O que é Fator de potência? Informações importantes sobre o fator de potência da iluminação LED

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O fator de potência é o rácio entre a potência útil (ou seja, o produto da tensão e da corrente) e a potência aparente, e o seu valor varia entre 0 e 1. Normalmente, o fator de potência da iluminação LED pode atingir 0,95, ou mesmo 0,97 a 0,99, pelo que não recebe tanta atenção na indústria como outros parâmetros (por exemplo, eficácia luminosa, potência, lentes, etc.).

No entanto, ainda existem algumas lâmpadas tradicionais no mercado, bem como algumas lâmpadas LED com baixo fator de potência. Estas luminárias colocam uma maior carga de corrente na rede, exigindo a utilização de fios de cobre mais grossos para reduzir o aquecimento por sobrecarga da linha e problemas de queda de tensão, o que leva a custos de construção municipais mais elevados. Apesar de alguns países e regiões cobrarem mais pela energia reactiva, acreditamos que é necessário melhorar o fator de potência das fontes de alimentação.

Antes disso, temos de compreender o que é o fator de potência e a sua importância. Também precisamos de saber em que circunstâncias os LEDs têm um melhor desempenho em termos de fator de potência, uma vez que as luminárias LED nem sempre têm um fator de potência elevado.

O que é o fator de potência?

O fator de potência é o rácio entre a potência ativa (ou seja, o produto da tensão e da corrente) e a potência aparente num circuito de corrente alternada. É um parâmetro importante para medir a eficiência do equipamento elétrico e a qualidade do sistema de energia. A potência ativa é a potência do sistema que é efetivamente utilizada para realizar trabalho, enquanto a potência aparente é a potência total do sistema, incluindo a potência ativa e a potência reactiva (potência causada pela diferença de fase entre a corrente e a tensão, que normalmente não realiza trabalho útil).

Com a fórmula do fator de potência (fator de potência = potência ativa / potência aparente), sabemos que o valor do fator de potência se situa entre 0 e 1, o que também inclui o fator de potência da iluminação LED.

Para uma carga puramente resistiva, o fator de potência é igual a 1, o que significa que a tensão e a corrente estão em fase. Isto significa que toda a corrente é utilizada para efetuar trabalho útil e não há desperdício. No entanto, para cargas indutivas (por exemplo, motores, transformadores, etc.) e cargas capacitivas (por exemplo, condensadores, etc.), a corrente está atrasada ou excede a tensão, o que faz com que parte da potência não seja efetivamente utilizada, e o fator de potência será inferior a 1. Um fator de potência baixo significa que existe uma grande quantidade de potência reactiva no circuito, o que aumentará as perdas de alimentação na linha e reduzirá a utilização do equipamento.

Por conseguinte, a melhoria do fator de potência ajuda a reduzir o consumo de energia da rede e a melhorar a eficiência do equipamento e a qualidade do fornecimento de energia. Na prática, o fator de potência pode ser melhorado através da compensação da energia reactiva, da otimização do modo de funcionamento do equipamento e de outras medidas.

Fator de potência da iluminação LED - potência ativa e reactiva

Porque é que nos preocupamos com o fator de potência?

O fator de potência é de importância vital nos sistemas de energia. Na nossa opinião, a sua importância reflecte-se principalmente nos seguintes aspectos:

1. Aumento da utilização de energia:

Com um fator de potência não corrigido (ou seja, um fator de potência demasiado baixo), existe uma grande quantidade de perda de potência reactiva no sistema elétrico. Esta potência inútil não é diretamente convertida em energia mecânica ou térmica útil quando flui no circuito, mas gera uma corrente extra no equipamento elétrico. Esta corrente extra aquece as resistências no interior do equipamento, aumentando assim o consumo de energia do equipamento. Por outro lado, a melhoria do fator de potência reduz as perdas de potência reactiva, aumentando assim a utilização de energia.

2. Reduzir a carga na rede:

Melhorar o fator de potência da iluminação LED reduz a potência reactiva na rede, reduzindo assim a carga na rede. Isto é essencial para o funcionamento estável do sistema elétrico e ajuda a evitar problemas como sobrecargas e falhas na rede. Pelo contrário, um baixo fator de potência pode levar a uma corrente excessiva na rede, o que, por sua vez, afecta a estabilidade do sistema de energia.

3. Afecta o desempenho do equipamento:

Um fator de potência elevado prolonga a vida útil do equipamento elétrico e reduz o desperdício de energia. Quando o fator de potência é demasiado baixo, é gerada uma grande quantidade de trabalho inútil no circuito, o que leva a um forte aquecimento do equipamento elétrico. Tanto o equipamento da rede como o equipamento que utiliza energia não gostam de ambientes com temperaturas elevadas. Uma temperatura excessiva acelera o envelhecimento dos componentes, levando à degradação do desempenho ou mesmo a danos. Por outras palavras, um baixo fator de potência não só desperdiça energia, como também provoca danos no equipamento.

