Acoplamento Indutivo e como minimizar seus efeitos em instalações industriais

César Cassiolato Diretor de Engenharia de Projetos e Serviços, Marketing e Qualidade SMAR Equipamentos Industriais Ltda cesarcass@smar.com.br

 

Introdução

A convivência de equipamentos em diversas tecnologias diferentes somada à inadequação das instalações facilita a emissão de energia eletromagnética e com isto é comum que se tenha problemas de compatibilidade eletromagnética.

A EMI é a energia que causa resposta indesejável a qualquer equipamento e que pode ser gerada por centelhamento nas escovas de motores, chaveamento de circuitos de potência, em acionamentos de cargas indutivas e resistivas, acionamentos de relés, chaves, disjuntores, lâmpadas fluorescentes, aquecedores, ignições automotivas, descargas atmosféricas e mesmo as descargas eletrostáticas entre pessoas e equipamentos, aparelhos de microondas, equipamentos de comunicação móvel, etc. Tudo isto pode provocar alterações causando sobretensão, subtensão, picos, transientes, etc. e que em uma rede de comunicação pode ter seus impactos. Isto é muito comum nas indústrias e fábricas, onde a EMI é muito freqüente em função do maior uso de máquinas (máquinas de soldas, por exemplo) e motores (CCMs) e em redes digitais e de computadores próximas a essas áreas.

O maior problema causado pela EMI são as situações esporádicas e que degradam aos poucos os equipamentos e seus componentes. Os mais diversos problemas podem ser gerados pela EMI, por exemplo, em equipamentos eletrônicos, podemos ter falhas na comunicação entre dispositivos de uma rede de equipamentos e/ou computadores, alarmes gerados sem explicação, atuação em relés que não seguem uma lógica e sem haver comando para isto e, queima de componentes e circuitos eletrônicos, etc. É muito comum a presença de ruídos na alimentação pelo mau aterramento e blindagem, ou mesmo erro de projeto.

A topologia e a distribuição do cabeamento, os tipos de cabos, as técnicas de proteções são fatores que devem ser considerados para a minimização dos efeitos de EMI. Lembrar que em altas freqüências, os cabos se comportam como um sistema de transmissão com linhas cruzadas e confusas, refletindo energia e espalhando-a de um circuito a outro. Mantenha em boas condições as conexões. Conectores inativos por muito tempo podem desenvolver resistência ou se tornar detectores de RF.

Um exemplo típico de como a EMI pode afetar o comportamento de um componente eletrônico, é um capacitor que fique sujeito a um pico de tensão maior que sua tensão nominal especificada, com isto pode-se ter a degradação do dielétrico (a espessura do dielétrico é limitada pela tensão de operação do capacitor, que pode produzir um gradiente de potencial inferior à rigidez dielétrica do material), causando um mau funcionamento e em alguns casos a própria queima do capacitor. Ou ainda, podemos ter a alteração de correntes de polarização de transistores levando-os a saturação ou corte, ou dependendo da intensidade a queima de componentes por efeito joule.

Em medições:

• • Não aja com negligência (omissão irresponsável), imprudência (ação irresponsável) ou imperícia (questões técnicas)
• • Lembre-se: cada planta e sistema têm os seus detalhes de segurança. Informe-se deles antes de iniciar seu trabalho.
• • Sempre que possível, consulte as regulamentações físicas, assim como as práticas de segurança de cada área.
• • É necessário agir com segurança nas medições, evitando contatos com terminais e fiação, pois a alta tensão pode estar presente e causar choque elétrico.
• • Para minimizar o risco de problemas potenciais relacionados à segurança, é preciso seguir as normas de segurança e de áreas classificadas locais aplicáveis que regulam a instalação e operação dos equipamentos. Estas normas variam de área para área e estão em constante atualização. É responsabilidade do usuário determinar quais normas devem ser seguidas em suas aplicações e garantir que a instalação de cada equipamento esteja de acordo com as mesmas.
• • Uma instalação inadequada ou o uso de um equipamento em aplicações não recomendadas podem prejudicar a performance de um sistema e conseqüentemente a do processo, além de representar uma fonte de perigo e acidentes. Devido a isto, recomenda-se utilizar somente profissionais treinados e qualificados para instalação, operação e manutenção.

