Fator de Potência
Conceitos Básicos
A maioria das cargas das unidades consumidoras
consome energia reativa indutiva, tais como: motores,
transformadores, reatores para lâmpadas de descarga,
fornos de indução, entre outros. As cargas indutivas
necessitam de campo eletromagnético para seu
funcionamento, por isso sua operação requer dois tipos de
potência:
Potência ativa: potência que efetivamente realiza trabalho
gerando calor, luz, movimento, etc.
É medida em kW.
A figura abaixo mostra uma ilustração disto.
Potência Reativa: potência usada apenas para criar e
manter os campos eletromagnéticos das cargas indutivas.
É medida em kvar. A figura seguinte ilustra esta definição.
Assim, enquanto a potência ativa é sempre consumida
na execução de trabalho, a potência reativa, além de
não produzir trabalho, circula entre a carga e a fonte de
alimentação, ocupando um espaço no sistema elétrico que
poderia ser utilizado para fornecer mais energia ativa.
Definição: o fator de potência é a razão entre a potência
ativa e a potência aparente. Ele indica a eficiência do uso
da energia. Um alto fator de potência indica uma eficiência
alta e inversamente, um fator de potência baixo indica
baixa eficiência energética. Um triângulo retângulo é
frequentemente utilizado para representar as relações entre
kW, kvar e kVA, conforme a Fig. 3.
Conseqüências e Causas de um Baixo Fator
de Potência / Perdas na Instalação
As perdas de energia elétrica ocorrem em forma de calor e
são proporcionais ao quadrado da corrente total (I2.R). Como
essa corrente cresce com o excesso de energia reativa,
estabelece-se uma relação entre o incremento das perdas e
o baixo fator de potência, provocando o aumento do
aquecimento de condutores e equipamentos.
Quedas de Tensão
O aumento da corrente devido ao excesso de energia
reativa leva a quedas de tensão acentuadas, podendo
ocasionar a interrupção do fornecimento de energia elétrica
e a sobrecarga em certos elementos da rede. Esse risco é
sobretudo acentuado durante os períodos nos quais a rede é
fortemente solicitada. As quedas de tensão podem provocar
ainda, a diminuição da intensidade luminosa das lâmpadas e
aumento da corrente nos motores.
Subutilização da Capacidade Instalada
A energia reativa, ao sobrecarregar uma instalação elétrica,
inviabiliza sua plena utilização, condicionando a instalação de
novas cargas a investimentos que seriam evitados se o fator
de potência apresentasse valores mais altos. O “espaço”
ocupado pela energia reativa poderia ser então utilizado para
o atendimento de novas cargas.
Os investimentos em ampliação das instalações estão
relacionados principalmente aos transformadores e
condutores necessários. O transformador a ser instalado
deve atender à potência total dos equipamentos utilizados,
mas devido a presença de potência reativa, a sua
capacidade deve ser calculada com base na potência
aparente das instalações.
A Tabela 1 mostra a potência total que deve ter o
transformador, para atender uma carga útil de 800 kW para
fatores de potência crescentes.
Também o custo dos sistemas de comando, proteção e
controle dos equipamentos cresce com o aumento da
energia reativa. Da mesma forma, para transportar a mesma
potência ativa sem o aumento de perdas, a seção dos
condutores deve aumentar à medida em que o fator de
potência diminui. A Tabela 2 ilustra a variação da seção de
um condutor em função do fator de potência. Nota-se que a
seção necessária, supondo-se um fator de potência 0,70 é o
dobro da seção para o fator de potência 1,00.
A correção do fator de potência por si só já libera
capacidade para instalação de novos equipamentos, sem
a necessidade de investimentos em transformador ou
substituição de condutores para esse fim específico.
Vantagens da Correção do Fator de
Potência / Melhoria da Tensão
As desvantagens de tensões abaixo da nominal em
qualquer sistema elétrico são bastante conhecidas. Embora
os capacitores elevem os níveis de tensão, é raramente
econômico instalá-los em estabelecimentos industriais
apenas para esse fim. A melhoria da tensão deve ser
considerada como um benefício adicional dos capacitores.
A tensão em qualquer ponto de um circuito elétrico é igual
a da fonte geradora menos a queda de tensão até aquele
ponto. Assim, se a tensão da fonte geradora e as diversas
quedas de tensão forem conhecidas, a tensão em qualquer
ponto pode ser facilmente determinada. Como a tensão
na fonte é conhecida, o problema consiste apenas na
determinação das quedas de tensão.
A fim de simplificar o cálculo das quedas de tensão, a
seguinte fórmula é geralmente usada :
Por esta expressão, torna-se evidente que a corrente relativa
à potência reativa opera somente na reatância. Como esta
corrente é reduzida pelos capacitores, a queda de tensão
total é então reduzida de um valor igual a corrente do
capacitor multiplicada pela reatância. Portanto, é apenas
necessário conhecer a potência nominal do capacitor e a
reatância do sistema para se conhecer a elevação de tensão
ocasionada pelos capacitores.
Nos estabelecimentos industriais com sistemas de
distribuição modernos e a uma só transformação, a elevação
de tensão proveniente da instalação de capacitores é da
ordem de 4 a 5%.
Redução das Perdas
Na maioria dos sistemas de distribuição de energia elétrica
de estabelecimentos industriais, as perdas RI2t variam de
2,5 a 7,5% dos kWh da carga, dependendo das horas de
trabalho a plena carga, bitola dos condutores e comprimento
dos alimentadores e circuitos de distribuição.
As perdas são proporcionais ao quadrado da corrente e
como a corrente é reduzida na razão direta da melhoria do
fator de potência, as perdas são inversamente proporcionais
ao quadrado do fator de potência.
Redução percentual das perdas :
A Fig. 5 está baseada na consideração de que a potência
original da carga permanece constante. Se o fator de
potência for melhorado para liberar capacidade do sistema
e, em vista disso, for ligada a carga máxima permissível, a
corrente total é a mesma, de modo que as perdas serão
também as mesmas. Entretanto, a carga total em kW será
maior e, portanto, a perda percentual no sistema será menor.
Algumas vezes torna-se útil conhecer o percentual das
perdas em função da potência aparente (S) e potência reativa
(Q) da carga e da potência reativa do capacitor (Qc). Assim :
Vantagens da Empresa
Redução significativa do custo de energia elétrica;
Aumento da eficiência energética da empresa;
Melhoria da tensão;
Aumento da capacidade dos equipamentos de manobra;
Aumento da vida útil das instalações e equipamentos;
Redução do efeito Joule;
Redução da corrente reativa na rede elétrica.
Vantagens da Concessionária
O bloco de potência reativa deixa de circular no sistema de
transmissão e distribuição;
Evita as perdas pelo efeito Joule;
Aumenta a capacidade do sistema de transmissão e
distribuição para conduzir o bloco de potência ativa;
Aumenta a capacidade de geração com intuito de atender
mais consumidores;
Diminui os custos de geração.
Definições
Potência:
Capacidade de produzir trabalho na unidade de tempo;
Energia:
Utilização da potência num intervalo de tempo;
Potência Ativa (kW):
É a que realmente produz trabalho útil;
Energia Ativa (kWh):
Uso da potência ativa num intervalo de tempo;
Potência Reativa (kvar):
É a usada para criar o campo eletromagnético das cargas
indutivas;
Energia Reativa (kvarh):
Uso da potência reativa num intervalo de tempo;
Potência Aparente (kVA):
Soma vetorial das potências ativa e reativa, ou seja, é a
potência total absorvida pela instalação.
Fator de Potência:
Razão entre Potência Ativa e Potência Aparente.
