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QUALIDADE DA ENERGIA
Testes de
afundamentos de
tensão em
equipamentos
industriais
Andreas Eberhard,
Power Standards Labs (EUA)
Tornar os dispositivos e
instalações mais imunes às
perturbações é uma prática
que vem sendo cada vez mais
adotada, elevando a
importância dos testes de
conformidade. Este artigo
aborda as normas mais
utilizadas e as particularidades
dos ensaios de imunidade a
afundamentos de tensão,
incluindo os mecanismos de
falhas mais comuns, e ainda a
tendência de incorporar aos
produtos funções inteligentes
de qualidade da energia.
Normalmente, os afundamentos
imunidade aos afundamentos gia, os quais podem interromper prode tensão é vital para uma ope- cessos de produção e afetar equipa- são causados pela operação de disjunração confiável dos equipa- mentos sensíveis, causando perdas de tores ou fusíveis, partidas de motores
mentos e controles eletrônicos cada capacidade e paradas; algumas vezes, ou chaveamentos de capacitores.
vez mais sofisticados. Todo produto tais produtos viram sucata. O distúr- Porém, eles também podem ser origielétrico deve ter capacidade de supor- bio mais comum, sem dúvida, é o nados por curtos-circuitos no sistema
tar afundamentos de tensão típicos; afundamento, que é uma redução pe- de distribuição de energia, os quais,
em muitos casos, contudo, o primeiro quena na tensão com duração de algu- por sua vez, são causados por diversos
eventos, como cabos subterrâneos
teste de afundamento ocorre com o mas centenas de milissegundos.
atingidos por escava equipamento em opedeiras, animais nos isoração, após ter sido insladores e ionização do
talado. Desta forma, é
ar provocada por desimportante selecionar
cargas atmosféricas ao
uma especificação aproredor das linhas de alta
priada para proportensão. Diversas concionar imunidade a
cessionárias de energia
esses afundamentos,
elétrica reportam que
bem como verificar os
80% dos distúrbios
testes de conformidade
elétricos têm origem
do equipamento.
dentro das instalações
Os equipamentos
do usuário.
modernos podem ser
Há uma década, a sosensíveis às perturlução para enfrentar os
bações de curta duraafundamentos de tenção que ocorrem na
são consistia numa tenrede de energia elétritativa de armazenar, de
ca da concessionária.
alguma forma, energia
Os sistemas elétricos
suficiente para ser injeestão sujeitos a uma Fig. 1 – Os testes de imunidade aos afundamentos de tensão
tornaram-se comuns na indústria de semicondutores, com valor
tada na rede de energia
ampla variedade de econômico comprovado. As novas normas IEC para imunidade
CA quando da queda da
problemas associados aos afundamentos de tensão vão expandir esses tipos de testes e
tensão. Algumas soluà qualidade de ener- certificações para outras indústrias
A
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ções antigas incluíam sistemas de
energia ininterrupta (UPS), volantes
de inércia (flywheels) e transformadores ferro-ressonantes.
Mais recentemente, os engenheiros
concluíram que o afundamento de
tensão pode ser considerado, na realidade, um problema de compatibilidade, existindo pelo menos dois tipos
de solução: melhorar a energia ou tornar o equipamento mais robusto. A última alternativa é denominada “imunidade a afundamentos de tensão” e
tem adquirido maior importância ao
redor do mundo.
Normas desenvolvidas
A seguir, são discutidas as três
principais normas para imunidade aos
afundamentos de tensão: IEC 610004-11, IEC 61000-4-34 e Semi F47
(IEC - International Electrotechnical
Commission; Semi - Semiconductor
Equipment and Materials Institute).
Existem outras em uso: IEEE 1100,
Cbema - Computer Business Equipment Manufacturers Association, Itic Information Technology Institute
Council, Samsung Power Vaccine,
normas internacionais e a MIL-STD,
que é a especificação do U.S. Defense
Department. Porém, as três primeiras
parecem ter maior aceitação no mercado.
