O Fator de Potência

Introdução

O Fator de Potencia é uma questão cada vez mais relevante para projetistas de equipamentos eletroeletrônicos, pois um menor consumo e um melhor aproveitamento da energia elétrica é algo que preocupa, não apenas em vista dos impactos econômicos, mas também em vista dos impactos ambientais, passando pela temeridade de um possível apagão (falha com interrupção de fornecimento do sistema de geração e transmissão de energia elétrica). Neste trabalho irei utilizar dos métodos ensinados em sala de aula pelo professor da disciplina de Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica e das informações contidas no fundamento teórico para demonstrar a aplicabilidade da correção do fator de potência.

A Correção do fator de potência através, principalmente, da instalação de capacitores tem sido alvo de muita atenção das áreas de projeto, manutenção e finanças de empresas interessadas em racionalizar o consumo de seus equipamentos elétricos. Objetivando otimizar o uso da energia elétrica gerada no país, o extinto DNAEE (Departamento Nacional de Águas e Energia Elétrica), atualmente com a denominação de ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica), através do Decreto Nº 479 de 20 de março de 1992 estabeleceu que o fator de potência mínimo deve ser 0,92.

Com o avanço da tecnologia e com o aumento das cargas não lineares nas instalações elétricas, a correção do fator de potência passa a exigir alguns cuidados especiais.

Triângulo das Potências

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        Fator de potência é igual à razão entre a potência ativa e a potência aparente consumida por um equipamento, ou seja, independentemente das formas de ondas de tensão e correntes que apresentam, são a razão entre a parcela que quantifica o trabalho útil produzido pelo circuito e o somatório da parcela transformada em campo magnético ou elétrico com a parcela que quantifica realmente o trabalho útil.

        O fator de potência apresenta o cosseno do ângulo de defasagem (cos φ) entre a onda senoidal de tensão e a onda senoidal de corrente bem como a defasagem da potência aparente (S) e a potência ativa (P) .

         A potência ativa é a potência absorvida por circuitos cuja carga tem características puramente resistivas sendo medida em Watt (W).

        A potência reativa representa a quantidade de potência ativa que foi transformada em campo magnético ou campo elétrico, sendo medida em Volt x Ampére Reativo (VAR).

        Sendo a relação entre duas quantidades representada pela mesma unidade de potência, é um numero adimensional. A corrente alternada ao circular em circuitos indutivos, gera o fenômeno de autoindução, ou seja, indução em si mesma. Por sua vez uma contra corrente é desencadeada provocando o retardamento da corrente em circulação, fenômeno denominado reatância indutiva. O atraso da corrente faz com que ela permaneça defasada em 90° em relação à tensão.

        Os circuitos capacitivos, em corrente alternada oferecem resistência à passagem da corrente elétrica, denominados de reatância capacitiva.
Este fenômeno faz com que a corrente permaneça adiantada de 90° em relação à tensão.
        Como o fator de potência é uma porcentagem da potência aparente que é transformada em potencia útil o mesmo indica a eficiência com a qual a energia é consumida, que consequentemente, quanto mais próximo à unidade estiver da grandeza, maior será a eficiência no sistema elétrico.

Causas de baixo fator de potência

        Em se tratando de instalações industriais, onde há o predomínio de cargas indutivas, podem ser apresentados os seguintes equipamentos que resultam um fator de potência. Motores de indução operando em vazio trabalhando durante um longo período de operação ou superdimensionados para a maquina a ele acoplados; Transformação em operação a vazio ou em carga leve; Grande número de reatores, com baixo fator de potência, suprindo lâmpadas de descarga; Lâmpadas fluorescentes compactas; Fornos a arco; Fornos de indução eletromagnética; Máquinas de solda a transformador; Equipamentos eletrônicos;
Grande número de motores de pequenas potências em operação em pequenos períodos; Tensão acima da nominal. O baixo fator de potência é decorrente do alto consumo de energia reativa. Essa condição prejudica a estabilidade do sistema elétrico e suas condições de aproveitamento, trazendo inconvenientes diversos, como os descritos a seguir.

Perdas na instalação

        As perdas de energia elétrica são em forma de calor (Efeito Joule) e são proporcionais ao quadro da corrente total. Como essa corrente sobe proporcionalmente com o excesso de energia reativa, é estabelecida uma relação diretamente proporcional entre o incremento de perdas e baixo fator de potência, provocando o aumento do aquecimento dos condutores.
        A queda de tensão num circuito elétrico também é diretamente proporcional a corrente elétrica consumida. O aumento da corrente, que é devido a o excesso de energia reativa pode levar a quedas de tensão geralmente acentuadas, que podem ocasionar uma instabilidade e até interrupção do fornecimento de energia elétrica e sobrecarga em certos equipamentos da rede. Esse risco é acentuado durante o período que a rede é fortemente solicitada. As quedas de tensão também podem provocar a diminuição da intensidade luminosa das lâmpadas e um aumento da corrente dos motores elétricos.

Subutilização do sistema instalado

        A energia reativa, quando sobrecarrega uma instalação, inviabiliza sua plena utilização, acabando condicionando a instalação de novas cargas a investimentos que com certeza seriam evitados se o fator de potência apresentasse valores mais altos. O espaço a ser utilizado pela energia reativa pode ser utilizado para o atendimento de novas cargas, pois teríamos uma maior disponibilidade de energia ativa. A seguir são apresentados como consequências ocorridas subutilização da capacidade instalada em alguns equipamentos.
Reatores são instrumentos essenciais para que as lâmpadas de descargas, ou seja, lâmpadas fluorescentes, vapor de mercúrio, vapor de sódio entrem em operação. Os reatores possuem bobinas que consomem altas potencia do sistema elétrico. A grande quantidade de reatores destes tipos (baixo fator de potência cosφ 04-05) causa considerável queda no fator de potência degradando a qualidade da energia elétrica. Lâmpadas fluorescentes compactas são fabricadas com circuitos eletrônicos inseridos em seu próprio corpo. Nestes circuitos contem indutores para gerar alta tensão e os mesmos quando são polarizados com tensão alternada consomem alta energia reativa. Motores de indução operando em vazio durante um longo período de operação ou superdimensionados para maquinas a ele acopladas consomem a mesma energia reativa quer operando a vazio quer operando a plena carga. Na partida a rede de alimentação fornece uma corrente de valor elevado na ordem de seis a oito vezes a sua corrente nominal e como a instalação é projetada para transportar a potência requerida pelo motor neste período de tempo a instalação é submetida a corrente de acionamento. Em consequência há uma queda de tensão no sistema podendo provocar sérios distúrbios operacionais no sistema de comando, proteção e equipamentos sensíveis. Motores de indução quando polarizados com tensão acima de nominal consomem alta energia reativa, pois o consumo de potencia ativa depende da carga mecânica aplicada ao eixo do motor e a potencia reativa é proporcional ao quadrado da tensão aplicada resultando na queda do fator de potência.