Factor Potência

Em circuitos de corrente alternada (CA) puramente resistivos, as ondas de tensão e de corrente eléctrica estão em fase, ou seja, mudando a sua polaridade no mesmo instante em cada ciclo. Quando cargas reactivas estão presentes, tais como condensadores e indutores, o armazenamento de energia nessas cargas resulta em uma diferença de fase entre as ondas de tensão e corrente. Uma vez que essa energia armazenada retorna para a fonte e não produz trabalho útil, um circuito com baixo factor de potência terá correntes eléctricas maiores para realizar o mesmo trabalho do que um circuito com alto factor de potência.

O fluxo de potência em circuitos de corrente alternada tem três componentes: potência activa (P), medida em watts (W); potência aparente (S ou N), medida em volt amperes (VA); e potência reactiva (Q), medida em var, (var), grafado sempre em letras minúsculas.

A potência activa é a capacidade do circuito de produzir trabalho em um determinado período de tempo. Devido aos elementos reactivos da carga, a potência aparente, que é o produto da tensão pela corrente do circuito, será igual ou maior do que a potência activa.

A potência reactiva é a medida da energia armazenada que é devolvida para a fonte durante cada ciclo de corrente alternada. É a energia que é utilizada para produzir os campos eléctrico e magnético necessários para o funcionamento de certos tipos de cargas como, por exemplo, rectificadores industriais e motores eléctricos.

O factor de potência pode ser expresso como:

No caso de formas de onda perfeitamente sinodais, P, Q e S podem ser representados por vectores que formam um triângulo rectângulo, também conhecido como triângulo de potências, sendo que:

Triângulo rectângulo que representa a relação entre as potências aparente (S), activa (P) e reactiva (Q).

Se φ é o ângulo de fase entre as de ondas de corrente e tensão, então o factor de potência é igual a , e:

Por definição, o factor de potência é um número adimensional entre 0 e 1. Quando o factor de potência é igual a zero (0), o fluxo de energia é inteiramente reactivo, e a energia armazenada é devolvida totalmente à fonte em cada ciclo. Quando o factor de potência é 1, toda a energia fornecida pela fonte é consumida pela carga. Normalmente o factor de potência é assinalado como atrasado ou adiantado para identificar o sinal do ângulo de fase entre as ondas de corrente e tensão eléctricas.

O factor de potência é determinado pelo tipo de carga ligada ao sistema eléctrico, que pode ser:

• Resistiva
• Indutiva
• Capacitiva 

Onda de corrente (I) atrasada em relação à onda de tensão (V). A carga possui característica indutiva. FP<1 (atrasado).

Onda de corrente (I) adiantada em relação à onda de tensão (V). A carga possui característica capacitiva. FP<1 (adiantado).

Se uma carga puramente resistiva é conectada ao sistema, a corrente e a tensão mudarão de polaridade em fase, nesse caso o factor de potência será unitário (1), e a energia eléctrica flui numa mesma direcção através do sistema em cada ciclo. Cargas indutivas tais como motores e transformadores (equipamentos com bobinas) produzem potência reactiva com a onda de corrente atrasada em relação à tensão. Cargas capacitivas tais como baterias de condensadores ou cabos eléctricos enterrados produzem potência reactiva com corrente adiantada em relação à tensão. Ambos os tipos de carga absorverão energia durante parte do ciclo de corrente alternada, apenas para devolver essa energia novamente para a fonte durante o resto do ciclo.

Por exemplo, para se obter 1 kW de potência activa quando o factor de potência é unitário (igual a 1), 1 kVA de potência aparente será necessariamente transferida (1 kVA = 1 kW ÷ 1). Sob baixos valores de factor de potência, será necessária a transferência de uma maior quantidade de potência aparente para se obter a mesma potência activa. Para se obter 1 kW de potência activa com factor de potência 0,2 será necessário transferir 5 kVA de potência aparente (1 kW = 5 kVA × 0,2).

Frequentemente é possível corrigir o factor de potência para um valor próximo ao unitário. Essa prática é conhecida como correcção do factor de potência e é conseguida mediante o acoplamento de bancos de indutores ou condensadores, com uma potência reactiva Q contrário ao da carga, tentando ao máximo anular essa componente. Por exemplo, o efeito indutivo de motores pode ser anulado com a conexão em paralelo de um condensador (ou banco) junto ao equipamento.

As perdas de energia aumentam com o aumento da corrente eléctrica transmitida. Quando a carga tem factor de potência menor do que 1, mais corrente é requerida para suprir a mesma quantidade de potência útil. As concessionárias de energia estabelecem que os consumidores, especialmente os que possuem cargas maiores, mantenham os factores de potência de suas instalações eléctricas dentro de um limite mínimo, hoje 0,92 estuda-se aumentar para 0,96 caso contrário serão penalizados com cobranças adicionais. Engenheiros frequentemente analisam o factor de potência de uma carga como um dos indicadores que afectam a eficiência da transmissão e geração de energia eléctrica.

Componentes não senoidais

Em circuitos que têm apenas tensão e corrente alternadas, o efeito do factor de potência cresce somente com a diferença de fase entre ambas. Isso é conhecido como "factor de potência de deslocamento". Este conceito pode ser generalizado para factores de potência reais onde a potência aparente inclui componentes de distorção harmónica. Isso possui uma importância prática em sistemas de potência que contém cargas não lineares tais como rectificadores, algumas formas de iluminação eléctrica, fornos á arco, equipamentos de solda, fontes chaveadas, entre outros.

Um exemplo particularmente importante são os milhões de computadores pessoais que possuem fontes chaveadas com potência variando entre 150 W a 500 W. Historicamente, essas fontes de baixo custo incorporam um rectificador simples de onda completa que conduzem apenas quando a tensão instantânea excede a tensão no capacitor de entrada. Isso produz altos picos de corrente de entrada, que, por sua vez, produzem distorções no factor de potência e problemas de carregamento, tanto dos condutores fase como neutro das instalações e dos sistemas eléctricos.

Um multímetro típico fará leituras incorrectas de correntes que possuam componentes harmónicas. Será necessário um multímetro que meça o valor true VTdrive para se medir o valor real das correntes e tensões (e a potência aparente por consequência). Para medir a potência activa ou reactiva será necessário escolher adequadamente o wattímetro, para que faça medições de correntes não senoidais.