O que é Fator Potência (FP) Potência Ativa, Reativa e Aparente?

Antes de iniciar o estudo sobre Fator de Potência (FP), é necessário rever alguns conceitos fundamentais e muito importantes para a compreensão das causas e efeitos do FP. 

W - Esta é a unidade que representa a energia que está sendo convertida em trabalho no equipamento. É chamada de Potência Ativa ou também de Potência Real. 

VAr - Esta é a unidade que representa a energia que está sendo utilizada para produzir os campos elétrico e magnético necessários para o funcionamento de alguns tipos de cargas como, por exemplo, motores, transformadores, cargas não-lineares, retificadores industriais etc. Também é resultado de cargas onde a corrente é “chaveada” através de transistores, diodos, tiristores, etc. É chamada de Potência Reativa. 

VA - Esta é a unidade da Potência Aparente, que é obtida pela “soma vetorial” das Potências Ativa e Reativa.

     Para melhor entender o real significado dessas três potências, podem ser feitas algumas analogias:

Figura 1 – Analogia da Cerveja

     Como pode ser visto na Figura 1, a Potencia Ativa (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, junto com a cerveja vem uma parte de espuma, representada pelaPotência Reativa (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 espuma quanto cerveja ocupam espaço no copo, da mesma forma que potência ativa e reativa ocupam a rede elétrica, diminuindo a real capacidade de transmissão de potência ativa da rede, em função de potência reativa ali presente.
     Com base nos conceitos básicos apresentados pode se dizer que o Fator de Potência é a grandeza que relaciona a Potência Ativa e a Potência Aparente, conforme é observado na Equação 1
abaixo:

FP = W / VA

Equação 1 - Fator de Potência Simplificado

      A analogia da cerveja pode ser utilizada para as seguintes conclusões iniciais:
 - Quanto menos espuma tiver no copo, haverá mais cerveja. Da mesma maneira, quanto menos Potência Reativa for consumida, maior será o Fator de Potência.
 - Se um sistema não consome Potência Reativa, possui um Fator de Potência unitário, ou seja, toda a potência drenada da fonte (rede elétrica) é convertida em trabalho.
     Em um mundo ideal, relembrando a analogia da cerveja, VAr deve ser muito pequena (a espuma deve se aproximar de zero) com W e VA praticamente iguais, com menos espuma e mais cerveja. Desta forma há um melhor aproveitamento da capacidade do copo (rede elétrica).

Fator de Potência

Conceitos Básicos 

A maioria das cargas das unidades consumidoras consome energia reativa indutiva, tais como: motores, transformadores, reatores para lâmpadas de descarga, fornos de indução, entre outros. As cargas indutivas necessitam de campo eletromagnético para seu funcionamento, por isso sua operação requer dois tipos de potência:

 Potência ativa: potência que efetivamente realiza trabalho gerando calor, luz, movimento, etc. 
É medida em kW. A figura abaixo mostra uma ilustração disto.



 Potência Reativa: potência usada apenas para criar e manter os campos eletromagnéticos das cargas indutivas. É medida em kvar. A figura seguinte ilustra esta definição.



Assim, enquanto a potência ativa é sempre consumida na execução de trabalho, a potência reativa, além de não produzir trabalho, circula entre a carga e a fonte de alimentação, ocupando um espaço no sistema elétrico que poderia ser utilizado para fornecer mais energia ativa. Definição: 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 kW, kvar e kVA, conforme a Fig. 3.



Conseqüências e Causas de um Baixo Fator de Potência / Perdas na Instalação

As perdas de energia elétrica ocorrem em forma de calor e são proporcionais ao quadrado da corrente total (I2.R). Como essa corrente cresce com o excesso de energia reativa, estabelece-se uma relação entre o incremento das perdas e o baixo fator de potência, provocando o aumento do aquecimento de condutores e equipamentos.

Quedas de Tensão

O aumento da corrente devido ao excesso de energia reativa leva a quedas de tensão acentuadas, podendo ocasionar a interrupção do fornecimento de energia elétrica e a sobrecarga em certos elementos da rede. Esse risco é sobretudo acentuado durante os períodos nos quais a rede é fortemente solicitada. As quedas de tensão podem provocar ainda, a diminuição da intensidade luminosa das lâmpadas e aumento da corrente nos motores.

Subutilização da Capacidade Instalada 

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.

