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Wednesday, 28 November 2012

O FACTOR DE POTÊNCIA, SUAS CAUSAS E CONSEQUÊNCIAS

Antes de iniciar a abordagem sobre o Factor de Potência (FP), é necessário rever alguns conceitos fundamentais para a compreensão das causas e efeitos do FP.
 
CONCEITOS FUNDAMENTAIS
Watt (W) - Esta é a unidade que representa a energia convertida em trabalho no equipamento. É chamada de Potência Activa ou também de Potência Real (P).
 
Volt-Ampére reactivo (VAr) - Esta é a unidade que representa a energia que é utilizada para produzir os campos eléctrico e magnéticos necessários para o funcionamento de alguns tipos de cargas como, por exemplo, motores, transformadores, cargas não-lineares, rectificadores industriais etc. É chamada de Potência Reactiva (Q). 

Volt-Ampére (VA) - Esta é a unidade da Potência Aparente (S), que é obtida pela “soma vectorial” das Potências Activa e Reactiva.

Para melhor entender o real significado dessas três potências, vamos rever o exemplo da relação entre elas usando a analogia clássica da cerveja:
Fig 1 - Analogia clássica da cerveja

Como pode ser visto na figura acima, a Potência activa (W) representa a porção líquida do copo, ou seja, a parte que realmente será utilizada para matar a sede.  Como na vida nem tudo é perfeito, a cerveja contêm uma parte de espuma, representada pela Potência Reactiva (VAr). Essa espuma está ocupando lugar no copo, porém não é utilizada para matar a sede.

O conteúdo total do copo representa a Potência Aparente. Tanto a espuma como a cerveja ocupam espaço no copo, da mesma forma que a potência activa e reactiva ocupam na rede eléctrica, diminuindo a real capacidade de transmissão de potência activa da rede, em função de potência reactiva ali presente.
Com base nos conceitos básicos apresentados pode-se dizer que o Factor de Potência é a grandeza que relaciona a Potência activa e a Potência Aparente ou seja a relação entre a potência activa, em Watts, e a Potência Aparente VA. 
Contudo, esta relação depende grandemente do tipo de carga ligada ao sistema ou circuito eléctrico.
Para cargas lineares, o factor de potência é determinado pelo cosseno do ângulo de desfasamento entre a tensão e a corrente. Portanto: FP = cos (φ), onde φ representa o ângulo de desfasamento conforme ilustrado na figura abaixo:
Fig 2 - Carga indutiva intensidade em atraso 

Para cargas resitivas o factor de Potência é igual a unidade. Isto deve-se ao facto de não existir um desfasamento entre a corrente e a tensão ou seja o ângulo de desfasamento é igual a zero. Portanto: FP = cos (φ)=Cos(0) = 1

Fig 3 - Carga resistiva intensidade em fase
 
No entanto, quando a corrente de entrada não é sinusoidal (cargas não-lineares), esta definição particular de factor de potência não pode ser aplicada.
 
Todo equipamento eléctrico construído na forma de bobina, como transformadores, motores eléctricos e reactores para iluminação, funcionam pelo princípio da indução electromagnética. Estes equipamentos são chamados de indutivos.
 
Os equipamentos indutivos têm como característica atrasar a corrente em relação à tensão. Sendo assim, uma parcela da corrente solicitada da rede estará em fase com a tensão e uma parcela não. A parcela da corrente que está em fase com a tensão é responsável pela energia activa utilizada pelo equipamento. Energia activa é aquela que o equipamento transforma em trabalho (luz, calor, movimento, som, etc).

A parcela da corrente que está desfasada da tensão é responsável pela formação do campo magnético nos equipamentos indutivos. A energia utilizada para isto é chamada de reactiva e não é transformada em trabalho. A cada semi-ciclo da rede ela é solicitada da fonte e depois devolvida. A energia reactiva fica, assim, numa espécie de pingue-pongue, circulando entre a fonte e a carga.
A energia reactiva ocupa assim um espaço no sistema eléctrico que poderia ser utilizado para fornecer mais energia activa. Por essa razão, deve minimizar-se a presença de energia reactiva nos sistemas eléctricos.

A soma vectorial da energia activa com a energia reactiva fornece o valor total da energia que circula pelo sistema eléctrico. Esta energia recebe o nome de energia aparente. A seguir apresentamos algumas relações entre essas grandesas:

Pode-se observar na figura abaixo que quanto menor for a  potência reactiva maior será o factor de  potência e consequentemente melhor será a qualidade da energia. 
O ângulo entre a energia aparente e a energia activa ou real representa o desfasamento entre tensão e corrente e o seu cosseno é igual ao fator de potência.

O  factor de potência indica a eficiência no uso da energia. O seu valor varia de 0 a 1, tanto para cargas indutivas como capacitivas. Quanto mais aproximado a unidade (1) for o valor do factor de potência, maior será a eficiência do equipamento ou da instalação eléctrica.  
Para as cargas não-lineares não podemos considerar o factor de potência como sendo somente cosseno do ângulo de desfasagem entre a voltagem e a corrente fundamental, visto que as cargas não-lineares geram componentes harmónicas. Neste caso o factor de Potência será calculado tendo em conta a taxa de distorção harmónica da corrente do circuito. Acesse o seguinte artigo para mais informações sobre as harmónicas:
 
 
As componentes harmónicas presentes na corrente drenada por cargas não-lineares não contribuem para a produção de Potência activa na carga, porém contribuem apenas para o aumento do valor RMS da corrente, aumentando o valor da Potência Aparente drenada da rede eléctrica e, com isso, reduzindo o Factor de Potência visto pela concessionária de energia eléctrica.

