Fator de Potência

A maioria das cargas das unidades consumidoras consomem 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: ativa e reativa.

Potência Ativa

Potência ativa: potência que efetivamente realiza trabalho gerando, por exemplo, calor, luz e movimento. É medida em kW. A Figura 1 mostra uma ilustração de onde isso ocorre.

Figura 1 - Potência ativa (kW).

Potência Reativa

Potência Reativa: potência usada apenas para criar e manter os campos eletromagnéticos das cargas indutivas. É medida em kvar. A Figura 2 ilustra esta definição.

Figura 2 - Potência reativa (kvar).

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, de forma contrária, um fator de potência baixo indica uma baixa eficiência energética. Um triângulo retângulo é frequentemente utilizado para representar as relações entre kW, kvar e kVA e mostrado na Figura 3.

Figura 3 - Triângulo de potência.

$FP={\frac {kW}{kVA}}=cos\phi =cos(arctg{\frac {kvar}{kW}})$

Normalmente associamos a potência aparente com a letra S, a potência reativa com a letra Q e a potência ativa com a letra P. A Figura 4 mostra como fica o triângulo de potência.

Figura 3 - Triângulo de potência com S-Q-P.

Matemática

$FP={\frac {P}{S}}\,$

${\frac {Q}{P}}={\frac {1}{tg\phi }}\,$

$S={\sqrt {P^{2}+S^{2}}}\,$

Consequências e Causas de um Baixo Fator de Potência

Perdas na Instalação

As perdas de energia elétrica ocorrem na forma de calor e são proporcionais ao quadrado da corrente total. 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.

Potência útil absorvida - kW	Fator de Potência	Potência do trafo - kVA
800	0,50	1.600
	0,80	1.000
	1,00	800

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.

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.

Redução das Perdas

Na maioria dos sistemas de distribuição de energia elétrica de estabelecimentos industriais, as perdas 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.

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 por 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.

Exemplos

[1] Deseja-se corrigir o fator de potência (FP) para 0,92 de uma carga de 930 kW, 380 V e FP = 0,65

Solução

Sem Correção do Fator de Potência

$FP={\frac {kW}{kVA}}$

Portanto a potência aparente e:

$kVA={\frac {kW}{kVA}}={\frac {930}{0,65}}=1431kVA\,$

Com Correção do Fator de Potência

$kVA={\frac {kW}{kVA}}={\frac {930}{0,92}}=1011kVA\,$

Logo

Após a correção do fator de potência, a instalação poderá ter aumentos de cargas em até 41%.

[2] A potência ativa consumida (P) por uma instalação elétrica é de 2400W. Se a tensão de alimentação é de 220V (rms), calcular a potência aparente (S) e corrente consumida quando

a) FP=0,90

b) FP=0,60