Este é o ponto de partida para compreender bancos de condensadores e painéis APFC ou PFI.
Este artigo vai aprofundar o fator de potência e expor o facto: um fator de potência baixo não é simplesmente um tipo de perda. Na verdade, é causado por um “desfasamento”, quer adiantado quer atrasado.
Em artigos futuros, iremos abordar mais aspetos do APFC/PFI. Também iremos aprofundar temas como campos magnéticos noutras séries.
Um motor pode estar a produzir a saída mecânica necessária, mas a corrente que flui pelo cabo pode ainda ser muito superior ao esperado.
Porquê?
Porque, num sistema CA, a corrente pode ter duas responsabilidades:
- Transferir energia que se transforma em trabalho mecânico, calor ou luz.
- Criar e colapsar campos magnéticos ou elétricos no interior do equipamento.
O fator de potência indica-nos que parte da capacidade elétrica fornecida a uma carga está a ser convertida em potência ativa.
kW, kVAR e kVA
Para compreender o fator de potência, precisamos de separar três tipos de potência elétrica.
| Termo | Nome | Significado |
|---|---|---|
| kW | Potência ativa | Potência convertida em saída útil, calor, luz, movimento e perdas do equipamento |
| kVAR | Potência reativa | Potência trocada com campos magnéticos ou elétricos |
| kVA | Potência aparente | Capacidade elétrica total transportada pelo sistema |
Para um sistema sinusoidal:
kVA² = kW² + kVAR²
Esta relação é frequentemente apresentada como um triângulo de potências:
Quanto maior for o componente de potência reativa, maior é o kVA necessário para fornecer o mesmo kW.
O que é o fator de potência?
O fator de potência é a relação entre a potência ativa e a potência aparente:
Fator de potência = Potência ativa ÷ Potência aparente
Ou:
FP = kW ÷ kVA
O valor normalmente varia entre 0 e 1.
Um fator de potência de 1 significa que toda a potência aparente fornecida à carga está a ser convertida em potência ativa.
Um fator de potência de 0,8 significa que um sistema tem de fornecer 100 kVA para entregar 80 kW de potência ativa.
Neste caso, a potência reativa é 60 kVAR, porque:
100² = 80² + 60²
Num sistema sinusoidal, o componente restante é 60 kVAR de potência reativa. Representa energia a ir e vir entre a fonte e a carga, em vez de energia consumida permanentemente pela carga. Cargas não lineares também podem reduzir o fator de potência através da distorção da forma de onda da corrente, o que será abordado mais adiante.
Potência ativa: kW
A potência ativa é a parte que produz uma transferência líquida de energia.
Por exemplo, pode:
- Fazer girar o veio de um motor
- Aquecer um aquecedor elétrico
- Produzir luz
- Operar equipamento eletrónico
Um motor elétrico também consome alguma potência ativa através de perdas no cobre, perdas no ferro, atrito e ventilação. Por isso, nem toda a potência ativa se transforma em saída mecânica útil, mas continua a ser energia real consumida pela carga.
Potência reativa: kVAR
Motores, transformadores, reatores e outros dispositivos indutivos precisam de campos magnéticos para funcionar.
Durante parte de cada ciclo de CA, a energia é retirada da alimentação e armazenada no campo magnético. Quando o campo enfraquece, grande parte dessa energia regressa em direção à alimentação.
Esta troca repete-se continuamente.
A potência reativa, portanto, não é imaginária nem desnecessária. Um motor precisa do seu campo magnético. O problema é que, quando a corrente reativa vem da rede a montante, tem de atravessar o transformador, o aparelhagem de manobra, barramentos, cabos e disjuntores.
Estes componentes têm de transportar a corrente, mesmo que essa parte da corrente não crie uma saída mecânica líquida.
Potência aparente: kVA
A potência aparente representa a carga total imposta ao sistema elétrico.
Transformadores, geradores, sistemas UPS, barramentos, cabos e aparelhagem de manobra são normalmente dimensionados de acordo com a corrente ou kVA, porque têm de transportar tanto corrente ativa como reativa.
O fator de potência pode chegar a 1?
Fator de potência natural da própria carga
Um fator de potência de 1 é fisicamente possível. Uma carga resistiva ideal não tem procura de potência reativa, pelo que a sua potência ativa e a sua potência aparente são iguais.
Um motor de indução, por si só, no entanto, normalmente não consegue atingir um fator de potência de 1, porque necessita sempre de corrente de magnetização para estabelecer o seu campo magnético rotativo.
Após adicionar compensação por condensadores
Um banco de condensadores pode compensar a corrente reativa indutiva do motor. Numa determinada condição de carga, o sistema combinado motor-condensador pode, portanto, aparentar ter um fator de potência muito próximo de 1 quando medido a partir da alimentação a montante.
Manter exatamente 1,00 é difícil na prática porque as cargas industriais mudam continuamente e os bancos de condensadores comutam em degraus fixos. A distorção harmónica também pode manter o fator de potência verdadeiro abaixo de 1, mesmo quando a tensão e a corrente fundamental estão muito alinhadas.