A equação geral que define o factor de potência deve contemplar ambos os tipos de circuitos, os lineares e não-lineares, ou seja, aqueles que não possuem componentes harmónicas e aqueles que possuem. Será feita a interpretação da equação geral que define o factor de potência para uma rede de tensão sinusoidal não distorcida.
A parcela cos(θ) representa a desfasagem angular entre a componente fundamental (50Hz ou 60Hz) da tensão e corrente do circuito. THDi é a taxa de distorção harmónica da corrente do circuito. Essa taxa representa a relação entre o somatório quadrático das correntes eficazes de ordem n (n > 1) com relação a corrente fundamental eficaz, como mostra a equação:

CAUSAS DO BAIXO FACTOR DE POTÊNCIA

As características eléctricas e magnéticas das cargas determinam o factor de potência da rede. Algumas das causas de um baixo factor de potência são: Motores operando em vazio ou super dimensionados, transformadores operando em vazio ou com pequenas cargas, Nível de tensão acima da nominal, reactores das lâmpadas de descarga com baixo factor de potência, grande quantidade de motores de pequena potência, fornos de indução ou a arco, máquinas de tratamento térmico, Máquinas de soldadura, etc.

EFEITOS NA FACTURA DEVIDO A POTÊNCIA REACTIVA EXCEDENTE

São facturadas pela concessionária as ocorrências de consumo de potência reactiva excedente. A verificação é feita através do factor de potência médio mensal ou do factor de potência horário. Portanto, uma instalação com um factor um baixo factor de potencia, acaba pagando mais energia devido ao consumo de potência reactiva excedente.


CONSEQUÊNCIAS DO BAIXO FACTOR DE POTÊNCIA:

QUEDAS E FLUTUAÇÕES DE TENSÃO - O aumento de corrente devido ao excesso de energia reactiva leva a diminuição dos níveis de tensão. Isto pode levar a interrupções do fornecimento e a sobrecargas em certos elementos da rede. Esse risco é sobretudo acentuado durante os períodos nos quais a rede é fortemente solicitada como no caso da partida de motores de indução. As quedas de tensão podem provocar, ainda, a diminuição da intensidade luminosa das lâmpadas e aumento da corrente nos motores, podendo vir a causar a sua queima.


PERDAS NA INSTALAÇÃO - As perdas de energia eléctrica ocorrem em forma de calor e são proporcionais ao quadrado da corrente total (I²R – Efeito Joule). Como essa corrente cresce com o excesso de energia reactiva, estabelece-se uma relação entre o incremento das perdas e o baixo factor de potência, provocando o aumento do aquecimento de condutores e equipamentos. Este aquecimento, além de representar um aumento nos custos com energia eléctrica, deteriora o isolamento dos cabos podendo vir a causar interrupções no sistema.


SOBRECARGA NOS EQUIPAMENTOS DE MANOBRA E PROTECÇÃO - O aumento da corrente devido ao baixo factor de potência provoca sobrecarga nos equipamentos de manobra e protecção eléctrica, diminuindo assim a sua vida útil. Também podem ocorrer disparos indesejados dos disjuntores e fusíveis.


VANTAGENS DA CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA

Redução significativa do custo de energia eléctrica; 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 reactiva na rede eléctrica. O bloco de potência reactiva deixa de circular no sistema de transmissão e distribuição; Aumenta a capacidade do sistema de transmissão e distribuição para conduzir o bloco de potência activa; Aumenta a capacidade de geração com intuito de atender mais consumidores; Diminui os custos de geração, etc.

Contudo, precisamos sempre aumentar a eficiência dos sistemas eléctricos mantendo o factor de potência o mais próximo da unidade (1). Os valores mínimos admissíveis de factor de potência são definidos por normas industriais e estabelecido também pelas empresas concessionárias.  Os fabricantes de equipamentos eléctricos e electrónicos são obrigados a desenhar os mesmos dentro dos padrões definidos. De igual modo, os consumidores são obrigados a usar cargas eléctricas com factores de potência dentro das normas estabelecidas. Em caso de existirem equipamentos geradores de componentes harmónicas ou com um factor de potência fora das normas estabelecidas, por exemplo as normas IEEE 519, IEC 555-2, IEC 61000-3-4, etc. Deve-se sempre fazer a correcção do factor de potência da instalação eléctrica.


Veja o artigo seguinte sobre CORRECÇÃO DO FACTOR DE POTÊNCIA DE UMA INSTALAÇÃO ELÉCTRICA: http://www.norcontrol.pt/cms/view/id/73

 
Para mais informações sobre o factor de potência veja os seguintes vídeos:

CORREÇÃO DE FATOR DE POTÊNCIA- PARTE I

 
CORREÇÃO DE FATOR DE POTÊNCIA - PARTE II 
 
 
 Conheça alguns detalhes para ligar capacitor trifásico:
 


Compilado por:

Emméry Macedo
www.angolapowerservices.blogspot.com

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Luanda, Angola
Consultoria e Prestação Serviços powered by Emméry Macedo - Engenheiro Eletrotécnico, BTECH, BEST CUM LAUDE, pela Durban University of Technology (DUT), Galardoado pelo Institute of Professional Engineering Technologists (IPET), Bacharel em Ciências Matemáticas pela Faculdade de Ciências da Universidade Agostinho Neto de Angola, Professor de Matemática e Física pelo IMNE- Garcia Neto, Professor de Electrόnica de Potência da Universidade Metodista, membro do IET - Institution of Engineering and Technology MIET nº 91651226, membro da Ordem dos Engenheiros de Angola OEA nº 2924, com certificação em ETAP, SKM, HV Switching, SAEP, etc...

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