Correção do Fator de Potência: Fundamentos Teóricos e Vantagens Práticas para Empresas e Concessionárias

O fator de potência (FP) é um dos indicadores mais relevantes para a eficiência de um sistema elétrico. No Brasil, a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), por meio da Resolução Normativa nº 414/2010, exige que unidades consumidoras mantenham o fator de potência mínimo de 0,92. Caso contrário, o consumidor está sujeito a multas na fatura de energia elétrica (ANEEL, 2010).

A energia reativa, embora indispensável para o funcionamento de motores, transformadores e lâmpadas fluorescentes, quando em excesso, representa desperdício: circula no sistema sem produzir trabalho útil e sobrecarrega a rede (COTRIM, 2008). A correção do fator de potência é, portanto, não apenas uma exigência legal, mas também uma solução estratégica de eficiência energética.

Neste artigo, apresentamos os fundamentos teóricos e os principais benefícios práticos da correção do fator de potência, com base em autores clássicos e recentes da Engenharia Elétrica.

Fundamentos Teóricos

A análise do sistema elétrico parte da decomposição da potência em três componentes:

• Potência ativa (P): responsável pelo trabalho útil, como acionamento de motores e iluminação.

• Potência reativa (Q): associada a campos magnéticos e elétricos, não realiza trabalho, mas é indispensável para a magnetização de transformadores, motores e outros equipamentos indutivos.

• Potência aparente (S): combinação vetorial das duas anteriores, representa a potência total que circula na instalação.

O fator de potência (FP) é o índice que mede quão eficientemente a potência aparente está sendo convertida em potência ativa.

Em condições ideais, quando não há distorção harmônica, o fator de potência é representado pelo cosseno do ângulo de defasagem entre a tensão e a corrente:

No regime monofásico, a potência aparente pode ser expressa diretamente pelo produto da tensão eficaz e da corrente eficaz. Assim, o fator de potência também pode ser calculado como:

Outra forma de visualizar o fator de potência é por meio do triângulo das potências, em que a potência aparente é a hipotenusa e as potências ativa e reativa são os catetos.

Em situações práticas, quando já se conhece a potência ativa e a potência reativa consumida, o fator de potência pode ser obtido pela relação:

Nos sistemas trifásicos equilibrados, comuns em ambientes industriais, a potência aparente é dada pela relação:

Na presença de distorção harmônica, o fator de potência não depende apenas da defasagem entre tensão e corrente. Nesse caso, distinguimos dois fatores:

• DPF (Displacement Power Factor): defasagem entre as componentes fundamentais.

• DF (Distortion Factor): efeito da distorção harmônica da corrente.

  
  

O fator de potência verdadeiro, portanto, é dado por:

Segundo Watanabe (1991), em sistemas com distorções harmônicas relevantes, o modelo tradicional do triângulo das potências deve ser substituído pelo tetraedro das potências, incluindo o efeito da distorção harmônica total (THD). Quando o THD excede 20%, apenas bancos de capacitores não são suficientes, sendo necessária a associação de filtros de harmônicas ou compensadores ativos (AKAGI, 1983; FURUHASHI, 1990).

Onde:

• P → Componente ativa da potência (realiza trabalho útil).

• Q → Componente reativa da potência (pode ser indutiva – positiva – ou capacitiva – negativa).

• S → Parcela aparente da potência (resultante total que circula na rede).

• P̃ (P oscilante) → Parcela oscilante da potência ativa devido às harmônicas.

• Q̃ (Q oscilante) → Parcela oscilante da potência reativa devido às harmônicas.

• H (ou D em algumas literaturas) → Parcela de distorção da potência aparente, causada pelas componentes harmônicas.

Contudo, quando há distorções harmônicas, essa representação já não é suficiente. Watanabe (1991) demonstrou que, nesse caso, deve-se considerar também a parcela de distorção (H), que reúne as componentes oscilantes da potência ativa e da potência reativa. Assim, a potência aparente total (St) passa a ser expressa por:

A parcela de distorção (H) pode ser decomposta nas suas componentes: ativa oscilante (P̃) e reativa oscilante (Q̃).

Em termos práticos, isso significa que mesmo que se corrija o fator de potência com capacitores, ainda restará a contribuição das harmônicas aumentando a potência aparente. Ou seja, não é possível “corrigir” completamente um sistema apenas com bancos de capacitores quando as distorções são relevantes.

