Comportamento de grupos geradores na presença de banco de capacitores automáticos

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Abstract— Interruptions of the power supply by diesel 
generators and power quality provided by them depends on the 
characteristics of the loads and the correct use of generators. 
Capacitive loads and capacitor banks for power factor correction 
influence the electrical characteristics of the powerplant diesel 
generator. The use of capacitor banks in the presence of 
generators should be analyzed and controlled to ensure the 
power supply, and quality. 
Index Terms— Armature reaction, capacitor bank, diesel 
generators, power quality. 
Resumo—As interrupções do fornecimento de energia por 
geradores a diesel e a qualidade de energia fornecida pelos 
mesmos depende das características das cargas e do correto uso 
dos geradores. As cargas de características capacitivas e bancos 
de capacitores para correção do fator de potência influenciam 
nas características elétricas do grupo motor gerador a diesel. O 
uso de bancos de capacitores na presença de geradores deve ser 
analisado e controlado para garantir o fornecimento e a 
qualidade de energia. 
Palavras chave— Banco de capacitores, geradores diesel, 
qualidade de energia, reação da armadura. 
I. INTRODUÇÃO 
O uso de Grupo Motor Gerador (GMG) a diesel nas 
indústrias é cada vez mais frequente, tendo em vista a 
continuidade do fornecimento de energia, quando há 
interrupções no fornecimento por parte da concessionária, 
além do menor custo do kW/h gerado, se comparado com a 
tarifa da concessionária no horário de ponta. 
O mau dimensionamento dos grupos geradores pode 
ocasionar no desperdício de combustível, quando 
superdimensionamento, e no desligamento de parte ou total da 
produção, quando subdimensionado. 
II. GERADOR E FATOR DE POTÊNCIA 
 
Atualmente os critérios para dimensionamento utilizados 
por especialistas levam em consideração os dados de 
transformadores, relação detalhada das cargas, medições em 
campo e contas de consumo de energia. Os dados dos 
transformadores são importantes para o balizamento do 
dimensionamento e a definição da potência do equipamento, 
bem como para definição da etapa de força. Também é 
importante conhecer as características da carga e a relação das 
cargas prioritárias, que serão alimentadas pelo Grupo Gerador, 
para determinação das características ideais do motor e do 
 
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto Nacional de 
Telecomunicações, como parte dos requisitos para a obtenção do Certificado 
de Pós-Graduação em Engenharia de Sistema Eletromecânicos, Automação e 
Controle Industrial. Orientador: Prof. Cláudio Castro Prado. Trabalho 
aprovado em 06/2015. 
gerador, fazendo uma análise das cargas críticas, como No-
Breaks, lâmpadas de vapor metálico, motores, elevadores, etc. 
As medições através de analisadores de energia devem ser 
efetuadas no horário previsto de funcionamento do Grupo 
Gerador com a carga real em atividade, considerando as 
partidas das cargas críticas. As contas de energia contêm 
informações como o histórico das demandas, sendo este 
utilizado para o dimensionamento da máquina, de acordo com 
a sazonalidade. 
O dimensionamento adequado fornece um conjunto Motor-
Gerador que além de potência, tenha em suas atribuições a 
capacidade de fornecer energia com qualidade, compatível 
com a energia fornecida pela concessionária. 
Muitas vezes o dimensionamento é realizado apenas com 
base na demanda e na potência instalada (balizamento inicial), 
evitando os custos com a análise completa de todos os outros 
fatores. 
Este artigo destaca alguns motivos pelos quais os Grupos 
Geradores deixem de apresentar o funcionamento, rendimento 
e qualidade de energia como esperado, tendo em vista a falta 
de análise de cargas, mau dimensionamento e conexões com 
banco de capacitores ou cargas de característica capacitivas. 
A figura 1 mostra o modelo de GMG utilizado no software 
Matlab, modificado para a simulação dos diversos casos 
citados neste artigo, onde utilizou-se um gerador síncrono de 
2MVA, 400V com um gerador externo para fornecimento da 
tensão de excitação. 
 
 
 
Figura 1- Modelo do GMG utilizado na simulação com Matlab. 
 
