Shenzhen VTdrive Technology Co.,Ltd.: Guia de Instalação e Métodos de Atenuação

INTRODUÇÃO

O objectivo deste capítulo visa a correcta planificação de novos sistemas e ainda a melhoria das instalações já existentes, a partir de uma redução das perturbações abaixo do nível de imunidade do equipamento. As considerações gerais e recomendações sobre os métodos de atenuação, destinados a assegurar a CEM dos aparelhos ou sistemas eléctricos/electrónicos, devem ser implementadas em primeiro lugar em instalações novas, e quando é economicamente viável aplicam-se igualmente a instalações já projectadas. De facto, todas as técnicas que evitam problemas de CEM apenas aumentam sensivelmente os custos quando aplicadas na fase de projecto. Modificações noutra fase, na qual o equipamento denota um excessivo acoplamento electromagnético, são mais dispendiosas.

As alterações adoptadas não devem introduzir outras perturbações, e podem não ser necessárias caso o equipamento satisfaça os limites impostos pelas normas referente à emissão e imunidade. Os métodos propostos devem ajudar a obter a compatibilidade electromagnética de uma forma efectiva, especialmente quando compromissos técnicos devem ser aplicados por forma a obter uma solução económica. Os referidos métodos são aplicados essencialmente ao nível:

· concepção e implementação do sistema de terra;

· selecção e instalação de cabos;

· armários e quadros (shielding);

· introdução de filtros de alta frequência, transformadores de isolamento, entre outros.

Os acessos que garantem a transição do equipamento e instalação com o ambiente exterior assumem um papel importante nesta questão, uma vez que as diferentes perturbações electromagnéticas entram e saem do aparelho por intermédio desses interfaces. Identificada cada interface, as diferentes etapas de protecção podem estar especificamente ligadas à natureza do fenómeno electromagnético, forma de acoplamento, impacto sobre os elementos funcionais do aparelho (imunidade), ou sobre o impacto ambiental (emissão).

Figura 1: Representação dos terminais do equipamento de interface com o ambiente electromagnético

Sendo assim, as práticas de atenuação e instalação levam em consideração estas interfaces associados ao fenómeno electromagnético. Por exemplo, para as portas de alimentação em c.a. ou c.c. essa protecção implica geralmente o uso de dispositivos de protecção contra sobretensões, algumas vezes complementados por filtros ou cabos específicos. Outro exemplo é o acesso ao exterior pelo terminal de terra, implicando este a adopção de práticas de atenuação ao nível da implementação do sistema de terra do aparelho.

Muitas vezes as exigências para protecção CEM e isolamento podem assumir aspectos comuns, tais como a ligação à terra ou a protecção contra sobretensões. Em alguns casos pode existir conflito entre procedimentos relacionados com a segurança, e aqueles relacionados com a CEM. Neste caso os procedimentos de segurança para protecção de pessoas têm prioridade sobre os procedimentos de CEM, pelo que se deve optar pela adopção de outras medidas de CEM.

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INSTALAÇÃO

Durante a fase de design e layout devem ter-se em conta dois factores:

· A ESCOLHA DO EQUIPAMENTO

A escolha do equipamento consiste na escolha não só dos emissores, mas também dos receptores (vitimas). Convém não esquecer que um aparelho qualquer pode gerar perturbações, mas pode também ser afectado por elas ou por outras perturbações.

Por exemplo, se duas unidades/aparelhos estiverem a funcionar perto uns dos outros, devem:

combinarem-se de maneira a que, de um lado esteja um emissor que gere sinais de perturbação baixos, e do outro, um receptor (vitima) que apresente um funcionamento normal, ou seja, na presença de perturbações, não deve ser muito sensível na pele de “vitima”

ou então, combinar um emissor que gere níveis moderados de perturbação com um aparelho vitima muito pouco sensível

ou então, formular um compromisso entre ambos os extremos

· LOCALIZAÇÃO DESSES APARELHOS

A localização é um factor que depende directamente do da escolha dos equipamentos.

A localização dos equipamentos é estabelecida de acordo com as características individuais de cada um, para satisfazer os requisitos da compatibilidade electromagnética.

É óbvio que esta selecção deve ter em conta o custo dos equipamentos e a sua instalação.

Figura 2: Exemplo da proximidade dos vários equipamentos com influências na compatibilidade electromagnética

Fase de instalação

As instalações eléctricas e electrónicas devem funcionar segundo as regras já abordadas anteriormente. Na prática, os diferentes modos de acoplamento devem ser estudados e reduzidos para satisfazer os requisitos da compatibilidade electromagnética.

Podem ser aplicadas as seguintes técnicas:

- Os circuitos e os chassis/massa (ligação à terra) devem estar ligados em malha

- Os circuitos devem ser/estar separados fisicamente

- A montagem da instalação eléctrica (“rede de arame”) deve ser cuidadosamente planeada

Exemplos práticos

Circuitos em malhas e sistemas de ligação à massa

Hoje em dia, os equipamentos podem ser susceptíveis a níveis de energia muito baixos. Geralmente estes equipamentos contem ou estão interligados a outros equipamentos electrónicos que são sensíveis ás altas-frequências

O acoplamento de impedâncias de modo comum, ocorre frequentemente, e para o evitar, é essencial um potencial de terra muito estável ou, para ser mais preciso, é fundamental ter uma boa grelha de ligação à massa (malha de terra).

Este é o primeiro passo para providenciar protecção contra os problemas das perturbações. Na rede de distribuição de energia de uma instalação industrial, todas as protecções das linhas de telecomunicações, devem estar juntas e ligadas ao metal da estrutura, tal como demonstrado na seguinte figura.

Figura 3: Os circuitos em malha e os sistemas de ligação à terra são muitas vezes combinadas

nos armários eléctricos

Similarmente, no interior dos equipamentos, todas as massas e armações/estruturas devem ser ligadas à terra em malha, com ligações o mais curtas possível, utilizando impedâncias (para as altas-frequências). Devem também ser utilizados cabos ou linhas de pares entrançados. O diagrama de ligações eléctricas de um armário é um exemplo típico: todas as massas têm de ser conectadas juntas umas com as outras.

Existe uma alteração a ser notada aqui: o método envolve a conexão de todas as massas a um ponto central (configuração em estrela), por vezes utilizada em aparelhos de electrónica analógica sensíveis ás frequências de ruído de 50 Hz que, posteriormente foi substituído por malhas, as quais são muito mais eficientes na redução das perturbações que afectam os sistemas digitais, os relés de protecção e os sistemas de controlo e monitorização utilizados hoje em dia.

Separação dos circuitos eléctricos

Esta técnica consiste na separação das fontes de energia (normalmente 50 a 60 Hz). A sua função é a de evitar interferências em aparelhos, causadas por perturbações conduzidas geradas por outros sistemas ligados ás mesmas fontes de alimentação. O princípio é o de criar duas fontes de alimentação isoladas por altas impedâncias para as frequências de perturbação.

Transformadores (e não auto-transformadores) são isoladores efectivos, especialmente para as baixas frequências: transformadores de média e baixa tensão, transformadores isoladores e qualquer outro tipo de transformador de entrada são utilizados para acabar com as perturbações conduzidas.

Por vezes é necessário um filtro de isolamento para eliminar as perturbações de alta-frequência. Se o equipamento sensível também necessitar de uma fonte de energia de emergência, esta pode ser fornecida por uma UPS (Uninterruptible Power Supply) na medida em que a UPS contem o referido transformador isolador.

Wel-design wiring

Os efeitos destes três mecanismos de acoplamento atrás referidos podem ser reduzidos se a indicação da via a seguir pelos cabos ou linhas de transmissão ou cabos obedecerem ás regras seguintes:

· Todos os sistemas que não possam ser separados, por razões económicas, devem ser agrupados por categorias. As diferentes categorias devem seguir rotas diferentes (separadas): em particular, os cabos de energia devem estar de um lado e os de sinal (telefone, controlo e monitorização) do outro (ver figura 4):

Figura 4: Exemplos de cabos em calhas

Se um número suficiente de caminhos para os cabos ou calhas estão disponíveis, os cabos de energia devem ser encaminhados por rotas diferentes dos cabos de sinal. Por outro lado, deve ser mantida uma distância mínima de pelo menos 20 cm entre eles.