Fator de potência baixo devido a diferentes cargas

O baixo fator de potência deve-se principalmente à utilização de componentes indutivos e capacitivos. Os equipamentos podem ser classificados em cargas indutivas e capacitivas, consoante o número de elementos indutivos e capacitivos. Os equipamentos com mais componentes indutivos são cargas indutivas, enquanto os equipamentos com mais componentes capacitivos são cargas capacitivas.

Cargas puramente resistivas

Para além das cargas indutivas e capacitivas, há uma série de dispositivos, aparelhos e lâmpadas que são puramente resistivos (ou seja, cargas óhmicas puras). Refere-se a cargas em que o circuito contém apenas componentes resistivos. Quando energizado, o circuito produz apenas calor e energia luminosa e não converte energia eléctrica noutras formas de energia. Numa carga puramente resistiva, a corrente e a tensão mudam de forma síncrona, ou seja, estão em fase. Isto significa que não existe diferença de fase entre a corrente e a tensão e, portanto, o fator de potência é igual a 1.

Um exemplo típico de uma carga puramente resistiva é uma lâmpada incandescente. Quando uma lâmpada incandescente é acesa, a energia eléctrica é convertida principalmente em calor e luz, sendo o calor gerado devido à passagem de corrente através de um fio de resistência. Uma vez que as lâmpadas incandescentes são cargas puramente resistivas, o seu fator de potência é próximo de 1, o que significa que as lâmpadas incandescentes são capazes de utilizar eficientemente a energia eléctrica e convertê-la em luz/calor sem gerar muita potência reactiva. Naturalmente, isto não significa que as lâmpadas incandescentes tenham a maior eficiência luminosa.

carga indutiva

As cargas indutivas são cargas que contêm um grande número de componentes indutivos no circuito e são uma das principais causas do baixo fator de potência do equipamento. As cargas indutivas incluem motores, transformadores, indutores, etc., que geram um campo magnético durante o funcionamento que faz com que a corrente se atrase em relação à tensão. Este desfasamento provoca uma diferença de fase entre a corrente e a tensão, o que reduz o fator de potência. Um exemplo típico de uma carga indutiva são as lâmpadas HID, cujos balastros electromagnéticos são inerentemente indutivos, resultando num fator de potência que é normalmente de cerca de 0,7 ou mesmo inferior a 0,5. As lâmpadas LED também se enquadram nesta categoria, embora a iluminação LED possa ter um fator de potência de 0,97.

Cargas indutivas e capacitivas

carga capacitiva

As cargas capacitivas são cargas com um grande número de elementos capacitivos no circuito. Ao contrário das cargas indutivas, as cargas capacitivas (como os condensadores) fazem com que a corrente ultrapasse a tensão, melhorando assim o fator de potência. No entanto, se a reactância capacitiva for demasiado grande, de modo a ser maior do que a reactância indutiva, a corrente ultrapassará a tensão num grande ângulo de fase, o que resulta novamente numa queda do fator de potência. Muitas vezes, os condensadores são adicionados a dispositivos como os controladores LED para compensar a energia reactiva e melhorar o fator de potência da iluminação LED.

Fundamentos do fator de potência

Nas duas secções anteriores, aprendemos que a presença de componentes indutivos e capacitivos no equipamento pode levar a uma redução do fator de potência do equipamento, mas quais são as razões específicas? De seguida, explicamos os conceitos básicos de uma forma mais generalizada.

Quando cargas indutivas (ou seja, componentes que geram campos magnéticos, como motores, transformadores e indutores) estão presentes num dispositivo, a corrente que passa por esses dispositivos gera um campo magnético para armazenar energia. Se imaginarmos o campo magnético como um balde e a corrente como água, quando abrimos a torneira, a água começa a fluir para o balde, mas o balde não se enche imediatamente.

Isto deve-se ao facto de a água demorar algum tempo a fluir e a encher um balde. Da mesma forma, quando uma corrente flui através de uma carga indutiva, cria um campo magnético no interior da carga, mas este campo demora algum tempo a acumular-se. Esta corrente devida ao estabelecimento do campo magnético é designada por “corrente reactiva indutiva”.

Esta corrente não é efetivamente convertida em energia útil para a carga, mas é armazenada no campo magnético. Existe uma diferença de fase entre esta corrente e a tensão, ou seja, a tensão começou a mudar, mas a corrente ainda não atingiu a magnitude da mudança de tensão.

Em cargas indutivas, estes componentes (por exemplo, motores eléctricos) podem levar a um aumento do consumo de energia na rede, mesmo que o motor em si não consuma tanta energia. Isto acontece porque as cargas indutivas consomem potência reactiva para além da potência ativa. A potência reactiva não é utilizada diretamente para realizar trabalho, mas para manter o campo magnético no interior do dispositivo.

