Eletricidade
UNIDADE 2
Fontes em CC e CA
Nos campos da automação e eletrônica industrial, é de sumária importância à compreensão, em nível sistêmico,
das características das fontes de corrente contínua (CC) e de corrente alternada (CA).
Tal afirmação se dá, pois, em uma indústria existem as mais diversas cargas elétricas, tais como motores, lâmpadas, computadores, painéis de supervisório, controles remotos etc.
Todas as cargas elétricas demandam alimentação, seja por corrente contínua, ou por corrente alternada
e o elemento que provê a energia para o dispositivo a ser alimentado é a fonte.
Tipos dos sinais existentes
A fim de compreender a natureza elétrica das fontes, precisamos compreender em linhas gerais, os tipos de sinais existentes no universo da eletricidade, que são utilizados para alimentação de cargas. O conceito de sinal está diretamente ligado a observação e a medida de um determinado fenômeno físico de acordo com o transcorrer do tempo. Desta forma, de modo macro, temos:
Sinal Contínuo Puro
É o sinal elétrico ideal que não altera sua polaridade em nenhum momento, ou seja, um
sinal que possuí a mesma amplitude, sem ondulações ou ruídos por um tempo infinito.
Alguns autores tratam uma pilha ou bateria como uma fonte de sinal puro, pois a tensão é gerada por meio de reações químicas e assim apresentam o maior nível de pureza possível.
Mesmo assim, estes sinais decaem com a utilização da energia armazenada e estão sujeitos a ruídos (de valor muito baixo) inerentes da natureza de construção físico-química e a variações de temperatura.
Na prática, não existem sinais elétricos totalmente puros. A figura a seguir ilustra um
sinal elétrico puro:
Sinal Contínuo Real
É o sinal elétrico que não altera sua polaridade em nenhum momento, mas sua amplitude pode variar no transcorrer do tempo, inclusive de forma periódica ou aperiódica. Fontes de alimentação em corrente contínua fornecem este tipo de sinal.
Por mais que acreditemos que em uma fonte de corrente contínua, fabricada pelos mais conceituados fabricantes do mercado é pura, ela possuí ondulações e ruídos em sua saída sendo o ruído mais conhecido chamado ripple.
Temos que com exceção das pilhas e baterias, a grande maioria dos sinais contínuos é gerada a partir de um sinal alternado. As figuras ilustram sinais elétricos contínuos reais:
Sinal Alternado Puro
É o sinal elétrico ideal que alterna sua polaridade em tempos bem definidos (constantes), ou seja, possui sempre a mesma frequência, amplitudes máximas e mínimas. Este sinal não existe na natureza.
Um dos sinais de referência mais puros conhecidos (não necessariamente elétrico e alternado) vem dos relógios atômicos, que mesmo assim, costumam ter desvios de tempo na casa de 1.10-9 segundos por dia, ou seja 0,000 000 001s/24h. A figura a seguir ilustra um sinal alternado puro:
Sinal Alternado Real
É o sinal elétrico real que alterna sua polaridade de tempos em tempos, ou seja, podem
possuir diferentes frequências e/ou diferentes amplitudes.
Conceitos e normas sobre a qualidade de energia elétrica que é entregue em nossas residências, estabelecem variações padrões de “quão distante” o sinal elétrico fornecido está longe do ideal, tanto na questão de amplitude quanto de frequência.
A figura ilustra um sinal alternado real, como o transmitido pela concessionária de
energia elétrica:
Características dos sinais
Uma vez compreendida a natureza dos sinais, é fundamental o entendimento de suas características. Algumas das definições abaixo podem ser aplicadas tanto para sinais contínuos quanto alternados, mas a fim de facilitar a compreensão, abordaremos neste momento somente os sinais alternados.
A maioria dos sinais alternados presentes no ambiente industrial é do tipo senoidal, ou seja, expressa a função matemática seno.
Deste modo podemos definir:
» Período: Período (T) é o tempo que a onda necessita para completar um ciclo completo.
O ciclo completo é composto por dois semiciclos.
Sinais alternados podem ser periódicos (sinal se repetem de tempos em tempos bem definidos) ou
aperiódicos (sinais não se repetem em tempos bem definidos).
» Frequência: Frequência (F) é o inverso do período.
A unidade [Hz] (Hertz) é utilizada para descrever a quantidade de ciclos em um segundo.
Deste modo temos:
F = 1 / T
Se um sinal tem frequência de 60[Hz], seu período é de 16,66667 ms.