A. Reações da armadura. 
O efeito de reação da armadura acontece quando se conecta 
uma carga aos terminais de um gerador síncrono. A corrente 
estabelecida que flui pelos condutores da armadura cria um 
campo magnético e o efeito de reação da armadura depende da 
intensidade da corrente e do fator de potência da carga 
Comportamento de Grupos Geradores na 
Presença de Banco de Capacitores Automáticos 
Fúlvio Martins Barbosa & Cláudio Castro Prado 
 
conectada. Portando a reação da armadura com o gerador em 
vazio é nula. A figura 2 mostra o sentido das correntes de 
cargas puramente resistivas, indutivas e capacitivas em relação 
à tensão induzida em vazio, em uma representação 
esquemática do rotor e armadura de uma máquina ideal (com 
um condutor por ranhura e sem núcleo). 
A corrente terminal e o fator de potência do gerador são 
determinados pela excitação do campo do gerador e pelas 
impedâncias do gerador e da carga [3]. 
 
 
Figura 2 – Reações da armadura (adaptada de [12]). 
 
B. Reação da armadura para cargas puramente resistiva. 
Quando uma carga puramente resistiva estiver conectada 
aos terminais do gerador (fator de potência unitário) é gerado 
um campo magnético defasado de 90° em atraso em relação 
aos polos principais. Este campo magnético exerce uma força 
contrária ao movimento do rotor. 
A notação fasorial da figura 3 representa as grandezas 
relacionadas. 
 
Figura 3- Diagrama fasorial do fluxo principal em vazio φ0 em relação ao 
fluxo de reação da armadura φR [7]. 
 
Sendo: E = tensão gerada. 
 I = Corrente nos terminais do gerador 
 ØR = Fluxo Reação da armadura 
 Ø0 = Fluxo principal no entreferro 
 Ø = Fluxo Resultante 
 
As figuras 4 e 5 mostram o resultado da simulação com 
várias cargas resistivas no total de 1,5MVA e fator de potência 
unitário (fp=1) escalonada em 6 intervalos. 
 
 
Figura 4 – Gráfico da velocidade e potência mecânica do gerador mediante a 
uma carga puramente resistiva. Carga de 1,5MVA (fp=1) escalonada em um 
intervalo total de 30 segundos. 
 
 
Figura 5 -Corrente de exitação para cargas puramente resistivas,utilizando 
uma carga de 1,5MVA (fp=1) escalonada em um intervalo total de 30 
segundos. 
 
Neste caso haverá necessidade de aumentar a corrente de 
excitação para manter a tensão nominal devido às perdas de 
tensão no enrolamento da armadura. 
 
C. Reação da armadura para cargas puramente indutivas. 
A corrente de carga está atrasada em 90° em relação à 
tensão gerada. O campo de reação da armadura está na mesma 
direção, porém em sentidos opostos do campo principal. 
As cargas indutivas têm um efeito desmagnetizante, onde 
para se manter a tensão nominal é necessário um aumento da 
corrente de excitação. A notação fasorial da figura 6 
representa as grandezas relacionadas. 
 
 
Figura 6- diagrama fasorial do fluxo principal φ0 em relação ao fluxo de 
reação da armadura φR para a carga puramente indutiva [7]. 
 
As figuras 7 e 8 mostram o resultado da simulação com 
várias cargas puramente indutivas no total de 270kVAR 
(indutivo) escalonada em 6 intervalos. 
Figura 7 – Gráfico da velocidade e potência mecânica do gerador mediante a 
uma carga puramente indutiva. Carga de 270kVARind escalonada em um 
intervalo total de 30 segundos. 
 
 
Figura 8 -Corrente de exitação para carga puramente indutivas, utilizando uma 
carga de 270kVARind escalonada em um intervalo total de 30 segundos. 
 
D. Reação da armadura carga capacitivas 
Para cargas puramente capacitivas a corrente está adiantada 
de 90° em relação à tensão gerada. O campo de reação da 
armadura está na mesma direção e sentido do campo principal. 
As cargas capacitivas tem um efeito magnetizante, no qual 
para se manter a tensão nominal é necessário diminuir a 
correntede excitação. A notação fasorial da figura 9 
representa as grandezas relacionadas. 
 
 
Figura 9- diagrama fasorial do fluxo principal φ0 em relação ao fluxo de 
reação da armadura φR para a carga puramente capacitiva [7]. 
 
As figuras 10 e 11 mostram o resultado da simulação com 
várias cargas puramente capacitivas de total de 270kVAR 
(capacitivo) escalonada em 6 intervalos. 
 
 
Figura 10 – Gráfico da velocidade e potência mecânica do gerador mediante a 
uma carga puramente capacitiva. Carga de 270kVARcap escalonada em um 
intervalo total de 30 segundos. 
 
Figura 11 -Corrente de exitação para carga puramente capacitiva, utilizando 
uma carga de 270kVARcap escalonada em um intervalo total de 30 segundos. 
 
