O que você precisa saber sobre Fator de Potência

O fator de potência é dado pela relação entre os quilowatts (kW) e os quilovolt-ampères (kVA) drenados por uma carga ligada a uma rede de corrente alternada, conforme mostra a figura 1.

Ora, dirá o leitor, W = V x A, o que significa que kW é o mesmo que kVA. Não é verdade, se num circuito de corrente alternada a tensão (V) e a corrente (A) estiverem defasadas. É justamente este defasamento que determina a eficiência de uma carga ao aproveitar a energia que lhe é fornecida. A carga ideal deve ser resistiva, ou seja, se comportar como um resistor puro, não havendo defasamento entre a corrente e a tensão. No entanto, na prática, as cargas se  comportam como indutores (como os motores) ou como capacitores, e aí temos os problemas.

A potência em kW mede a energia que realmente é consumida pela carga, enquanto que os kVA medem a potência aparente. A divisão de um valor por outro, que resulta sempre em um número igual ou menor a 1, nos dá o que denominamos fator de potência, conforme ilustra a figura 2.

Os valores baixos do fator de potência, são devidos normalmente a cargas que possuem bobinas, ou seja, altamente indutivas como, por exemplo, motores, transformadores, reatores, fontes chaveadas e muitos outros dispositivos elétricos e eletrônicos. Na maioria dos casos, um fator de potência pobre se deve a uma simples defasagem entre a corrente e a tensão. Todavia, existem casos em que esse fator baixo se deve a deformação das formas de onda causadas pela presença de harmônicas. No primeiro caso, a correção do problema é simples, uma vez que basta usar um banco de capacitores na maioria dos casos. Entretanto, para o segundo caso, a correção é mais complexa exigindo o uso de filtros de harmônicas que são caros, ou mesmo uma alteração no projeto do equipamento.

A correção do fator de potência

O caso mais comum de correção do fator de potência é o que se aplica quando se tem uma carga indutiva, por exemplo, um motor, observe a figura 3.

O que se faz é associar capacitores de modo a reduzir a componente indutiva da corrente no circuito e, com isso, reduzir as perdas na alimentação. Este procedimento normalmente não afeta a operação do motor. Um motor de indução comum drena uma corrente da fonte que tem duas componentes: uma indutiva e outra resistiva. A componente resistiva é formada pela corrente de carga e corrente de perda. Já a componente indutiva é formada pela corrente de fuga e a corrente de magnetização. Na figura 4 mostramos isso na forma de um gráfico.

A corrente devido à fuga de reatância depende da corrente total drenada pelo motor. No entanto, a corrente magnetizadora é independente da carga do motor. Essa corrente está tipicamente entre 20% e 60% da corrente do motor a plena carga. A corrente de magnetização tem por função estabelecer o fluxo no núcleo que determina as forças magnéticas que movimentam o motor, não contribuindo realmente para que o motor opere apropriadamente. Isso faz com que essas componentes não sejam consideradas como potência drenada pelo motor, contudo, elas afetam a potência dissipada no sistema de distribuição. Para corrigir um fator de potência baixo de modo a reduzir as perdas no sistema de distribuição, deve-se neutralizar uma parte da corrente de magnetização do motor. Geralmente, a correção deve ser feita para se levar esse fator a valores entre 0,92 e 0,95. A correção é feita adicionando-se capacitores em paralelo com o circuito do motor, ou ainda em paralelo com os circuitos de comutação no painel de distribuição. A corrente capacitiva é usada para corrigir a corrente indutiva, conforme exibe o gráfico da figura 4, aumentando assim o fator de potência. 

Os capacitores conectados aos starters são denominados “Capacitores de Correção do Fator de Potência Estáticos”, enquanto que capacitores ligados no quadro de distribuição e controlados de forma independente dos starters são denominados corretores “bulk”. Quando o motor é acionado, os capacitores são também alimentados, evitando-se assim a necessidade de qualquer dispositivo de monitoramento ou controle externo do fator de potência. Todavia, existe o problema de que, quando o motor é desligado, os capacitores permanecem ligados em paralelo com seus enrolamentos. Isso significa que a tensão gerada pelas bobinas quando o motor desacelera é aplicada aos capacitores, que então formam um circuito ressonante, veja a figura 5.

Se a reatância capacitiva e a reatância indutiva dos dois elementos desse circuito forem iguais quando ocorrer esse fenômeno, ou seja, houver ressonância, podem ser geradas tensões muito altas causando danos tanto aos capacitores como ao próprio motor. Isso quer dizer que a correção do fator de potência não deve levar o circuito a esse ponto crítico. A frequência de ressonância do motor deve estar abaixo da frequência da rede de energia. A correção estática é utilizada normalmente usando-se um contator para controlar tanto a tensão aplicada ao motor quanto aos capacitores, conforme ilustra a figura 6.

Na prática, é melhor usar dois contatores, um para o motor e outro para o banco de capacitores, observe a figura 7.

Dada a elevada corrente inicial do banco de capacitores, os contatores devem ser superdimensionados para esta aplicação. Com o uso deste recurso, o problema da ressonância quando o motor é desligado pode ser eliminado.

Inversores de frequência

Corretores estáticos do fator de potência nunca devem ser usados quando o motor é controlado por um inversor ou por um controle variável de velocidade. A conexão dos capacitores na saída de um circuito desse tipo pode causar danos ao circuito, dada a alta frequência de comutação em que eles operam. A corrente drenada dos inversores pelas cargas que alimentam tem geralmente um fator de potência pobre, principalmente quando a carga está num nível de operação de baixa potência. Mas, a vantagem disso é o isolamento da corrente do motor em relação à rede de energia. O fator de potência desses dispositivos é pobre, dada a forma de onda não senoidal que fornecem sobre cargas indutivas como são os motores. 

Na realidade, a colocação de capacitores de correção de fator de potência próximos da entrada de inversores também pode causar danos. Os capacitores tendem a produzir transientes que são amplificados, resultando em impulsos de alta tensão. Esses impulsos são aplicados à entrada dos circuitos do inversor, o que pode causar sua queima. Dado o armazenamento da energia nos capacitores, esses pulsos podem atingir intensidades elevadas. Recomenda-se que os capacitores sejam instalados antes dos inversores, mas em distâncias que sejam bem grandes (pelo menos 75 metros) de modo a elevar a impedância entre o inversor e o banco de capacitores.

Soft starters

Os bancos de capacitores de correção do fator de potência não devem ser conectados na saída de soft starters de estado sólido. Quando tal dispositivo é usado, os capacitores devem ser controlados por um contator separado, conforme ilustra a figura 8.

Os capacitores são conectados ao circuito somente após a tensão na saída do soft starter alcançar a tensão de linha. Muitos soft starters possuem saídas “top of ramp” (topo de rampa) ou “Bypass Contactor Control” (Controle de Contator Bypass) que podem ser empregados para ativar os capacitores de modo automático. 

Da mesma forma que no caso dos inversores, a conexão dos capacitores próximo da entrada dos soft starters não deve ser feita, caso um contato de isolamento não seja usado. Os transientes causados pelos capacitores também podem provocar danos pela sua amplificação e atuação sobre os circuitos do soft starter.

Conclusão

Muitos fabricantes de capacitores para correção de fator de potência fornecem elementos que permitem calcular quais devem ser os valores desses componentes para uma determinada aplicação. O importante é saber como usá-los corretamente e como eles podem causar problemas se forem indevidamente instalados.

* Matéria originalmente publicada na revista Saber Eletrônica; Ano: 47; N° 455; Set / Out – 2011