» Valores de Pico (Vp) e de Pico-a-Pico (Vpp): Vp é o valor máximo do sinal. O valor mínimo pode ser chamado de Vp’. O valor de Vpp para um sinal alternado é dado por:
Vpp = Vp+ | Vp' |
» Valor eftcaz (Vrms): A sigla RMS vem do inglês root mean square, ou valor quadrático médio quadrático. Este valor é muito comum tanto na física quanto na eletrônica.
Posteriormente iremos utilizar o valor RMS de tensão e corrente para cálculo de potência.
Para um sinal senoidal temos:
Exemplo: Utilize o gráfico do sinal senoidal abaixo para determinar
Vp, Vp’, Vpp, T, F, Valor Médio,Vrms.
Calcule o que for necessário.
Fontes de alimentação na indústria
Em virtude de características especiais que frequentemente estão presentes no ambiente industrial, tais como variações de temperatura, operação em condição de stress mecânico como vibrações e ruídos, as fontes de alimentação que são aplicadas em processos industriais devem atender determinados requisitos.
Deste modo temos que compreender o papel das fontes de corrente alternada e contínua, aplicadas nas indústrias.
Fontes de corrente alternada (CA)
Posteriormente iremos estudar todas as características dos componentes elétricos passivos (resistor, indutor e capacitor). Neste momento iremos cita-los, mas não se preocupe (neste momento) em entender os fenômenos responsáveis pelo armazenamento de energia, só tenha em mente que os componentes reativos (indutor e capacitor) armazenam energia e o resistor não.
Para a alimentação de cargas em corrente alternada (CA), ou seja, aquelas que estão ligadas normalmente em 127, 220 ou 380 [V] as normas de qualidade de energia estabelecidas pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) devem ser atendidas. As principais preocupações relativas às fontes alternadas de alimentação estão aplicadas a questão do fator de potência e sua respectiva correção.
Quando trabalhamos com circuitos CA de natureza puramente resistiva,
os sinais de tensão e corrente estão em fase e isso não altera o fator de potência.
Já quando a natureza da carga é capacitiva ou indutiva, que são cargas denominadas reativas,
tem-se a capacidade de armazenar energia.
Quando estas cargas são conectadas a rede de tensão alternada são provocadas defasagens entre os sinais de tensão e corrente, o que derruba o fator de potência ideal (FP=1).
Verificamos na prática que a energia armazenada nestes elementos retorna para a fonte e não produz trabalho útil, contudo podem ser gerados campos elétricos e/ou magnéticos.
Cargas indutivas tais como transformadores e motores
são responsáveis por produzir potência reativa com a onda de corrente atrasada em relação à tensão.
Já as cargas capacitivas, tais como bancos de capacitores,
são responsáveis por produzir potência reativa com corrente adiantada em relação à tensão.
Em um circuito com baixo fator de potência, (alta concentração de cargas reativas desequilibradas) possuirá correntes elétricas maiores para realizar o mesmo trabalho
o que um circuito com alto fator de potência (alta concentração de cargas resistivas ou com cargas reativas equilibradas).
Para que possamos compreender o que é fator de potência,
se faz necessário definir os parâmetros que estão ligados a ele.
» Potência Ativa (P): é a capacidade de um determinado circuito produzir trabalho em um determinado período de tempo. Está ligado a cargas resistivas, ou a reativas devidamente equilibradas. Medida em [W].
» Potência Reativa (Q): é a capacidade de um determinado circuito trocar energia com a sua fonte alternada geradora. Produz campo elétrico e magnético. Medida em volt – ampère – reativo [var].
» Potência Aparente (S): é a potencia total de um circuito. É utilizada tanto para especificação de condutores elétricos a serem utilizados. A fatura de energia elétrica é gerada em cima desta potência. Medida em volt – ampères [VA].
A relação entre todas estas potências pode ser expressa de forma vetorial pelo chamado triângulo de potências. A figura a seguir ilustra este conceito.
A equação que descreve o fator de potência para formas de ondas senoidais é dada por:
Na maioria dos casos é possível corrigir o fator de potência para um valor próximo ao unitário. Esta técnica é chamada de correção do fator de potência e é conseguida fazendo o acoplamento de bancos de indutores ou capacitores, com uma potência reativa contrária a da carga, tentando deste modo equilibrar as componentes indutivas (atrasa a corrente em relação à tensão) e as capacitivas (adianta a corrente em relação à tensão).
Exemplo:
Calcule a quantidade de potência aparente necessária a ser gerada para se alimentar uma carga que demanda potência ativa igual 2000[W] e fator de potência FP = 1.
