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

corrente de 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 mostra uma 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-

curso-dt-5-caracteristicas-e-especificacoes-de-geradores-artigo-tecnico-

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.