Aula 14 - Potencia e correção de fator de potência em corrente alternada

A capacidade de um equipamento elétrico de produzir trabalho em um determinado tempo, a partir da energia elétrica, é chamada de potência elétrica. Em um circuito de corrente contínua, a potência é dada em watts, multiplicando-se a tensão pela corrente. No entanto, quando se trata de circuitos de CA com cargas indutivas e/ou capacitivas, ocorre uma defasagem entre tensão e corrente. Isso nos leva a considerar três tipos de potência: Potência Aparente (S), Potência Ativa (P) e Potência Reativa (Q).

Figura 01 - Potencia aparente (S)

Potência Aparente é o resultado do produto da multiplicação entre a tensão e a corrente. Em circuitos não resistivos em corrente alternada esta potência não é real, pois não considera a defasagem  que existe entre a corrente e a tensão. Recebe a notação S e é expressa em Volt Ampere (VA).

Figura 02 - Potencia ativa (P)

Potência Ativa é a potência que realmente produz o trabalho na carga. Recebe como notação a letra P e é expressa em Watts (W). No cálculo da potência ativa é importante considerar o produto entre a corrente e a tensão e também o fator de potência (cos φ).

Figura 03 - Potencia reativa (Q)

Potência reativa é a porção da potência aparente que é fornecida ao circuito. Sua função é constituir o circuito magnético nas bobinas e um campo elétrico nos capacitores. Como os campos aumentam e diminuem acompanhando a freqüência, a potência reativa varia duas vezes por período entre a fonte de corrente e o consumidor. A potência reativa aumenta a carga dos geradores, dos condutores e dos transformadores originando perdas de potência nesses elementos do circuito. A unidade de medida da potência reativa é o volt-ampère reativo (VAr) e é representada pela letra Q.

Figura 04 - Potencias em circuitos RLC

Fator de Potência se aplica quando cargas indutivas são acionadas com alimentação por corrente alternada, ocorre um fenômeno de defasagem entre as ondas da tensão e da corrente, causando o surgimento da Potência Reativa. Esta defasagem é quantificada pelo chamado Fator de Potência (FP).

Logo, de uma forma resumida,  o Fator de Potência (FP) nada mais é que uma medida de quanto da potência elétrica consumida está de fato sendo convertido em trabalho útil.

Segundo a Legislação Brasileira o Fator de Potência mínimo permitido para as contas de energia é de 0,92. Abaixo deste valor, a Concessionária deve cobrar multa na fatura de energia sobre o consumo de Potência Reativa além dos 8% máximos permitidos.

As principais cargas que causam baixo FP são lâmpadas fluorescentes, transformadores em vazio (sem carga) ou com baixa carga e motores de indução (motores mais usados na indústria). Equipamentos baseados em resistências elétricas como lâmpadas incandecentes e aquecedores elétricos em geral tem FP próximo a 1, ou seja, são os que menos contribuem para o surgimento das multas.

A forma de compensar o baixo Fator de Potência é a instalação de bancos de capacitores em paralelo na entrada de energia ou no próprio equipamento com carga indutiva. Esses bancos introduzem na instalação uma carga capacitiva, que tem o efeito contrário da carga indutiva. Isso compensa o baixo Fator de Potência e ajusta o valor para mais próximo de 1, evitando as multas.

Medidores de qualidade de energia, são importantes na identificação dos equipamentos com baixo FP e assim otimizar a implementação de projetos para correção.

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 P (kW), Q (kvar) e S (kVA), conforme a Figura.

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.

Uma forma econômica e racional de se obter a energia reativa necessária para a operação adequada dos equipamentos é a instalação de capacitores próximos desses equipamentos. A instalação de capacitores porém, deve ser precedida de medidas operacionais que levem à diminuição da necessidade de energia reativa, como o desligamento de motores e outras cargas indutivas ociosas ou superdimensionadas.

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.

Para iniciar um projeto de Correção do Fator de Potência deveremos seguir inicialmente duas etapas básicas:

Cálculo da Capacitância do Capacitor

1. Interpretar e analisar os parâmetros elétricos das instalações: nas Empresas em Operação, através das medições efetuadas e nas Empresas em Projeto, através dos parâmetros elétricos presumidos;

2. Ter em mãos e interpretar as especificações técnicas de todos os materiais que serão empregados na execução do projeto.

A correção pode ser feita instalando os capacitores, tendo como objetivos a conservação de energia e a relação custo/benefício. A Correção localizada é obtida instalando-se os capacitores junto ao equipamento que se pretende corrigir o fator de potência e representa, do ponto de vista técnico, a melhor solução, apresentando as seguintes vantagens: reduz as perdas energéticas em toda a instalação; diminui a carga nos circuitos de alimentação dos equipamentos; pode-se utilizar em sistema único de acionamento para a carga e o capacitor, economizando-se um equipamento de manobra; gera potência reativa somente onde é necessário. 

Quando se corrige um fator de potência de uma instalação, consegue-se um aumento de potência aparente disponível e também uma queda significativa da corrente. 

Aplicação de cálculos potência para correção de fator de potência em motores de campo distorcido está disponível em: Diagrama de motor monofásico série com correção de fator de potência e

Diagrama de motor monofásico paralelo com correção de fator de potência .

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