Por que motivo baixo fator de potência é um problema?

Instalações com baixo fator de potência utilizam parte da capacidade de condução dos condutores da rede de distribuição sem gerar trabalho ou riquezas

É comum que os engenheiros eletricistas e técnicos da eletrotécnica utilizem como único argumento para justificar o motivo pelo qual uma instalação elétrica deva ter o fator de potência (FP) corrigido, devendo este ter valor maior ou igual a 0,92[1], o pagamento adicional pelo consumo excessivo de potência reativa na conta de energia elétrica. Porém, por que motivo se penaliza financeiramente o proprietário de uma instalação pelo baixo FP? Essa pergunta será respondida no decorrer do presente texto.

É importante frisar que a potência reativa é aquela que oscila entre a fonte e os elementos indutivos e capacitivos, sendo sua média igual a zero num ciclo (1/60 s, no caso da rede elétrica em 60 Hz).

Sendo assim, a energia consumida em meio ciclo é devolvida à fonte na outra metade do ciclo: isso faz com que o trabalho resultante com o uso da potência reativa seja nulo.

O uso dos termos "consumir" e "fornecer" potência reativa são jargões da engenharia elétrica para identificar os efeitos indutivo e capacitivo, respectivamente, pois efetivamente as potencias não são nem consumidas nem fornecidas. Ainda assim elas são necessárias, pois equipamentos como, por exemplo, os motores de indução com rotor em gaiola, os mais utilizados em equipamentos residenciais, comerciais e industriais exigem que potência reativa seja fornecida a eles, afinal de contas são baseados em enrolamentos que criam campos magnéticos rotativos que interagem para desenvolver o torque para acionamento de cargas mecânicas. Condutores isolados, principalmente em alta tensão em instalações industriais, possuem efeito capacitivo elevado quando referido à terra ou entre si. Os efeitos indutivos e capacitivos são, portanto, inerentes a muitos equipamentos: estes dois foram citados apenas como exemplos.

A melhor forma de explicar a problemática do baixo FP é analisando a ilustração a seguir, que mostra uma instalação e a equação da corrente elétrica por ela drenada. Esta corrente será maior, conforme aumente a potência reativa da instalação.

Voltando à análise da ilustração, temos que ter em mente que quanto maior for a quantidade de potência reativa fornecida (capacitiva) ou consumida (indutiva) da instalação elétrica maior será a magnitude da corrente por ela drenada; porém parcela dessa corrente é demandada especificamente por causa do baixo FP, afinal para uma potência ativa fixa consumida com o propósito de exercer alguma atividade produtiva, o aumento da potência reativa baixa o FP da instalação. A análise monofásica da ilustração tem as equações sem a raiz de três, o que resulta nas mesmas conclusões que para o caso trifásico.

Os condutores e transformadores da rede elétrica de distribuição são dimensionados para suportar um certo valor de corrente e não devem operar acima deste valor, pois caso isso ocorra haverá sobrecarga, o que pode diminuir a vida útil dos equipamentos citados e outros mais pela qual a corrente flui. Adicionalmente, a queda de tensão nos condutores da rede elétrica de distribuição pode se tornar elevada e isso pode vir a causar diminuição ou aumento excessivo de tensão na alimentação, pois todas outras instalações em paralelo (conectadas no secundário do mesmo transformador) com a instalação com baixo FP terão a mesma tensão e podem sofrer com subtensão ou sobretensão. O leitor deve ter em mente que quando a instalação tem FP indutivo ela contribui para a diminuição da tensão no ponto de conexão com a carga enquanto que se ela tiver FP capacitivo ela contribui para a elevação da tensão no mesmo ponto supracitado[2].

Portanto, o baixo FP faz com que: a capacidade de condução de corrente dos condutores da rede de distribuição seja ocupada por uma parcela de corrente que não produz nenhum produto ou riqueza, característica inerente ao efeito reativo; possa haver queda de tensão elevada nos condutores da rede elétrica criando subtensões ou sobretensões e; no pior dos casos, sobrecarregar a rede de distribuição no caso da potência ativa necessária para a produção de produtos e riquezas ser fixa e elementos fortemente reativos baixarem o FP criando sobrecarga na rede.

Corrigir esse problema é uma necessidade para preservar a rede de distribuição, pois todos pagam pelo uso dela, não sendo justo que alguns a utilizem para drenar uma corrente que a ocupe sem produzir riquezas, pois todos os consumidores de energia custeiam a rede com o propósito de ter conforto (instalações residenciais), negócios (instalações comerciais) ou produção de bens (instalações industriais).

Se o FP baixo for permitido, reformas na rede de distribuição terão que ser feitas para aumentar a sua capacidade de fornecimento de potência e esse custo é compartilhado entre todos os consumidores, daí a necessidade de penalizar os que possuem baixo FP, pois assim a rede é melhor aproveitada e a sua ampliação pode ser adiada ao máximo.

O FP pode ficar baixo por consumo excessivo de potência reativa (FP indutivo) e esse problema pode ser corrigido com um banco de capacitores (este é o caso mais comum), mas pode também ficar baixo por fornecimento excessivo de potência reativa (FP capacitivo), o que pode ser corrigido com a instalação de reatores (nome dado aos indutores utilizados no sistema elétrico de potência). Em sistemas industriais soluções com chaveamento eletrônico de reatores e capacitores são também adotadas, assim como o uso de motores síncronos para tração mecânica e também para ajustar o FP através da alteração da sua corrente de excitação.

Referências

[1] ANEEL, Prodist - módulo 8 (rev. 10)- Qualidade da Energia Elétrica. Acesse documento aqui.

[2] Videoaula 16 do curso de Transformadores do Canal Elética em Vídeos. Acesse aula aqui.

Aprenda a calcular a capacitância necessária para corrigir o FP em sistemas monofásicos na videoaula a seguir:

Aprenda a calcular a capacitância necessária para corrigir o FP em sistemas trifásicos na videoaula a seguir:

Aprenda a calcular a conta de energia considerando baixo FP na videoaula a seguir: