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SISTEMA DE INFORMAÇÃO/INFORMATION SYSTEMS
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SISTEMA DE CORREÇÃO DE FATOR DE POTÊNCIA E GESTÃO DE CONSUMO DE
ENERGIA
MARTINS, J.B¹; RODRIGUES, R.B²; BATISTA, A. M³
¹ Mestre, Instituto de Ciências Tecnológicas e Exatas da Universidade Federal do Triângulo Mineiro (UFTM); e-mail:
[email protected]
² Graduado, Ondatec Tecnologia em Microondas, Uberaba (MG), e-mail: [email protected]
³ Mestre em Engenharia Elétrica, Universidade de Uberaba, Uberaba (MG), e-mail: [email protected]
RESUMO: O presente trabalho integra ferramentas de software e hardware para solucionar alguns dos diversos problemas
de energia presentes em indústrias. Várias empresas operam sem conhecer, de forma precisa, seus custos associados ao
consumo de energia; detalhe extremamente importante no momento de compor o preço final do produto por elas
manufaturado. Possuindo maior conhecimento e controle sobre este quesito, torna-se mais fácil buscar novas estratégias e
atacar pontos que poderiam trazer vantagens competitivas ao fabricante. Utilizando-se de amplificadores operacionais,
pequenos componentes eletrônicos básicos, um microprocessador e um software para um computador pessoal, torna-se
possível criar um meio de monitorar as variações de corrente, tensão e ângulo de fase de uma rede elétrica. Dessa forma, é
possível obter dados, não somente sobre o consumo, mas também sobre o fator de potência e as características da rede.
Oscilações anormais podem ser detectadas e com um histórico criado por intermédio do software, aponta-se a causa do
problema, melhorando o desempenho do sistema elétrico e dessa maneira, há uma contribuição para o aumento da vida útil
de diversos equipamentos. O software oferece um suporte com banco de dados para que a evolução das correções
efetuadas seja registrada e mostrada. Com isso, possibilita-se mensurar os custos e o que a empresa deixou de gastar ao
empregar novas técnicas, podendo investir em pontos que trazem maiores retornos para o negócio.
PALAVRAS-CHAVE: Correção de fator de potência. Eficiência energética. Microcontroladores. My SQL. C++ Builder.
POTENCY FACTOR CORRECTION SYSTEM AND ENERGY CONSUPTION MANAGEMENT
ABSTRACT: This work tried to integrate software and hardware tools to solve daily problems. Many companies do not
know the energetic costs per product at the composing price moment. When the group of the company knows it, the
employees can search new strategies and fight against points which would bring advantage to the manufacturer and the
consumer. Using operational amplifiers, a micro controller and others electronic components, it became possible
monitoring electric stream, voltage and phase angle; working together, these components became in a little circuit.
Therefore it can get many data about the consumption, potency factor and the features of the electric net. Abnormal
oscillations can be registered and it can create a detailed report, using the software, attacking the cause of the problem,
increasing the life of many types of equipment and increasing the energetic improvement. The software offers a database
support to register and show the evolution. So it can measure what the company economizes. So the company can invest in
points that can bring great business return.
KEY WORDS: Potency factor correction. Energetic efficiency. Microcontrollers. My SQL. C++ Builder.
INTRODUÇÃO
O custo da energia tornou-se um fator
decisivo em diversos segmentos da economia
global. Em praticamente todas as empresas, a
preocupação com um consumo otimizado de
energia elétrica tem crescido e se tornado uma
necessidade
inexorável.
Atualmente
as
organizações enxergam este assunto como uma
oportunidade de reduzir seus custos e produzir
de maneira sustentável. Uma correta gestão
desta variável pode gerar um aumento da
margem de lucro ou até mesmo provocar a
redução do preço final de seu produto. Para que
isto seja possível, a equipe de gestão precisa
obter informações que possibilitem análises
detalhadas sobre o consumo de energia e fator
de potência. Pensando nisso, inúmeras
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organizações, ligadas à área de qualidade de
energia, passaram a produzir equipamentos para
correção de fator de potência. Uma consultoria
de Engenharia Elétrica, juntamente com um
banco de capacitores adequado resolve tal
problema, porém o custo é relativamente alto
para médias e pequenas indústrias. A proposta
deste trabalho é apresentar um equipamento de
baixo custo que atue frente ao problema
supracitado, além de integrar inúmeras
disciplinas estudadas no curso de engenharia de
computação, empregando tais ferramentas para
solucionar um problema tão comum em
inúmeras indústrias.
