Energia bifásica e Trifásica – Potência ativa e reativa (EL074)

Este artigo faz parte de nosso Curso de Eletrônica – Eletrônica de Potência – Nele analisamos o modo que a energia é gerada e distribuída e um ponto importante para seu melhor aproveitamento que o fator de potência.

EL018S

Energia bifásica e trifásica

A energia que recebemos em nossa casa vem na forma de uma tensão alternada que depende da configuração da rede.

Num primeiro caso temos a configuração em triângulo de 220 V em que entre cada fase a tensão é de 220 V e entre o neutro e a fase a tensão é de 110 V com uma configuração em estrela. A figura 1 mostra o que ocorre.

Figura 1 – Rede em 220 V

Observe que apesar da soma das tensões de fase e neutro ser de 254 V, e não 220 V, os valores devem considerar as diferenças de fase de 120 graus.

Num segundo caso temos a rede em 380 V, em que a tensão entre fases é de 380 V, com a configuração em triângulo, e entre cada fase e o neutro temos 220 V, na configuração estrela, mostrada na figura 2.

Figura 2 – Rede em 380 V

Nas aplicações industriais e de potência a energia é disponibilizada na forma trifásica. Essa forma de se gerar e distribuir energia em sistemas de corrente alternada é empregada principalmente na indústria, por motivos diversos como, por exemplo, a maior conveniência na alimentação de motores elétricos de alta potência.

Nesse sistemas são geradas três tensões com diferenças de fase de 120 graus, conforme mostra a figura 3.

Figura 3 – Nos sistemas trifásicos as tensões são defasadas de 120 graus

O que se faz para isso é utilizar um sistema gerador em que temos três tensões alternadas disponíveis em bobinas diferentes, conforme mostra a figura 4.

Figura 4 – Um alternador trifásico

Cada uma das bobinas, que tem uma extremidade ligada a um pólo neutro comum, entrega uma tensão senoidal levemente defasada em relação à outra.

Potência Ativa e Potência reativa

Potência ativa é a que efetivamente realiza um trabalho sendo convertida totalmente em luz, calor, movimento, etc. Essa potência é medida em W (watt) e seus múltiplos (kW ou MW).

Um exemplo de carga que consome totalmente a potência que lhe é fornecida é uma lâmpada incandescente. Ela representa uma carga resistiva pura (ôhmica), conforme mostra a figura 5, pois nela corrente e tensão estão em fase.

Figura 5 – Numa carga resistiva pura, corrente e tensão estão em fase.

No entanto, em muitas aplicações encontramos cargas que não são resistivas puras, mas sim reativas (capacitores e indutores) como é o caso de motores.

Numa carga deste tipo, a potência é reativa e é medida em VAR (Volt-Ampères Reativos) ou seus múltiplos (kVAR e MVAR), conforme mostra a figura 6.

Figura 6 – Numa carga indutiva, corrente e tensão estão defasadas

O que ocorre é que nos indutores, a potência reativa não é usada na produção de trabalho, pois ela apenas tem por função estabelecer os campos magnéticos.

Essa potência, não aproveitada, poderia ser usada com finalidades melhores numa instalação industrial. A soma vetorial da potência ativa com a potência reativa nos dá a potência real, conforme mostra a figura 7.

Figura 7 – Potência real

Veja que, se a potência reativa for pequena, o ângulo entre a potência real e a potência ativa diminui, indicando um uso mais eficiente da energia.

Assim, em lugar de se especificar a potência ativa ou a potência reativa, é comum indicar-se a eficiência no fornecimento e uso da energia pelo cosseno do ângulo mostrado na figura 8. Esse ângulo, denominado ? (phi), letra grega que se pronuncia “fi”,tem seu cosseno se aproximando de 1 quando ele tende a zero e ele define o fator de potência.

Desta forma, considerando-se que na figura, esse ângulo pode assumir valores entre 0 e 90 graus, seu cosseno variará entre 0 e 1, conforme mostra a figura 8.

Figura 8 – O fator de potência representado por um ângulo

Podemos então dizer que o cosseno de ? pode variar entre 0 e 1. Tanto melhor será o aproveitamento da energia quanto mais próximo o fator de potência (FP) estiver próximo de 1, que é o valor ideal.

Também é possível medir o fator de potência como a relação entre a potência ativa e a reativa.

Assim, nas contas de energia temos a especificação dos kVA, mas sim os kVARh (quilowatts-reativos x hora) e os kWh (quilowatts x hora). Para se calcular o fator de potência, deve-se aplicar a seguinte fórmula:

 

É importante observar que tudo isso é válido quando a energia está dentro dos padrões de qualidade que essas aplicações exigem.

A presença de harmônicas numa instalação altera tudo isso, e a fórmula acima não pode ser aplicada.