Qualquer elemento comum a estas duas categorias deve ser evitado.

Os circuitos de sinal devem possuir, sempre que possível, o seu próprio fio de retorno (0V) para evitar o acoplamento de impedâncias de modo comum. A maioria dos sistemas que comunicam over buses requer pares de linhas reservadas exclusivamente para troca de dados.

· Em qualquer caso, a área total do lacete formado pelo condutor e seu retorno deve ser minimizada. Nas transmissões de dados, a utilização de pares entrelaçados reduz a susceptibilidade para o modo de acoplamento diferencial. Os pares entrelaçados são preferidos em detrimento dos fios direitos.

· Os cabos utilizados para medição e transmissão de sinais de baixa potência, devem ser isolados (blindados), se possível, e, na ausência de instruções especificas do fabricante, a sua protecção (blindagem) deve ser ligada à massa no maior número de pontos possível.

· De um extremo ao outro dos cabos (as rotas) devem, sempre que possível, ser realizadas sem a utilização de metal. Os extremos, devem ser correctamente interligados, isto é, devem ser atarraxados (aparafusados) juntos e ligados à massa.

· Os cabos mais sensíveis (isto é, aqueles utilizados nas medições) devem ser colocados nos parafusos dos cantos onde podem beneficiar do máximo de protecção contra as radiações electromagnéticas. A sua protecção, deve, de algum modo, ser ligada aos ditos parafusos em intervalos regulares.

O uso de cabos pré-fabricados assemblados e separados, nos quais os cabos estão posicionados e ligados correctamente são largamente recomendados.

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SISTEMA DE TERRA

· PRESCRIÇÕES RELACIONADAS COM A SEGURANÇA

A principal função de um sistema de terra é assegurar a segurança do pessoal e a protecção das instalações contra eventuais sinistros. Há assim que considerar a existência de dois fenómenos:

descargas eléctricas de origem atmosférica;

falhas/defeitos do sistema de potência.

Estes fenómenos traduzem-se pela circulação de correntes importantes susceptíveis de gerar tensões perigosas nas estruturas das instalações. O solo/terra constitui assim a única via de retorno dessas correntes à sua fonte (meio ambiente). O sistema de terra deve constituir um caminho que permita às correntes atingir o solo, devendo garantir ao mesmo tempo que, entre quaisquer dois pontos da instalação, a diferença de tensão é o mais baixa possível.

No entanto, este sistema de terra por si só não é suficiente para satisfazer as prescrições de CEM.

· PRESCRIÇÕES RELACIONADAS COM A CEM

Hoje em dia o equipamento pode ser susceptível a níveis de energia muito baixos, pois contem dispositivos electrónicos sensíveis às altas-frequências. O acoplamento electromagnético ocorre frequentemente, e para o evitar é necessário um óptimo sistema equipotencial de massa. Este é o primeiro passo a dar, por forma a proporcionar uma protecção contra as perturbações electromagnéticas.

A segunda função do sistema de terra consiste assim, para as instalações com sistemas electrónicos/eléctricos, em servir de referência comum à tensão, de modo a contribuir para a atenuação das perturbações.

Pela observação da figura 5, constatamos que este objectivo de servir de referência absoluta de tensão muitas vezes não passa do plano teórico. Na prática, a indução de tensões externas faz com que a tensão entre dois pontos quaisquer do plano de referência seja diferente de zero, especialmente no domínio das altas-frequências. Sendo assim, quando surge a necessidade de ligar equipamentos separados por uma certa distância, mas exigindo uma referência comum de tensão, recomenda-se uma solução de acordo com o caso A. Uma solução do tipo caso B deve ser evitada sempre que possível, na medida em que as tensões externas induzidas agudizam-se devido ao efeito do malha formado.

NOTA: Os casos A e B estão representados na figura 5.

Figura 5: Demonstração da falácia referente ao conceito “equipotencial”, quando considerado como regra geral, especialmente às altas-frequências

O sistema de terra contribui assim para a atenuação das perturbações, dado que constitui por um lado o caminho de retorno das correntes para a terra, e por outro constitui uma referência de tensão para os dispositivos de protecção.

No que toca à compatibilidade electromagnética, os aparelhos são em norma sensíveis a correntes e tensões bastante inferiores às consideradas para a segurança do pessoal.

· CONCEPÇÃO DO SISTEMA DE TERRA

Eléctrodo de terra

A primeira etapa de concepção de um eléctrodo de terra consiste em conhecer a resistividade do solo. Esta depende da natureza e da homogeneidade do solo, das condições climáticas, etc. Como regra geral, convém localizar o eléctrodo de terra no solo natural, e se possível húmido.

Alguns aspectos práticos são importantes porque eles influenciam a longo prazo a qualidade do eléctrodo:

são de evitar condutores entrelaçados, por causa dos fenómenos de corrosão que possam surgir;

pela mesma razão (corrosão), as ligações entre os condutores devem ser soldadas, e não efectuadas por intermédio de pinças mecânicas.

A utilização de eléctrodos de terra independentes (figura 6) não é recomendada, dado que essa solução não satisfaz as exigências da CEM e constitui um risco para a segurança. Na realidade, existem na instalação ligações eléctricas parasitas pelo solo ou por intermédio de elementos parasitas (capacidades ou indutâncias mútuas). Em caso de uma descarga eléctrica (raio), ou de um defeito da rede de energia, surgem tensões transitórias perigosas que se podem manifestar entre o sistema de terra independente e outras partes da instalação.

Figura 6: Concepção de eléctrodos de terra independentes

Numa tentativa de contornar este problema surge a topologia da rede de terra única (figura 7) que, quando devidamente instalada, constitui uma solução razoável do ponto de vista da segurança (à frequência industrial). No entanto, não é recomendada a sua generalização, já que do ponto de vista da CEM (especialmente às altas frequências) esta solução está longe de ser aceitável.

Figura 7: Concepção de eléctrodo de terra único

A configuração recomendada para os eléctrodos de terra é apresentada na figura 8, pelo que, de uma forma geral, trata-se de uma topologia satisfatória do ponto de vista da segurança eléctrica e da compatibilidade electromagnética.

Figura 8: Configuração recomendada para eléctrodos de terra

Rede de terra

A rede de terra deve ter uma impedância o mais baixa possível, de forma a poder escoar as correntes de defeito, assim como as correntes de alta-frequência dos equipamentos electrónicos.

A topologia recomendada para esta estrutura é uma rede em malha, como se pode observar na figura seguinte.

Figura 9: Esquema tridimensional recomendado para a rede de terra

Uma crítica efectuada a esta solução prende-se com o facto desta proporcionar a formação de malhas de terra (figura 10), sendo estas indesejáveis devido aos problemas de ruído eléctrico que possam surgir. No entanto, tais problemas podem ser significativamente reduzidos, pela aplicação de métodos de atenuação ao nível da cablagem.

Figura 10: Malhas envolvendo cabos de sinal e a rede de terra

Pára-raios

Estes condutores, que fazem parte da rede de terra, são especificados por muitas razões. A amplitude e a frequência equivalente das correntes das descargas requerem a existência de mais do que um condutor por pára-raio...

para diminuir a impedância da ligação;

para limitar a corrente por condutor;

para evitar o risco da ligação entre o pára-raio e o condutor ser interrompida.

Do ponto de vista da CEM, estes condutores múltiplos apresentam a vantagem de limitar os efeitos indutivos dentro do equipamento, caso estes condutores não estejam muito próximos de sistemas electrónicos sensíveis.

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LIGAÇÃO AO MESMO POTENCIAL

A ligação de todas as partes metálicas condutoras de uma instalação a uma rede de terra permite satisfazer as exigências de segurança (tensão de contacto e de passo). Todavia, essa ligação pode ser feita não só de forma a satisfazer as exigências de segurança, como também de forma a melhorar a performance da instalação em termos de CEM.

· GENERALIDADES

A ligação entre os aparelhos ou sistemas e a rede de terra pode ser representada pelo circuito equivalente da figura 11, em que Rs e Ls representam o próprio condutor de ligação ao mesmo potencial. No entanto, elementos parasitas, como por exemplo capacidades – C_p – dos aparelhos, ou impedâncias de contacto das ligações – Zc –, modificam esta representação (figura 12).

