Aimunidade aos afundamentosde tensão é vital para uma ope -ração confiável dos equipa-

mentos e controles eletrônicos cadavez mais sofisticados. Todo produtoelétrico deve ter capacidade de supor-tar afundamentos de tensão típicos;em muitos casos, contudo, o primeiroteste de afundamento ocorre com oequipamento em ope-ra ção, após ter sido ins -talado. Desta forma, éimportante selecionaruma especificação apro - pri ada para propor-cionar imunidade aesses afundamentos,bem como verificar ostestes de conformidadedo equipamento.

Os equipamentosmodernos podem sersensíveis às pertur-bações de curta dura -ção que ocorrem narede de energia elétri-ca da concessionária.Os sistemas elétricosestão sujeitos a umaampla variedade deproblemas associadosà qualidade de ener-

gia, os quais podem interromper pro -cessos de produção e afetar equipa-mentos sensíveis, causando perdas decapacidade e paradas; algumas vezes,tais produtos viram sucata. O distúr-bio mais comum, sem dúvida, é oafundamento, que é uma redução pe-quena na tensão com duração de algu-mas centenas de milissegundos.

Normalmente, os afundamentossão causados pela operação de disjun-tores ou fusíveis, partidas de motoresou chaveamentos de capacitores.Porém, eles também podem ser origi-nados por curtos-circuitos no sistemade distribuição de energia, os quais,por sua vez, são causados por diversoseventos, como cabos subterrâneos

atingidos por escava -deiras, animais nos iso-ladores e ionização doar provocada por des -cargas atmosféricas aoredor das linhas de altatensão. Diversas con-cessionárias de energiaelétrica reportam que80% dos distúrbioselétricos têm origemdentro das instalaçõesdo usuário.

Há uma década, a so -lução para enfrentar osafundamentos de ten-são consistia numa ten-tativa de armazenar, dealguma forma, energiasuficiente para ser inje-tada na rede de energiaCA quando da queda datensão. Algumas so lu -

Testes deafundamentos de

tensão emequipamentos

industriais

Tornar os dispositivos einstalações mais imunes àsperturbações é uma prática que vem sendo cada vez maisadotada, elevando a importância dos testes deconformidade. Este artigo aborda as normas mais utilizadas e as particularidadesdos ensaios de imunidade aafundamentos de tensão,incluindo os mecanismos defalhas mais comuns, e ainda atendência de incorporar aosprodutos funções inteligentes de qualidade da energia.Andreas Eberhard,

Power Standards Labs (EUA)

QUALIDADE DA ENERGIA

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Fig. 1 – Os testes de imunidade aos afundamentos de tensãotornaram-se comuns na indústria de semicondutores, com valoreconômico comprovado. As novas normas IEC para imunidade aos afundamentos de tensão vão expandir esses tipos de testes ecertificações para outras indústrias

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ções antigas incluíam sistemas deenergia ininterrupta (UPS), volantesde inércia (flywheels) e transfor-madores ferro-ressonantes.

Mais recentemente, os engenheirosconcluíram que o afundamento detensão pode ser considerado, na reali-dade, um problema de compatibili-dade, existindo pelo menos dois tiposde solução: melhorar a energia ou tor -nar o equipamento mais robusto. A úl-tima alternativa é denominada “imu-nidade a afundamentos de tensão” etem adquirido maior importância aoredor do mundo.

Normas desenvolvidasA seguir, são discutidas as três

principais normas para imunidade aosafundamentos de tensão: IEC 61000-4-11, IEC 61000-4-34 e Semi F47(IEC - International ElectrotechnicalCom mission; Semi - SemiconductorEquipment and Materials Institute).Existem outras em uso: IEEE 1100,Cbema - Computer Business Equip -ment Manufacturers Association, Itic -Information Technology InstituteCouncil, Samsung Power Vaccine,normas internacionais e a MIL-STD,que é a especificação do U.S. De fenseDepart ment. Po rém, as três pri meiraspa recem ter maior aceitação no mer-cado.