Utilizando um microcontrolador e
componentes
eletrônicos
facilmente
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encontrados no mercado, é possível monitorar
as variações de corrente e tensão da rede
elétrica, disponibilizá-las em um display e
salvar as informações em uma memória flash. O
trabalho em questão não somente insere as
informações em uma memória, mas também
possui a capacidade de gerar gráficos que
possam formar um histórico e um parâmetro
para tomadas de decisão de uma equipe de
energia. Além dos itens já citados, o
equipamento calcula o valor do fator de
potência, orientando a aquisição dos bancos de
capacitores adequados para realizar a correção
do baixo fator (indutivo). Isso dispensa a
contratação de profissionais especialistas da
área, pois os valores dos bancos são calculados,
registrados e fornecidos pelo software.
Para que a equipe de gestão qualifique o
investimento em novas tecnologias que possam
trazer melhorias ao sistema de energia da
empresa, justificativas são necessárias para a
alta administração. Em um ambiente cada vez
mais competitivo não há espaço para gastos mal
fundamentados e por isso o software
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desenvolvido cria um banco de dados com a
capacidade de gerar históricos detalhados e
gráficos, trazendo informações que um setor de
projetos necessita para viabilizar seus
investimentos. Existem inúmeros equipamentos
para essa área, porém são demasiadamente
caros, o que se torna inviável para indústrias de
pequeno e médio porte.
Além dos itens já citados, o software traz
importantes informações para os gestores
responderem as seguintes questões: Se um dos
produtos possui determinado custo, quanto foi
gasto em energia elétrica? E possuindo o valor
por unidade produzida, o quanto é possível
reduzir ou aumentar na margem de lucro? Em
um mundo globalizado, as empresas precisam
ter o controle sobre o preço de venda de seus
produtos para que continuem a existir, e devem
buscar reduções de custo continuamente. O
equipamento desenvolvido se propõe a buscar
importantes informações sobre a rede elétrica
(tensão, corrente e fator de potência) e
monitorá-la, viabilizando diversas soluções no
sistema de energia para uma empresa.
MATERIAL E MÉTODOS
Diversas são as funções atribuídas ao
Gerenciador de Energia como: monitorar a rede
elétrica dos equipamentos através de parâmetros
como tensão, corrente e diferença de fase;
calcular valores necessários para que baixos
fatores de potência possam ser corrigidos e
gerar históricos por intermédio de gráficos para
documentação energética da empresa. Dentre
todas as funções, a capacidade de calcular o
fator de potência e o valor do banco de
capacitores necessário para sua correção, pode
trazer rápido retorno financeiro à empresa. Com
a correção do fator de potência, as multas
cobradas pela concessionária cessam e o
consumo de energia sofre leve queda, o que
impacta diretamente sobre os custos do produto.
O baixo fator de potência é um
fenômeno comum na área industrial, pois lá as
cargas são predominantemente indutivas,
devido à maciça presença de dispositivos
conversores de energia no local. Grandes
motores, por exemplo, necessitam de
significativa quantidade de potência reativa em
sua operação. Tal potência reativa implica em
consumo de energia elétrica que não se
transforma em trabalho. Assim, o excesso de
consumo de energia resulta na imposição de
pesadas multas, por parte das concessionárias de
energia, caso o fator de potência fique abaixo de
um determinado valor estipulado pela ANEEL.
Diante
destas
circunstâncias,
as
indústrias são compelidas a contratar os serviços
de especialistas de engenharia elétrica que
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possam corrigir o baixo fator de potência da
instalação. O meio mais prático é a inserção de
bancos de capacitores, que possam elevar o
valor do fator acima de 0,92. Em empresas de
grande porte existem equipes especializadas ou
recebem, periodicamente, a visita de
engenheiros eletricistas que analisam a
qualidade da energia. Porém, nem sempre isto
ocorre em médias e pequenas indústrias, seja
por falta de recursos financeiros ou por
desconhecimento do problema.