Por esta razão, um sistema APFC é normalmente concebido para manter um fator de potência elevado e estável, muitas vezes em torno de 0,95 a 0,99, em vez de perseguir continuamente exatamente 1,00. Uma pequena margem atrasada também ajuda a evitar sobrecompensação e fator de potência adiantado.
Fator de potência, ângulo de fase e direção adiantada ou atrasada
O fator de potência tem tanto uma magnitude como uma direção.
A magnitude mostra o quanto a corrente está desfasada em relação à tensão. A direção mostra se a corrente está à frente ou atrás da tensão.
Para um sistema CA sinusoidal sem distorção harmónica significativa:
FP = cos φ
Aqui, φ é o ângulo de fase entre a tensão e a corrente da mesma fase.
Por exemplo:
- Corrente 37° atrás da tensão significa 0,80 atrasado
- Corrente 37° à frente da tensão significa 0,80 adiantado
Ambos têm a mesma magnitude de fator de potência porque:
cos 37° ≈ 0,80
Isto é semelhante a −1 e +1. Ambos estão a uma unidade de distância do zero, mas apontam em direções opostas.
| Corrente em relação à tensão | Fator de potência |
|---|---|
| 37° atrás | 0,80 atrasado |
| Alinhado | 1.00 |
| 37° à frente | 0,80 adiantado |
Fator de potência atrasado
Numa carga indutiva, a corrente atinge o mesmo ponto do seu ciclo mais tarde do que a tensão. Assim, a corrente atrasa-se em relação à tensão.
Cargas indutivas comuns incluem:
- Motores de indução
- Transformadores
- Reatores
- Solenoides
- Balastros magnéticos
Estas cargas armazenam temporariamente energia em campos magnéticos, fazendo com que a forma de onda da corrente se desloque para trás da forma de onda da tensão.
Fator de potência adiantado
Numa carga capacitiva, a corrente atinge o mesmo ponto do seu ciclo mais cedo do que a tensão. Assim, a corrente adianta-se em relação à tensão.
Os bancos de condensadores produzem corrente reativa adiantada, que pode compensar parte da corrente reativa atrasada absorvida por motores e transformadores.
Um fator de potência atrasado normalmente significa que o sistema é dominado por cargas indutivas.
Um fator de potência adiantado normalmente significa que o sistema é dominado por cargas capacitivas ou foi sobrecompensado por um banco de condensadores.
Quando a tensão e a corrente estão perfeitamente alinhadas:
φ = 0°
Portanto:
FP = 1
À medida que a magnitude do ângulo de fase aumenta, a magnitude do fator de potência diminui.
Não confunda este ângulo com os 120° entre três fases
Num sistema trifásico equilibrado, as tensões das fases A, B e C estão separadas entre si por 120°.
Esta separação de 120° é uma característica normal de uma alimentação trifásica. Não reduz o fator de potência.
O fator de potência é determinado comparando a tensão de cada fase com a sua corrente correspondente:
- Tensão da fase A com corrente da fase A
- Tensão da fase B com corrente da fase B
- Tensão da fase C com corrente da fase C
Para uma carga resistiva equilibrada, as três tensões continuam a estar separadas por 120°, mas a corrente de cada fase está alinhada com a sua própria tensão. O ângulo tensão–corrente é, portanto, 0°, e o fator de potência é 1.
Para um motor equilibrado, as três correntes também podem manter-se separadas entre si por 120°, enquanto cada corrente se atrasa em relação à sua tensão correspondente em 37°.
Nesse caso:
FP ≈ 0,80 atrasado
O ponto-chave é:
O ângulo de 120° descreve a separação entre as três fases. O ângulo de fator de potência φ descreve o desfasamento entre tensão e corrente na mesma fase.
Num motor, este desfasamento de fase é causado pela corrente de magnetização necessária para estabelecer o campo magnético.
O desfasamento de fase não representa diretamente energia perdida. No entanto, significa que é necessária mais corrente total para fornecer a mesma potência ativa. Essa corrente mais elevada cria perdas adicionais em cabos, transformadores, barramentos e aparelhagem de manobra.
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Porque é que um fator de potência baixo é um problema?
Mais corrente
Um fator de potência baixo significa que o sistema elétrico tem de transportar mais corrente para fornecer a mesma potência ativa.
Considere uma carga trifásica que requer 100 kW a 400 V:
Corrente = kW × 1000 ÷ (√3 × Tensão × Fator de potência)
| Fator de potência | Potência ativa | Potência aparente | Corrente aproximada |
|---|---|---|---|
| 1.00 | 100 kW | 100 kVA | 144 A |
| 0.80 | 100 kW | 125 kVA | 180 A |
| 0.60 | 100 kW | 167 kVA | 241 A |
A carga recebe 100 kW em todos os casos. No entanto, com um fator de potência de 0,60, o sistema elétrico tem de transportar aproximadamente 241 A em vez de 144 A.
Esta corrente adicional afeta todo o sistema a montante.
Corrente mais elevada causa mais perdas
As perdas em cabos e barramentos estão relacionadas com o quadrado da corrente:
Perda = I²R
Isto significa que as perdas aumentam muito mais rapidamente do que a corrente.