Figura 11: Representação simplificada dum condutor de ligação ao mesmo potencial

Figura 12: Representação mais realista dum condutor de ligação ao mesmo potencial

Para uma impedância baixa os valores de Rs e Ls, que dependem do comprimento e da forma do condutor, devem ser mínimos. Na prática convém ligar os aparelhos/sistemas ao condutor da rede de terra mais próximo.

A impedância de contacto Zc também deve ser o mais baixa possível. A utilização de materiais diferentes para a rede, para os condutores de ligação ao mesmo potencial, e para os aparelhos a ligar, pode constituir uma fonte de problemas electroquímicos. Logo, o ponto de ligação do condutor à rede de terra deve sofrer um tratamento por galvanoplastia, sendo coberto por uma pintura de níquel cromado, conseguindo-se assim reduzir a impedância de contacto.

· CONDUTORES DE LIGAÇÃO AO MESMO POTENCIAL

Para realização deste tipo de ligação, os condutores apropriados podem ser bandas metálicas, rede emalhada plana ou cabos redondos (figura 13).

Figura 13: Condutores típicos de ligação ao mesmo potencial

Do ponto de vista da CEM, cabos redondos não constituem uma aplicação eficaz, quando aplicados a sistemas de frequências superiores a 10 MHz. Às altas-frequências um condutor redondo apresenta uma impedância superior à de um condutor plano do mesmo material, e com a mesma secção transversal (figura 14).

Figura 14: Indutâncias relativas de condutores planos e cilíndricos

A utilização de ligações múltiplas permite obter uma impedância ainda mais baixa.

Figura 15: Indutâncias relativas de ligações ao mesmo potencial (condutores cilíndricos, planos, e duplos com a mesma secção total)

· LIGAÇÕES

Ligações permanentes (por exemplo: soldadura)

Estas ligações têm a vantagem de apresentar um valor baixo de impedância de contacto, garantindo uma boa estabilidade desta ao longo do tempo. No entanto, tais ligações exigem superfícies metálicas próprias, e precauções para evitar a corrosão.

Ligações amovíveis (por exemplo: parafuso - figura 16)

Superfícies metálicas próprias asseguram uma boa condução e um acoplamento com muita duração, caso o contacto seja efectuado com muita pressão. Estas ligações apresentam ainda a vantagem de, caso seja necessário, se poder interromper essa mesma ligação.

Tratamento da superfície

As ligações à terra requerem superfícies de contacto limpas; logo convém eliminar as camadas protectoras não condutoras (por exemplo: pintura) nas áreas de contacto. Depois de efectuada a ligação, deve-se aplicar um revestimento protector contra processos corrosivos (figura 16).

Figura 16: Exemplo de ligação ao mesmo potencial constituída por uma ligação protegida amovível

· LIGAÇÕES AO MESMO POTENCIAL DE EQUIPAMENTOS ESPECIFICOS

Armários electrónicos

Para estes armários uma só ligação ao mesmo potencial é geralmente suficiente.

Para evitar a circulação de correntes à volta do armário, os pontos de entrada dos cabos e dos condutores de ligação ao mesmo potencial devem estar próximos uns dos outros, de preferência no mesmo lado do armário.

Cabos blindados

As blindagens dos cabos são ligadas à rede de terra numa ou nas duas extremidades, consoante os níveis e as fontes das perturbações electromagnéticas.

A melhor solução consiste numa ligação de 360º à volta da blindagem do cabo -figura 16.

Figura 17: Exemplo de uma boa solução para ligação ao mesmo potencial de cabo blindado

Figura 18: A montagem da esquerda é mais eficaz que a da direita

· BLINDAGEM DOS CABOS DE SINAL

Observe que, entre as medidas recomendadas para os equipamentos “vitimas”, inclui-se a blindagem em todas as faixas de frequência. Isso, no entanto, esconde algumas diferenças importantes. Um ponto comum de confusão é a questão da terminação da blindagem de cabos de sinal. Para obter eficiência contra campos eléctricos de baixa frequência, basta ligar a blindagem à terra em apenas uma extremidade. De facto, algumas normas para instrumentação de processos industriais estabelecem que as blindagens sejam ligadas à massa em apenas um dos extremos, afim de evitar a formação de “laços de corrente”, em que correntes de 50 Hz que circulam pela blindagem possam provocar o acoplamento de potenciais de 50 Hz no circuito de sinal. No entanto, essa solução é virtualmente inútil contra as altas-frequências. Para funcionar bem neste caso, a blindagem do cabo deve ser conectada à terra ou outro ponto de referência em ambas as extremidades. Para maior eficiência, devem existir poucos ou nenhum rabicho e, para frequências acima dos 50 MHz, é essencial uma conexão completa de 360º. A única forma de conciliar esse requisito com a necessidade de evitar os laços de 50 Hz é utilizar como condutores pares entrelaçados blindados, com a blindagem conectada nas duas extremidades, e sinalização diferencial, de modo que qualquer captação comum em 50 Hz seja cancelada.

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CABLAGEM

GENERALIDADES

A cablagem entre o equipamento constitui o principal meio de transmissão das perturbações electromagnéticas dum emissor para um receptor. A eficiência da transmissão da perturbação do emissor para o receptor é caracterizada pelo coeficiente de acoplamento “K”, em que:

K = 20.log [A(recebido) / A(transmitido)] (dB)

Quanto mais baixo este coeficiente (maior valor absoluto em dB), mais fraca é a perturbação recebida, sendo portanto melhor a CEM. Este coeficiente “K” só faz sentido apenas quando a transferência da perturbação electromagnética é proporcional à frequência, o que é o caso.

Para garantir uma CEM optimizada há que levar em consideração certos aspectos no domínio da cablagem, nomeadamente:

escolha do tipo de cabo;

ligação aos terminais dos equipamentos a ligar;

trajecto do cabo;

agrupamento de diferentes tipos de cabos.

Num ambiente electromagnético hostil podem ser adoptadas duas aproximações para a configuração da cablagem da instalação:

Sinais de grande amplitude podem ser veiculados por um tipo de cabo seleccionado arbitrariamente, cujo trajecto é organizado sem preocupações particulares, e ligado aos aparelhos sem respeitar os procedimentos recomendados;

Sinais de baixa amplitude podem atravessar o mesmo ambiente electromagnético hostil, por intermédio de um cabo cuidadosamente seleccionado, cujo trajecto e ligação aos aparelhos são correctamente efectuados, respeitando os princípios de CEM.

· MODOS DE ACOPLAMENTO: DIFERENCIAL E COMUM

IMPEDÂNCIA DE TRANSFERÊNCIA ZT

CROSSTALK

Para representação do circuito de modo comum e de modo diferencial utiliza-se o modelo simplificado apresentado na figura seguinte. Com rigor, este modelo é apenas válido no domínio das baixas frequências, uma vez que na gama das frequências mais elevadas são necessários cálculos mais precisos. Contudo, as medidas de atenuação que se vão indicar permanecem válidas.

Figura 19: Circuito de modo diferencial (MD) e de modo comum (MC)

Os dois circuitos – MD (modo diferencial) & MC (modo comum)

Uma fonte de sinal com impedância de saída Z_S é ligada a uma carga de impedância Z₁ por um cabo de comprimento “d”.

Toda a ligação de um sinal faz intervir pelo menos dois fios – sinal e retorno – entre dois aparelhos. A fonte, a carga, e esses dois fios formam o circuito de modo diferencial (MD), podendo este circuito ser também definido por um anel fechado de corrente I_MD. O modo diferencial envolve assim tensões e correntes, por exemplo, entre duas fases dum disjuntor ou entre dois condutores que transmitem um sinal a um equipamento electrónico.

Por outro lado, os dois fios formam um circuito fechado que se fecha pelo ambiente externo – circuito de modo comum (MC) – sendo este constituído pelo condutor, pelo aparelho e pela terra adjacente. O acoplamento em modo comum gera perturbações de tensão ou corrente em modo comum. Uma tensão de perturbação em modo comum (U_MC) afecta assim todos os condutores activos, enquanto que uma corrente de modo comum (I_MC) é uma corrente que flúi através de todos os condutores activos na mesma direcção. A corrente Imc pode ter origem numa variação de tensão na parte considerada do sistema de terra, devido a I_EXT; ou então pode surgir devido ao fluxo magnético através da “malha” de terra (MC), sendo este fluxo causado por uma corrente no sistema de terra Iext (por exemplo: raio ou defeito da rede eléctrica), ou por fontes externas (por exemplo: transformadores ou outros aparelhos geradores de perturbações).