Para essas situações, Watanabe (1991) propõe soluções como:

• Filtros ativos de potência, que utilizam inversores de tensão (VSI) ou de corrente (CSI) controlados, capazes de compensar dinamicamente as distorções.

• Elementos armazenadores de energia, que recebem energia nos ciclos negativos da potência instantânea e devolvem nos ciclos positivos.

Essas técnicas permitem reduzir a influência das harmônicas, melhorando o fator de potência verdadeiro e a qualidade de energia da instalação.

Consequências de um Baixo Fator de Potência

Um baixo fator de potência traz impactos técnicos e econômicos significativos. De acordo com Bordim (2011), ele provoca:

• Sobrecarga em linhas de transmissão e distribuição.

• Quedas de tensão e instabilidade no fornecimento.

• Sobreaquecimento de cabos e equipamentos, elevando as perdas por efeito Joule.

• Necessidade de sobredimensionamento de transformadores e dispositivos de proteção.

Como destaca Baggio (2015), “a operação com baixo fator de potência implica em aumento de perdas elétricas, maior dimensionamento de transformadores, condutores e equipamentos de proteção, além de acréscimo nos custos de energia elétrica”.

Benefícios da Correção do Fator de Potência

A correção, geralmente feita por bancos de capacitores, traz ganhos diretos para consumidores e concessionárias.

Para a empresa:

• Redução de custos com energia elétrica: elimina ou reduz multas por excesso de reativo (CRESESB, 2008).

• Eficiência energética: melhor aproveitamento da potência contratada.

• Melhoria na qualidade da tensão: embora seja consequência, contribui para maior estabilidade da rede interna.

• Proteção mais confiável: dispositivos de proteção deixam de atuar indevidamente, evitando paradas desnecessárias.

• Vida útil prolongada dos equipamentos: menos corrente circulante significa menos aquecimento e maior durabilidade de motores e transformadores.

Para a concessionária:

• Redução da circulação de energia reativa na rede.

• Menores perdas em transmissão e distribuição (DUGAN et al., 2012).

• Maior capacidade de atendimento, liberando o sistema para novos consumidores.

• Diminuição dos custos de geração e aumento da confiabilidade do fornecimento.

Soluções Práticas

Na prática, a correção pode ser feita por bancos de capacitores fixos ou automáticos. De acordo com Jatti Júnior (2021), os bancos chaveados automaticamente com CLP representam uma solução eficiente, pois permitem ajustes dinâmicos conforme a variação da carga, garantindo fator de potência adequado em tempo real e viabilidade econômica no longo prazo.

A correção do fator de potência vai além do cumprimento de uma exigência legal: trata-se de um investimento em eficiência, confiabilidade e economia.

Na JAFA Engenharia, realizamos estudos detalhados de fator de potência, dimensionamento e implantação de bancos de capacitores e filtros harmônicos, oferecendo soluções personalizadas para empresas que buscam reduzir custos e garantir a qualidade da energia elétrica em suas instalações.

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Referrêncial teórico utilizado no artigo

• AKAGI, H. Generalized Theory of the Instantaneous Reactive Power in Three-Phase Circuits. IEEE, 1983.

• ANEEL. Resolução Normativa nº 414, de 09 de setembro de 2010.

• BORDIM, A. Baixo fator de potência e suas consequências. 2011.

• COTRIM, A. Instalações Elétricas. 5. ed. São Paulo: Pearson, 2008.

• CRESESB. Eficiência Energética e Correção do Fator de Potência. 2008.

• DUGAN, R. C.; McGRANAGHAN, M. F.; SANTOSO, S.; BEATY, H. W. Electrical Power Systems Quality. McGraw-Hill, 2012.

• FURUHASHI, T. Instantaneous Reactive Power Compensation by p-q Theory. IEEE, 1990.

• JATTI JÚNIOR, M. Compensação reativa através de bancos de capacitores chaveados automaticamente. Ilha Solteira: UNESP, 2021.

• WATANABE, E. H. Teoria das Potências Instantâneas em Sistemas Elétricos. IEEE, 1991.

• BAGGIO, J. A. Efeitos do Baixo Fator de Potência. 2015.