energia reativa é relativamente constante.
   • Automáticos: Equipados com controladores que monitoram continuamente o fator de potência do sistema e ajustam a quantidade de capacitância conectada de acordo com a necessidade. Isso é feito através de interruptores que podem conectar ou desconectar capacitores do banco, tornando-os ideais para sistemas com demanda variável de energia reativa.
2. Conexão - Série ou Paralelo:
   • Série: Raramente usado, pois altera a impedância total do circuito. Pode ser utilizado para aplicações específicas como na compensação de linhas de transmissão de longa distância.
   • Paralelo: Mais comum, onde os capacitores são conectados em paralelo com a carga necessária para fornecer energia reativa. Isso ajuda a manter a tensão ao nível desejado e a compensar o consumo de energia reativa das cargas indutivas.
3. Aplicação - Industriais e de Distribuição:
   • Industriais: Usados em fábricas e plantas industriais onde há uma grande quantidade de máquinas indutivas, como motores elétricos, que requerem correção de fator de potência.
   • De Distribuição: Usados pelas empresas de energia elétrica nas redes de distribuição para melhorar o fator de potência e a eficiência da rede em geral, reduzindo perdas técnicas e melhorando a estabilidade da tensão.

Fisicamente, um banco de capacitores é um conjunto de unidades ou células de capacitores que são montadas juntas de forma estruturada para funcionarem como um único componente coordenado dentro de um sistema elétrico. Essas unidades são tipicamente alojadas em gabinetes ou caixas que podem ser instaladas em ambientes internos ou externos, dependendo da aplicação.

Dimensionamento e Correção do Fator de Potência

O dimensionamento de um banco de capacitores, seja ele fixo ou automático, é uma etapa crucial para garantir que o sistema elétrico funcione de maneira eficiente e segura. Aqui está uma breve explicação de como realizar o dimensionamento de ambos os tipos:

Dimensionamento de um Banco de Capacitores Fixo

1. Determinar a Demanda de Energia Reativa:
   • Analise o histórico de consumo de energia do sistema para identificar a demanda média de energia reativa (Q) necessária. Isso pode ser obtido por meio de leituras de medidores de energia que registram o fator de potência e o consumo de energia reativa.
   • Use a fórmula 
   • 
   •  onde P é a potência ativa média em kW, e FP é o fator de potência.
2. Escolha do Valor de Capacitância:
   • A partir da demanda de energia reativa calculada, escolha capacitores que possam fornecer essa quantidade. Considere uma margem de segurança para possíveis expansões futuras ou variações não antecipadas na carga.
     
3. Verificação de Tensão e Corrente:
   • Assegure-se de que os capacitores suportem as tensões e correntes máximas do sistema. Certifique-se também de que a instalação do banco de capacitores não irá provocar sobretensões, especialmente durante períodos de carga baixa.

Dimensionamento de um Banco de Capacitores Automático

1. Análise de Variação de Carga:
   • Realize uma análise detalhada da variação da demanda de carga ao longo do tempo. Bancos de capacitores automáticos são especialmente úteis em sistemas com variações significativas de carga, pois ajustam a compensação de energia reativa de forma dinâmica.
   • Utilize dados históricos de consumo e fator de potência para identificar os padrões de carga.
2. Seleção de Capacitores e Controlador:
   • Escolha capacitores que, juntos, possam atender às máximas exigências de energia reativa do sistema. Os capacitores são tipicamente instalados em passos (por exemplo, unidades de 25 kvar, 50 kvar, etc.), e o controlador irá chaveá-los para dentro ou para fora do circuito conforme necessário para manter o fator de potência desejado.
   • O controlador do banco de capacitores deve ser capaz de monitorar a potência reativa e ativa em tempo real e ajustar a compensação de forma automática e rápida.
3. Considerações de Proteção e Segurança:
   • Inclua proteções adequadas, como disjuntores ou fusíveis, para proteger os capacitores e o sistema elétrico de sobre-correntes ou defeitos.
   • Verifique se há necessidade de equipamentos adicionais para mitigação de harmônicos, se os capacitores estiverem expostos a cargas que geram altos níveis de harmônicos.

Ambos os tipos de bancos devem ser projetados levando em consideração as normas técnicas locais e as recomendações dos fabricantes dos componentes. Além disso, é recomendável a consulta ou o envolvimento de um engenheiro elétrico para garantir uma instalação segura e eficaz.

Períodos de multa de Fator de Potência

Para manter a eficiência energética e evitar multas, é essencial gerenciar o fator de potência nas instalações elétricas, que varia de acordo com o período do dia devido ao tipo de carga predominante. Durante o dia, das 6h às 24h, o sistema é dominado por cargas indutivas, como motores e transformadores, que atrasam a corrente em relação à tensão. Para compensar isso e manter o sistema eficiente, o fator de potência deve ser mantido no mínimo em 0,92 indutivo. Já no período da noite, das 24h às 6h, quando essas cargas estão em sua maioria desligadas e as cargas capacitivas são mais prevalentes, o fator de potência deve ser de pelo menos 0,92 capacitivo.

A concessionária monitora esses padrões mensalmente, analisando a energia ativa (kWh) e reativa (kVArh) coletada a cada hora. Se o fator de potência cair abaixo de 0,92 em qualquer hora, a energia reativa consumida será cobrada, enfatizando a importância de uma gestão eficaz para evitar custos adicionais.

Conclusão

Os bancos de capacitores desempenham um papel crucial na melhoria da eficiência energética e na redução de custos em instalações elétricas. Ao corrigir o fator de potência e compensar as defasagens de energia reativa, esses dispositivos ajudam a maximizar o aproveitamento da energia fornecida pela concessionária. Com um dimensionamento adequado e uma operação eficiente, os bancos de capacitores contribuem para um funcionamento mais econômico e sustentável das instalações elétricas industriais e comerciais.

Se você tiver alguma dúvida ou quiser compartilhar sua experiência com bancos de capacitores, sinta-se à vontade para deixar um comentário abaixo. Estamos aqui para ajudar!