Nalguns aparelhos as partes eléctricas/electrónicas encontram-se protegidas num compartimento, como é o caso da aparelhagem de MT em estudo. A “malha” MC pode-se, por exemplo, fechar por intermédio da capacidade entre a parte electrónica e o compartimento metálico. Caso o compartimento esteja ligado à terra, o modelo apresentado na figura anterior mantém-se aplicável, pois estamos na presença de uma “malha” de corrente MC. A tensão MC situa-se entre a parte de baixa tensão e o compartimento.

Acoplamento entre os circuitos

O acoplamento entre os circuitos de MC e MD causa perturbações no circuito de MD. Esse acoplamento electromagnético é caracterizado por dois parâmetros: impedância de transferência Z_t e admitância de transferência Y_t.

O acoplamento por impedância de transferência resulta de uma impedância que é partilhada por dois ou mais circuitos (figura 20). Em relação a este parâmetro, Z_t é fortemente influenciado pelo comprimento do cabo, assim como pelas ligações terminais em cada extremidade do cabo.

Figura 20: Circuito com impedância comum – Z_c

Figura 21: Impedância de transferência de um condutor de cabo coaxial:

Relativamente à admitância de transferência, na maior parte dos casos esta é uma capacidade parasita: Y_t=w.C_t. No entanto, o acoplamento via Z_t é o mais importante. Por exemplo, para um cabo coaxial dotado de um condutor externo paralelo Y_t=0, enquanto que Z_t = resistência do condutor externo (baixas frequências).

Ambos estes parâmetros variam consideravelmente em função da natureza dos cabos. Por exemplo, num cabo blindado Z_t é determinado principalmente pela constituição do material da blindagem. Z_t comporta-se também de modo diferente em função da frequência, enquanto que Y_t depende igualmente dos parâmetros do circuito MC e do circuito exterior. Assim, enquanto que às baixas frequências a impedância de transferência é muito pequena, numa gama de frequências elevadas a mesma impedância pode assumir valores elevados (kΩ).

Resumindo...

Nível de CEM depende do acoplamento entre circuitos;

Existem dois circuitos a levar em consideração – MD e MC;

Estão definidos dois parâmetros de transferência para caracterizar o acoplamento entre o circuito de MD o circuito de MC;

Este acoplamento produz-se localmente em todos os pontos do circuito. Por forma a obter-se o nível final das perturbações nas duas extremidades, realiza-se o somatório da integração das contribuições locais;

O acoplamento está directamente relacionado com a impedância entre circuitos, especialmente às altas frequências;

Existem dois processos de se obter um nível de acoplamento baixo das perturbações:

redução I_MC (por introdução de um condutor de terra paralelo);

redução Z_t (regras CEM para implementação dos cabos).

Existe igualmente uma interacção entre os cabos e os campos electromagnéticos. Deste modo, um valor baixo de Z_t implica também uma baixa interacção com esses campos electromagnéticos.

Crosstalk

O crosstalk é um outro modo de acoplamento entre cabos, sendo essencialmente duas as causas deste fenómeno:

Uma variação de corrente num cabo pode gerar um campo electromagnético, podendo este acoplar-se a um par de fios condutores e induzir uma tensão perturbadora – crosstalk indutivo;

Figura 22: Crosstalk indutivo

Uma rápida variação de tensão entre um condutor e o plano de massa, ou entre dois fios condutores, gera um campo que pode ser considerado unicamente eléctrico, podendo este acoplar-se a qualquer outra estrutura que esteja em paralelo – crosstalk capacitivo;

Figura 23: Crosstalk capacitivo

Desta forma, o crosstalk verifica-se sempre que o trajecto dos condutores é efectuado com estes dispostos paralelamente, estando próximos uns dos outros. Perante estas condições, pode ocorrer especialmente entre cabos de potência e pares de fios condutores de BT, emitindo perturbações de alta-frequência em modo diferencial e na forma conduzida. O crosstalk é mais acentuado quanto...

mais longo é o trajecto paralelo dos cabos,

menor é a distância entre condutores;

mais elevada é a frequência.

REGRAS DE CEM PARA IMPLEMENTAÇÃO DE CABOS

O respeito destas regras permite reduzir a susceptibilidade e aumentar a imunidade às perturbações, mas, no entanto, não assumem um carácter imperativo, sendo apenas princípios apresentados como objectivos desejáveis a atingir.

I) Considerar as malhas de corrente fechadas para os circuitos de MD (I_MD) e MC (I_MC)

Toda a interligação entre os terminais dos diferentes aparelhos engloba uma entrada de sinal ou de potência, considerada unicamente em combinação com o seu retorno, que deve estar posicionado na sua vizinhança, por forma a minimizar a área total da “malha” formada pelo condutor e respectivo retorno. A corrente e a tensão de modo comum (I_MC, U_MC) assumem parâmetros importantes ao nível das ligações terminais, na medida em que estas grandezas incluem os sinais ou a potência a veicular, assim como as perturbações devido ao acoplamento dos circuitos MD e MC, via Z_t e Y_t.

Os cabos constituem antenas importantes e eficazes que veiculam correntes I_MC para os aparelhos. Essas correntes podem causar perturbações, não só ao nível dos circuitos de entrada e de saída directamente ligados aos fios, mas também ao nível dos circuitos situados no interior do aparelho.

2) Tornar os circuitos de MD compactos a fim de apresentarem maior imunidade aos campos eléctricos/magnéticos

Esta regra implica que cada circuito MD compreenda um cabo de pares simétricos, de preferência entrelaçados, podendo o circuito de MD ser simétrico ou assimétrico.

Para um cabo coaxial, a corrente de MD veiculada pelo condutor interno retorna à sua fonte via condutor externo, devendo este condutor estar ligado às duas extremidades do cabo; tratando-se de um cabo compacto por natureza.

Os dispositivos de ligação situados nas extremidades do cabo também fazem parte integrante do circuito MD. Um dispositivo medíocre (Z_t elevada) faz perder todas as vantagens de um cabo de boa qualidade, uma vez que a configuração do dispositivo de ligação tem uma grande influência sobre Z_t global, e consequentemente sobre a qualidade CEM.

3) Manter circuitos MD na proximidade de elementos ligados à terra

As prescrições CEM requerem uma impedância de transferência baixa para a corrente que atravessa o elemento de ligação à terra, no que respeita ao circuito MD. Esta impedância de transferência depende igualmente da secção transversal do elemento de ligação à terra, bem como da posição do cabo sobre esse elemento.

4) Malhas de terra

Nos sistemas de terra emalhados, as malhas de terra constituem uma medida de atenuação eficaz das perturbações, causadas pelas correntes e campos electromagnéticos provenientes das fontes externas.

Uma corrente de MC a veicular pela malha de terra, constituído por um condutor de terra paralelo, é perfeitamente aceitável, visto que a impedância de transferência da malha é baixa, no que respeita aos circuitos de MD adjacentes.

5) Nos sistemas de terra emalhados deve-se implantar um sistema de terra paralelo aos cabos – PEC (“Parallel Earth Conductor”)

O PEC transporta a principal componente da corrente de perturbação Imc, desviando esta dos cabos da instalação (ver ponto: “Tipos de condutores PEC”).

6) Separar electromagneticamente os circuitos de potência elevada dos de baixa potência

A separação electromagnética pode exigir muitas vezes uma separação física dos circuitos. Este assunto será tratado com mais pormenor mais à frente.

7) Limitar a gama de frequências dos sinais de MD ao valor mínimo

Quando é de esperar a existência de perturbações numa gama de frequências fora da banda inicial prevista, procura-se limitar a sensibilidade dos terminais de ligação através do emprego de filtros.

· TIPOS DE CABOS

Cabos bifilares – frequentemente usados para transmissão de sinais e comandos de baixa frequência. Os dois fios paralelos devem ser usados para o sinal e o seu retorno.

Cabos multifilares – convém que cada condutor de sinal disponha do seu retorno próprio na sua proximidade. É preferível que esses dois condutores sejam torcidos. Em todo o caso, o fio de retorno e de sinal deve-se situar no mesmo cabo.

