Banco de Capacitores Dessintonizado: como evitar a ressonância harmônica na indústria

19 out Banco de Capacitores Dessintonizado: como evitar a ressonância harmônica na indústria

Estudo de caso: transformador de 1.500 kVA, 13,8 kV / 440 V, indústria metalmecânica na Região Metropolitana de Curitiba

Por Eng. Esp. Alexandre Mettegang Diener, Engenheiro Eletricista e Engenheiro de Segurança do Trabalho (CREA-PR 87195/D), AW Strom Engenharia e Serviços. Publicado em outubro de 2026.

Sua indústria paga energia reativa excedente mesmo tendo banco de capacitores?
Os capacitores perdem capacidade em menos de dois anos?

O problema pode não estar nos capacitores, e sim em um fenômeno chamado ressonância harmônica: o próprio banco amplifica as distorções da rede e se danifica.

Neste artigo, a AW Strom mostra um caso real de uma indústria da região de Curitiba, explica por que isso acontece e detalha a solução adotada: o banco de capacitores dessintonizado (7 %).

Resumo rápido

• O problema: a planta pagava reativo excedente, mesmo com bancos automáticos em dois dos três quadros gerais.
• A causa: no quadro estudado (QGBT2), o banco de capacitores amplificava a 13ª harmônica. Com o banco ligado e carga leve, a corrente de 13ª chegava a 17 % da fundamental.
• O efeito: capacitores com perda de capacitância de 9 a 13 % em menos de dois anos.
• A solução projetada: banco automático dessintonizado com fator de 7 %, em que cada estágio é um par reator + capacitor selecionado em conjunto pelo fabricante.
  

O caso: fator de potência baixo mesmo com banco de capacitores

A unidade é atendida em 13,8 kV e tem três transformadores a seco de 1.500 kVA (13,8 kV / 440 V), cada um alimentando um quadro geral de baixa tensão (QGBT1, QGBT2 e QGBT3).

O fator de potência apurado pela concessionária ficava abaixo da referência de 0,92 em boa parte das horas de produção, com cobrança de excedente reativo.

• QGBT1: sem compensação em operação.
• QGBT2: banco automático de 12 estágios (cerca de 115 kVAr efetivos), com controlador antigo.
• QGBT3: banco de 14 estágios que atendia bem até cerca de 350 kW de carga e saturava acima disso.

Este artigo trata do QGBT2. Um laudo de capacitância feito meses antes já havia encontrado um estágio fora de serviço e três estágios com capacitância de 9 a 13 % abaixo do nominal, fora da tolerância de −5 % da NBR IEC 60831. A explicação usual seria envelhecimento ou tensão alta. A medição mostrou que havia uma causa mais específica.

O que a medição mostrou

Durante sete dias, os três quadros foram medidos ao mesmo tempo com analisadores de qualidade de energia, em registros de 1 minuto.

No QGBT2, o reativo medido era capacitivo (negativo) em 75 % do tempo, entre −35 e −70 kVAr em carga leve, e indutivo em produção, chegando a +270 kVAr: o controlador ligava quase todo o banco de madrugada e não tinha reserva de dia. A distorção de corrente (THDi) era a maior da planta: 21 % em produção e 31 a 39 % em carga leve.

Como a exportação do analisador traz só a distorção total, os espectros completos de quatro registros foram extraídos da memória do instrumento, em carga alta e em carga leve:

Registro	Condição	P / Q (kW / kVAr)	Fundamental (A)	5ª (A)	7ª (A)	11ª (A)	13ª (A)	2ª / 14ª (A)	THDi
Produção	435 kW	435 / +359	701–723	129	70	46	43	48 / 45	25 %
Produção	370 kW	370 / +308	603–617	104	50	37	37	40 / 36	23 %
Produção	340 kW	340 / +242	523–537	75	31	38	29	33 / 25	19 %
Carga leve	123 kW, banco ligado	123 / −72	176–179	19	9	23	31	9 / 4	25 %

 

Harmônicas de corrente medidas no QGBT2 (pior fase).