A IEC 61000-4-11 e IEC 61000-434 constituem um conjunto de normas
fortemente relacionadas que cobrem a
imunidade aos afundamentos de tensão. A IEC 61000-4-11 Ed. 2 abrange
os equipamentos especificados para
16 ampères por fase ou menos. Já a
IEC 61000-4-34 Ed. 1, escrita após a
IEC 61000-4-11 (logo, parece ser
mais abrangente), cobre os equipamentos especificados para valores
maiores do que 16 ampères por fase.
A Semi F47 é a norma para imunidade aos afundamentos de tensão
utilizada na indústria de fabricação de
semicondutores, onde um único afundamento pode resultar em uma perda
de produtos da ordem de milhões de
dólares, caso a instalação não seja
protegida adequadamente.
A indústria de semicondutores desenvolveu especificações para seus
equipamentos de produção e também
para os componentes e subsistemas
Fig. 2 – Um exemplo típico de uma curva de sustentação durante afundamentos
de tensão comparada à especificação da Semi F47, normalmente usada na
indústria de semicondutores
desses equipamentos. Nesse tipo de
indústria, o atendimento aos requisitos das especificações é totalmente
impulsionado pelos consumidores;
por sua vez, os fabricantes de semicondutores reconhecem as conseqüências econô micas das falhas
provocadas pelos afundamentos, recusando-se, em geral, a adquirir novos
equipamentos que não estejam em
conformidade com os requisitos de
imunidade da Semi F47. Atualmente,
essa norma passa por um processo de
revisão e atualização.
Todas as três normas especificam
determinadas amplitudes e tempos de
duração dos afundamentos de tensão
para os equipamentos sob teste (EST).
Por exemplo, uma especificação pode
estabelecer 70% do valor nominal
para 500 milissegundos. O percentual
é a quantidade de tensão remanescente, e não a quantidade perdida. Cada norma especifica critérios de classificação (pass-fail criteria) para o
EST quando da aplicação do afundamento de tensão. As normas IEC possuem uma faixa de critérios pass-fail,
porém a norma Semi F47 é mais explícita (figura 2).
O que torna diferentes os
testes de afundamentos de
tensão
Ao contrário da maioria dos en-
saios de imunidade e emissões, os
testes dos afundamentos de tensão
exigem que o engenheiro controle e
manipule toda a potência fornecida
para o EST. Para dispositivos menores, como computadores pessoais,
isso não é um grande desafio. Contudo, para equipamentos industriais
maiores, por exemplo, de 480 volts
trifásicos e 200 ampères por fase, com
uma corrente de inrush esperada de
600 ampères ou mais, o engenheiro de
aplicação dos testes deve estar preparado para grandes desafios de segurança e desempenho.
O gerador de afundamentos de tensão consiste numa peça do equipamento de testes que é inserida entre a
rede de energia elétrica CA e o EST.
Ele gera afundamentos de tensão de
qualquer profundidade e duração.
Alguns, como o PSL Industrial Power
Corruptor, inclui afundamentos préprogramados para todas as normas
IEC, Semi ou MIL.
Considerando que um mecanismo
de falha comum do EST é a atuação de
um disjuntor ou a queima de um fusível durante a corrente de inrush após
um afundamento de tensão, o gerador
de afundamentos deve ser especificado para fornecer elevados valores de
correntes de pico (normalmente da ordem de centenas de ampères). Nas
normas IEC, esse requisito referente
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ração do EST. Vale destacar que,
com freqüência, o
EST não está prontamente disponí vel para ser submetido aos testes
dos afundamentos
de tensão: trabalhos em desenvolvimento precisam
ser completados;
ninguém está disponível para operar o EST; os materiais necessários
para operação do
EST (matéria-prima, água de resfriamento, ar comprimido, etc.) não
estão disponíveis;
ou o software do
EST está com defeito. Os enge nheiros de testes
devem estar preFig. 3 – Engenheiro insere um gerador de afundamentos
parados
para esses
entre a fonte CA e o equipamento sob testes.
tipos
de
pro ble Freqüentemente é preciso lidar com elevadas
correntes (200 A) e tensões (480 V, trifásica)
mas.