E. Importância de se conhecer as cargas a serem ligados ao 
grupo gerador 
Na prática as cargas a serem conectadas aos grupos 
geradores são cargas com defasagem intermediária entre 
totalmente indutiva, resistiva e capacitiva. 
Somente o campo transversal possui um efeito frenante, 
consumindo potência mecânica da máquina, já os efeitos 
magnetizante e desmagnetizante são controlados através da 
corrente de excitação [7]. 
 
 
F. Importância do escalonamento das cargas. 
Os GMGs não podem ser ligados de forma a produzirem 
imediatamente a potência nominal, devido principalmente ao 
tempo de arranque que consiste basicamente na reação de 
aceleração do gerador decorrente da força eletromotriz (FEM) 
ocasionada pela carga. 
Através do resultado da simulação da figura 12 pode-se 
perceber as diferentes reações do grupo com o escalonamento 
e sem o escalonamento utilizando uma carga total de 
1,90MVA e fator de potencia de 0,92 indutivo 
 
a) 
 
b) 
Figura 12 a) Potência mecãnica e velocidade com escalonamento de cargas, 
b) Potência mecãnica e velocidade sem escalonamento de cargas 
 
Se em algum instante ocorrer a situação semelhante ao da 
figura 12-b) a proteção do GMG irá desliga-lo devido, entre 
outras causas, à perda da frequência na geração de energia. 
 
G. Limites de produção. 
Os valores de potência máxima e mínimo produzidas pelos 
GMG’s podem ser fixados por razões técnicas e econômicas, 
no caso de paralelismo permanente com a rede, ou variáveis 
de acordo com a carga. Neste último caso a qualidade de 
energia fica vulnerável as variações de entrada e saída de 
carga e picos de partidas. A figura 13 mostra o rendimento dos 
alternadores em função da potência, de acordo com a 
porcentagem de carga aplicada. 
O rendimento do alternador não é constante e se aproxima 
de seu valor máximo com a carga ente 80% e 100% da 
potência máxima. [6]. Alguns fornecedores recomendam que 
se tenham uma carga mínima de 50% da potência nominal 
para que o gerador opere em estado normal. 
 
Figura 13- Rendimentos dos alternadores de acordo com a porcentagem de 
carga e em função da potência [6]. 
 
H. Forma de onda da tensão. 
Quando existem elevados distúrbios na rede devido às 
cargas não lineares, o sistema de controle do grupo gerador 
pode interpretar como condição anormal, impedindo sua 
perfeita operação. Neste caso a proteção do alternador pode 
atuar caso haja um aquecimento devido às perdas no ferro e no 
cobre [9]. 
Os geradores síncronos possuem uma impedância bem 
maior do que os transformadores, assim as cargas não lineares 
provocam distorção na tensão gerada pelo GMG [13]. 
Equipamentos de informática, hospitalares e laboratoriais 
são exemplos de equipamentos que necessitam de rede elétrica 
bastante estável e, quando associados ao uso de geradores com 
cargas não lineares, recomenda-se instalar nobreaks ou 
estabilizadores específicos, garantindo assim uma tensão 
adequada em sua alimentação. A figura 14 ilustra a 
deformação na forma de onda da tensão. 
 
Figura14. Exemplo da forma de onda da tensão na presença de harmônicos 
em comparação com a forma de onda fundamental [5]. 
 
I. Corrente de partida e sazonalidade 
As correntes de partida devem ser consideradas tanto no 
dimensionamento do gerador e escalonamento das cargas, 
quanto na análise da qualidade de energia produzida. 
A figura 15 mostra a oscilografia da corrente de um gerador 
perante a corrente de partida de motores e demais cargas de 
uma linha de produção industrial. Como se trata de um 
processo industrial a sazonalidade se dá de acordo com o uso 
dos equipamentos no processo. 
 
 
 
Figura 15- Gráfico para análise de qualidade de energia coletado em planta 
real, conectado a um sistema de Motor Gerador a diesel de 500kVA, 380V. 
III. BANCO DE CAPACITORES AUTOMÁTICOS 
A. Correção do Fator de Potência com Banco de 
capacitores automáticos. 
De acordo com a Agência Nacional de Energia Elétrica-
ANEEL, os consumidores do grupo A devem controlar o fator 
de potência e mantê-lo em um patamar mínimo de referência 
de 0,92 [11]. 
A correção do fator de potência com o uso de capacitores 
pode ser realizada de diversas formas, entre elas pode-se citar 
a correção na entrada da energia de alta tensão, correção 
localizada e a correção por grupos de cargas. Esta última 
pode-se fazer com bancos de capacitores fixos ou automáticos. 
Para bancos de capacitores automáticos existem estágios 
com determinada potência reativa capacitiva a ser ligado ou 
desligado pelo controlador. 
A recomendação de valor máximo para os estágios está 
baseada em aspectos práticos de aplicação para que se 
mantenham as correntes de surto, provocadas pelo 
chaveamento de bancos em paralelo, em níveis aceitáveis para 
os componentes. [10] 
Se em algum instante a carga variar sem que o banco de 
capacitores acompanhe esta variação, pela própria inércia e 
tempo do sistema, haverá uma sensibilização no controlador 
de excitação do Grupo Gerador forçando a diminuição da 
corrente de excitação. 
 