Neste exemplo, pudemos observar que a questão do fator de potência pode deturpar todo um sistema elétrico se cuidados não forem tomados. Temos que ressaltar que a hipotética alteração de FP de 1 para 0,3, fez com que necessitássemos mais que triplicar a geração de energia e somente os mesmos 2000[W] executaram trabalho útil.
As concessionárias de energia em conjunto com a ANELL estabelecem que os consumidores, especialmente os que possuem cargas maiores (indústrias principalmente), mantenham os fatores de potência de suas instalações elétricas dentro de um limite mínimo.
Hoje o valor de fator de potência mínimo que uma instalação elétrica deve atender é de 0,92. Caso este valor não seja respeitado são aplicadas multas. Existem estudos que sugerem a elevação do fator de potência em uma instalação pra no mínimo 0,96.
Fontes de corrente contínua (CC)
Quando as cargas utilizadas na indústria são de natureza eletrônica, grande parte delas necessita de uma alimentação proveniente de uma fonte de corrente contínua. Praticamente todos os equipamentos eletrônicos presentes no nosso dia a dia utilizam uma fonte de corrente contínua, mas, na maioria dos casos, os fabricantes optam por deixar esta fonte dentro do próprio equipamento. Este é o caso da maioria das televisões, desktops, micro-ondas etc.
Já em outros aparelhos eletrônicos utilizados em nossas residências, os fabricantes optam pela utilização fontes externas por questões técnicas, de design ou financeira. Este é o caso dos carregadores de bateria para notebooks ou celular, que também são fontes. Alguns receptores de TV por assinatura também possuem fontes externas.
Mas afinal, o que existe de diferente destas fontes convencionais para as fontes industriais?
Pois bem, a cada dia as tecnológicas de automação se tornam mais sofisticadas e precisas. O nível de eletrônica embarcada é crescente tanto na parte de controle de processos quanto na parte de instrumentação industrial.
Mesmo com toda evolução corrente, o ambiente industrial é por natureza hostil e isso fez despertar uma necessidade de mercado. É necessária uma atenção especial aos dispositivos que operam em condições adversas, pois estas condições são muito diferentes das condições encontradas em uma residência ou comércio.
Se a fonte de alimentação responsável por carregar seu celular apresentar um desligamento involuntário de 10 segundos você provavelmente nem perceberia, mas se em uma usina de álcool o sistema de controle que verifica o fluxo, vazão, pressão e diversos outros parâmetros da planta pararem de operar por 10 segundos, em função de um desligamento ou queima de uma fonte, uma tragédia pode ocorrer. Seguem a seguir uma relação das diferenças das fontes convencionais e industriais de corrente contínua.
» Paralelismo: em grande parte das aplicações mais de uma fonte de alimentação é ligada em paralelo de tal forma que se uma ou mais, apresentarem algum tipo de avaria, as outras fontes devem são capazes de manter o sistema operacional.
» Hot-swap (troca a quente): este termo é comum na indústria quando nos referimos a um dispositivo que pode ser trocado com a fonte de energia que o alimenta já ligada. No caso das fontes, podemos liga-las a rede com carga na saída.
» Proteção contra curto circuito, sobre tensão e sobre corrente: a fonte deve ser capaz de se proteger e proteger a carga em uma condição de curto circuito, tendência à sobre tensão (fornecimento de tensão maior que a nominal) e sobre corrente (fornecimento de corrente maior que o máximo nominal da fonte).
» Faixa de temperatura de operação entendida: tendo em vista a hostilidade do ambiente industrial, estes dispositivos devem ser capazes de operar em uma gama de temperatura onde outras fontes convencionais apresentariam problemas de funcionamento. Também deve existir uma proteção em caso de excesso de temperatura.
» Alta isolação entre entrada e saída: visando a proteção da carga conectada na fonte, a entrada e a saída devem estar eletricamente isoladas a fim de evitar a passagem de ruídos da rede elétrica para a carga.
» Estabilidade: fontes industriais devem ter sua saída extremamente estáveis mesmo quando a entrada (sinal da rede elétrica) apresentar perturbações (dentro das normas de qualidade de energia).
» Tolerância de componentes eletrônicos utilizados: os componentes eletrônicos utilizados nas fontes de alimentação industriais devem possuir tolerância mais estreita quando comparamos a fontes convencionais no intuito de melhorar a qualidade do projeto e a robustez eletrônica.
