ARMSTRONGTEC WIND, SOLAR AND TIDAL POWER PLANT

1. O que é fator de potência ?

A corrente elétrica total que circula numa
carga qualquer é resultante da soma vetorial de duas
componentes de corrente elétrica. Uma componente que é
denominada de corrente ativa e a outra que é denominada
de corrente reativa. A soma vetorial da corrente ativa e
da corrente reativa é denominada de corrente aparente

Como sabemos, o resultado da multiplicação
da corrente pela tensão é denominada de potência, assim : O
produto da corrente ativa numa carga pela tensão a que está
submetida esta carga resulta na potência ativa da carga
e o produto da corrente reativa numa carga pela tensão a que
está submetida esta carga resulta na potência reativa
da carga e, a soma vetorial da potência ativa e da potência
reativa de uma carga resulta na potência aparente da
carga.

Sabemos tambem, que o resultado da multiplicação
da potência pelo tempo é denominada de energia, assim : O
produto da potência ativa de uma carga por um intervalo de
tempo t resulta na energia ativa da carga e, o produto da
potência reativa de um carga pelo mesmo intervalo de tempo t
resulta na energia reativa da carga e, a soma vetorial da
energia ativa e da energia reativa de uma carga, se podemos
dizer assim, resulta na energia aparente da carga.

Vetorialmente, a potência reativa está
defasada (adiantada ou atrazada) de 90º em relação a potência
ativa.

Se a carga consome energia reativa, diz-se que a energia reativa consumida está 90º atrazada em relação a energia ativa.No sentido anti-horário (ao contrário dos ponteiros do relógio) a curva da potência ativa atinge pontos de máximos e de minímos 90º na frente da curva da potência reativa, ou seja, a curva da potência reativa está 90º atrazada em relação a curva da potência ativa.

Se a carga fornece energia reativa, diz-se que a energia reativa fornecida está 90º adiantada em relação a energia ativa.No sentido anti-horário (ao contrário dos ponteiros do relógio) a curva da potência ativa atinge pontos de máximos e de minímos 90º após a curva da potência reativa, ou seja, a curva da potência reativa está 90º adiantada em relação a curva da potência ativa.

Como exemplo de cargas que consomem
energia reativa temos:

. Transformadores,

. Motöres de indução,

. Reatores, etc

Como exemplo de cargas que fornecem
energia reativa temos:

. Capacitores,

. Motores sincronos,

. Condensadores sincronos, etc

Certas grandezas elétricas, na realidade,
apresentam um módulo (valor entre | |) e um ânƒulo (valor após
/ ), por isso são chamadas de grandesas vetoriais.

O ângulo é referenciado ao eixo dos
"X", no diagrama carteziano X,Y e cresce a partir de 0º
como no circulo trigonométrico, ou seja, no sentido anti-horário.

Se admitirmos uma tensão referencial
"V" aplicada a uma determinada carga com valor V = |V|
/ 0º, ou seja, de módulo igual a |V| e um ângulo de 0º, num
diagrama vetorial teriamos :

A corrente realmente é para baixo no
diagrama já que por por convenção, lembre-se, a potência
reativa numa carga indutiva está atrasada em relação a potência
ativa.



Ora, a potência é dada pelo produto da tensão pela corrente,
assim, nesta carga teremos:





S aparente = S = |V| /0º x |I| /-Bº = |V| x |I| /0º + (-Bº)
= |V|x|I| /-B , que é dada em VA (volt-ampéres),



P ativa = Pa = |V| /0º x |Ia| /0º = |V| x |Ia| /0º , que é
dada em W (watts),



P reativa = Pr = |V| / 0º x |Ir| /-90º = |V| x |Ir| /0º +
(-90º) = |V|x|Ir| /-90º , que é dada em VAr (volt-ampéres-reativo),



O diagrama vetorial das potências ficaria assim :

Observe que "B" é o ângulo entre
S e Pa que é o mesmo ângulo entre I e V. Este ângulo é o
mesmo ângulo de defasagem entre a corrente e a tensão, neste
caso de carga indutiva, é o ângulo de atrazo da corrente em
relação a tensão.

Podemos repetir todo o raciocínio admitindo
a tensão V submetida a uma carga fornecedora de energia reativa
(carga capacitiva), onde, chegaremos a conclusão que o ângulo
"B" é o ângulo de adiantamento da corrente em relacão
a tensão.





