Conteúdo Conceitual: Corrente alternada (CA) e Fator de potência (FP)

A energia elétrica está associada com comodidade e conforto. Muitos dos equipamentos utilizados hoje são alimentados com energia elétrica em corrente alternada (CA). Contudo, não foi sempre assim, pois no princípio do uso da eletricidade eram utilizados equipamentos que funcionavam em corrente contínua (CC). A corrente CC é aquela na qual os valores de tensão e corrente não variam ao longo do tempo, e está associada atualmente com pilhas e baterias de equipamentos móveis. A corrente CA é a que alterna de valor periodicamente e é utilizada de maneira vasta na rede que alimenta os equipamentos elétricos em geral.

Até o século XIX, considerava-se que apenas a corrente contínua apresentava possibilidade de aplicações práticas. Nesse período, cientistas como Thomas Edison, Joseph Henry e Michael Faraday despontaram. Edison foi o inventor da lâmpada e empreendeu uma empresa de sistemas de geração em CC. Henry e Faraday pesquisaram e fizeram descobertas sobre indução

eletromagnética que culminaram com a invenção do dínamo (gerador). No entanto, o fornecimento de energia em CC tinha suas questões: limitações na velocidade dos geradores que complicavam a sua construção; impossibilidade de transformação da tensão em níveis diferentes; e elevada perda de potência na transmissão de grandes blocos de energia (HOLTON; RUTHERFORD; WATSON, 1985).

Foi nesse século que Galilei Ferraris desenvolveu um motor de corrente alternada de duas fases e que Nikola Tesla apresentou seu protótipo de motor de indução bifásico cujo rotor estava em curto-circuito. Ainda, William Stanley e George Westinghouse surgiram com aplicações e geração de energia elétrica em corrente alternada (HOLTON; RUTHERFORD; WATSON, 1985). Stanley foi o desenvolvedor do transformador eficiente. Westinghouse foi um especialista e homem de negócios que levou as inovações em CA para os Estados Unidos (CARLSON, 2013). Todavia, o fornecimento em CA também era questionado por fatores relacionados à segurança.

Então, ainda no século XIX, os dois sistemas de eletricidade concorriam pelo mercado: o de corrente contínua, de Edison, e o de corrente alternada, de Westinghouse. No final do século, o preço do cobre utilizado nos condutores das linhas de distribuição duplicou, fazendo com que os sistemas precisassem ser mais eficientes. Começou-se a reconhecer que o sistema CA, com a segurança adequada para utilização de tensões mais elevadas, tinha mais eficiência que o sistema CC. Além disso, o aumento do valor da tensão em CA implicava redução da seção dos fios e, consequentemente, da quantidade de cobre utilizado, reduzindo o custo dos cabos com relação ao sistema CC. Com o desenvolvimento de máquinas e equipamentos de corrente alternada, a aplicação de corrente contínua para transmitir eletricidade passou a ser restrita (SILVA FILHO, 2007). Assim, o sistema de transmissão de Westinghouse transformou-se na base dos sistemas de potência que ainda hoje fundamenta a indústria de energia elétrica.

Atualmente, muitos equipamentos elétricos são utilizados em diversas unidades consumidoras, como residências, indústrias e comércios. Muitas dessas cargas consomem energia elétrica, como equipamentos eletrônicos, motores e iluminação. Cada equipamento elétrico (carga) possui uma

associação de componentes (resistores, capacitores e indutores) que demandam uma potência da rede elétrica.

A potência total fornecida à carga, denominada de potência aparente (S) é composta de duas outras potências, a ativa (P) e a reativa (Q). A potência aparente corresponde à potência instantânea definida pelo produto entre tensão e corrente, cuja unidade é Volt-Ampère (VA). A potência ativa é efetivamente usada nos equipamentos para realização de trabalho, ou seja, empregada na conversão da energia elétrica em outra forma de energia (mecânica, térmica, luminosa etc.), sendo medida em Watt (W). Já a potência reativa compreende a que é utilizada para geração de campos elétricos, em capacitores, e magnéticos, em indutores, cuja unidade de medida é o Volt-Ampère-reativo (var). Simplificando, a potência ativa é usada na geração de trabalho, enquanto a reativa não produz trabalho e a aparente é a soma vetorial dessas duas (SILVA FILHO, 2007). A relação entre essas grandezas pode ser expressa graficamente através de um triângulo retângulo, denominado triângulo de potências, como apresentado na Figura 1:

Figura 1 – Triângulo de potências.

Fonte: elaborado pela autora (2019).

A razão entre a potência ativa e a potência aparente é definida como fator de potência (GUSSOW, 1997), conforme apresentado na Equação 1:

𝐹𝑃 =

=

= cos 𝜑 = cos (𝑎𝑟𝑐 𝑡𝑔

)

O fator de potência é o indicador utilizado para identificar o quanto a potência ativa representa na potência total (aparente) demandada da rede elétrica, ou seja, quanto da potência elétrica total solicitada está de fato sendo convertida em trabalho útil.

Potência ativa (W)

Potência reativa (var) Potência aparente (VA)

Tanto a potência ativa quanto a reativa circulam pela rede entre a fonte de alimentação e a carga, sendo que a reativa ocupa um espaço que poderia ser utilizado para mais potência ativa. Quando uma unidade consumidora possui baixo fator de potência, o sistema elétrico precisa fornecer maior potência aparente para suprimir a carga, sobrecarregando a rede ou exigindo sua ampliação (NISKIER; MACINTYRE, 2000). Como, no sistema elétrico, o faturamento de energia elétrica é feito a partir da potência ativa, o interesse das empresas do setor é vender mais ativa, ou seja, que menos reativa circule na rede.

Por conta disso, a Resolução 414 da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) de 9 de setembro de 2010, e suas revisões, especifica que o fator de potência da unidade consumidora deve ter o valor mínimo de 0,92. Caso o fator de potência esteja abaixo de 0,92, indica que o consumidor está solicitando muita energia reativa da rede e, portanto, deve corrigir o fator de potência. Nesse caso, a concessionária de energia elétrica aplica multa sobre “os montantes de energia elétrica e demanda de potência reativos que excederem o limite permitido” (BRASIL, 2010), isto é, sobre os reativos excedentes.

A maioria das cargas que tem baixo fator de potência são cargas indutivas, principalmente motores de indução das indústrias. Para esse tipo de carga é preciso compensar a potência reativa indutiva com potência reativa capacitiva para que o fator de potência fique no nível solicitado pela legislação vigente. Essa compensação é denominada de correção do fator de potência.

A correção do fator de potência é uma solução para reduzir os custos com a conta de energia elétrica, pela eliminação das multas. Existem várias possibilidades para correção do fator de potência para o nível definido na legislação vigente, como: dimensionamento correto de motores e equipamentos; operação correta de cargas elétricas; emprego de reatores de iluminação de alto fator de potência; instalação de motores síncronos em paralelo com a carga; e instalação de bancos de capacitores.

O método mais empregado para correção do fator de potência é a instalação de banco de capacitores (potência reativa capacitiva), que compensa a energia indutiva solicitada pela maioria das cargas industriais (potência reativa

indutiva), por ser mais barato e de fácil manutenção (GUSSOW, 1997; COTRIM, 2009).