A Tabela 1 mostra a potência total que deve ter o transformador, para atender uma carga útil de 800 kW para fatores de potência crescentes.



Também o custo dos sistemas de comando, proteção e controle dos equipamentos cresce com o aumento da energia reativa. Da mesma forma, para transportar a mesma potência ativa sem o aumento de perdas, a seção dos condutores deve aumentar à medida em que o fator de potência diminui. A Tabela 2 ilustra a variação da seção de um condutor em função do fator de potência. Nota-se que a seção necessária, supondo-se um fator de potência 0,70 é o dobro da seção para o fator de potência 1,00.



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.

Vantagens da Correção do Fator de Potência / Melhoria da Tensão

As desvantagens de tensões abaixo da nominal em qualquer sistema elétrico são bastante conhecidas. Embora os capacitores elevem os níveis de tensão, é raramente econômico instalá-los em estabelecimentos industriais apenas para esse fim. A melhoria da tensão deve ser considerada como um benefício adicional dos capacitores. A tensão em qualquer ponto de um circuito elétrico é igual a da fonte geradora menos a queda de tensão até aquele ponto. Assim, se a tensão da fonte geradora e as diversas quedas de tensão forem conhecidas, a tensão em qualquer ponto pode ser facilmente determinada. Como a tensão na fonte é conhecida, o problema consiste apenas na determinação das quedas de tensão.

A fim de simplificar o cálculo das quedas de tensão, a seguinte fórmula é geralmente usada :



Por esta expressão, torna-se evidente que a corrente relativa à potência reativa opera somente na reatância. Como esta corrente é reduzida pelos capacitores, a queda de tensão total é então reduzida de um valor igual a corrente do capacitor multiplicada pela reatância. Portanto, é apenas necessário conhecer a potência nominal do capacitor e a reatância do sistema para se conhecer a elevação de tensão ocasionada pelos capacitores.
Nos estabelecimentos industriais com sistemas de distribuição modernos e a uma só transformação, a elevação de tensão proveniente da instalação de capacitores é da ordem de 4 a 5%.

Redução das Perdas

Na maioria dos sistemas de distribuição de energia elétrica de estabelecimentos industriais, as perdas RI2t variam de 2,5 a 7,5% dos kWh da carga, dependendo das horas de trabalho a plena carga, bitola dos condutores e comprimento dos alimentadores e circuitos de distribuição. As perdas são proporcionais ao quadrado da corrente e como a corrente é reduzida na razão direta da melhoria do fator de potência, as perdas são inversamente proporcionais ao quadrado do fator de potência.

Redução percentual das perdas : 

 

A Fig. 5 está baseada na consideração de que a potência original da carga permanece constante. Se o fator de potência for melhorado para liberar capacidade do sistema e, em vista disso, for ligada a carga máxima permissível, a corrente total é a mesma, de modo que as perdas serão também as mesmas. Entretanto, a carga total em kW será maior e, portanto, a perda percentual no sistema será menor.



Algumas vezes torna-se útil conhecer o percentual das perdas em função da potência aparente (S) e potência reativa (Q) da carga e da potência reativa do capacitor (Qc). Assim :



Vantagens da Empresa 

 Redução significativa do custo de energia elétrica;
 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 reativa na rede elétrica.

Vantagens da Concessionária 

 O bloco de potência reativa deixa de circular no sistema de transmissão e distribuição;
 Evita as perdas pelo efeito Joule;
 Aumenta a capacidade do sistema de transmissão e distribuição para conduzir o bloco de potência ativa;
 Aumenta a capacidade de geração com intuito de atender mais consumidores;
 Diminui os custos de geração.

Definições 

 Potência: Capacidade de produzir trabalho na unidade de tempo;
 Energia: Utilização da potência num intervalo de tempo;
 Potência Ativa (kW): É a que realmente produz trabalho útil;
 Energia Ativa (kWh): Uso da potência ativa num intervalo de tempo;
 Potência Reativa (kvar): É a usada para criar o campo eletromagnético das cargas indutivas;
 Energia Reativa (kvarh): Uso da potência reativa num intervalo de tempo;
 Potência Aparente (kVA): Soma vetorial das potências ativa e reativa, ou seja, é a potência total absorvida pela instalação.



 Fator de Potência: Razão entre Potência Ativa e Potência Aparente.

Fonte