Imaginemos agora, um caso em que a tensão aplicada sobre uma
carga indutiva tenha um ângulo diferente de zero e que a
corrente que circula nesta carga tambem. Como diagrama vetorial
teremos :

NA EXPRESSÃO |Pa| = |S| x cos B DEFINIU-SE O
"cos B" COMO SENDO O FATOR DE POTÊNCIA DA
CARGA.



logo, o Fator de potência (Fp) nada mais é do que o cosseno do
ângulo formado entre a potência ativa (Pa) e a potencia
aparente (total) (S) de uma carga que nada mais é do que o
angulo formado entre a corrente total I e a sua componente ativa
Ia. Ou seja, ele expressa a razão entre os módulos de Pa e S.

O fator de potência é sempre um número
entre 0 e 1 (alguns o expressam entre 0 e 100%) e pode ser
capacitivo ou indutivo, ou seja positivo ou negativo, dependendo
se a energia reativa for capacitiva ou indutiva.

2. O que é energia reativa?

Fisicamente, qualquer equipamento que
transforme energia elétrica recebida em outra forma de energia
(térmica, luminosa, mecânica, etc) sem necessitar de uma
"energia" para efetuar a transformação é um
equipamento consumidor de energia ativa.



Quaquer equipamento que, ao contrário, precise de uma
"energia" para efetuar a transformação é um
equipamento consumidor de energia ativa e de energia reativa.



Em geral, a maioria das cargas de uma instalaçào elétrica são
indutivas, ou seja, como vimos, são consumidoras de energia
reativa.

Elas consomem energia reativa porque precisam
de um campo eletromagnético para funcionarem, por exemplo, ela
é a responsável pela magnetização dos enrolamentos de
motores, transformadores, reatores, etc que são equipamentos
que necessitam de uma "energia magnetizante" para
transformar parte da energia recebida em trabalho util, ou seja,
em energia consumida transformada. Esta parcela de energia
trocada entre o gerador e o receptor, que não é propriamente
consumida como energia, é que é a energia reativa.



Numa instalação elétrica normalmente teremos envolvidas então
a :



Energia ativa, que realiza o trabalho propriamente dito,
gerando calor, iluminação, movimento, etc e a



Energia reativa, que manterá o campo eletromagnético.



A soma destas duas energias, como já vimos, resulta na energia
aparente ou energia total da instalação elétrica.



A energia reativa poderá ser indutiva ou capacitiva.



Ela será indutiva quando a instalação elétrica a requisitar
da fonte de suprimento de energia elétrica (caso das cargas
indutivas), neste caso ela é tida como negativa.



Ela será capacitiva quando a instalação elétrica a fornecer
a fonte de suprimento de energia elétrica (caso das cargas
capacitivas), neste caso ela é tida como positiva.



Como já vimos, cabe lembrar que a energia reativa indutiva impões
atrazo na corrente em relação a tensão, já as cargas
capacitivas que geram energia reativa capacitiva impõe
adiantamento na corrente em relação a tensão.

Esta é a razão de utilizarmos capacitores
para corrigir o baixo fator de potência causado pelas cargas
indutivas na maioria das instalações elétricas.

Para efetuar a medição da energia ativa, as
concessionárias utilizam medidores de energia ativa (quilowatímetros).
O modelos mais comuns são os eletromecânicos, e são dotados
de um disco que gira com velocidade proporcional ao consumo de
energia ativa a cada instante. Estes medidores são parecidos
com o que temos em nossas casas. A principal diferença é que o
medidor é dotado de um dispositivo que emite um número
determinado de pulsos a cada volta do disco.



Nas instalações dos médios e grandes consumidores industriais
são também instalados medidores de energia reativa, para que
as concessionárias possam dimensionar o fator de potência da
instalação. Da mesma forma, são utilizados medidores
eletromecânicos de energia reativa, na maioria das empresas.
Entretanto, como os pulsos são iguais quando o disco gira para
o lado certo (energia reativa indutiva) ou para o lado errado
(energia capacitiva), e não se deseja confundir os
registradores ou controladores que recebem estes pulsos, os
medidores possuem uma trava que impede que o disco gire para o
lado errado. Assim, os medidores de KVArh normalmente só medem
(e emitem pulsos) energia reativa indutiva.



Na curva abaixo temos o exemplo do comportamento do fator de potência
para uma instalação elétrica. Observe que no período das
7h00 às 23h00 o fator de potência foi indutivo e no período
das 23h00 às 5h00 foi capacitivo. Observe tambem que o registro
foi horário, ou seja, o valor registrado foi o fator de potência
médio de hora em hora.