Para efetuar a medição do fator de
potência,
as
concessionárias
instalam
instrumentos que monitoram a rede elétrica
durante todo o tempo. Com os dados colhidos,
são elaboradas e cobradas pesadas multas, pois
um baixo fator de potência não é interessante
para as indústrias e menos ainda para as
concessionárias de energia. Por este motivo,
cada vez mais são lançados programas de
conscientização, que possuem o objetivo de
mostrar para empresários e funcionários de
indústrias, como este problema deve ser evitado.
Um exemplo é o manual de instalações elétricas
residenciais da Cemig, (2003), no qual são
tratados conceitos básicos sobre energia,
medidores, grandezas elétricas e fator de
potência.
Até
mesmo
estabelecimentos
comerciais e residenciais tendem a ter, cada vez
mais, problemas relacionados ao baixo fator de
potência. Algumas lâmpadas compactas, por
exemplo, possuem fator 0,55.
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Esses
equipamentos
possuem
necessidade de energia reativa, não para a
produção de trabalho útil, e sim para a formação
seus campos magnéticos. Para aliviar a carga de
todo o sistema, pode-se utilizar os capacitores,
já citados, funcionando em paralelo à carga ou
motores síncronos superexcitados. A não
correção de tais problemas ligados à energia
reativa pode causar inúmeros problemas na
rede. Segundo Codi (2004), os principais são:
a) Favorecimento à ocorrência de
sobrecargas na rede elétrica;
b) Aumento das perdas de energia em
condutores, em decorrência da
circulação de maiores parcelas de
correntes de natureza reativa.
c) Comprometimento da capacidade de
transformadores (subutilização
dos
sistemas elétrico).
d) Incidência de ônus na conta de energia.
dispositivos trabalham em temperaturas acima
do especificado, por conta magnitude da
corrente que se torna mais elevada. Isto provoca
uma considerável diminuição da sua vida útil.
Ao se instalar os capacitores, corrigindo o fator
de potência, diminui-se a corrente do circuito.
Isto resulta em menores temperaturas dos cabos
evitando desgaste em suas isolações. Todos os
benefícios citados podem ser fornecidos com
dados colhidos após a instalação do Gerenciador
de Energia.
De acordo com a Resolução ANEEL
nº456 de 30/11/2000, o fator de potência é um
índice que mostra o grau de eficiência que um
determinado sistema elétrico possui. Ainda de
acordo com a legislação em vigor, segundo a
resolução da ANEEL 456/2000, o fator de
potencia padrão foi estabelecido em 0,92.
Assim, um fator abaixo de 0,92 fica sujeito à
multa, calculada pela seguinte fórmula:
O fator de potência expressa a relação entre a
potência ativa e o valor da potência aparente de
um circuito elétrico.
Multa =
fp =
P
S
(1)
fp é o fator de potência
P é a potência ativa em W ou KW
S é a potência aparente em VA ou KVA
Portanto, o fator de potência é o cosseno do
ângulo α. A figura 01 mostra uma simples
descrição através de um triângulo de potência,
conforme pode ser observado em seguida.
Figura 1 - Triângulo de potência.
Fonte: Autores, 2013.
O Gerenciador de Energia possui a
capacidade de fornecer o valor do banco de
capacitores necessário à correção do fator de
potência, ou seja, por intermédio do
equipamento, o responsável pela manutenção
poderá fazer o pedido sem a necessidade de
execução dos cálculos como de praxe.
