Compreender o fator de potência e como ele afeta suas contas de energia

Além da segurança e confiabilidade, vários outros objetivos, incluindo a eficiência, devem ser buscados no projeto e na implementação de sistemas elétricos. Uma das medidas de eficiência em um sistema elétrico é a eficiência com que o sistema transforma a energia que recebe em trabalho útil. Essa eficiência é indicada por um componente dos sistemas elétricos conhecido como Fator de Potência. O fator de potência indica quanta potência está realmente sendo usada para realizar um trabalho útil por uma carga e quanta potência ela está “desperdiçando”. Por mais trivial que pareça o nome, é um dos principais fatores por trás das altas contas de eletricidade e das falhas de energia.

Para ser capaz de descrever adequadamente o fator de potência e seu significado prático, é importante refrescar sua memória sobre os diferentes tipos de cargas elétricas e componentes de energia que existem.

Nas classes básicas de eletricidade, as cargas elétricas são normalmente de dois tipos;

Cargas resistivas
Cargas Reativas

1. Cargas resistivas

Cargas resistivas, como o nome indica, essas cargas são compostas por elementos puramente resistivos. Para este tipo de cargas (considerando as condições ideais), toda a potência fornecida é dissipada para o trabalho devido ao fato da corrente estar em fase com a tensão. Um bom exemplo de cargas resistivas inclui lâmpadas incandescentes e baterias.

O componente de potência associado às cargas resistivas é conhecido como potência real. Esta potência real também é às vezes chamada de potência de trabalho, potência verdadeira ou potência real. Se você é novo no uso de energia CA e se sente confuso com todas essas formas de onda, é recomendável ler sobre os fundamentos de CA para entender como funciona a energia CA.

2. Cargas reativas

Cargas reativas, por outro lado, são um pouco mais complexas. Embora eles causem uma queda na tensão e consumam corrente da fonte, eles não dissipam nenhuma energia útil, porque a energia que obtêm da fonte não funciona. Isso é devido à natureza das Cargas Reativas.

Cargas reativas podem ser capacitivas ou indutivas. Em cargas indutivas, a energia retirada é usada para configurar o fluxo magnético sem qualquer trabalho direto realizado, enquanto para cargas capacitivas, a energia é usada para carregar o capacitor e não produzir trabalho diretamente. A potência dissipada em cargas reativas é denominada potência reativa. Cargas reativas são caracterizadas pelo avanço da corrente (cargas capacitivas) ou pelo atraso (cargas indutivas) atrás da tensão, como tal, geralmente existe uma diferença de fase entre a corrente e a tensão.

Os dois gráficos acima representam uma carga indutiva e capacitiva em que o fator de potência está atrasado e avançado, respectivamente. As variações nestes dois tipos de carga levam à existência de três componentes de potência nos sistemas elétricos, a saber;

Potência real
Potência Reativa
Poder aparente

1. Potência real

Esta é a potência associada às cargas resistivas. É o componente de energia dissipado para o desempenho do trabalho real em sistemas elétricos. Do aquecimento à iluminação, etc., é expresso em Watts (W) (junto com seus multiplicadores, quilo, Mega, etc.) e representado simbolicamente pela letra P.

2. Potência reativa

Esta é a potência associada às cargas reativas. Como resultado do atraso entre a tensão e a corrente nas cargas reativas, a energia consumida na reativa (capacitiva ou indutiva) não produz trabalho. É conhecido como potência reativa e sua unidade é Volt-Ampere reativa (VAR).

3. Potência aparente

Os sistemas elétricos típicos compreendem cargas resistivas e indutivas, pense em suas lâmpadas e aquecedores para cargas resistivas e equipamentos com motores, compressores, etc. como cargas indutivas. Assim, em um sistema elétrico, a Potência Total é uma combinação dos componentes de potência real e reativa, essa potência total também é chamada de Potência Aparente.

