Imunidade de equipamentos_Gráfica_Pág.38 a 47:Layout 1 1/7/2009 11:11 Page 38 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 38 EM JUNHO, 2009 Imunidade de equipamentos_Gráfica_Pág.38 a 47:Layout 1 1/7/2009 11:11 Page 39 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 JUNHO, 2009 EM 39 Imunidade de equipamentos_Gráfica_Pág.38 a 47:Layout 1 1/7/2009 11:11 Page 42 QUALIDADE DA ENERGIA 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 EM JUNHO, 2009 Imunidade de equipamentos_Gráfica_Pág.38 a 47:Layout 1 1/7/2009 11:11 Page 44 QUALIDADE DA ENERGIA 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- Imunidade de equipamentos_Gráfica_Pág.38 a 47:Layout 1 1/7/2009 11:11 Page 46 QUALIDADE DA ENERGIA 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 EM JUNHO, 2009 municar diretamente com o produto, máquina ou equipes técnicas das instalações. A versão mostrada na figura 5 pos- Imunidade de equipamentos_Gráfica_Pág.38 a 47:Layout 1 1/7/2009 11:11 Page 47 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. JUNHO, 2009 EM 47