Muitas vezes a confiabilidade de um sistema de controle é frequentemente colocada em risco devido às suas más instalações. Comumente, os usuários fazem vistas grossas e em análises mais criteriosas, descobre-se problemas com as instalações, envolvendo cabos e suas rotas e acondicionamentos, blindagens e aterramentos.

É de extrema importância que haja a conscientização de todos os envolvidos e mais do que isto, o comprometimento com a confiabilidade e segurança operacional e pessoal em uma planta.
Este artigo provê informações e dicas sobre a minimização do efeito de acoplamento indutivo e vale sempre a pena lembrar que das regulamentações locais, em caso de dúvida, prevalecem sempre.

Controlar o ruído em sistemas de automação é vital, porque ele pode se tornar um problema sério mesmo nos melhores instrumentos e hardware de aquisição de dados e atuação.

Qualquer ambiente industrial contém ruído elétrico em fontes, incluindo linhas de energia AC, sinais de rádio, máquinas e estações, etc.

Felizmente, dispositivos e técnicas simples, tais como, a utilização de métodos de aterramento adequado, blindagem, fios trançados, os métodos média de sinais, filtros e amplificadores diferenciais podem controlar o ruído na maioria das medições.

Os inversores de freqüências contêm circuitos de comutação que podem gerar interferência eletromagnética (EMI). Eles contêm amplificadores de alta energia de comutação que podem gerar EMI significativa nas freqüências de 10 MHz a 300 MHz. Certamente existe potencial de que este ruído de comutação possa gerar intermitências em equipamentos em suas proximidades. Enquanto a maioria dos fabricantes toma os devidos cuidados em termos de projetos para minimizar este efeito, a imunidade completa não é possível. Algumas técnicas então de layout, fiação, aterramento e blindagem contribuem significativamente nesta minimização.

A redução da EMI irá minimizar os custos iniciais e futuros problemas de funcionamento em qualquer sistema.

Veremos neste artigo, o acoplamento indutivo.

 

Acoplamento Indutivo

O “cabo perturbador” e o “cabo vítima” são acompanhadas por um campo magnético, veja figura 1. O nível de perturbação depende das variações de corrente (di /dt) e da indutância de acoplamento mútuo.

Figura 1 – Acoplamento indutivo – Representação física e circuito equivalente

 

O acoplamento indutivo aumenta com:

• • A freqüência: a reatância indutiva é diretamente proporcional à freqüência (XL = 2πfL)
• • A distância entre os cabos perturbadores e vítima e o comprimento dos cabos que correm em paralelo
• • A altura dos cabos com relação ao plano de referência (em relação ao solo)

 

A impedância de carga do cabo ou circuito perturbador.

 

 

Figura 2 – Acoplamento indutivo entre condutores

 

 Medidas para reduzir o efeito do acoplamento indutivo entre cabos

1. • Limite o comprimento de cabos correndo em paralelo
2. • Aumente a distância entre o cabo perturbador e o cabo vítima
3. • Aterre uma das extremidades dos shields dos dois cabos
4. • Reduza o dv/dt do perturbador aumentando o tempo de subida do sinal, sempre que possível (Resistores conectados em série ou resistores PTC no cabo perturbador, anéis de ferrite nos perturbadores e / ou cabo vítima)

 

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Figura 3 – Acoplamento indutivo entre cabo e campo

 

Medidas para reduzir o efeito do acoplamento indutivo entre cabo e campo

1. • Limite a altura h do cabo ao plano de terra
2. • Sempre que possível coloque o cabo junto à superfície metálica
3. • Use cabos trançados
4. • Use ferrites e filtros de EMI

 

Figura 4 – Acoplamento indutivo entre cabo e loop de terra

 

 

Medidas para reduzir o efeito do acoplamento indutivo entre cabo e loop de terra

1. • Reduza a altura (h) e o comprimento do cabo.
2. • Sempre que possível coloque o cabo junto à superfície metálica.
3. • Use cabos trançados.
4. • Em altas freqüências aterre o shield em dois pontos (cuidado!) e em baixas freqüências em um ponto só.