A IEC 61000-4-11 e IEC 61000-4-34 cons tituem um conjunto de normasfortemente relacionadas que cobrem aimunidade aos afundamentos de ten-são. A IEC 61000-4-11 Ed. 2 abran geos equipamentos especificados para16 ampères por fase ou menos. Já aIEC 61000-4-34 Ed. 1, escrita após aIEC 61000-4-11 (logo, parece sermais abrangente), cobre os equipa-mentos especificados para valoresmaiores do que 16 ampères por fase.

A Semi F47 é a norma para imu-nidade aos afundamentos de tensãoutilizada na indústria de fabricação desemicondutores, onde um único afun-damento pode resultar em uma perdade produtos da ordem de milhões dedólares, caso a instalação não sejaprotegida adequadamente.

A indústria de semicondutores de-senvolveu especificações para seusequipamentos de produção e tambémpara os componentes e subsistemas

desses equipamentos. Nesse tipo deindústria, o atendimento aos requisi-tos das especificações é totalmenteimpulsionado pelos consumidores;por sua vez, os fabricantes de se -micondutores reconhecem as conse-qüências econô micas das falhasprovocadas pelos afundamentos, recu-sando-se, em geral, a adquirir novosequipamentos que não estejam emconformidade com os requisitos deimunidade da Semi F47. Atualmente,essa norma passa por um processo derevisão e atua lização.

Todas as três normas especificamdeterminadas am plitudes e tempos deduração dos afundamentos de tensãopara os equipamentos sob teste (EST).Por exemplo, uma especificação podeestabelecer 70% do valor nominalpara 500 milissegundos. O percentualé a quantidade de tensão remanes-cente, e não a quantidade perdida. Ca -da norma especifica critérios de clas-sificação (pass-fail criteria) para oEST quando da aplicação do afunda-mento de tensão. As normas IEC pos-suem uma faixa de critérios pass-fail,porém a norma Semi F47 é mais ex-plícita (figura 2).

O que torna diferentes ostestes de afundamentos detensão

Ao contrário da maioria dos en-

saios de imunidade e emissões, ostestes dos afundamentos de tensãoexi gem que o engenheiro controle emanipule toda a potência fornecidapara o EST. Para dispositivos me -nores, como computadores pessoais,isso não é um grande desafio. Con -tudo, para equipamentos industriaismaiores, por exemplo, de 480 voltstrifásicos e 200 ampères por fase, comuma corrente de inrush esperada de600 ampères ou mais, o engenheiro deaplicação dos testes deve estar pre -parado para grandes desafios de segu-rança e desempenho.

O gerador de afundamentos de ten-são consiste numa peça do equipa-mento de testes que é inserida entre arede de energia elétrica CA e o EST.Ele gera afundamentos de tensão dequalquer profundidade e duração.Alguns, como o PSL Industrial PowerCorruptor, inclui afundamentos pré-programados para todas as normasIEC, Semi ou MIL.

Considerando que um mecanismode falha comum do EST é a atuação deum disjuntor ou a queima de um fusí -vel durante a corrente de inrush apósum afundamento de tensão, o geradorde afundamentos deve ser especifica-do para fornecer elevados valores decorrentes de pico (normalmente da or-dem de centenas de ampères). Nasnormas IEC, esse requisito referente

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Fig. 2 – Um exemplo típico de uma curva de sustentação durante afundamentosde tensão comparada à especificação da Semi F47, normalmente usada naindústria de semicondutores

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às correntes de pico significa que asfontes CA dos amplificadores ele -trônicos podem, em geral, somente serusadas para testes pré-conformidade,não para certificações (figura 3).

Alguns softwares, como o de testesda imunidade aos afundamentos doPSL - Power Standards Lab, incluemextensas listas de verificações (check-lists) de segurança com alguns itensóbvios (Quem da equipe de testes temtreinamento em primeiros socorros?Onde fica o extintor de incêndio maispróximo?) e outros menos (Como teracesso a pelo menos dois disjuntoreslocalizados a montante? Onde fica alata de lixo mais próxima?).