3. Por que se mede energia reativa em KQh?

Os registradores da concessionária (RDTD,
RDMT ou REP) nunca "enxergam" energia capacitiva se o
medidor instalado for um medidor de KVArh. Para minimizar este
problema, algumas concessionárias costumam utilizar medidores
especiais, preparados para medir energia reativa em KQh.

Para uma melhor compreensão, veja a figura
abaixo: vetorialmente, o eixo da energia reativa em KQh está 30º
atrazado em relação ao eixo da energia reativa em KVArh
(sentido anti-horário).

Com este artifício, as concessionárias
podem medir de fator de potência até 0,866 capacitivo, e por
este motivo medidores de KQh são muito comuns por todo o país.

4. Como é dimensionado o fator de potência de uma
instalação.

O fator de potência ( Fp ) em percentual (%)
de uma instalação pode ser cálculado por várias expressões,
as mais usuais são as duas a seguir, em função das medidas
que a concessionária realiza na unidade consumidora.

Caso o medidor de energia reativa da
concessionária meça KVArh e não KQh, o fator de potência
poderá ser calculado pela expressão:

Cabe lembrar (ver item 3.) que a fórmula
para conversão de Qh em KVArh é dada pela expressão :

5. Por que controlar o fator de potência?

A Portaria nº 1569/93 do DNAEE estabeleceu,
em linhas gerais, que os consumidores do Grupo A deverão manter
o fator de potência das suas instalações acima de 0,92
indutivo, durante os horários de ponta e de fora de ponta
indutivo, e acima de 0,92 capacitivo, durante o horário
capacitivo.

O fator de potência é monitorado pela
concessionária, logo, é necessário controla-lo continuamente
de modo a evitar a cobrança de multa por Reativo Excedente ou
por baixo fator de potência, que poderá assumir valores
relevantes frente ao custo total da Fatura de energia elétrica
da instalação. (Ver página "Multa por Baixo Fator de Potência")

Afora a incidência da multa, o baixo fator
de potência causa sérios problemas às instalações elétricas,
tanto do consumidor quanto da concessionária, como:

6. Causas do baixo fator de potência.

Diversas são as cargas que provocam o baixo
fator de potência de uma instalação elétrica, como :

a) Motores de indução,

b) Lâmpadas fluorescentes,

c) Retificadores e equipamentos eletrônicos,

d) Ar condicionados, etc

De uma maneira geral qualquer equipamento elétrico
que possua enrolamento, exige energia reativa para funcionar.
Esta energia reativa, exigida pela carga, se for elevada frente
a energia ativa por ela exigida provoca, como vimos, o baixo
fator de potência da carga, ou seja, um alto ângulo na impedância
equivalente da carga que, em última análise, nada mais é do
que o aumento da defasagem (ângulo de fase) entre a tensão
aplicada a carga e a corrente circulante nela.

Ou de outra maneira, uma determinada carga que consuma uma
energia ativa fixa e que tenha o consumo da energia reativa
elevada face as condições operacionais a que está submetida,
terá, evidentemente, uma elevação na sua potência aparente,
o que provocará um aumento no módulo da corrente circulante
que a alimenta provocando perda R.I² de energia.

Por exemplo, no caso de motores, o fator de
potência diminui com a redução da carga mais rapidamente que
o seu rendimento. Na figura abaixo, observamos isto claramente,
pois embora o rendimento não sofra grandes quedas quando a
carga cai de 100% para 60%, por exemplo, verifica-se que o mesmo
não ocorre com o fator de potência. Em muitas aplicações de
regime intermitente, a potência nominal do motor (100% da
carga) é exigida durante curtos períodos (5% a 20%) de tempo e
o restante do tempo (95% a 80%) o motor trabalha sem carga, ou
seja, fica ligado a vazio onde o fator de potência é
significativamente baixo.

Em outras aplicações é necessário uma potência
nominal grande devido a inércia do sistema de partida e, após
a partida, o motor fica operando com apenas 30% da sua
capacidade em regime constante, ou seja, na zona de baixo fator
de potência.

Assim, observa-se que o uso dos motores merecem criteriosos
estudos, pois implicam em grandes desperdícios de energia e
baixo fator de potência, principalmente, em decorrência de
super-dimensionamentos e prolongados trabalhos em vazio. Por
isto é necessário que as empresas revizem a capacidade de seus
motores e corrijam o fator de potência através de bancos de
capacitores, afim de evitarem as pesadas multas cobradas pelas
concessionárias.