Além disso, os
às correntes de pico significa que as mecanismos de falha do EST podem
fontes CA dos amplificadores ele- ser complicados e o engenheiro de
trônicos podem, em geral, somente ser testes deve também estar capacitado
usadas para testes pré-conformidade, para auxiliar no diagnóstico. Os osciloscópios digitais incorporados na
não para certificações (figura 3).
Alguns softwares, como o de testes maioria dos geradores de afundamenda imunidade aos afundamentos do tos são bastante úteis, mas o engePSL - Power Standards Lab, incluem nheiro de aplicação do teste tem de
extensas listas de verificações (check- compreender onde conectar os canais
lists) de segurança com alguns itens aos circuitos no interior do EST.
óbvios (Quem da equipe de testes tem
treinamento em primeiros socorros? Mecanismos de falha comuns
Onde fica o extintor de incêndio mais devidos a afundamentos
próximo?) e outros menos (Como ter de tensão
acesso a pelo menos dois disjuntores
O mecanismo de falha mais comum
localizados a montante? Onde fica a é a falta de energia. Isso pode se malata de lixo mais próxima?).
nifestar de forma tão simples quanto
Este tipo de teste requer um EST uma tensão insuficiente para manter
totalmente funcional, bem como al- um contator ou um relé crítico energuém que saiba operá-lo. A única for- gizado, ou algo tão complexo quanto
ma de determinar se um EST está um sensor eletrônico em que uma faimune aos afundamentos de tensão re- lha de alimentação provoca uma leituqueridos é certificar-se de que ele per- ra incorreta, o que pode causar uma
manece totalmente operacional du- resposta inadequada do software do
rante esses eventos. Em muitos casos, EST.
os afundamentos precisam ser aplicaO segundo mecanismo de falha
dos durante diferentes etapas da ope- mais comum ocorre, surpreendente42
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mente, logo após o término do afundamento. Nesse caso, todos os capacitores internos ao EST são recarregados ao mesmo tempo, provocando
grande aumento na corrente da rede de
energia CA, que pode causar atuação
de disjuntores, queima de fusíveis e
até destruição de retificadores de estado sólido. A maioria dos engenheiros
projetistas realiza corretamente a proteção contra essa corrente de inrush no
caso de um ciclo liga-desliga (power
cycling), porém, vários não consideram efeitos similares em afundamentos de tensão. Durante a definição dos
procedimentos de testes, é necessário
ser extremamente cuidadoso. Se usado um gerador de afundamentos cuja
capacidade de corrente seja limitada,
o equipamento passará indevidamente
nos testes, caso a corrente disponível
seja insuficiente para atuação do
fusível ou do disjuntor num tempo de
meio-ciclo.
Outro mecanismo de falha comum
ocorre quando um sensor detecta o
afundamento de tensão e decide desligar o EST. Num exemplo simples, um
EST trifásico pode ter um relé de seqüência de fases que interprete incorretamente um afundamento de tensão
desequilibrado como uma inversão de
fases e, conseqüentemente, desligue o
equipamento.
Para citar um exemplo mais atípico, vamos considerar um sensor do
fluxo de ar instalado próximo a um
ventilador, que detecta a redução momentânea de velocidade deste, porém
o software do equipamento interpreta
incorretamente a mensagem do sensor
como uma indicação de falha do sistema de resfriamento do EST. Nesse
caso, uma temporização do sinal de
falha do ventilador no software é a
solução para melhorar a imunidade
aos afundamentos.
Um mecanismo mais típico de falha do EST envolve uma seqüência
incomum de eventos. Em um caso,
por exemplo, um afundamento de tensão foi aplicado ao EST e seu contator principal abriu bruscamente.
Contudo, investigações adicionais
revelaram que um pequeno relé,
conectado em série com a bobina do
contator principal, atuou na verdade
porque recebeu um contato de abertura de relé vindo de um sensor de vazamento de água — por sua vez, este
sensor atuou porque a tensão de saída
de sua fonte de alimentação caiu de
24 VCC para 18 VCC durante o afundamento. A solução foi instalar um
capacitor de baixo custo no circuito
da fonte de 24 VCC.
