O que é Fator de Potência?
Na engenharia elétrica, o fator de potência (FP) de um sistema de energia elétrica CA é definido como a razão entre a potência ativa (medida em quilowatts, kW) absorvida pela carga e a potência aparente (medida em quilovolt-ampères, kVA) fluindo pelo circuito. O fator de potência é um número adimensional no intervalo fechado de -1 a 1.
O "fator de potência ideal" é um (também referido como "unidade"). Isso ocorre quando não há potência reativa no circuito, e, portanto, a potência aparente (kVA) é igual à potência ativa (kW). Uma carga com um fator de potência de 1 é a carga mais eficiente da fonte.
Dito isso, isso não é realista, e o fator de potência na prática será menor que 1. Várias técnicas de correção de fator de potência são usadas para ajudar a aumentar o fator de potência para este estado ideal.
Para explicar melhor, vamos dar um passo atrás e falar sobre o que é potência.
A potência é a capacidade de fazer trabalho. No domínio elétrico, a potência elétrica é a quantidade de energia elétrica que pode ser transferida para outra forma (calor, luz, etc.) por unidade de tempo.
Matematicamente, o fator de potência é o produto do queda de tensão através do elemento e da corrente fluindo através dele.
Considerando primeiro os circuitos CC, tendo apenas fontes de tensão CC, os indutores e capacitores se comportam como curto-circuito e circuito aberto, respectivamente, em estado estacionário.
Portanto, o circuito inteiro se comporta como um circuito resistivo e toda a potência elétrica é dissipada na forma de calor. Aqui, a tensão e a corrente estão na mesma fase e a potência elétrica total é dada por:
Agora, considerando o circuito CA, aqui tanto o indutor quanto o capacitor oferecem certa quantidade de impedância dada por:
O indutor armazena energia elétrica na forma de energia magnética e o capacitor armazena energia elétrica na forma de energia eletrostática. Nenhum deles dissipa. Além disso, existe uma diferença de fase entre a tensão e a corrente.
Portanto, quando consideramos o circuito inteiro composto por um resistor, indutor e capacitor, existe alguma diferença de fase entre a tensão da fonte e a corrente.
O cosseno dessa diferença de fase é chamado de fator de potência elétrico. Este fator (-1 < cosφ < 1) representa a fração da potência total que é usada para fazer o trabalho útil.
A outra fração da potência elétrica é armazenada na forma de energia magnética ou energia eletrostática no indutor e no capacitor, respectivamente.
A potência total neste caso é:
Isso é chamado de potência aparente e sua unidade é VA (volt-ampère) e é denotada por 'S'. A fração desta potência elétrica total que faz nosso trabalho útil é chamada de potência ativa. Denotamos como 'P'.
P = Potência ativa = Potência elétrica total.cosφ e sua unidade é watt.
A outra fração de potência é chamada de potência reativa. A potência reativa não faz trabalho útil, mas é necessária para que o trabalho ativo seja feito. Denotamos com 'Q' e matematicamente é dada por:
Q = Potência reativa = Potência elétrica total.sinφ e sua unidade é VAR (volt-ampère reativo). Esta potência reativa oscila entre a fonte e a carga. Para ajudar a entender melhor, todas essas potências são representadas na forma de um triângulo.
Matematicamente, S2 = P2 + Q2, e o fator de potência elétrico é a potência ativa / potência aparente.
O termo fator de potência surge apenas em circuitos CA. Matematicamente, é o cosseno da diferença de fase entre a tensão da fonte e a corrente. Refere-se à fração da potência total (potência aparente) que é utilizada para fazer o trabalho útil, chamado de potência ativa.
Necessidade de Melhoria do Fator de Potência
A potência real é dada por P = VIcosφ. A corrente elétrica é inversamente proporcional ao cosφ para transferir uma determinada quantidade de potência em uma certa tensão. Portanto, quanto maior o FP, menor será a corrente fluindo. Um fluxo de corrente menor requer uma área de seção transversal menor dos condutores, economizando condutores e dinheiro.
Da relação acima, vemos que ter um fator de potência ruim aumenta a corrente fluindo no condutor, e, assim, a perda de cobre aumenta. Ocorre uma queda de tensão significativa no alternador, transformador elétrico e linhas de transmissão e distribuição, o que resulta em uma regulagem de tensão muito ruim.
A classificação KVA das máquinas também é reduzida ao ter um fator de potência mais alto, conforme a fórmula:
Portanto, o tamanho e o custo da máquina também são reduzidos.
É por isso que o fator de potência elétrico deve ser mantido próximo da unidade – é significativamente mais barato.
Existem três principais maneiras de melhorar o fator de potência:
Bancos de Capacitores
Condensadores Síncronos
Avançadores de Fase
Melhorar o fator de potência significa reduzir a diferença de fase entre a tensão e a corrente. Como a maioria das cargas é de natureza indutiva, elas requerem uma certa quantidade de potência reativa para funcionar.
Um capacitor ou banco de capacitores instalado paralelamente à carga fornece essa potência reativa. Eles agem como uma fonte local de potência reativa, e, assim, menos potência reativa flui pela linha.
Os bancos de capacitores reduzem a diferença de fase entre a tensão e a corrente.
Os condensadores síncronos são motores síncronos trifásicos sem carga anexada ao seu eixo.
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