Cabos blindados bifilares/multifilares – a blindagem deve ser considerada como um PEC. Essa blindagem, em princípio deve estar ligada à terra nas duas extremidades, constituindo assim um caminho para I_MC. Quando existem muitas blindagens, o PEC deverá ser a blindagem externa devidamente ligada à terra nas suas extremidades.

Cabos coaxiais – sinais de alta-frequência. Nas extremidades do cabo, o condutor externo deve ser ligado ao aparelho, por forma a fechar o circuito MD. Quando a parte de baixa tensão do aparelho está ligada à terra local, essa regra implica que o condutor externo esteja também ligado à terra nesse ponto.

Cabos coaxiais de condutores externos múltiplos – utilizados quando o valor de Z_t deve ser muito baixo. Na maior parte dos casos, todos os condutores externos devem estar ligados nas suas extremidades ao cabo de terra. Em algumas aplicações o condutor mais externo é o PEC, enquanto que os condutores no interior são ligados apenas ao circuito de MD.

Cabos planos – transporte de dados digitais de baixo débito (“slow digital data”). Cada condutor de sinal deve dispor do seu retorno na sua proximidade. É preferível que estes cabos sejam blindados, devendo esta blindagem estar ligada à terra nas suas extremidades.

Figura 24: Exemplos de cabos. Para telecomunicações (esquerda) e para a média tensão (direita)

· TIPOS DE CONDUTORES – PEC

Em matéria CEM, recomenda-se um condutor paralelo ao longo do trajecto da cablagem, ligado à terra local dos aparelhos nas suas extremidades. Convém que o PEC forme uma estrutura metálica contínua e boa condutora ao longo do seu trajecto. Um PEC correctamente seleccionado desvia a corrente de MC do circuito de MD, tendo por efeito uma redução da impedância de transferência Z_t da combinação PEC/blindagem.

A forma do PEC exerce uma forte influência sobre Z_t no domínio das altas-frequências (figura 25). Entre o PEC e a blindagem do cabo forma-se um circuito de terra fechado como circuito intermediário. Conferindo a este circuito uma impedância elevada (colocando por exemplo ferrites de MC à volta da blindagem do cabo), esta impedância reduz consideravelmente a corrente intermediária neste circuito, assim como a tensão final da perturbação em MD na extremidade do cabo.

Figura 25: Tipos de condutores de terra paralelos (ordem crescente de eficácia contra perturbações de alta-frequência)

Muitas vezes, as condutas e os caminhos por onde os cabos percorrem o seu trajecto podem ser usados como PEC's (figura 27), devendo para tal estes PEC's apresentarem-se sobre a forma de uma estrutura metálica contínua. No entanto, no caso de a conduta ser constituída por pequenos subconjuntos, há que ter o cuidado de assegurar a continuidade, através de uma ligação das diferentes partes ao mesmo potencial.

Figura 26: Estrutura metálica como PEC

Todos os cabos que entram na conduta devem estar propriamente ligados a esta no ponto de entrada, implicando este facto uma troca de correntes em MC entre os cabos e a conduta.

Figura 27: Exemplo de uma derivação de um PEC

· LIGAÇÃO À TERRA DOS CABOS E DOS PEC'S

Como já foi referido, o circuito de MD deve ser compacto, devendo o condutor de sinal e o seu retorno estarem devidamente ligados aos aparelhos situados nas extremidades do cabo.

Figura 28: Travessia duma superfície metálica por um cabo blindado

Por observação da figura anterior, quando um cabo blindado atravessa uma parede metálica do aparelho, convém que a sua blindagem esteja em contacto eléctrico com essa parede ao longo do seu perímetro, preferencialmente por intermédio de uma bucha (G); uma blindagem nunca deve efectuar uma travessia sem contacto eléctrico com a parede (b); uma ligação por intermédio de um condutor flexível de ligação (c) não é recomendada, pois uma parte da corrente I_MC atravessa a parede.

Se um PEC está presente, este deve estar sempre ligado nas suas extremidades ao sistema de terra local, por forma a proporcionar Z_t baixo.

Se um fio único constitui o PEC, este é ligado à terra através de uma ligação curta;

Se uma folha metálica/conduta constitui o PEC, este liga-se à terra através de uma larga secção transversal, de preferência a secção toda;

Se uma blindagem/tubo constitui o PEC, este liga-se à terra em todo o seu perímetro;

Nunca convém efectuar uma ligação à terra por intermédio de um condutor flexível de ligação (“pigtail”) porque esta ligação origina uma impedância de transferência elevada no ponto de ligação.

Quando um PEC é instalado correctamente, as prescrições de CEM para circuitos MD tomam-se menos significantes, dado que está assegurado um meio de condução para I_MC. Para distâncias muito longas, recomendam-se ligações adicionais ao sistema de terra.

No caso de o valor da corrente de I_MC ser muito elevado, geralmente um cabo blindado funcionando como PEC pode não suportar estas correntes.

Existem então duas soluções:

Desviar estas correntes para condutas ou estruturas metálicas, permitindo assim constituir um outro PEC para blindagem do cabo;

Introduzir um condensador de terra, entre a rede de terra e a blindagem do cabo numa extremidade, funcionando este condensador como PEC.

Este condensador bloqueia I_MC à frequência industrial, mas constitui mais um caminho para as correntes de perturbação de alta-frequência. Logo, esta solução necessita de um condensador de boa qualidade, baixa indutância, implantado de forma que o valor local de Z_t seja baixo.

· TOPOLOGIA GERAL DA CABLAGEM

O trajecto de um cabo deve ser cuidadosamente seleccionado, baseando-se em considerações especiais relacionadas, por exemplo, com o design dos PEC's e sua ligação à rede de terra. Para um dado sinal, as exigências de CEM determinam que o trajecto da cablagem deve percorrer a distância mais curta possível correctamente protegida (ver figura 29).

Figura 29: Influência do trajecto do cabo na tensão ao longo da sua blindagem (cabo blindado ligado à rede de terra em dois pontos: 1 e 3; injecção de correntes em dois pontos: canto e centro da rede)

Figura 30: Tensão total ao longo da blindagem – Vt (trajecto 1-2-3 e 1-3 respectivamente)

Apesar da distância mais curta corresponder ao trajecto 1-3, o valor da tensão induzida na blindagem do cabo é mais elevado do que no trajecto 1-2-3, uma vez que este percurso (1-3) encontra-se correctamente protegido, já que o cabo circula sempre paralelamente a um condutor da rede de terra.

Trajecto entre aparelhagem num armário

O armário, no qual os aparelhos a ligar estão inseridos, deve ser constituído por paredes metálicas, se possível contínuas, e correctamente ligadas à rede de terra. Nestas condições, essas mesmas paredes podem ser usadas como PEC.

Os cabos são preferencialmente localizados nestas paredes, sendo o seu trajecto efectuado por intermédio da distância mais curta possível entre os terminais de ligação dos aparelhos.

Não são recomendáveis armários para os quais as paredes não formam uma estrutura metálica contínua (por exemplo armários pintados antes da montagem), ou que não estejam correctamente ligadas à terra.

Trajecto em condutas

O percurso a percorrer pelos cabos também pode ser efectuado em condutas metálicas, desde que estas estejam correctamente ligadas à rede de terra, sendo estas condutas utilizadas como PEC's.

Os cabos podem assim ser agrupados por categorias em condutas distintas, podendo estas circular paralelamente sobre uma distância apreciável.

Figura 31: Exemplo de sobreposição de condutas (cabos de MT , BT, de circuitos auxiliares de comando

e de medida, devem ser localizados em condutas separadas)

A distância entre os cabos numa conduta depende de dois factores:

Qualidade da conduta como PEC (baixa impedância de transferência);

crosstalk MD-MD, que poderá requerer uma blindagem contra campos magnéticos causados pelas correntes MD.

De facto, o crosstalk MD-MD que se poderá verificar entre os cabos no interior de uma conduta pode ser importante. Uma solução para este problema poderá ser a utilização de um conduta profunda, ou então em forma de tubo.

Todavia, o crosstalk MD-MD entre cabos que transportam uma corrente elevada à frequência industrial, e cabos de sinal de baixo nível merece uma atenção especial.

