O que é fator de potência

DEFINIÇÃO DE FATOR DE POTÊNCIA 

O fator de potência, também conhecido como cosseno do ângulo ? (lê-se: “fi”),  é um índice adimensional entre 0 e 1 (não tem unidade de medida), que relaciona as potências ativas, reativas e aparentes, de forma a indicar a proporção, ou ainda, a eficiência em um sistema ou carga. É dado como a razão entre a potência ativa (P) , medida em Watts, e a potência aparente (S), medida em Volt-Ampére. O multiplicador k = 10³ é comumente adotado junto às equações e medidas, devido às questões normativas envolvendo faturamento e adequação à escala de medição.

Dizemos que um sistema é eficiente, quando há a máxima conversão possível de energia elétrica em trabalho, e este trabalho, por sua vez, é oriundo da potência ativa medida em [kW]. Imaginando uma resistência, por exemplo, temos fator de potência unitário (FP=1), o que indica que toda a energia elétrica fornecida a esta resistência, foi convertida em calor, ou melhor, trabalho.

Sabemos que nem só de resistências o mundo vive, necessitamos de transformadores, geradores, motores, reatores, entre outros tipos de cargas, que por sua vez, precisam da potência reativa para manter campos eletromagnéticos em cargas de característica indutiva. Com base nisso percebemos que eficiente é o sistema que realiza o máximo de trabalho, com a energia reativa necessária para isso, elevando o Fator de Potência para o mais próximo possível do unitário. 

FATOR DE POTÊNCIA INDUTIVO E CAPACITIVO

Considerando um sistema alternado senoidal, temos:

FATOR DE POTÊNCIA RESISTIVO

Quando uma carga puramente resistiva é conectada ao sistema, a corrente e a tensão estarão em fase, ou seja, sem atraso ou adiantamento da tensão em relação a corrente e vice-versa. Obtemos o fator de potência unitário (FP=1)

FATOR DE POTÊNCIA INDUTIVO

O fator de potência indutivo surge quando há o consumo de energia reativa por cargas de características indutivas. Neste caso temos motores, fornos de indução, transformadores, ou seja, equipamentos com bobinas, rotores, e demais dispositivos que necessitam de campo eletromagnético. Temos então o fator de potência indutivo, onde há um atraso da corrente em relação à tensão.

FATOR DE POTÊNCIA CAPACITIVO

O fator de potência capacitivo surge com a geração de potência reativa, por cargas com características capacitivas. Temos aqui bancos de capacitores, cabos elétricos enterrados, entre outros, que causam adiantamento da corrente em relação a tensão

CONSEQUÊNCIAS DO FATOR DE POTÊNCIA

O Fator de potência é um índice que precisa de atenção e controle. Diversas são as consequências quando não há regulação adequada. Citamos abaixo alguns problemas por baixo fator de potência:

MULTAS E EXCEDENTES POR FATOR DE POTÊNCIA

O aumento de energia reativa gera consumo de excedentes reativos e, consequentemente, aumento na fatura de energia elétrica, uma vez que por lei, quando abaixo de 0,92, é permitido o faturamento de energia reativa excedente.

PERDAS NA INSTALAÇÃO POR BAIXO FATOR DE POTÊNCIA

Ocorrem em forma de calor. Há um crescimento em excesso de energia reativa, logo um aumento de corrente que provoca aquecimento de condutores e equipamentos.

QUEDAS E AUMENTO DOS NÍVEIS DE TENSÃO

Em resposta ao aumento da corrente temos as quedas nos níveis de tensão. Isto pode ocasionar interrupções, mau funcionamento, e sobrecarga em alguns elementos da rede, no entanto, o excesso de cargas capacitivas, ou manobras mal projetadas também pode gerar um aumento de tensão, igualmente, ou até mais prejudicial à instalação.

SUBUTILIZAÇÃO DA CAPACIDADE POR FALTA DE CORREÇÃO DO FP

A energia reativa ocupa um potencial de uso que poderia ser utilizado na conversão de trabalho, pela potência ativa. Inclusive, é com base nesse aspecto que o faturamento ocorre. Esse condicionamento da instalação limita e onera ampliações, que necessitam ser ampliadas. Veja um exemplo do aumento da potência do transformador, em função de fatores de potência não corrigidos.

CAUSAS DO BAIXO FATOR DE POTÊNCIA

O desbalanceamento e afastamento do FP do seu valor unitário é causado em função das cargas instaladas. O mau uso, escolha de cargas de baixo rendimento, ou a super ou sub utilização de cargas, são fatores conhecidos que podem ser ajustados. Abaixo listamos alguns fatores causadores do baixo fator de potência:

• Transformadores trabalhando a vazio ou com pouca carga;
• Motores superdimensionados para as cargas;
• Motores de indução trabalhando a vazio;
• Quantidade elevada de motores de pequena potência;
• Reatores de baixo fator de potência no sistema de iluminação;
• Fornos de indução ou a arco;
• Máquinas de tratamento térmico;
• Nível de tensão acima do valor nominal provocando um aumento do consumo de energia reativa.

