sexta-feira, 12 de novembro de 2010

Fator de Potência

O Fator de Potência é um elemento de extrema importância para uma boa rede elétrica. É muito comum um profissional da eletricidade que tem experiência de sobra em corrigir fator de potência mas não sabe o que realmente significa este termo. Por isso resolvi montar este artigo tentando explica o que é o fator de potência de forma bem ilustrada e didática.
A rede elétrica no Brasil é alimentada com tensão alternada (AC) de 127 volts RMS por fase e em 60 Hz. Alguns locais não são 127 volts, mas continuam sendo 60 Hz. O que quer dizer isso?
Tensão da Rede
Tensão da Rede
A tensão da nossa rede varia de 179,6 V a -179,6 V a cada 0,008 segundos, o que nos dá um ciclo (sair de zero, ir a 179,6 V, voltar a zero volts, ir a -179,6 V e novamente ir para zero volts) e para executar um ciclo desse se leva 0,016 segundos. Em 1 segundo ocorrem 60 ciclos desse, por isso 60 Hz. Mas a nossa rede não é 127 V? Por que 179,6 V? Os 127 V são RMS. Seria o equivalente ao dizer que uma tensão alternada, na forma de senóide, que varia entre 179,6 V e -179,6 V causa o mesmo efeito, por exemplo em uma lapada, do que uma tensão contínua (como em uma bateria) em 127 V. Outra forma, mais genérica, do que falar que um ciclo tem 0,016 segundo (apenas em 60 Hz) é dizer que ele tem 360º que é valido essa afirmação para qualquer freqüência. Então vamos ao fator de potência.
O Fator de Potência é um parâmetro de medição da defasagem entre a tensão e a corrente que circulam por uma rede. Ele é o cosseno do ângulo dessa defasagem. Se a defasagem for de um oitavo de ciclo, 45º, o fator de potência é de cosseno de 45º que é 0,71. A maior defasagem que se pode ter, tanto a corrente estando à frente da tensão quanto estando atrás, é de 90º, sendo assim o fator de potência sempre estará entre zero e 1.
Existem basicamente 3 tipos de cargas que podem ser ligadas em uma rede elétrica: cargas resistivas (ex.: ferros de passar roupa, lâmpadas incandescentes, chuveiros), cargas indutivas (ex.: motores, transformadores) e cargas capacitivas (ex.: banco de capacitores, lâmpadas fluorescentes, computadores).
Quando se liga em uma rede uma carga resistiva, a corrente que se circula por essa carga também é alternada e acompanha exatamente a tensão aplicada. Quando se é pico na tensão é pico na corrente e quando é vale na tensão é vale na corrente. Quando isso ocorre diz-se que a tensão e a corrente estão em fase, ou seja, sincronizadas. Logo a defasagem é de zero graus e cosseno de zero é 1. Fator de Potência é 1. Toda carga puramente resistiva possui Fator de Potência 1.
Puramete Resistivo
Puramete Resistivo
Já uma carga indutiva, ela provoca um atraso da corrente. Ela faz com que, ao ser ligada, a corrente comece a circular apenas quando se completa ¼ de ciclo, 90º, da tensão. Isso ocorre devido a campos magnéticos criados pelos enrolamentos de fios (bobinas) existentes nas cargas indutivas. Nesse caso o cosseno de 90º é zero. Fator de potência é zero. Toda carga puramente indutiva possui Fator de Potência zero.
Puramente Indutivo
Puramente Indutivo
Em contrapartida, uma carga capacitiva provoca um atraso na tensão. Ela faz com que, ao ser ligada, a tensão só começa a aparecer apenas quando se completa ¼ de ciclo, 90º, da corrente. Isso ocorre devido a campos elétricos criados pelos capacitores existentes nessas cargas. Nesse caso o cosseno de 90º é zero. Fator de potência é zero. Toda carga puramente capacitiva possui Fator de Potência zero.
Puramente Capacitivo
Puramente Capacitivo
Porém isso só acontece quando a carga é puramente resistiva ou puramente indutiva ou puramente capacitiva. Mas o mais comum é a mistura dessas cargas. Uma carga pode ter características resistivas e indutivas ao mesmo tempo, assim como resistivas e capacitivas, mas nunca indutivas e capacitivas, isso é impossível. Nesse caso, dependendo do grau dessas misturas, o ângulo da defasagem varia, podendo atingir qualquer valor entre zero graus e 90º.
Indutivo
Indutivo
No caso acima, temos uma dessas mistura: metade indutivo e metade resistivo, provocando um atraso na corrente de 1/8 de ciclo, 45º. Logo o Fator de Potência é cosseno de 45º que é 0,71.
Mas por que um fator de potência baixo é ruim? A potência de um circuito elétrico é dada por P = i x U, onde P é a potência, i é a corrente que circula e U é a tensão aplicada. É só multiplicar a corrente pela tensão que se tem a potência. Em uma carga resistiva isso é verdade, pois a tensão anda junto com a corrente. Em uma carga indutiva já não é assim. Quando a tensão está em zero volts, a corrente está no seu máximo e quando a tensão está em seu máximo, a corrente é zero ampéres. O mesmo acontece para a carga capacitiva. Sendo assim a potência de uma carga puramente capacitiva ou puramente indutiva é sempre zero. Com isso se tem corrente passando na rede e nenhuma potência sendo fornecida. É por essa razão que as concessionárias de energia exigem um fator de potência de no mínimo 0,92, caso contrário elas teriam que ter uma rede elétrica de capacidade muito grande, que suportaria correntes enormes, mas forneceriam pouca potência. Aumentando o Fator de Potência, pode-se até usar cabo mais finos, já que a corrente diminuiria,e assim  economizando muito dinheiro em cabos e transformadores. Essa potência é chamada potência ativa. É essa potência que realiza trabalho nas indústrias. Então, para se calcular essa potência ativa se introduziu mais um termo na fórmula da potência: o fator de potência.
P = i x U x f.p. –> Potência ativa (unidade Watts)
Para corrigir esse fator de potência baixo, basta instalar os dois tipos de carga ao mesmo tempo. Se você tem muita carga indutiva, instala-se carga capacitiva, se tem carga capacitiva , instala carga indutiva. Como um atrasa e o outro adianta, a soma dos dois é uma carga neutra, que nem atrasa nem adianta, ou seja, uma carga puramente resistiva. É como se fosse um cabo de guerra: uma pessoa de cada lado puxando o cabo.
Cabo de guerra
Cabo de guerra
Se as duas pessoas tiverem a mesma força, a corda fica no meio (carga resistiva). Se a indutiva for mais forte que a capacitiva, o fator de potência diminui, então se instala bancos de capacitores a fim de se igualar as duas. Nessa analogia, é como se chamasse mais uma pessoa para ajudar a puxar a corda do lado mais fraco para equilibrar com o lado mais forte.

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