Sendo assim, apresentam-se as seguintes soluções para este problema:

Blindagem contra campos magnéticos; cabos usados para medidas e transmissão de sinais de baixo nível devem estar blindados, devendo esta blindagem estar ligada à massa;
Redução do campo magnético pela posição dos cabos; os cabos de potência devem ficar localizados juntos uns dos outros de forma paralela, estando este conjunto montado directamente contra o PEC de espessura suficiente. Esta solução diminui assim o tamanho do circuito de MC. Quanto aos cabos mais sensíveis (sinais de baixo nível), estes devem-se situar nos cantos das condutas, onde podem beneficiar de uma melhor protecção contra as radiações electromagnéticas;
Redução do campo magnético pela distância; entre condutas pouco profundas, há que manter uma distância mínima de 0,15m. quando estas condutas se encontram em paralelo. As condutas que contêm cabos sensíveis devem ser preferencialmente cobertas, quando a distância para cabos de potência de elevada corrente é inferior a 1 metro.

· LIGAÇÕES A TERMINAIS DE POTÊNCIA

Os contactos da ligação devem estar providos contra a corrosão electroquímica, mesmo em ambientes secos. Ligações completamente soldadas só são admissíveis em aplicações de baixa potência. Nas aplicações de maior potência, a ligação circunferencial (360º) é preferível, estando esta assegurada por uma bucha. A blindagem do cabo deve estar igualmente ligada às partes metálicas do armário no ponto de entrada do cabo (figuras 17 e 28).

Convém situar todas as ligações dos condutores na proximidade uns dos outros -circuito MD compacto. Esta regra aplica-se quer para ligações em corrente contínua, quer para corrente alternada monofásica e trifásica. Numa rede trifásica convêm tratar o neutro como um condutor de fase, e mantê-lo na proximidade dos condutores de fase.

Convém ainda ligar o condutor de terra do cabo à estrutura metálica do armário. Quando mais do que um cabo está ligado ao armário, os condutores de terra dos respectivos cabos são ligados a um ponto comum por conveniência de montagem.

· LIGAÇÕES A TERMINAIS DE SINAL E CONTROLO

· Terminais para o sinal e o seu retorno devem estar próximos uns dos outros (circuito de MD compacto);

· Contactos devem ser resistentes à corrosão;

· Contactos com corrosão...

apresentam características não lineares de tensões e correntes;

provocam distorção do sinal;

podem causar crosstalk entre circuitos MD-MD devido à resistência variável dos contactos;

originam uma impedância de transferência elevada e não linear.

· Materiais dos contactos devem ser iguais por forma a prever efeitos de termo-acoplamento na ligação;

· Deve-se evitar o uso de um condutor flexível de ligação (“pigtail”), pois este proporciona uma impedância de transferência local elevada.

Figura 32: Pigtail, ligação a evitar para um cabo coaxial

(voltar)

SHIELDING

A função principal de um armário de um quadro eléctrico é garantir a protecção física do equipamento no seu interior, e assegurar a sua montagem e suporte. Além do mais, surgem ainda outras funcionalidades, tais como:

servir de terra de referência local para o equipamento interno;
demarcar uma zona de protecção electromagnética;
atenuar a propagação de radiações electromagnéticas do ambiente exterior para os circuitos internos, ou prevenir que o ambiente externo não seja poluído por perturbações electromagnéticas radiadas pela operação do equipamento.

Relativamente a este último ponto, o desempenho desta função é determinado por alguns aspectos, destacando-se os seguintes:

Correntes perturbadoras; a circulação destas correntes deve ser efectuada pelas superfícies metálicas do armário, formando-se malhas de corrente que se fecham pelo solo;
Instalação de cabos; os cabos, nos pontos de entrada do armário, devem estar ligados à terra de referência, ou então recomenda-se a instalação de filtros apropriados nestes pontos de ligação;
Número e tamanho de aberturas nos armários; aberturas para o exterior devem ser minimizadas, e com a menor área possível.

Para garantir e manter a eficácia do armário no desempenho das suas funções, existe um conjunto de regras, no âmbito da CEM, que apontam para a correcta concepção e instalação destas estruturas; estando previsto num futuro próximo a publicação de uma norma relacionada com esta matéria.

Figura 33: Armário de quadro eléctrico MT (modelo Normacel - EFACEC)

Figura 34: Composição da cela

Composição e Legenda da cela:

A. Compartimento do barramento

B. Compartimento do disjuntor

C. Compartimento de cabos

D. Compartimento de baixa tensão

1. Disjuntor

2. Isolador suporte do barramento

3. Isolador suporte

4. Transformador de corrente

5. Seccionador de terra

6. Conector de cabos

7. Sistema de arco interno

8. Conector de BT

9. Barramento geral

10. Derivações do barramento

11. Divisor de tensão capacitivo

12. Comando do Seccionador de terra

Ø Introdução

Um dos principais métodos para proteger componentes eléctricos, aparelhos e instalações contra campos de interferência electromagnética, é a blindagem (shielding). O objectivo é o de proteger componentes e aparelhos do meio, ou, dito de outro modo, evitar que alguns componentes produzam campos de interferências electromagnéticas que afectem adversamente o meio. Este trabalho, diz respeito à compatibilidade electromagnética (CEM). A blindagem também pode ser olhada como um meio de protecção para os seres humanos, contra possíveis perigos, causados por campos electromagnéticos, ou como um pré-requisito vital de sensibilidade de medida extrema, como aquelas usadas no campo da medicina. A tabela seguinte, dá-nos uma breve descrição das fontes de interferências electromagnéticas.

Fontes de Interferência Electromagnética	Frequências
Campo da Terra	Campo DC
Interferências atmosféricas	Desde o campo DC até ás altas frequências
Carris e comboios subterrâneos	Campo DC, flutuações DC, campos AC
Comboios eléctricos	16(2/3) Hz; 50 Hz
Fontes de energia eléctrica, transformadores	50 Hz (60 Hz)
Rectificadores, motores e geradores	50 Hz até alguns KHz
Manobras em unidades de fornecimento de energia	20 KHz e valores superiores
Ligar quadros em sistemas de fornecimento de energia	400 Hz

Ø Princípios da blindagem electromagnética

· Campo magnético, densidade de fluxo, unidades magnéticas

Tal como indicado na norma IEC 164, a unidade de medida da densidade de fluxo magnético (B) é o T (Tesla) e para a resistência do campo magnético (H) é, A/m. Em meios não magnéticos e no ar a relação entre B e H é dada por:

B = µo . H

Onde a constante do campo magnético, µo = 4π.10^-7Vs/Am. Daqui vem que para o campo magnético do ar, a unidade µT, para a densidade de fluxo é utilizada encostada às unidades da resistência do campo A/m ou A/cm.

A equação seguinte aplica-se, para materiais magnéticos fracos, com permeabilidade electromagnética relativa µ_r:

B = µo .µ_r .H

As bem conhecidas unidades: G (Gauβ) e Oe (Oersted) continuam a ser usadas ao longo das novas e legais unidades do sistema internacional, T e A/m. A seguir estão indicados os factores de conversão.

1 Oe = 79.57 A/m = 0.795 A/cm

1 G = 10^-4T = 100 µT

· Definição do factor de protecção ou blindagem

O factor de protecção ou blindagem é definido como sendo a razão entre a resistência do campo electromagnético externo H_a e a resistência do campo residual H_i, medida no interior do edifício.

S = H_a/H_i(1)

Muitas vezes, o factor de protecção ou blindagem, é dado também como a atenuação da blindagem a_s em dB. A relação entre S e a_s é a seguinte:

a_s = 20 log S (2)

· Fórmula de cálculo para factores de blindagem estática

A eficiência da blindagem do edifício depende da permeabilidade do material, da configuração e do tamanho do próprio edifício e da espessura das paredes. Apenas em alguns casos – dependendo da forma do edifício – o cálculo resulta num campo interior perfeitamente homogéneo e desta forma num factor de protecção ou blindagem definido. Contudo, estes resultados podem ser usados para estimar ou efeito de blindagem de outros edifícios. A seguir estão indicadas fórmulas para serem aplicadas nos casos de blindagem com paredes finas para algumas das formas geométricas mais conhecidas.