B. Corrente Inrush em capacitores. 
Na energização de um banco de capacitores ocorre um 
transitório eletromagnético, que se traduz pelo aumento dos 
valores de corrente e da frequência. Os valores atingidos neste 
transitório e sua duração dependem do instante em que circula 
a tensão da capacitância, da indutância do circuito, da carga 
inicial do capacitor no instante da energização e dos 
amortecimentos promovidos pelas resistências do circuito [2]. 
Através da figura 16 verifica-se que o valor da corrente 
inicialmente é muito alto, porém este valor diminui 
abruptamente quando está em 100ms, já em regime 
permanente. 
 
Figura 16- Gráfico de simulação feita a partir de um banco de capacitores de 
300MVAr em 69kV [2]. 
 
Para baixas tensões estas correntes podem atingir patamares 
superiores a 100 vezes a corrente nominal dos capacitores 
[10]. 
 
C. Importância da curva de capabilidade. 
As principais características de funcionamento de uma 
máquina síncrona em regime permanente são dadas pelas 
relações entre tensão terminal, corrente de campo, corrente de 
armadura, fator de potência e rendimento [3]. 
A região de operação permitida de um gerador síncrono é 
apresentada em forma de curva de capabilidade ou cartas de 
capacidade, onde fornece valores de carregamento que o 
gerador pode operar com segurança nas diversas situações e 
tipos de carga. Os geradores são fornecidos em função da 
potência aparente máxima sem que haja um superaquecimento 
dos enrolamentos ou de qualquer outra parte da máquina [3]. 
Existe uma tolerância fixada em torno do valor nominal. 
O conhecimento da curva de capabilidade do equipamento 
dos geradores fornece uma orientação valiosa para projetistas 
e operadores. Para os operadores as curvas podem mostrar 
rapidamente se os geradores podem responder com segurança 
as alterações de cargas que podem ocorrer durante o seu 
funcionamento. Para os projetistas as curvas são ideais para 
analisar se os geradores são capazes de abastecer com 
segurança as cargas demandadas bem como as modificações e 
acréscimo de cargas comuns ao sistema. 
A figura 16 mostrauma curva de capabilidade de um grupo 
gerador genérico. 
Vale ressaltar que a curva de capabilidade normalmente não 
é fornecida pelas montadoras de grupos geradores. Para 
adquiri-las é necessário solicitar ao fabricante dos 
alternadores. 
 
Figura 16- exemplo de curva de capabilidade da máquina síncrona [7]. 
IV. CONCLUSÃO 
A falha de um GMG diesel pode ocorrer pela associação 
dos diversos fatores citados neste artigo, que são difíceis de 
detectar isoladamente após sua ocorrência. 
A retirada de operação de banco de capacitores durante o 
funcionamento dos geradores deve ser avaliada, pois poderá 
sobrecarregar os condutores acionando o sistema de proteção 
do circuito. Manter a proteção (como relés microprocessados) 
em funcionamento e corretamente parametrizada evita 
danificar o gerador, mas não inibe a interrupção de energia. Os 
mapeamentos dos circuitos críticos auxiliam na observação, na 
tomada de decisões e remanejamentos de circuitos. 
O conhecimento das características das cargas bem como 
sua variação ao longo do tempo, o controle do fator de 
potência com uso de banco de capacitores, observando itens 
importantes como harmônicos, intervalo de chaveamento e 
corrente inrush, juntamente com a curva de capabilidade, são 
de extrema importância para conhecer os limites de 
funcionamento do grupo gerador. Através do qual os 
operadores poderão planejar os procedimentos e sequência 
para ligar as cargas com segurança e confiabilidade no 
equipamento. 
 
Uma evolução deste trabalho consiste no estudo detalhado 
das consequências das mudanças da frequência de ressonância 
para o gerador e dos efeitos provocados pela presença de 
cargas não lineares. 
 