A potência aparente é dada pela soma da potência real e potência reativa. Sua unidade é volt-amperes (VA) e representada matematicamente pela equação;

Potência aparente = potência real + potência reativa

Em situações ideais, a potência real dissipada em um sistema elétrico é geralmente maior do que a potência reativa. A imagem abaixo mostra o diagrama vetorial desenhado usando os três componentes de energia

Este diagrama vetorial pode ser transformado no triângulo de potência, conforme mostrado abaixo.

O fator de potência pode ser calculado obtendo o ângulo theta (ϴ) mostrado acima. Aqui, teta é o ângulo entre a Potência Real e a Potência Aparente. Então, seguindo a regra do cosseno (Adjacente sobre a hipotenusa), o fator de potência pode ser estimado como a razão entre a potência real e a potência aparente. As fórmulas para calcular o fator de potência são fornecidas abaixo

PF = Potência Real / Potência Aparente ou PF = Cosϴ

Colocando isso lado a lado com a equação para determinação da potência aparente, é fácil perceber que um aumento na potência reativa (presença de um grande número de cargas reativas), leva a um aumento na potência aparente e um maior valor para o ângulo ϴ, que no final das contas resulta em um fator de potência baixo quando seu cosseno (cos ϴ) é obtido. Por outro lado, a redução das cargas reativas (potência reativa) leva a um aumento do fator de potência, indicando alta eficiência em sistemas com menos cargas reativas e vice-versa. O valor do Fator de Potência estará sempre entre 0 e 1, quanto mais próximo de um maior será a eficiência do sistema. Na Índia, o valor do fator de potência ideal é considerado 0,8. O valor do fator de potência não tem unidade.

Importância do fator de potência

Se o valor do fator de potência for baixo, isso significa que a energia da rede elétrica está sendo desperdiçada, pois uma grande parte dela não está sendo usada para trabalhos significativos. Isso ocorre porque a carga aqui consome mais potência reativa em comparação com a potência real. Isso coloca uma pressão no sistema de alimentação, causando uma sobrecarga no sistema de distribuição, pois tanto a potência real exigida pela carga quanto a potência reativa usada para satisfazer as cargas reativas serão retiradas do sistema.

Essa pressão e "desperdício" normalmente leva a enormes contas de eletricidade para os consumidores (especialmente consumidores industriais), pois as concessionárias calculam o consumo em termos de energia aparente, como tal, elas acabam pagando pela energia que não foi usada para realizar qualquer trabalho "significativo". Algumas empresas também multam seus consumidores se eles consumirem mais energia reativa, pois isso causa uma sobrecarga no sistema. Esta multa é imposta de forma a reduzir o baixo fator de potência que causa cargas utilizadas nas indústrias.

Mesmo em situações em que a energia está sendo fornecida pelos geradores da empresa, dinheiro é desperdiçado em geradores maiores, cabos maiores, etc., necessários para fornecer energia quando uma boa parte dela está para ser desperdiçada. Para entender melhor isso, considere o exemplo abaixo

Uma fábrica operando com uma carga de 70kW poderia ser alimentada com sucesso por um Gerador / Transformador e cabos classificados para 70 kVA se a fábrica estiver operando com um fator de potência de 1. Mas, se o fator de potência cair para 0,6, então mesmo com a mesma carga de 70KW, um gerador ou transformador maior classificado para 116,67 kVA (70 / 0,6) será necessário, pois o gerador / transformador terá que fornecer a energia adicional para a carga reativa. Além desse grande aumento nos requisitos de energia, o tamanho dos cabos usados também precisaria ser aumentado, levando a um aumento significativo no custo do equipamento e aumento das perdas de energia como resultado da resistência ao longo dos condutores. A punição para isso vai além das altas contas de eletricidade em alguns países, já que as empresas com baixo fator de potência geralmente recebem multas enormes para incentivar a retificação.

Melhorando o fator de potência

Com tudo o que foi dito, você concordará comigo que faz mais sentido do ponto de vista econômico retificar o baixo fator de energia do que continuar pagando enormes contas de eletricidade, especialmente para grandes indústrias. Também se estima que mais de 40% nas contas de eletricidade podem ser economizados em grandes indústrias e fábricas se o fator de energia for corrigido e mantido baixo.