Outros mecanismos de falha podem ocorrer durante afundamentos de
tensão (figura 4, pág 46.). A questão,
para o engenheiro de testes, sempre
será: Como resolver este problema?
Usualmente, uma vez que o problema
tenha sido identificado, haverá uma
solução simples e de baixo custo.
Nova tecnologia de medição
da qualidade de energia
incorporada a produtos
Existe uma nova forma de aumentar a confiabilidade dos produtos em
relação aos problemas mais comuns
de afundamento de tensão e qualidade
da energia. Por que não tornar o produto mais inteligente, de forma que
possa reagir em função da severidade
do afundamento de tensão?
Monitores de qualidade da energia
instalados de forma permanente em
nível do produto serão cada vez mais
utilizados. Esta nova tecnologia embutida apresenta uma grande vantagem: os problemas de qualidade e o
consumo de energia podem ser avaliados diretamente no produto ou
máquina.
O novo monitor (figura 5, pág 47.)
tem as mesmas funções e características dos já bem conhecidos instrumentos de qualidade da energia tipicamente usados no nível da instalação,
os quais, além de muito mais caros,
são grandes para ser integrados e projetados dentro dos produtos. Instrumentos tradicionais de qualidade da
energia têm sido projetados com o
próprio, e exclusivo, invólucro. Ao se
incluir esse novo e pequeno instrumento de qualidade de energia no “pacote”
de um disjuntor para montagem em trilho DIN 35 mm, a instalação é enormemente simplificada. A tendência segue na direção de uma funcionalida-
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Fig. 4 – “Anatomia” do afundamento de tensão – a) Para testar um novo produto,
um afundamento de tensão é introduzido na fonte de alimentação; b) A forma de
onda, que antes do afundamento tinha cerca de 40 A de pico, aumenta para
450 A de pico após a perturbação; c) A mesma corrente, dessa vez expressa
como valor eficaz : antes do afundamento, era de aproximadamente 23 Aeff (este
equipamento foi especificado para 30 A), e, após o afundamento, aumentou para
175 Aeff,, comportamento que não é usual; d) Saída de uma fonte de alimentação
CC durante o afundamento de tensão
de de qualidade da energia inteligente
e incorporada aos produtos. O sistema
detecta quaisquer tipos de problemas
de energia nas linhas CA e pode se co46
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municar diretamente com o produto,
máquina ou equipes técnicas das instalações.
A versão mostrada na figura 5 pos-
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Fig. 5 – Monitor de qualidade da
energia PQube, de baixo custo,
para integração e instalação
permanente
sui conectividade Ethernet (e inclui
um servidor de web, um servidor FTP
e um gerador de e-mails), conectividade para rádio wireless e conexão
via modem. Contudo, é otimizada
para funcionar sem qualquer conectividade — pode facilmente armazenar os dados de um ano no cartão de
memória removível SD.
Seguindo o modelo utilizado em
câmeras digitais, o monitor não requer
absolutamente nenhum software. Ao
conectar uma câmera digital no computador, as fotos são imediatamente vistas numa pasta do disco rígido.
O mesmo ocorre com os dados de
qualidade de energia contidos no
monitor.
Com o uso cada vez mais crescente
de equipamentos e controles sofisticados nas instalações industriais, comerciais, institucionais e governamentais,
a continuidade, confiabilidade e a
qualidade dos serviços elétricos tornaram-se extremamente cruciais para
a maioria dos usuários de eletricidade.
A energia elétrica dificilmente vai
melhorar no futuro; logo, o principal
objetivo de qualquer fabricante é
tornar os produtos imunes aos afundamentos de tensão. Assim como todos os carros modernos devem estar
preparados para suportar os solavancos das irregularidades das rodovias,
todos os produtos elétricos devem ter
capacidade de sustentação durante
todo afundamento de tensão comum,
que vai ocorrer mesmo que a instalação ofereça a melhor qualidade de
energia elétrica.
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