 

Tabela 1 – Distâncias entre cabos de comunicação digital e outros tipos de cabos para garantir a proteção a EMI

 

Figura 5 – Interferência entre cabos: campos magnéticos através do acoplamento indutivo entre cabos induzem transientes (pickups eletromagnéticos) de corrente

 

As Interferências Eletromagnéticas podem ser reduzidas:

1. • Cabo trançado
2. • Isolação Ótica
3. • Pelo uso de canaletas e bandejamentos metálicos aterrados

 

Figura 6  – Indutância mútua entre dois condutores

Para minimizar o efeito de indução deve-se usar o cabo de par trançado que minimiza a área (S) e diminuem o efeito da tensão induzida Vb em função do campo B, balanceando os efeitos (média dos efeitos segundo as distâncias):

 

O cabo de par trançado é composto por pares de fios. Os fios de um par são enrolados em espiral a fim de, através do efeito de cancelamento, reduzir o ruído e manter constantes as propriedades elétricas do meio por toda a sua extensão.

O efeito de redução com o uso da trança tem sua eficiência em função do cancelamento do fluxo, chamada de Rt (em dB):

Rt = -20 log{(1/( 2nl +1 ))*[1+2nlsen(/nλ)]} dB ,

onde n é o número de voltas/m e l é o comprimento total do cabo. Veja figuras 7 e 8.

O efeito de cancelamento reduz a diafonia (crosstalk) entre os pares de fios e diminui o nível de interferência eletromagnética/radiofreqüência. O número de tranças nos fios pode ser variado a fim de reduzir o acoplamento elétrico. Com sua construção proporciona um acoplamento capacitivo entre os condutores do par.Tem um comportamento mais eficaz em baixas freqüências (< 1MHz).Quando não é blindado, tem a desvantagem com o ruído em modo-comum. Para baixas freqüências, isto é quando o comprimento do cabo é menor que 1/20 do comprimento de onda da freqüência do ruído, a blindagem (malha ou shield) apresentará o mesmo potencial em toda sua extensão, neste caso recomenda-se conectar a blindagem em um só ponto de terra. Em altas freqüências, isto é quando o comprimento do cabo é maior que 1/20 do comprimento de onda da freqüência do ruído, a blindagem apresentará alta suscetibilidade ao ruído e neste caso recomenda-se que seja aterrada nas duas extremidades.

No caso indutivo Vruído = 2πBAcosα onde B é o campo e α é o ângulo em que o fluxo corta o vetor área(A) ou ainda em função da indutância mútua M: Vruído = 2πfMI onde I é a corrente no cabo de potência.

 

Figura 7– Efeito de acoplamento indutivo em cabos paralelos

 

Figura 8 – Minimização do efeito de acoplamento indutivo em cabos torcidos

 

Figura 9 – Exemplo de ruído por indução

 

Figura 10 – Exemplo de Cabos Profibus próximos a cabo de potência

 

O uso de cabo de par trançados é muito eficiente desde que a indução em cada área de torção seja aproximadamente igual a indução adjacente. Seu uso é eficiente em modo diferencial, circuitos balanceados e tem baixa eficiência em baixas freqüências em circuitos desbalanceados. Em circuitos de alta freqüência com multipontos aterrados, a eficiência é alta uma vez que a corrente de retorno tende a fluir pelo retorno adjacente. Contudo, em altas freqüências em modo comum o cabo tem pouca eficiência.

 

O uso da blindagem em acoplamento indutivo

A blindagem magnética pode ser aplicada tanto para fonte de ruído ou circuito de sinal para minimizar o acoplamento.
Blindar campos magnéticos de baixa freqüência não é tão fácil como blindar campos elétricos. A eficácia da blindagem magnética depende do tipo de material e sua permeabilidade, a sua espessura e as freqüências envolvidas.

Devido à sua alta permeabilidade relativa, o aço é mais eficiente do que o alumínio e o cobre em baixas freqüências (menor do que 100 kHz).

Em freqüências mais altas, no entanto, o alumínio e o cobre podem ser usados

A perda de absorção com o uso de cobre e de aço para duas espessuras é mostrado na figura 11.

Figura 11 - Perda de absorção com o uso de cobre e de aço

 

As blindagens magnética destes metais são bastante ineficientes em baixas frequências.

 

Proteção com o uso de canaletas metálicas

Veremos a seguir o uso de canaletas metálicas na minimização de correntes de Foucault.

O espaçamento entre as canaletas facilita a perturbação gerada pelo campo magnético. Além disso, esta descontinuidade pode facilitar a diferença de potencial entre cada segmento da canaleta e no caso de um surto de corrente, gerado, por exemplo, por uma descarga atmosférica ou um curto, a falta de continuidade não permitirá que a corrente circule pela canaleta de alumínio, conseqüentemente não protegerá o cabo Profibus.