COMO O FATOR DE POTÊNCIA É FATURADO?

O fator de potência limite adotado no Brasil é de 0,92. Este limite permite que clientes na modalidade horosazonal (com postos horários definidos: Ponta, Fora ponta) sejam faturados por energia reativa excedente, popularmente conhecida como multa por fator de potência. Esta multa, na verdade, é nada mais do que a concessionária cobrando o transporte equivalente a energia ativa que poderia ser entregue pelo sistema neste “espaço” utilizado pela energia reativa.

HORÁRIO INDUTIVO E CAPACITIVO

Junto com o faturamento foi definida a faixa-horária para a análise do fator de potência:

• Das 6h às 24h, o fator de potência deve ser superior 0,92 indutivo, devido à predominância de cargas indutivas ligadas ao longo do dia;
• Das 00h até às 6h, o fator de potência deve ser no mínimo 0,92 capacitivo, devido ao desligamento e ausência de cargas indutivas e predominância de cargas capacitivas.

COMO O FATOR DE POTÊNCIA É CALCULADO?

A ocorrência e medição do fator de potência é dada de forma mensal ou horária. Portanto é importante, para fins de medição e controle, atentar-se ao janelamento mínimo de 1 (uma) hora.

FATOR DE POTÊNCIA HORÁRIO

FER (Ponta/Fora ponta) : Faturamento do consumo de reativo excedente;

CAh: Consumo de Energia Ativa medido a cada hora;

FPh: Fator de Potência Calculado/medido a cada hora;

TCA(posto): Tarifa de Energia Ativa no posto horário;

n: número de intervalos de 1 hora, por posto horário de faturamento;

h: número de intervalos de 1 hora;

FDR (Ponta/Fora ponta) : Faturamento da demanda de potência reativa excedente por posto horário de trabalho;

DAh: Demanda de Potência Ativa medida a cada hora;

MAX: Função que seleciona o maior valor de (DAh 0,92FPh);

FPh: Fator de Potência Calculado/medido a cada hora;

TDA(posto): Tarifa de Demanda de Potência Ativa no posto horário;

n: número de intervalos de 1 hora, por posto horário de faturamento;

h: número de intervalos de 1 hora.

FATOR DE POTÊNCIA MENSAL

FDR : Faturamento da demanda de reativo excedente;

DM : Demanda ativa máxima registrada no mês (kW);

DF : Demanda ativa faturável no mês (kW);

fm : Fator de potência médio mensal;

TDA : Tarifa de demanda ativa (R$/ kW);

FER : Faturamento do consumo de reativo excedente;

CA : Consumo ativo do mês (kWh);

TCA : Tarifa de consumo ativo (R$ / kWh);

COMO ELIMINAR MULTA POR FATOR DE POTÊNCIA?

Inicialmente uma análise e estudos nas faturas de energia é necessária. A partir disso, realiza-se um estudo e projeto de bancos de capacitores para correção do fator de potência, mantendo-o dentro dos limites de operação.

Os bancos de capacitores corrigem o fator e potência em pontos específicos, conforme as características das cargas, e necessidade momentânea. Eles fornecem reativos ao sistema quando necessário, diminuindo as perdas e trazendo grandes benefícios técnicos e econômicos tanto ao consumidor quanto à própria concessionária. 

O estudo e análise de energia se faz necessário, uma vez que existem bancos fixos, programáveis e automáticos, e também necessita-se saber quais as potências e desfragmentações de células capacitivas para cada aplicação, fora componentes importantes como as harmônicas.

Abaixo mostramos uma medição real, em um quadro geral de baixa tensão, com a respectiva solução para controle do fator de potência, utilizando de controlador de fator de potência automático.

Medição gerada a partir do analisador de energia RE6001 – Embrasul

No gráfico, vemos o comportamento do fator de potência ao longo de 5 dias, estando quase que 100% do tempo abaixo dos 0,92 indutivo, gerando multas e excedentes durante todo o tempo.  DHTu < 4,5%, e DHTi < 13,9%. A necessidade de correção é de no mínimo 110kVAr, desfragmentados em 12 estágios, sendo:

• 2 células 2,5kVAr
• 3 células 5kVAr
• 3 células de 10kVAr
• 4 células de 15 kVAr

Neste caso, cada um desses estágios foi atribuído a uma saída do controlador de fator de potência automático CM4040 – Embrasul, que aciona cada saída, conforme necessidade momentânea, mantendo o FP na faixa acima de 0,92. O retorno financeiro ocorreu em período inferior a 10 meses e a vida útil é estimada em 10 anos.

VANTAGENS DA CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA

• Aumento da eficiência energética;
• Inibir a ocorrência de multas por excesso de reativos;
• Melhor aproveitamento da capacidade de transformadores;
• Aumento na vida útil de equipamentos;
• Melhoria e diminuição das variações de Tensão;
• Redução dos custos de manutenção;
• Condutores menos aquecidos (perda de energia);
• Redução da corrente reativa (menos custo com condutores);
• Redução dos investimentos para instalação de novos equipamentos.

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