Este tipo de teste requer um ESTtotalmente funcional, bem como al-guém que saiba operá-lo. A única for-ma de determinar se um EST estáimune aos afundamentos de tensão re-queridos é certificar-se de que ele per-manece totalmente operacional du-rante esses eventos. Em muitos casos,os afundamentos precisam ser aplica-dos durante diferentes etapas da ope -

ração do EST. Va -le destacar que,com freqüência, oEST não está pron -tamente disponí -vel para ser sub-metido aos testesdos afundamentosde tensão: traba -lhos em desen vol -vi men to precisamser completados;nin guém está dis -ponível para ope -rar o EST; os ma-teriais necessáriospara operação doEST (matéria-pri-ma, água de resfri-amento, ar com -primido, etc.) nãoestão disponíveis;ou o software doEST está com de-feito. Os enge -nhei ros de testesdevem estar pre -parados para es sestipos de pro ble -mas.

Além disso, osmecanismos de fa lha do EST podemser complicados e o engenheiro detestes deve também estar capacitadopara auxiliar no diagnóstico. Os os-ciloscópios digitais incorporados namaioria dos geradores de afundamen-tos são bastante úteis, mas o enge -nheiro de aplicação do tes te tem decompreender onde conectar os canaisaos circuitos no interior do EST.

Mecanismos de falha comunsdevidos a afundamentos de tensão

O mecanismo de falha mais comumé a falta de energia. Isso pode se ma -nifestar de forma tão simples quantouma tensão insuficiente para manterum contator ou um relé crítico ener-gizado, ou algo tão complexo quantoum sensor eletrônico em que uma fa -lha de alimentação provoca uma leitu-ra incorreta, o que pode causar umaresposta inadequada do software doEST.

O segundo mecanismo de falhamais comum ocorre, surpreendente-

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QUALIDADE DA ENERGIA

Fig. 3 – Engenheiro insere um gerador de afundamentosentre a fonte CA e o equipamento sob testes.Freqüentemente é preciso lidar com elevadas correntes (200 A) e tensões (480 V, trifásica)

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mente, logo após o término do afunda-mento. Nesse caso, todos os capaci-tores internos ao EST são recarrega-dos ao mesmo tempo, provocandogrande aumento na corrente da rede deenergia CA, que pode causar atuaçãode disjuntores, queima de fusíveis eaté destruição de retificadores de esta-do sólido. A maioria dos engenheirosprojetistas realiza corretamente a pro-teção contra essa corrente de inrush nocaso de um ciclo liga-desliga (powercycling), porém, vários não conside-ram efeitos simi lares em afundamen-tos de tensão. Durante a definição dosprocedimentos de testes, é ne cessárioser extremamente cuidadoso. Se usa-do um ge rador de afundamentos cujacapacidade de corrente seja limitada,o equipamento passará indevidamentenos testes, caso a corrente disponívelseja insuficiente para atuação dofusível ou do disjuntor num tempo demeio-ciclo.

Outro mecanismo de falha comumocorre quando um sensor detecta oafundamento de tensão e decide desli-gar o EST. Num exemplo simples, umEST trifásico pode ter um relé de se-qüência de fases que interprete incor-retamente um afundamento de tensãodesequilibrado como uma inversão defases e, conseqüentemente, desligue oequipamento.

Para citar um exemplo mais atípi-co, vamos considerar um sensor dofluxo de ar instalado próximo a um

ventilador, que detecta a redução mo-mentânea de velocidade deste, porémo software do equipamento interpretaincorretamente a mensagem do sensorcomo uma indicação de falha do sis-tema de resfriamento do EST. Nessecaso, uma temporização do sinal defalha do ventilador no software é asolução para melhorar a imunidadeaos afundamentos.

Um mecanismo mais típico de fa-lha do EST envolve uma seqüênciaincomum de eventos. Em um caso,por exemplo, um afundamento de ten-são foi aplicado ao EST e seu conta-tor principal abriu bruscamente.Contudo, investigações adicionaisrevelaram que um pequeno relé,conectado em série com a bobina docontator principal, atuou na verdadeporque recebeu um contato de abertu-ra de relé vindo de um sensor de vaza-mento de água — por sua vez, estesensor atuou porque a tensão de saídade sua fonte de alimentação caiu de24 VCC para 18 VCC durante o afun-damento. A solução foi instalar umcapacitor de baixo custo no circuitoda fonte de 24 VCC.