Além da redução no custo para os consumidores, a operação de um sistema eficiente contribui para a confiabilidade e eficiência geral da rede elétrica, pois as concessionárias são capazes de reduzir as perdas nas linhas e os custos de manutenção, ao mesmo tempo que experimentam uma redução na quantidade de transformadores e infraestrutura de suporte semelhante necessária para suas operações.

Calculando o fator de potência para sua carga

A primeira etapa para corrigir o fator de potência é determinar o fator de potência para sua carga. Isso pode ser feito por;

1. Calculando a potência reativa usando os detalhes de reatância da carga

2. Determinar a potência real que está sendo dissipada pela carga e combiná-la com a potência aparente para obter o fator de potência.

3. O uso do medidor do fator de potência.

O medidor do fator de potência é usado principalmente porque ajuda a obter facilmente o fator de potência em grandes configurações de sistema, onde determinar os detalhes de reatância da carga e a potência real dissipada pode ser um caminho difícil.

Com o fator de potência conhecido, você pode proceder para corrigi-lo, ajustando-o o mais próximo possível de 1.nO fator de potência recomendado pelas empresas de fornecimento de eletricidade, geralmente está entre 0,8 e 1 e isso só pode ser alcançado se você estiver executando um carga resistiva ou a reatância indutiva (carga) no sistema é igual à reatância de capacitância, pois ambas se cancelarão mutuamente.

Devido ao fato de que o uso de cargas indutivas é uma causa mais comum para o baixo fator de potência, especialmente em ambientes industriais (devido ao uso de motores pesados, etc.), um dos métodos mais simples de corrigir o fator de potência é cancelando o reatância indutiva através do uso de capacitores de correção que introduzem reatância capacitiva no sistema.

Os capacitores de correção do fator de potência atuam como um gerador de corrente reativa, neutralizando / compensando a energia que está sendo “desperdiçada” por cargas indutivas. No entanto, uma consideração cuidadosa do projeto deve ser feita ao inserir esses capacitores nas configurações para garantir uma operação suave com equipamentos como drives de velocidade variável e um equilíbrio efetivo com o custo. Dependendo da instalação e da distribuição de carga, o projeto pode compreender capacitores de valor fixo instalados em pontos de carga indutiva ou bancos de capacitores de correção automática instalados nos barramentos dos painéis de distribuição para uma correção centralizada que geralmente é mais econômica em grandes sistemas.

O uso de capacitores de correção de fator de potência em configurações tem suas desvantagens, especialmente quando os capacitores certos não são usados ou o sistema não é projetado corretamente. O uso dos capacitores pode produzir algum breve período de “sobretensão”, ao serem ligados, o que pode afetar o bom funcionamento de equipamentos como acionadores de velocidade variável, fazendo com que eles desliguem de forma intermitente ou explodam os fusíveis de alguns dos capacitores. No entanto, poderia ser resolvido tentando fazer ajustes na sequência de controle de chaveamento, no caso de conversores de velocidade, ou eliminando correntes harmônicas no caso de fusíveis.

Fator de potência da unidade e por que não é prático

Quando o valor do seu fator de potência é igual a 1, o fator de potência é considerado fator de potência unitário. Pode ser tentador obter o fator de potência ideal de 1, mas é quase impossível obtê-lo devido ao fato de que nenhum sistema é verdadeiramente ideal. Nesse sentido, nenhuma carga é puramente resistiva, capacitiva ou indutiva. Cada carga é composta por alguns dos elementos do outro, não importa o quão pequeno seja, como tal faixa típica de fator de potência realizável é geralmente de até 0,9 / 0,95. Já aprendemos sobre essas propriedades parasitas dos elementos RLC em nossos artigos ESR e ESL com Capacitores.

O fator de potência é um determinante de quão bem você está usando a energia e quanto você paga nas contas de eletricidade (especialmente para indústrias). Por extensão, é o principal contribuinte para o custo operacional e pode ser o fator por trás das margens de lucro reduzidas que você não tem prestado atenção. Melhorar o fator de potência do seu sistema elétrico pode ajudar a reduzir as contas de eletricidade e garantir que o desempenho seja maximizado.