Três pontos chamam a atenção:

1. A 11ª e a 13ª harmônica têm 37 a 46 A e 29 a 43 A em produção, três a cinco vezes o que se mede no QGBT1 da mesma planta, com cargas semelhantes.
2. Há harmônicas pares expressivas (2ª de 33 a 48 A, 14ª e 16ª de 25 a 45 A), sinal de cargas com assimetria de semiciclo, como retificadores semicontrolados ou máquinas de solda.
3. O ponto decisivo: no registro de carga leve, com apenas 179 A de fundamental, a 13ª tem 31 A, ou 17 % da fundamental. Uma carga de 123 kW não produz 31 A de 13ª. O que produz é a ressonância do banco de capacitores que estava ligado naquele momento.

Em palavras simples: harmônicas são “ruídos” na corrente elétrica, gerados por equipamentos como inversores, retificadores e máquinas de solda. Normalmente elas se espalham pela rede. Quando existe ressonância, o banco de capacitores e o transformador “se encontram” numa frequência em que esses ruídos são amplificados em vez de absorvidos.

Por que um capacitor pode amplificar harmônicas

Visto do barramento de 440 V, o transformador e a rede formam uma indutância. O banco de capacitores é uma capacitância. Os dois ficam em paralelo e formam um circuito ressonante. A ordem harmônica em que isso acontece é calculada por:

hr = √(Scc ÷ Qc)

onde Scc é a potência de curto-circuito no barramento (24 MVA para um transformador de 1.500 kVA com 6,2 % de impedância) e Qc é a potência do banco ligada naquele momento.

Banco ligado	Ressonância na
200 kVAr	11ª harmônica
115 kVAr	14,5ª harmônica
60 kVAr	20ª harmônica

Na frequência de ressonância, a impedância do barramento fica muito alta. A corrente harmônica da carga produz uma tensão harmônica grande e circula, amplificada, entre o capacitor e o transformador.

Como o banco é automático, a potência ligada muda ao longo do dia e a ressonância varre uma faixa de ordens. Qualquer banco convencional maior passaria pela 13ª e pela 11ª ao escalonar. A 13ª de 31 A medida em carga leve é a assinatura desse pico.

Consequências para os capacitores

A corrente harmônica que circula pelo capacitor se soma à fundamental: um capacitor de 440 V operando a 448 V e absorvendo 13ª amplificada trabalha acima da corrente nominal e sem margem de tensão. Perda de capacitância em dois anos, estágios fora de tolerância e um estágio aberto são o resultado esperado, e foi o que o laudo encontrou. O controlador, por sua vez, “vê” o reativo total do quadro, inclusive a parcela de distorção, e tende a ligar mais estágios do que a carga pede, o que fecha o ciclo: mais banco, ressonância mais próxima da 13ª, mais amplificação.

Banco dessintonizado: o que significa “7 %”

A solução é impedir que o banco forme ressonância paralela nas ordens em que a carga tem corrente. Isso é feito colocando um reator em série com cada capacitor.

O parâmetro que define o conjunto é o fator de dessintonia (p): a relação entre a reatância do reator e a do capacitor na frequência fundamental (60 Hz). Com p = 7 %, o reator tem 7 % da reatância do capacitor.

A frequência de sintonia do estágio é 60 ÷ √0,07 = 227 Hz (3,78ª ordem). Abaixo dessa frequência o estágio se comporta como capacitor. Acima, como indutor. Na 5ª, 7ª, 11ª e 13ª harmônicas, o estágio é visto pela rede como indutância, e dois indutores em paralelo (transformador e banco) não formam ressonância.

A ressonância paralela não desaparece, mas é empurrada para baixo da frequência de sintonia, entre a 3ª e a 4ª ordem, onde a carga quase não tem corrente.

Por que 7 % e não outro valor?

A escolha de p é um compromisso:

• 5,67 %: sintonia em 252 Hz, logo abaixo da 5ª. Absorve muita corrente de 5ª (pode ser desejável como filtragem, mas sobrecarrega o estágio) e exige capacitor e reator mais robustos.
• 7 %: sintonia entre a 3ª e a 5ª, longe de ambas. É o padrão para redes trifásicas de 6 pulsos. O critério do fabricante é usar 7 % quando a 3ª harmônica da carga for menor que 20 % da 5ª. No QGBT2, a 3ª é de cerca de 9 A contra 75 a 130 A de 5ª.
• 12,5 a 14 %: sintonia entre 160 e 170 Hz, abaixo da 3ª. Necessário quando há 3ª harmônica significativa (cargas monofásicas, iluminação eletrônica), ao custo de reatores maiores, mais perdas e mais elevação de tensão.