Os equipamentos e condutores possuem
uma região de operação especificada pelo
fabricante em termos de temperatura. Com um
baixo fator de potência, muitas vezes esses
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consumo normal ( R$) x 0, 92
(2)
fP medido
O equipamento desenvolvido, cujo o
circuito é mostrado na figura 2, coleta os
valores de tensão e corrente da rede de
alimentação, verifica a diferença de fase entre
estes sinais. Para que isso seja realizado, é
necessário quadrar os sinais de tensão e corrente
elétrica que chegam da rede, para que o
microcontrolador possa interpretá-los (medição
através da mudança de borda). Diante da
necessidade de quadrar ao sinal, foi utilizado o
circuito integrado TLC 274, sendo que no
microcontrolador são efetuados os cálculos que
mostram a diferença de fase entre as duas
entradas. De posse da potência do sistema
analisado, e da diferença de fase entre as
entradas, é possível calcular o valor do banco de
capacitores necessário à correção do fator de
potência. Todos estes dados são fornecidos no
display do equipamento, além de registrados em
memória flash.
Figura 2: Protótipo do circuito em software
simulador
Fonte: Autores, 2013.
SISTEMA DE INFORMAÇÃO/INFORMATION SYSTEMS
De acordo com João Mamede Filho
(1993), a prática tem mostrado que durante a
elaboração de projetos elétricos de pequenas
indústrias, há uma grande dificuldade em saber
detalhes técnicos como:
• Ciclo de operação diário, semanal ou
mensal;
• Taxa de carregamento dos motores;
• Cronograma de expansão das
atividades produtivas;
Esses dados são importantes para se
dimensionar o fator de potência médio, sendo
que os equipamentos instalados devem estar
aptos a se adaptar às oscilações que acontecem
em um dia normal de operação. Por intermédio
dos gráficos gerados pelo software do
Gerenciador de Energia é possível obter esse
valor médio. Este problema pode ser facilmente
corrigido com o projeto em questão, pois todas
as oscilações de corrente e tensão são
monitoradas minuto a minuto. Ao final de uma
semana ou um mês, o gestor da fábrica tem em
suas mãos, gráficos que mostram o consumo e
detalhes de funcionamento de cada máquina. O
circuito foi desenvolvido em várias partes,
sendo cada uma responsável pela execução de
uma tarefa. Ao final, os dados são fornecidos
em um documento registrado em uma memória
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flash. O desenho final do dispositivo facilita a
instalação do equipamento em paralelo a uma
máquina, ou mesmo na entrada elétrica de um
setor a ser monitorado.
No
dispositivo
em questão,
o
microcontrolador 18F452 recebe os valores de
tensão e corrente proporcionais ao real,
reduzidos através do TC (transformador de
corrente) e TP (transformador de potencial). O
equipamento recebe também a tensão e corrente
quadradas, dados necessários aos cálculos de
fase. De posse destes dados, o microcontrolador
sobrepõe as duas grandezas e analisa a diferença
de fase entre elas. Em seguida é feito o cálculo
do valor do banco de capacitores necessário à
correção de baixo fator de potência, e então as
informações são registradas na memória flash
de um pen drive, inserindo também a data e
hora, e fornecendo as informações em um
display LCD. Com todas essas ações, é
imprescindível
que
a
capacidade
de
processamento e robustez do microcontrolador
seja grande. O microcontrolador PIC foi
escolhido, pois além de ser confiável, é
facilmente programado em C e testado em um
software simulador de circuitos elétricos. A
linguagem de programação C é largamente
conhecida
nas
ciências
exatas.
Figura 03: Esquema geral do circuito.
Fonte: Autores, 2013.
DESENVOLVIMENTO DO SOFTWARE
O software possui a função de colher os
dados que estão presentes na memória flash e
transformá-los em informações. Quando o
gestor da fábrica, por exemplo, insere o pen
drive na porta USB de um microcomputador,
apenas uma série de dados está presente; mas
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em seguida surgem gráficos e informações
tratadas que são cruciais.
Através de uma interface amigável e
objetiva, o responsável pela produção poderá
visualizar os dados. A figura 04 mostra a tela
inicial do Sistema Gerenciador, permitindo
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carregar os dados da memória flash para que os
gráficos sejam gerados e analisados pelo gerente
de produção
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Fonte: Autores, 2013.
No Gerenciador de Energia, o banco de
dados desenvolvido em My SQL registra os
dados que são buscados na memória flash e
organiza-os para que buscas possam ser
realizadas de forma rápida e robusta.