Outros mecanismos de falha po-dem ocorrer durante afundamentos detensão (figura 4, pág 46.). A questão,para o engenheiro de testes, sempreserá: Como resolver este problema?Usual mente, uma vez que o problematenha sido identificado, haverá umasolução simples e de baixo custo.

Nova tecnologia de medição da qualidade de energiaincorporada a produtos

Existe uma nova forma de aumen-tar a confiabilidade dos produtos emrelação aos problemas mais comunsde afundamento de tensão e qualidadeda energia. Por que não tornar o pro-duto mais inteligente, de forma quepossa reagir em função da severidadedo afundamento de tensão?

Monitores de qualidade da energiainstalados de forma permanente emnível do produto serão cada vez maisutilizados. Esta nova tecnologia em-butida apresenta uma grande van-tagem: os problemas de qualidade e oconsumo de energia podem ser avali-ados diretamente no produto oumáquina.

O novo monitor (figura 5, pág 47.)tem as mesmas funções e característi-cas dos já bem conhecidos instrumen-tos de qualidade da energia tipica-mente usados no nível da instalação,os quais, além de muito mais caros,são grandes para ser integrados e pro-jetados dentro dos produtos. Ins tru -mentos tradicionais de qualidade daenergia têm sido projetados com opró prio, e exclusivo, invólucro. Ao seincluir esse novo e pequeno instrumen-to de qualidade de energia no “pacote”de um disjuntor para montagem em tri-lho DIN 35 mm, a instalação é enorme-mente simplificada. A tendência se-gue na direção de uma funcionalida-

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de de qualidade da energia inte ligentee incorporada aos produtos. O sistemadetecta quaisquer tipos de problemasde energia nas linhas CA e pode se co-

municar diretamente com o produto,máquina ou equipes técnicas das ins -talações.

A versão mostrada na figura 5 pos-

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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 deonda, que antes do afundamento tinha cerca de 40 A de pico, aumenta para450 A de pico após a perturbação; c) A mesma corrente, dessa vez expressacomo valor eficaz : antes do afundamento, era de aproximadamente 23 Aeff (esteequipamento foi especificado para 30 A), e, após o afundamento, aumentou para175 Aeff,, comportamento que não é usual; d) Saída de uma fonte de alimentaçãoCC durante o afundamento de tensão

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sui conectividade Ethernet (e incluium servidor de web, um servidor FTPe um gerador de e-mails), conectivi-dade para rádio wireless e conexãovia modem. Contudo, é otimizadapara funcionar sem qualquer conec-tividade — pode facilmente arma ze -nar os dados de um ano no cartão dememória removível SD.

Seguindo o modelo utilizado emcâmeras digitais, o monitor não requerabsolutamente nenhum software. Aoconectar uma câmera digital no com-putador, as fotos são imediatamen-te vistas numa pasta do disco rígido.O mesmo ocorre com os dados dequalidade de energia contidos nomonitor.

Com o uso cada vez mais crescentede equipamentos e controles sofistica-dos nas instalações industriais, comer-ciais, institucionais e governamentais,a continuidade, confiabilidade e aqua lidade dos serviços elétricos tor -naram-se extremamente cruciais paraa maioria dos usuários de eletricidade.A energia elétrica dificilmente vaimelhorar no futuro; logo, o principalobjetivo de qualquer fabricante étornar os produtos imunes aos afun-damentos de tensão. Assim como to-dos os carros modernos devem estarpreparados para suportar os solavan-cos das irregularidades das ro dovias,todos os produtos elétricos devem tercapacidade de sustentação durantetodo afundamento de tensão comum,que vai ocorrer mesmo que a insta-lação ofereça a melhor qualidade deenergia elétrica.

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Fig. 5 – Monitor de qualidade daenergia PQube, de baixo custo, para integração e instalaçãopermanente

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