O preço: a tensão no capacitor sobe

Reator e capacitor em série funcionam como um divisor de tensão, e a tensão no capacitor fica maior que a do barramento:

Uc = U ÷ (1 − p) = 440 ÷ 0,93 = 473 V (482 V com o barramento a 448 V, como medido)

Por isso o capacitor de um estágio dessintonizado precisa de tensão nominal superior à do barramento. Neste projeto, os conjuntos foram tomados da linha de 480 V do fabricante, com capacitores de 535 V do tipo heavy duty: o capacitor opera a 0,90 da sua tensão nominal, com margem para as harmônicas. Os conjuntos da linha de 440 V operariam praticamente na tensão nominal e foram descartados.
Há também um efeito sobre a potência entregue: os valores de catálogo da linha de 480 V são dados nessa tensão e já incluem o reator. Como a potência reativa varia com o quadrado da tensão, um conjunto de 30,3 kVAr nominais entrega 30,3 × (440/480)² ≈ 25,5 kVAr no barramento de 440 V.

Reator e capacitor são um par

A sintonia depende do produto entre a indutância do reator e a capacitância do capacitor. Trocar o capacitor por outro de capacitância diferente, mesmo que tenha a mesma potência nominal em outra tensão, desloca a frequência de sintonia:

• Capacitor com 8 % mais capacitância: sintonia vai de 227 para 218 Hz.
• Capacitor com 20 % menos capacitância: sintonia sobe para 253 Hz, colada na 5ª harmônica.

Por isso, use sempre os pares já casados nas tabelas dos fabricantes, para cada tensão de rede, frequência e fator de dessintonia.

O projeto adotado

O banco foi dimensionado com 12 estágios em três potências (10,9 / 18,2 / 25,5 kVAr líquidos em 440 V), totalizando 261,7 kVAr, com degrau fino de 10,9 kVAr para a carga de base e os fins de semana. Cada estágio tem reator, capacitor de 535 V, contator com resistores de pré-carga e fusíveis gG.

Cuidados de projeto que decorrem do reator

• Calor e peso: os 12 reatores dissipam 1,4 kW e pesam 303 kg. A coluna precisa de ventilação forçada contínua (≥ 600 m³/h no caso) e de estrutura para o peso.
• Posição na coluna: reatores na parte superior e capacitores na inferior, para que o ar quente dos reatores não aqueça os capacitores, com entradas de ar filtradas e folgas de 50 mm entre reatores.
• Proteção térmica: cada reator tem um protetor térmico, ligado em série na cadeia de permissão do banco. Nunca ponteie esses contatos.
• Nunca misture: não se pode manter no mesmo barramento estágios com reator e estágios sem reator. Os convencionais voltariam a formar ressonância e absorveriam as harmônicas que os dessintonizados rejeitam. Por isso o banco antigo foi retirado de serviço.
• Tempo de descarga: capacitores maiores exigem mais tempo entre desconectar e reconectar (90 s para os de 35 kVAr). O controlador foi ajustado para 120 s.

Resposta em frequência: banco convencional e dessintonizado

No convencional, a fração chega a 3,5 na 13ª com carga de 200 kW e a 3,8 em carga leve (120 kW), quando há menos amortecimento resistivo: cada ampère de 13ª da carga vira mais de três no capacitor. No dessintonizado, a fração fica em 0,26 na 5ª e em torno de 0,15 na 11ª e na 13ª, praticamente independente da carga: o banco absorve uma parcela pequena e previsível das harmônicas, que o fabricante considera ao dimensionar o par.

Ordem	Corrente da carga (A, máx.)	Banco convencional atual, 115 kVAr  (fração)	Banco dessintonizado, 261,7 kVAr  (fração)	Corrente no banco dessintonizado (A)
5ª	129	0,13	0,26	34
7ª	70	0,30	0,18	13
11ª	46	1,31	0,15	7
13ª	43	3,5  (3,8 em carga leve, 120 kW)	0,14	6

Repartição estimada das harmônicas da carga entre rede e banco:  fração I_banco/I_carga calculada com o circuito equivalente (Scc = 24,2 MVA, X/R = 10, carga resistiva de 200 kW, mesma condição das figuras); a fração do banco dessintonizado é praticamente insensível à carga.