Cilindro

Figura 35: Distribuição do campo magnético para um cilindro (em corte transversal)

O efeito de blindagem estática de um cilindro blindado comprido, para campos que são perpendiculares ao eixo do cilindro, podem ser calculados a partir da equação:

(3)

Com:

µ_r = permeabilidade relativa (>>1)

d = espessura das paredes

D = diâmetro

Esta fórmula simples não considera qualquer efeito causado por uma base metálica no fim do cilindro. Quando os campos são paralelos ao eixo, o efeito de blindagem é dependente também da razão do comprimento L com o diâmetro D do tubo. Neste caso:

(4)

L = comprimento do cilindro

Com factor de desmagnetização N, o qual é mostrado na figura 36, em função da razão L/D. Esta fórmula aplica-se a cilindros fechados em ambos os lados.

Figura 36: Factor de desmagnetização para cilindros

Exemplo:

Cilindro com L = 90 mm, D = 30 mm, d = 1 mm, µ_r= 25000

De onde obtemos S_p = 834

Para L/D = 3, no gráfico da figura corresponde o valor N = 0.1

Daqui resulta que S_L= 286.

De acordo com S_L é apenas aproximadamente 1/3 de S_P.

Esferas

A equação seguinte é valida para esferas com diâmetro D e espessura das paredes “d”:

(5)

Esta fórmula também pode ser usada para estimar o factor de protecção ou blindagem de habitações rectangulares, fornecendo a diferença no comprimento dos três lados que não é muito grande.

Cubos

O efeito de blindagem de um cubo com comprimento de aresta “a” não é constante ao longo do seu interior. S é menor no centro que na proximidade das paredes. Consequentemente apenas uma média do factor de protecção ou blindagem pode ser calculado a partir da próxima equação:

(6)

Onde a = comprimento da aresta

Esta equação é muito parecida com a 5.

Ø Influência da excitação

Podemos assumir que a permeabilidade é constante, contudo, a permeabilidade de alguns materiais magnéticos sensíveis varia com a resistência do campo magnético ou com a intensidade do fluxo dentro do material. Para os campos de baixa resistência, a permeabilidade µ4 (µr para uma excitação de 4 mA/cm) a qual, muitas vezes difere apenas levemente da permeabilidade inicial µi (para H a tender para zero).

Todos os materiais apresentam uma permeabilidade máxima µmax para certas resistências do campo. Em princípio, um desenho meticuloso, permite à permeabilidade máxima ser usada como permeabilidade efectiva para blindagem. Isto é refere-se à excitação óptima Bopt (ver figura 37).

Figura 37: Excitação óptima B_opt

Contudo, as flutuações nas amplitudes do campo de interferência, são muitas vezes grandes, pelo que, se recomenda operar bem abaixo da permeabilidade máxima.

Ø Influência da histerese

Pondo de lado a resistência da densidade de fluxo, a curva do desvio da histerese deve ser tida em consideração. A histerese é um fenómeno típico dos materiais magnéticos. A permeabilidade efectiva é dependente do ponto de funcionamento da histerese, ou seja da “história” magnética do material.

Este efeito é de particular importância na blindagem contra campos estáticos. Neste caso a eficiência da blindagem contra campos DC pode ser posteriormente aumentada por “idealização”, isto é, desmagnetizando a blindagem no local de aplicação. Esta “idealização” pode ser efectuado através de um campo AC muito forte com amplitude decrescente (de valor final igual a zero se possível), o qual é sobreposto ao campo actual de interferência DC. A resistência do campo final deve ser 100 vezes a coercividade do material.

Um simples ajuste para idealizar, a respectiva desmagnetização com a frequência principal pode ser observado na figura seguinte:

Figura 38: Circuito para o ajuste da desmagnetização

Ø Influência da frequência

Quando comparada com campos DC, os campos AC, geralmente resultam num incremento do factor de protecção ou blindagem dos materiais metálicos devido ao efeito de correntes parasitas induzidas no material (efeito pelicular ou, também chamado efeito Kelvin). O factor determinante para este efeito é a profundidade de penetração δ.

(7)

Onde:

· f - frequência em Hz

· α - resistividade eléctrica em (Ω.mm²)/m

· δ - profundidade de penetração em mm

Em principio a atenuação da protecção ou blindagem, aumenta quando a profundidade de penetração baixa para menos de metade da espessura da chapa devido ao aumento da frequência. A figura seguinte mostra o factor de protecção ou blindagem S de uma esfera oca com o parâmetro “p” na representação normalizada.

Figura 39: Shielding factor S

Com a ajuda das curvas e dos parâmetros µ_r,δ, d, D_i o factor de protecção ou blindagem pode ser determinado em torno de uma região vasta. Contudo estes valores são apenas aplicáveis a esferas fechadas magneticamente e electricamente ideais.

Ø Influência das aberturas

Em muitos casos, as blindagens devem ser providenciadas com uma grande abertura, por razões técnicas. Para estabilizar a influência desta abertura no factor de protecção total, foram realizadas investigações em tubos cilíndricos ocos.

O campo externo pode penetrar no espaço interior de duas maneiras: ou através da parede ou através das aberturas. O campo através das aberturas baixa exponencialmente com a distância da superfície da abertura. O factor de protecção ou blindagem Sop é definido, como sendo causado pelas duas aberturas e aplicado ao ponto central do tubo. Junto, com o factor de protecção da parede do cilindro Sp de acordo com a fórmula (3) obtemos o factor de protecção So para o caso estático de acordo com:

(8)

Ø Blindagem múltipla

A blindagem múltipla é utilizada para obter altos índices de protecção ou blindagem em materiais pequenos e importantes. A duplicação ou multiplicação a protecção é usada particularmente para salas blindadas por razões económicas. Se a distância entre as “cascas” é suficientemente grande, a blindagem individual é multiplicada uma pela outra.

O factor de blindagem S_D para um cilindro duplo num campo transversal é calculada a partir do factor de blindagem de duas blindagens individuais S₀₁ e S₀₂ como demonstrado a seguir:

Figura 40

(9)

(10)

Onde:

· d₁, d₂ – espessura da blindagem individual de cada parede

· D₁, D₂ – diâmetro individual de cada blindagem

Exemplo:

D₁ = 80 mm; D₂ = 50 mm; d₁ = d₂ = 0.5 mm; µ_r= 25000

Da equação (9) e (10) obtemos

S₀₁ = 156; S₀₂ = 250 e daqui obtemos S_D = 24157.

Nas bordas ou cascas, quando D₁ tende para D₂, o efeito das duas blindagens é apenas somado e a formula fica:

S_D=S₀₁+S₀₂+1 (11)

Neste caso, de acordo com a equação (11), obteremos apenas S_D = 496.

(voltar)

SEPARAÇÃO DOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS

O objectivo desta medida é evitar as interferências em equipamentos sensíveis causados por perturbações na forma conduzida, geradas por outros sistemas ligados à mesma fonte de alimentação.

O princípio é o de criar duas fontes de potência separadas e isoladas por impedâncias, que são elevadas às frequências das perturbações.

Para tal, no dominio das baixas frequências um transformador de isolamento constitui uma protecção contra perturbações na forma conduzida; enquanto que às frequências elevadas um filtro de isolamento elimina as perturbações conduzidas nesta gama de frequências.

As funcionalidades, para as quais os filtros forma concebidos, tocam os seguintes aspectos:

Protecção de equipamento electrónico contra perturbações electromagnéticas conduzidas, que ocorram fora da gama de frequências dos sinais a transmitir (figura 41);
Separação de perturbações electromagnéticas em modo comum dos sinais a transmitir em modo diferencial;
Redução da largura de banda de um sinal em modo diferencial até um valor mínimo necessário.

Figura 41: Prevenção de interferências num receptor

Um filtro é constituído essencialmente a partir da combinação de certos componentes – resistências, indutâncias, capacidades – destacando-se os seguintes tipos de filtros:

filtro passa-baixo: permite passagem de baixas frequências, bloqueando a passagem das altas-frequências;
filtro passa-alto: permite passagem de altas-frequências, bloqueando a passagem das baixas frequências;
filtro passa-banda: permite passagem de frequências numa gama específica, bloqueando a passagem de frequências fora dessa gama.