Por exemplo, quando a corrente aumenta 25 %, as perdas no condutor aumentam aproximadamente 56 %, assumindo que a resistência se mantém inalterada.
As perdas adicionais aparecem principalmente sob a forma de calor em:
- Cabos
- Barramentos
- Enrolamentos do transformador
- Geradores
- Ligações da aparelhagem de manobra
Corrente mais elevada utiliza mais capacidade do sistema
Transformadores, geradores, sistemas UPS, cabos, disjuntores, barramentos e aparelhagem de manobra têm de ser selecionados de acordo com a corrente ou kVA que transportam, e não apenas de acordo com a potência ativa fornecida à carga.
Por exemplo, um transformador de 1.000 kVA a alimentar cargas com um fator de potência de 0,80 pode, teoricamente, fornecer apenas cerca de 800 kW antes de atingir a sua classificação total em kVA.
Com um fator de potência de 0,95, o mesmo transformador pode suportar aproximadamente 950 kW nas mesmas condições simplificadas.
Um fator de potência baixo, portanto, ocupa capacidade do sistema que, de outra forma, poderia ser utilizada para alimentar cargas ativas adicionais.
Uma corrente mais elevada também pode causar:
- Maior queda de tensão
- Mais aquecimento
- Requisitos de equipamento maiores
- Redução da capacidade disponível de transformadores e geradores
- Cobranças de energia reativa ou de procura em kVA por parte da concessionária
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Melhorar o fator de potência poupa eletricidade
Melhorar o fator de potência pode poupar eletricidade porque reduz a corrente e, portanto, reduz as perdas em cabos, transformadores e outros equipamentos a montante.
No entanto, não reduz a potência exigida pela própria máquina.
Por exemplo, uma bomba que precisa de 50 kW continuará a precisar de cerca de 50 kW após a correção do fator de potência. A poupança vem da redução da potência extra que anteriormente se perdia sob a forma de calor no sistema elétrico.
O fator de potência também pode ser afetado por harmónicas
Num sistema sinusoidal simples, o fator de potência depende principalmente do ângulo de fase entre a tensão e a corrente.
No entanto, equipamento não linear como VFDs, retificadores, sistemas UPS e drivers LED pode distorcer a forma de onda da corrente. Nestes sistemas, o fator de potência pode ser reduzido não só por desfasamento de fase adiantado ou atrasado, mas também por distorção harmónica.
Um artigo futuro nesta série APFC/PFI explicará a distorção harmónica e o seu efeito no fator de potência com mais detalhe.
Conclusão
O fator de potência descreve quanta potência aparente é necessária para fornecer uma determinada quantidade de potência ativa.
Um fator de potência baixo não significa necessariamente que o motor esteja a produzir menos saída. Significa que tem de fluir mais corrente através do sistema elétrico para fornecer a mesma potência ativa.
Para motores e transformadores, a corrente reativa é necessária para estabelecer campos magnéticos. Mas quando essa corrente reativa vem inteiramente da rede a montante, ocupa capacidade do transformador, cabo, barramento e aparelhagem de manobra e cria perdas adicionais.
Isto leva ao objetivo básico da correção do fator de potência:
Fornecer localmente parte da corrente reativa necessária, para que menos dela tenha de viajar através do sistema elétrico a montante.
A próxima parte desta série explicará como um condensador desempenha esta função e porque pode reduzir a corrente reativa absorvida da fonte.
Perguntas Frequentes
Um fator de potência de 0,8 é igual a 80 % de eficiência?
Não. Fator de potência e eficiência são medições diferentes. Um fator de potência de 0,8 significa que a potência ativa é 80 % da potência aparente. Não significa que 20 % da energia de entrada seja necessariamente perdida.
Um fator de potência baixo aumenta a corrente?
Sim. Para a mesma tensão e potência ativa, um fator de potência mais baixo requer uma corrente mais elevada.
Porque é que o fator de potência do motor é fraco com carga leve?
Um motor com pouca carga precisa de menos corrente ativa para produzir binário, mas continua a necessitar de corrente de magnetização para manter o seu campo magnético. A corrente reativa torna-se, portanto, uma proporção maior da corrente total.
A potência reativa é inútil?
Não. A potência reativa suporta os campos magnéticos e elétricos necessários para motores, transformadores, condensadores e outros equipamentos de CA. A preocupação é a corrente adicional que impõe ao sistema de distribuição.
Um condensador pode reduzir a corrente do motor?
Um condensador ligado para correção do fator de potência normalmente reduz a corrente absorvida da alimentação a montante. Não elimina a necessidade do motor de corrente de magnetização. Em vez disso, fornece localmente parte dessa corrente.
O fator de potência pode ser demasiado alto?
Um fator de potência atrasado elevado é normalmente desejável, mas uma compensação excessiva por condensadores pode criar um fator de potência adiantado. Isto pode causar problemas de controlo de tensão, comutação ou ressonância.
Um painel APFC reduz o consumo de kWh?
Reduz principalmente o fluxo de corrente reativa, as perdas do sistema e possíveis penalizações da concessionária. Não reduz diretamente a energia ativa exigida pela maquinaria ligada.