Devido à presença de cargas indutivas, a corrente circula no sistema, fazendo com que a energia total (potência aparente) no sistema aumente. Como as cargas indutivas consomem potência reactiva, a rede tem de fornecer mais corrente para satisfazer as necessidades do equipamento. Isto leva a um aumento do consumo de energia da rede, mesmo que o motor em si não consuma tanta energia.

Por conseguinte, é necessário ter em conta o impacto da potência reactiva ao conceber e operar cargas indutivas para melhorar a eficiência do equipamento e reduzir o consumo de energia da rede.

Factores que afectam o fator de potência na iluminação LED

Nas duas secções anteriores, descrevemos o que é o fator de potência, porque é importante e como as diferenças de fator de potência afectam a rede. Nesta secção, explicamos quais os factores que afectam o fator de potência das luminárias LED.

Utilização de fontes de alimentação de qualidade inferior

Sendo um componente importante da luminária, a fonte de alimentação LED tem um impacto significativo no fator de potência da lâmpada LED. Isto deve-se ao facto de existirem mais componentes indutivos na fonte de alimentação do que em qualquer outra parte da luminária. No entanto, os controladores LED de diferentes fabricantes de fontes de alimentação variam muito no seu desempenho do fator de potência.

Por exemplo, o fator de potência das fontes de alimentação da série Infinity EUM pode atingir 0,97 ou mesmo mais, enquanto o fator de potência das fontes de alimentação da série MOSO MXG só pode atingir 0,95. Diferentes séries de controladores LED do mesmo fabricante também variam muito em termos de desempenho do fator de potência. Por exemplo, a fonte de alimentação D4i da Igor EBS-080S105BT2 pode atingir um PF de 0,98.

Fonte de alimentação mal configurada

O fator de potência da mesma fonte de alimentação varia muito em diferentes configurações de aparelhos. Aqui, a configuração do aparelho depende principalmente do grau de correspondência entre a carga do aparelho e o controlador LED. A partir da tabela abaixo, podemos ver que quanto menor a carga do aparelho, pior o valor do PF. Tomando o EUM-075S105DG como exemplo, quando a carga da luminária é de 72W (a potência total da luminária é de 80W), o PF pode atingir 0,97. Se a carga da luminária for reduzida para 60W, o PF será reduzido para 0,96, e se continuar a ser reduzido para 50W, o PF será reduzido para 0,95 ou ainda mais baixo. A coisa certa a fazer neste momento é usar a fonte de alimentação EUM-050 para controlar o módulo LED correspondente para obter um melhor valor de PF.

Fator de potência do controlador LED

Utilização da função de regulação da intensidade luminosa

A função de regulação da intensidade luminosa nas luminárias LED é amplamente utilizada. Embora a regulação da intensidade luminosa possa poupar energia, também é necessário prestar atenção ao seu efeito no fator de potência (PF). Na iluminação de estradas, os candeeiros de rua LED reduzem a potência para minimizar a iluminação excessiva quando o tráfego diminui depois da meia-noite. Outro exemplo é a iluminação de armazéns, onde as luzes industriais LED ajustam a sua potência com base na ocupação do espaço (ocupado ou desocupado) para reduzir a iluminação desnecessária.

Normalmente, quando a procura de iluminação é baixa, as luminárias LED reduzem a potência alterando a saída do controlador LED para poupar energia, ou seja, reduzindo a potência de saída do controlador LED. A partir do segundo ponto, podemos compreender que, neste caso, o fator de potência das lâmpadas LED pode ser reduzido. Recomenda-se que, neste caso, a redução de potência não exceda 50%. Se a redução de potência for superior a 50%, é necessário um equilíbrio entre a poupança de energia e o valor do fator de potência.

Resumir

O fator de potência é um parâmetro importante para limitar a potência reactiva nos equipamentos eléctricos, sendo um indicador da comparação entre a potência real, aparente e reactiva do equipamento. Os controladores LED têm um melhor desempenho em termos de fator de potência devido à utilização de um corretor de fator de potência interno (PFC).

Diferentes fornecedores de controladores LED têm diferentes capacidades nesta área e os fabricantes de luminárias LED são aconselhados a investigá-los. Ao mesmo tempo, devemos tentar evitar um baixo fator de potência devido a uma configuração de luminária pouco razoável (carga demasiado baixa).

Além disso, os valores do fator de potência das luminárias LED em sistemas de carga total e de regulação da intensidade luminosa variam consideravelmente. No entanto, acreditamos que um fator de potência inferior da iluminação LED não é um problema durante a regulação da intensidade luminosa em relação à corrente de entrada consumida.