Uma das aplicações mais frequentes, é a utilização de filtros passa-baixo em linhas de potência das instalações, bloqueando estes filtros as perturbações electromagnéticas de frequência elevada.

Aspectos técnicos mais específicos relacionados com as características dos filtros, e com a sua instalação, poderão ser consultados numa norma a publicar, na qual será apresentada informação relacionada com os critérios de selecção de filtros, e com os testes que devem ser realizados.

Quanto aos transformadores de isolamento, a norma referida anteriormente também irá dedicar um capítulo a estes dispositivos, que deverá ser consultado quando a instalação deste tipo de transformadores se afigura como uma solução plausível, por forma a atenuar as perturbações electromagnéticas conduzidas.

Quando estas medidas são implementadas, o sistema deverá ser suficientemente imune às perturbações electromagnéticas no ambiente para o qual foi concebido. Contudo, esta imunidade pode apenas ser validada recorrendo-se à realização de medidas e testes, que determinem a eficiência das diferentes técnicas de atenuação.

(voltar)

Métodos de Atenuação (Resumo)

Existem numerosas soluções em termos de como devem ser construídos os equipamentos, para que, desse modo, possam providenciar imunidade a baixo custo no combate ás perturbações electromagnéticas. Por precaução devem ser tomadas as seguintes medidas:

Ø desenho cuidado dos circuitos impressos

Ø ligações múltiplas para obter impedâncias baixas

Ø escolha apropriada dos equipamentos electrónicos

Ø escolha e desenho de protecções adequadas

Ø efectuar as ligações à massa, utilizando malhas de terra

Ø não efectuar as ligações à massa por intermédio de condutores flexíveis de ligação (“pigtail”) porque esta ligação origina uma impedância de transferência elevada no ponto de ligação

Ø também, por causa da corrosão, as ligações entre os condutores devem ser soldadas, e não efectuadas por intermédio de pinças metálicas

Ø usar cabos blindados ligados à massa numa ou nas duas extremidades para obter eficiência contra os campos electromagnéticos de baixa frequência, basta ligar a blindagem à terra unicamente numa extremidade. No entanto, essa solução é virtualmente inútil contra as altas-frequências. Para funcionar bem neste caso, a blindagem do cabo deve ser ligada à terra, ou outro ponto de referência em ambas as extremidades. Para maior eficiência, devem existir poucos ou nenhum “rabicho”, e, para frequências acima dos 50 MHz, é essencial uma ligação completa de 360º

Ø usar pares torcidos

Ø para frequências superiores a 10MHz, deve-se utilizar condutores planos em vez dos redondos, pois, para estas frequências os cabos redondos apresentam uma maior impedância

· planos

· redondos

Ø para os armários devemos garantir que os pontos de entrada dos cabos e dos condutores de ligação ao mesmo potencial devem estar próximos uns dos outros, de preferência do mesmo lado do armário, assim evita-se a circulação de correntes à volta do armário

Ø utilizar armários com paredes metálicas e continuas ligadas à massa que funcionarão como PEC - que transporta a principal componente da corrente de perturbação, desviando-a dos cabos da instalação - os cabos deverão ser fixados a essas paredes e com ligações o mais curtas possíveis

Ø os armários devem ter o mínimos de aberturas para o exterior, e, as que tiver, devem ser de reduzidas dimensões

Ø tornar os circuitos de modo comum compactos a fim de apresentarem uma maior imunidade aos campos eléctricos e magnéticos

Ø manter os circuitos de modo comum na proximidade dos elementos ligados à massa

Ø nos sistemas de terra em malha deve-se implantar um sistema de terra paralelo aos cabos que funcionará assim como PEC (que transporta a principal componente da corrente de perturbação, desviando-a dos cabos da instalação)

Ø separar electromagneticamente os circuitos de potência elevada dos de baixa potência

Ø realizar os trajectos em condutas que funcionarão assim como PEC

Ø deve considerar-se as malhas de corrente fechadas para os circuitos de modo comum e diferencial

Ø deve tornar-se os circuitos de modo diferencial compactos, com a finalidade de apresentarem uma maior imunidade aos campos electromagnéticos

Ø deve limitar-se a gama de frequências dos sinais de modo diferencial ao valor mínimo

As escolhas envolvem muitos e diferentes critérios, devendo ser realizadas durante a fase de desenho do projecto para evitar custos adicionais que são sempre elevados para modificações depois do desenho finalizado, ou quando o produto já se encontra no mercado.

A implementação destas medidas preventivas requerem o know-how (saber fazer) que vai muito para além das normas e técnicas de filtragem e blindagem recomendadas para incrementar a imunidade mesmo que a sua eficácia não seja provada.

Ø Placas de circuitos impressos

O desenhador de placas de circuitos impressos deve seguir certas regras.

Começando pela colocação dos componentes, é sempre possível reduzir efeitos de acoplamento relativos à proximidade.

Por exemplo, agrupando todos os elementos que pertencem à mesma categoria do circuito, (digital, analógico, ou circuitos de potência) de acordo com as suas susceptibilidades, reduzindo as interferências.

Cada vez mais, o layout das placas dos circuitos é traçado seguindo uma via (previamente estabelecida pelo layout) que apresenta um efeito dramático na susceptibilidade: o mesmo esquema, implementado de diferentes maneiras pode apresentar valores de amplitude com diferentes níveis de imunidade. Por exemplo, diminuindo a impedância da placa do circuito impresso [minimizando a espessura das ligações (mantendo os limites de segurança)] reduz-se os efeitos da radiação e da sensibilidade (ver figura):

Figura 1: O layout do circuito pode reduzir a susceptibilidade electromagnética

Ø Aparelhos electrónicos

Estão disponíveis vários componentes para providenciarem protecção contra perturbações conduzidas. A escolha por este ou aquele componente é tomada tendo em conta a potência do circuito a proteger (fontes de potência, controlo e monitorização, etc.) e o tipo de perturbação.

Consequentemente, para perturbações de modo comum num circuito de potência, um transformador será utilizado se a perturbação se verificar ás baixas frequências (< 1 KHz) e um filtro se se tratarem de altas frequências.

A tabela seguinte apresenta alguns aparelhos de protecção: Os aparelhos apresentam diferentes características: um filtro não protege contra picos e um protector de picos não protege contra perturbações de frequência.

Figura 2: Lista dos dispositivos de protecção

Ø Protecções/Blindagem ou Shielding

Isolar e proteger equipamentos sensíveis com cabos blindados, fornece protecção contra os campos electromagnéticos. Para ser eficaz, a espessura do cabo blindado, deve ser superior à do núcleo (interior) para as frequências da perturbação encontrada (ver figura):

Figura 3: Efeito de ecrã do metal e gráfico da profundidade do isolamento em função da condutividade

Contra perturbações de alta-frequência ou um campo eléctrico, um verniz ou esmalte pode ser eficiente. Somente um material isolador de alta permeabilidade pode por termo aos campos magnéticos de baixa frequência.

· Profundidade da blindagem em função da condutividade:

· Profundidade da blindagem em função da frequência

Ø Ligações à massa

Quando se trata de ligações à massa, uma boa ligação eléctrica entre diferentes partes do edifício ou estrutura é extremamente importante. As ligações devem ser cuidadosa e correctamente realizadas, por exemplo, protegendo áreas de contacto de qualquer tinta e também, utilizando linhas telefónicos entrelaçadas (para reduzir a impedância ao mínimo).

Ø Cabos

Os cabos blindados são uma extensão dos envelopes conducentes colocados à volta dos sistemas sensíveis. Desta forma, as ligações devem ser o mais curtas possíveis, e, se possível, à volta de todo o perímetro, para maior protecção contra as perturbações de alta-frequência.

Tal como o acoplamento entre um campo magnético e uma estrutura, a teoria que gere as blindagens das linhas telefónicas é muito complexa e muito vasta.

Quando todas as regras de design e construção forem respeitadas, o sistema será suficientemente imune a perturbações electromagnéticas no meio onde será construído.

Contudo esta imunidade, pode ser validada apenas pelas medições actuais que determinam a sua eficácia ou outras técnicas de protecção.

Figura 4: Exemplos de cabos. Para telecomunicações (esquerda) e para a média tensão (direita)

Shenzhen VTdrive Technology Co.,Ltd.

2012年9月4日星期二

Guia de Instalação e Métodos de Atenuação

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