» Ser compatível com as normas de EMC e EMI: toda fonte de alimentação de boa qualidade deve atender aos parâmetros nacionais e internacionais estabelecidos pelas normas ligadas a questão de EMC (compatibilidade eletromagnética) e EMI (imunidade eletromagnética). No caso do EMI temos que ter em mente que, mesmo em ambientes onde outros dispositivos como motores ou rádios de comunicação estejam operando, a fonte não pode sofrer influência. O mesmo se dá para questões de surto de energia em sua entrada. Já para o EMC, a fonte não pode gerar ruídos que possam atrapalhar outros equipamentos como sistemas de controle ou de telecomunicações.
» Baixos valores de ripple: o ripple, que é uma ondulação da tensão de saída ao redor do valor nominal, deve ser o menor possível. Este nível costuma ser menor que 100m[V] em boas fontes industriais.
» Resistência a choques mecânicos e vibrações: fontes de alimentação industriais devem ser robustas nas questões de choques mecânicos ou vibrações devido ao ambiente de trabalho.
A figura ilustra uma fonte industrial de corrente contínua com saída de 24[V] 5[A], e entrada full-range (perfeito funcionamento da fonte para qualquer tensão de entrada dentro dos limites especificados pelo fabricante), que neste caso é de 110Vac a 220Vac.
Componentes elétricos passivos
Podemos definir como componente elétrico passivo como sendo todo aquele que não é capaz de gerar energia, ou seja, não tem a capacidade de aumentar por si só a energia final de um sistema. Vale ressaltar que alguns componentes que tem a capacidade de armazenar energia são considerados componentes elétricos passivos.
Neste capítulo, iremos conhecer os componentes elétricos que tem esta característica.
Os componentes mais comuns são o Resistor, o Capacitor e o Indutor,
componentes estes que terão uma unidade específica para o tratamento de cada um deles.
Tipos de componentes elétricos passivos
Além dos resistores, indutores e capacitores, existem uma infinidade de componentes elétricos passivos. Iremos neste momento citar os principais que se aplicam em um ambiente industrial e em equipamentos eletrônicos. Boa parte destes componentes é encontrada dentro de máquinas e equipamentos e o profissional instrumentista, de manutenção industrial ou de projetos eletrônicos, com certeza se deparará com eles.
» Conector: Tem como função a conexão de um circuito elétrico a outro. Os conectores são desenhados para diferentes níveis de potência e tipos de sinais. A figura a seguir ilustra um tipo de conector utilizado em equipamentos industriais.
Conector Borne KRE – 3T, aplicado em diversos dispositivos como em fontes industriais de alimentação.
» Fusível: componente elétrico passivo destinado à proteção de um circuito em caso de surto de corrente. Podemos contar no mercado com diversos tipos de fusíveis onde eles podem ser destrutíveis em condição de falha, como os fusíveis de seu carro, ou não destrutíveis/rearmáveis automaticamente, como nos casos dos fusíveis térmicos.
Figura 20. Fusível de vidro com filamento metálico interno. Em caso de falha do circuito sobre proteção, o fusível se rompe e tem que ser substituído.
» Disjuntor: componente elétrico passivo que funciona como um interruptor automático e é destinado à proteção de um circuito em caso de surto de corrente. O disjuntor pode ser rearmado manualmente após um surto, não sendo necessária sua substituição após um acionamento.
Disjuntor duplo da marca Schneider. Em caso surto de corrente no circuito sobre proteção o disjuntor desliga automaticamente. Para religar o circuito é necessária a intervenção humana.
» Chaves e Interruptores: ambos os componentes elétricos passivos possuem a função de interromper um circuito elétrico ou realizar a comutação entre circuitos elétricos, por meio de um acionamento mecânico (usuário muda a chave de estado).
Chave da marca CARLING, do tipo alavanca SPDT de um polo e três posições. Pode ser utilizada para interrupção ou comutação de circuitos.
» Relés: dispositivos eletromecânicos passivos que possuem a função de interromper um circuito elétrico ou realizar a comutação entre circuitos elétricos, por meio de um acionamento elétrico (pulso elétrico muda o relé de estado).
Figura 23. Relé da marca DNI, modelo 0101, do tipo contato simples. Tensão de funcionamento do sinal de controle de 12[V] e contato para acionamento de carga de até 40[A]. Pode ser utilizado para interrupção ou comutação de circuitos.
Existem diversos outros componentes passivos que são de extrema importância. Grande parte destes componentes que não foram citados são componentes derivados dos recém- apresentados. Utilizando as definições que constam no início do Capitulo III será possível classificar todos dos componentes elétricos passivos que possam ser encontrados no campo de trabalho.
Os componentes passivos, potenciômetro, capacitor variável e transformador,
serão explicitados nos capítulos sobre o resistor, capacitor e indutor respectivamente.
