Calculando o fator de potência

Como foi mencionado antes, o ângulo deste "triângulo de potência" indica graficamente a relação entre a quantidade de dissipada (ou consumida ) potência e a quantidade de potência absorvida / devolvida.

Também acontece ser o mesmo ângulo da impedância do circuito na forma polar. Quando expressa como uma fração, esta razão entre a potência real e a potência aparente é chamada de fator de potência para este circuito.

Como a potência real e a potência aparente formam os lados adjacentes e a hipotenusa de um triângulo retângulo, respectivamente, a razão do fator de potência também é igual ao cosseno desse ângulo de fase. Usando valores do último exemplo de circuito:







Deve-se notar que o fator de potência, como todas as medições de razão, é um sem unidade quantidade.

Valores de fator de potência

Para o circuito puramente resistivo, o fator de potência é 1 (perfeito), pois a potência reativa é igual a zero. Aqui, o triângulo de potência seria semelhante a uma linha horizontal, porque o lado oposto (potência reativa) teria comprimento zero.

Para o circuito puramente indutivo, o fator de potência é zero, porque a verdadeira potência é igual a zero. Aqui, o triângulo de potência seria semelhante a uma linha vertical, porque o lado adjacente (potência real) teria comprimento zero.

O mesmo pode ser dito para um circuito puramente capacitivo. Se não houver componentes dissipativos (resistivos) no circuito, a potência real deve ser igual a zero, tornando qualquer potência no circuito puramente reativa.

O triângulo de potência para um circuito puramente capacitivo seria novamente uma linha vertical (apontando para baixo em vez de para cima como no caso do circuito puramente indutivo).

Importância do fator de potência

O fator de potência pode ser um aspecto importante a ser considerado em um circuito CA porque qualquer fator de potência inferior a 1 significa que a fiação do circuito deve transportar mais corrente do que seria necessário com reatância zero no circuito para fornecer a mesma quantidade de (verdadeiro ) potência para a carga resistiva.

Se nosso último exemplo de circuito fosse puramente resistivo, teríamos sido capazes de fornecer 169,256 watts completos para a carga com os mesmos 1,410 amperes de corrente, ao invés dos meros 119,365 watts que está dissipando atualmente com a mesma quantidade de corrente.

O baixo fator de potência torna o sistema de distribuição de energia ineficiente.

Fator de potência pobre

O fator de potência pobre pode ser corrigido, paradoxalmente, adicionando outra carga ao circuito, atraindo uma quantidade igual e oposta de potência reativa, para cancelar os efeitos da reatância indutiva da carga.

A reatância indutiva só pode ser cancelada por reatância capacitiva, então temos que adicionar um capacitor em paralelo ao nosso circuito de exemplo como a carga adicional.

O efeito dessas duas reatâncias opostas em paralelo é trazer a impedância total do circuito igual à sua resistência total (para tornar o ângulo de fase da impedância igual, ou pelo menos mais próximo, de zero).

Como sabemos que a potência reativa (não corrigida) é 119,998 VAR (indutiva), precisamos calcular o tamanho correto do capacitor para produzir a mesma quantidade de potência reativa (capacitiva).

Uma vez que este capacitor estará diretamente em paralelo com a fonte (de voltagem conhecida), usaremos a fórmula de potência que começa a partir da voltagem e reatância:







Vamos usar um valor de capacitor arredondado de 22 µF e ver o que acontece com o nosso circuito:(Figura abaixo)

O capacitor paralelo corrige o fator de potência retardado da carga indutiva. V2 e os números dos nós:0, 1, 2 e 3 estão relacionados ao SPICE e podem ser ignorados no momento.









O fator de potência para o circuito, em geral, foi substancialmente melhorado. A corrente principal diminuiu de 1,41 amperes para 994,7 miliamperes, enquanto a potência dissipada no resistor de carga permanece inalterada em 119,365 watts. O fator de potência está muito mais perto de ser 1:











Como o ângulo da impedância ainda é um número positivo, sabemos que o circuito, de modo geral, ainda é mais indutivo do que capacitivo.

Se nossos esforços de correção do fator de potência estivessem perfeitamente acertados, teríamos chegado a um ângulo de impedância de exatamente zero, ou puramente resistivo.