O software pode ser instalado em uma
máquina servidora e a partir de máquinas
clientes mais pessoas podem acessar
informações sobre o funcionamento do sistema
elétrico.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Figura 4: Software gerenciador de energia.
Fonte: Autores, 2013.
O software colhe o conjunto de dados e o
transforma em gráficos que mostram quais
foram as alterações ocorridas e o desempenho
do sistema elétrico no qual o dispositivo estava
inserido. Para que os gráficos fossem
construídos, foi utilizado o ambiente de
desenvolvimento C++ Builder, e para salvá-los
foi utilizado o banco de dados My SQL. Os
gráficos
evidenciam
a
evolução
do
funcionamento de uma máquina ou um setor,
minuto a minuto. Caso o gestor queira, a
periodicidade pode ser mudada, ou seja, ele
poderá escolher qual é o intervalo ideal para a
sua análise: minutos, horas, dias e etc.
O Gerenciador de Energia traz a
possibilidade criar um histórico da operação da
instalação elétrica. Essa característica é útil em
curto e longo prazo, pois a empresa saberá quais
são os setores que necessitam de investimentos
para não somente corrigir o fator de potência,
mas também buscar pontos de redução de
consumo de energia.
A importância dos gráficos é grande,
principalmente para a área de manutenção, pois
dessa forma é possível mostrar como era o
funcionamento antes das alterações e após as
alterações. A partir das documentações geradas
pelo equipamento torna-se possível mostrar
onde, quanto e porque foi investido determinado
recurso financeiro em um setor. Os objetivos
propostos foram alcançados, porém é necessário
investir na melhoria de qualidade dos sistemas
de medição utilizados (precisão).
Para que isso seja feito é necessário
aperfeiçoar os circuitos que coletam os dados
necessários à medição de fator de potência e
aumentar as funções do software, inserindo um
banco de dados mais complexo e mais opções
de funcionamento.
Figura 6: Protótipo em fase de testes
Figura 05: Gráficos dos dados colhidos na rede
Fonte: Acervo dos autores, 2013.
CONCLUSÃO
O mundo vem passando por um
momento único em sua preocupação com o
desenvolvimento sustentável. E diante de todos
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esses os fatores, é necessário que os meios de
produção sejam repensados e melhorados em
termos de funcionamento e consumo de energia.
Embora diversas matrizes de energia estejam
disponíveis para alimentar as máquinas e
equipamentos industriais, a energia elétrica deve
ser utilizada com parcimônia. Visando uma
melhor gestão da energia elétrica consumida é
necessário que informações sejam fornecidas. A
principal função deste equipamento é fornecêlas de maneira organizada, o que facilita o
trabalho de gerenciamento e uso de energia.
Partindo desta premissa é extremamente
importante que sejam buscadas maneiras de
aperfeiçoar o rendimento, pois eliminando o
desperdício haverá contribuição não somente
para o fortalecimento da empresa, mas também
para
a
sua
sustentabilidade
dos
empreendimentos.
O consumo excessivo de motores e
máquinas, valores de corrente que excedam o
que as máquinas foram projetadas para suportar
e excessivas oscilações de tensão são apenas
algumas das variáveis que podem ser mostradas
através dos gráficos feitos pelo Gerenciador de
Energia.
Os
objetivos
propostos
foram
alcançados, porém para que este equipamento
possa se tornar ainda mais funcional, verificar a
presença de distorções harmônicas na rede, seria
uma oportunidade de melhoria, ou seja, um
equipamento que monitora níveis de corrente,
tensão, fator de potência e distorções
harmônicas, seria desejável para a maioria das
indústrias. Com essas alterações, mais funções
poderiam ser adicionadas no software, de forma
que ele se torne uma desejável ferramenta, em
termos energéticos, para as empresas
preocupadas com o seu crescimento e
sustentabilidade.
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ANEXOS
Figura 8 - Testes banco de dados
Figura 7 - Protótipo finalizado – testes
Fonte: Acervo dos autores, 2013.
Figura 9 - Funções de leitura do PIC (I e P)
Fonte: Acervo dos autores, 2013.
REFERÊNCIAS
Fonte: Acervo dos autores, 2013.
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