Com o banco completo ligado, a corrente harmônica total por estágio fica abaixo de 4 A sobre 26 a 36 A de fundamental. A distorção de tensão do quadro, hoje entre 3 e 4 %, tende a cair com a retirada do banco ressonante.

Controle: o banco certo com o ajuste certo

A dessintonia resolve a ressonância, mas não resolve o fator de potência sozinha. O controlador novo, de 24 estágios e medição trifásica, foi parametrizado com a lógica de “combinação mais próxima” (escolhe, entre as combinações possíveis dos 12 estágios, a que melhor se aproxima da necessidade medida) e com objetivo de cos φ ligeiramente capacitivo (0,99).

Esse ajuste tem uma razão: o medidor da concessionária fica em 13,8 kV e vê também o reativo de magnetização dos três transformadores (cerca de 30 kVAr), que os analisadores em 440 V não enxergam. Uma pequena sobra capacitiva cobre essa parcela nos fins de semana, quando ela domina.

A simulação hora a hora sobre a semana medida leva a fronteira a 100 % das horas indutivas acima de 0,92 e 98 % acima de 0,94, sem reativo capacitivo faturável à noite.

Lições do caso

1. Capacitores envelhecendo rápido pedem medição de espectro antes de qualquer reposição. A perda de capacitância foi o sintoma. A ressonância foi a causa.
2. O THD total não basta para decidir entre banco convencional e dessintonizado. Os espectros por ordem, em carga alta e em carga leve com o banco ligado, foram o dado que decidiu o projeto.
3. O fator de dessintonia é uma escolha de engenharia, não um rótulo. 7 % significa reator com 7 % da reatância do capacitor, sintonia em 227 Hz, estágio indutivo a partir da 5ª e tensão no capacitor 7,5 % acima da do barramento.
4. Reator e capacitor são escolhidos em par, e a mistura com estágios convencionais no mesmo barramento é proibida.
5. O ajuste do controlador deve mirar o resultado onde ele é cobrado: o medidor da concessionária, e não apenas o fator de potência do próprio quadro.

Perguntas frequentes

O que é um banco de capacitores dessintonizado?

É um banco de capacitores em que cada estágio tem um reator ligado em série. O reator muda o comportamento do conjunto para que, nas frequências das harmônicas da carga, ele aja como indutância e não forme ressonância com o transformador.

Como saber se meu banco de capacitores está em ressonância?

Sinais comuns são capacitores perdendo capacitância rápido, estágios abertos ou fora de tolerância, e distorção de corrente alta em carga leve com o banco ligado. O diagnóstico confiável é feito com analisador de qualidade de energia, registrando o espectro harmônico por ordem.

Quando usar o fator de dessintonia de 7 %?

O 7 % é o padrão para redes trifásicas de 6 pulsos, quando a 3ª harmônica da carga é menor que 20 % da 5ª. Com 3ª harmônica significativa, usam-se fatores maiores, como 12,5 a 14 %.

Posso misturar estágios com reator e sem reator no mesmo quadro?

Não. Os estágios convencionais voltariam a formar ressonância nas ordens altas e absorveriam as harmônicas que os dessintonizados rejeitam.

Posso trocar apenas o capacitor de um estágio dessintonizado?

Não sem cuidado. Reator e capacitor são um par, e uma capacitância diferente desloca a frequência de sintonia, podendo aproximá-la da 5ª harmônica.

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A AW Strom Engenharia e Serviços realiza estudos de qualidade de energia e compensação de reativo para indústrias, com medição, diagnóstico e projeto.

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Referências:

NBR IEC 60831-1/2 (capacitores de potência autorregenerativos); IEC 61921 (bancos automáticos de baixa tensão); IEEE Std 519-2022; PRODIST Módulo 8; REN ANEEL nº 1.000/2021; catálogos de capacitores, reatores de dessintonia e controladores de fator de potência dos fabricantes. Os dados de medição, as simulações e os gráficos provêm do Estudo de Compensação Reativa (Partes I e II) elaborado pela AW Strom para o cliente.