Se tivéssemos adicionado um capacitor muito grande em paralelo, teríamos terminado com um ângulo de impedância negativo, indicando que o circuito era mais capacitivo do que indutivo.

Uma simulação SPICE do circuito de (Figura acima) mostra a tensão total e a corrente total estão quase em fase.

O arquivo de circuito SPICE tem uma fonte de tensão de zero volt (V2) em série com o capacitor para que a corrente do capacitor possa ser medida.

O tempo de início de 200 ms (em vez de 0) na declaração de análise transiente permite que as condições DC se estabilizem antes de coletar os dados. Consulte a lista de SPICE “fator de potência pf.cir”.

 Pf .cir fator de potência V1 1 0 sin (0 170 60) C1 1 3 22uF v2 3 0 0 L1 1 2 160mH R1 2 0 60 # resolução parar iniciar .tran 1m 200m 160m .fim 

O gráfico de noz-moscada das várias correntes em relação à tensão aplicada V _total é mostrado na (Figura abaixo). A referência é V _total , ao qual todas as outras medidas são comparadas.

Isso ocorre porque a tensão aplicada, V _total , aparece nas ramificações paralelas do circuito. Não existe uma única corrente comum a todos os componentes.

Podemos comparar essas correntes a V _total .

Ângulo de fase zero devido ao V em fase _total e eu _total . O atraso I _L com respeito a V _total é corrigido por um I _C inicial .



Observe que a corrente total (I _total ) está em fase com a tensão aplicada (V _total ), indicando um ângulo de fase próximo a zero. Isso não é coincidência.

Observe que a corrente de atraso, I _L do indutor teria feito com que a corrente total tivesse uma fase de atraso em algum lugar entre (I _total ) e eu _L . No entanto, a corrente principal do capacitor, I _C , compensa o atraso da corrente do indutor.

O resultado é um ângulo de fase da corrente total em algum lugar entre as correntes do indutor e do capacitor. Além disso, essa corrente total (I _total ) foi forçado a estar em fase com a tensão total aplicada (V _total ), pelo cálculo de um valor de capacitor apropriado.

Como a tensão e a corrente totais estão em fase, o produto dessas duas formas de onda, potência, será sempre positivo ao longo de um ciclo de 60 Hz, potência real como na figura acima.

Se o ângulo de fase não tivesse sido corrigido para zero (PF =1), o produto teria sido negativo onde as partes positivas de uma forma de onda se sobrepuseram às partes negativas da outra, como na figura acima. A potência negativa é realimentada para o gerador.

Não pode ser vendido; entretanto, ele desperdiça energia na resistência das linhas elétricas entre a carga e o gerador. O capacitor paralelo corrige este problema.

Observe que a redução das perdas na linha se aplica às linhas do gerador até o ponto onde o capacitor de correção do fator de potência é aplicado. Em outras palavras, ainda há corrente circulando entre o capacitor e a carga indutiva.

Normalmente, isso não é um problema porque a correção do fator de potência é aplicada perto da carga problemática, como um motor de indução.

Deve-se notar que muita capacitância em um circuito CA resultará em um fator de potência baixo, assim como muita indutância.

Você deve ter cuidado para não corrigir excessivamente ao adicionar capacitância a um circuito CA. Você também deve ser muito cuidado ao usar os capacitores apropriados para o trabalho (classificados adequadamente para tensões do sistema de energia e o pico de tensão ocasional de quedas de raios, para serviço CA contínuo e capaz de lidar com os níveis esperados de corrente).

Se um circuito é predominantemente indutivo, dizemos que seu fator de potência está atrasado (porque a onda de corrente para o circuito está atrasada em relação à onda de tensão aplicada).

Por outro lado, se um circuito é predominantemente capacitivo, dizemos que seu fator de potência é líder . Assim, nosso circuito de exemplo começou com um fator de potência de 0,705 com atraso e foi corrigido para um fator de potência de 0,999 com atraso.



REVER:

• O fator de potência pobre em um circuito CA pode ser "corrigido" ou restabelecido em um valor próximo a 1, adicionando uma reatância paralela oposta ao efeito da reatância da carga. Se a reatância da carga for indutiva por natureza (o que quase sempre será), capacitância paralela é o que é necessário para corrigir o fator de potência fraco.

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