 
REFERENCIAS 
 
[1] J. Mamede Filho, “Instalações Elétricas Industriais. 8. ed.” Rio de 
Janeiro: LTC, 2012. 
[2] C. Mardegan, “Proteção e Seletividade em Sistemas Elétricos 
Industriais” São Paulo: Atitude Editorial, 2012. 
[3] S. D. Umans, “Máquinas Elétricas de Fitzgerald e Kingsley. 7. Ed”. 
Porto Alegre: AMGH, 2014. 
[4] E. Bim, “Máquinas Elétricas e Acionamentos. 3. ed.” Rio de Janeiro: 
Elsevier, 2014. 
[5] Generator Systems - Application and Installation Guide, Caterpillar, 
USA 2008. 
 
[6] J. C. Pereira, “Motores e Geradores” (on-line). Disponível na Internet. 
URL: http://www.joseclaudio.eng.br/apostila.zip, 2015. 
[7] DT-5 Características e Especificações de Geradores (on-line), WEG, 
Disponível na internet. URL: http://ecatalog.weg.net/files/wegnet/WEG-
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portugues-br.pdf, 2015. 
[8] Engenharia de aplicações - Manual de aplicações para grupos geradores 
arrefecidos a água. (on-line), Cumins Power Generator, Disponível na 
internet. URL: http://www.cumminspower.com.br 
/pdf/engenharia/T030Português.pdf, 2015. 
[9] J. E. Rocha, G. Glodzienski, L. Mascari, M. S. Pazinato, “Fluxo 
harmônico em planta comercial na presença de Grupo gerador” (on-
line). Disponível na Internet. URL: 
http://nupet.daelt.ct.utfpr.edu.br/tcc/engenharia/doc-equipe/ 
2010_2_31/2010_2_31_artigo.pdf,2015 
[10] Manual para correção do fator de potência (on line), WEG, Disponível 
na internet. URL: http://ecatalog.weg.net/files/wegnet/ WEG-correcao-
do-fator-de-potencia-958-manual-portugues-br.pdf 
[11] Resolução normativa n°569, de 23 de julho de 2013 (on line), ANEEL, 
disponível na internet. URL: http://www.aneel.gov.br/ 
cedoc/ren2013569.pdf 
[12] I. L. Kosow, “Máquinas Elétricas e Transformadoras Vol. 1”. 4. Ed. 
Porto Alegre: Globo, 1982. 
[13] J. P. G. Abreu, J. S. Sá, C.C. Prado, “Harmonic voltage distortion in 
isolated electric systems (anais de congresso)” in 7th International 
Conference on Electrical Power Quality and Utilisation, Cracow, 
Poland, September 2003, pp. 469–472. 
 
 
Fúlvio Martins Barbosa nasceu em Monte Sião, MG, em 22 de fevereiro de 
1984. Recebeu o título de Engenheiro Eletricista pela Pontifícia Universidade 
Católica de Minas Gerais em 2011. 
Desde 2012 trabalha com projetos de redes de distribuição, cabines primárias 
e instalações de grupos geradores na ML Eletricidade. Tem interesse nas áreas 
de Redes de Distribuição, Máquinas Elétricas, Qualidade de Energia e 
Eficiência Energética. 
 
Cláudio Castro Prado nasceu em Itajubá, MG, em 04 de janeiro de 1969. 
Engenheiro Eletricista pelo Inatel em 1992 e Mestre em Sistemas Elétricos de 
Potência pelo Departamento de Engenharia Elétrica da Escola Federal de 
Engenharia de Itajubá em 1999. 
Professor no Curso de Pós-Graduação em Engenharia de Sistemas 
Eletroeletrônicos, Automação e Controle Industrial do Inatel desde 2010. Tem 
interesse nas áreas de Sistemas Elétricos de Potência, Qualidade de Energia, 
Máquinas Elétricas, Materiais Isolantes, além de Automação e Controle. 
 
http://www.joseclaudio.eng.br/apostila.zip
http://ecatalog.weg.net/files/wegnet/WEG-curso-dt-5-caracteristicas-e-especificacoes-de-geradores-artigo-tecnico-portugues-br.pdf
http://ecatalog.weg.net/files/wegnet/WEG-curso-dt-5-caracteristicas-e-especificacoes-de-geradores-artigo-tecnico-portugues-br.pdf
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http://nupet.daelt.ct.utfpr.edu.br/tcc/engenharia/doc-equipe/%202010_2_31/2010_2_31_artigo.pdf,2015
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http://www.aneel.gov.br/%20cedoc/ren2013569.pdf
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