O ideal é que se una cada segmento com a maior área de contato possível o que terá uma maior proteção à indução eletromagnética e ainda que se tenha entre cada segmento um condutor de cada lado da canaleta, com comprimento o menor possível, para garantir um caminho alternativo às correntes caso haja um aumento de resistência nas junções entre os segmentos.

Com a montagem adequada da canaleta de alumínio, o campo, ao penetrar na placa de alumínio da canaleta, produz um fluxo magnético variável em função do tempo [f = a.sen(w.t)], dando origem a uma f.e.m. induzida [ E = - df/dt = a.w.cos(w.t)].

Em freqüências altas, a f.e.m. induzida na placa de alumínio será maior, dando origem a um campo magnético maior, anulando quase que completamente o campo magnético gerado pelo cabo de potência. Esse efeito de cancelamento é menor em baixas freqüências. Em altas freqüências o cancelamento é mais eficiente.

Esse é o efeito das placas e telas metálicas frente à incidência de ondas eletromagnéticas; elas geram seus próprios campos que minimizam ou mesmo anulam o campo através delas, funcionando assim como verdadeiras blindagens às ondas eletromagnéticas. Funcionam como uma gaiola de Faraday.

Certifique-se que as chapas e os anéis de acoplamento sejam feitos do mesmo material que as canaletas/bandejas de cabos. Proteja os ponto de conexões contra corrosão depois da montagem, por exemplo, com tinta de zinco ou verniz.

Embora os cabos sejam blindados, a blindagem contra campos magnéticos não é tão eficiente quanto é contra campos elétricos.Em baixas freqüências, os pares trançados absorvem a maior parte dos efeitos da interferência eletromagnética. Já em altas freqüências esses efeitos são absorvidos pela blindagem do cabo. Sempre que possível, conecte as bandejas de cabos ao sistema de linha equipotencial.

 

Figura 12 – Proteção de transientes com o uso de canaletas metálicas

 

Conclusão

Vimos neste artigo vários detalhes sobre os efeitos do acoplamento indutivo e como minimizá-lo..

Todo projeto de automação deve levar em conta os padrões para garantir níveis de sinais adequados, assim como, a segurança exigida pela aplicação.

Recomenda-se que anualmente se tenha ações preventivas de manutenção, verificando cada conexão ao sistema de aterramento, onde deve-se assegurar a qualidade de cada conexão em relação à robustez, confiabilidade e baixa impedância (deve-se garantir que não haja contaminação e corrosão).

Este artigo não substitui a NBR 5410, a NBR 5418, os padrões IEC 61158 e IEC 61784 e nem os perfis e guias técnicos do PROFIBUS. Em caso de discrepância ou dúvida, as normas, os padrões IEC 61158 e IEC 61784, perfis, guias técnicos e manuais de fabricantes prevalecem. Sempre que possível, consulte a EN50170 para as regulamentações físicas, assim como as práticas de segurança de cada área.

 

Referência Bibliográfica

• • Artigos técnicos - César Cassiolato
• • www.system302.com.br
• • www.smar.com.br
• • http://www.smar.com/brasil2/artigostecnicos/
• • http://www.electrical-installation.org/wiki/Coupling_mechanisms_and_counter-measures
• • National Application Notes 25:Field Wiring and Noise Considerations for Analog Signals - Syed Jaffar Shah
• • Aterramento, Blindagem, Ruídos e dicas de instalação, César Cassiolato
• • O uso de Canaletas Metálicas Minimizando as Correntes de Foucault em Instalações PROFIBUS, César Cassiolato
• • Ruídos e Interferências em instalações PROFIBUS, César Cassiolato
• • http://www.smar.com/brasil2/artigostecnicos/newsletter/dicas_blindagem.html
• • Pesquisas na internet (Todas as ilustrações, marcas e produtos usados aqui pertencem aos seus respectivos proprietários, assim como qualquer outra forma de propriedade intelectual).

  

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* César Cassiolato é Diretor de Marketing, Qualidade e Engenharia de Projetos & Serviços da SMAR Equipamentos Ind. Ltda., foi Presidente da Associação PROFIBUS Brasil América Latina de 2006 a 2010, Diretor Técnico do Centro de Competência e Treinamento em PROFIBUS, Diretor do FDT Group no Brasil, Engenheiro Certificado na Tecnologia PROFIBUS e Instalações PROFIBUS pela Universidade de Manchester.

Data de publicação: 2011-12-06 08:04:16