http://www.smar.com/brasil/artigo-tecnico/acoplamento-por-impedancia-comum-e-como-minimizar-seus-efeitos-em-instalacoes-industriais
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 por impedância comum e vale sempre a pena lembrar 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.
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Figura 1 – Vários tipos de acoplamento gerando ruído em instalações industriais
Veremos neste artigo o acoplamento por impedância comum.
Acoplamento por impedância comum ou condutivo
É o acoplamento por transferência de energiaelétrica tendo-se contato físico através de um meio condutor, em contraste com acoplamento indutivo e capacitivo. Pode ser viaum fio, resistor, ou um terminal comum, linha de transmissão, contato com a carcaça, aterramento, etc.
O acoplamento condutivo vai além do espectro de frequências e inclui o DC. A interferência acontece entre as linhas de sinal e o terra. O ruído é provocado pela resistência existente e comum ao sinal e ao retorno.
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Figura 2- Aterramento e impedância comum
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Figura 3 - Aterramento em série resultando em acoplamento condutivo
A ligação à terra em série é muito comum porque é simples e econômica. No entanto, este é o aterramento que proporciona um terra sujo, devido à impedância comum entre os circuitos. Quando vários circuitos compartilham um fio terra, as correntes de um circuito (que flui através da impedância finita da linha de base comum) pode provocar variações na potencial de terra dos demais circuitos. Se as correntes são grandes o suficiente, as variações do potencial de terra podem causar sérias perturbações nas operações de todos os circuitos ligados ao terra comum de sinal.
📷Figura 4 - Impedância comum
Medidas para reduzir o efeito do acoplamento condutivo entre cabos
Separe as alimentações e os retornos de aterramentos;
Este tipo de ruído acoplado existe porque os condutores têm impedância finita. O efeito pode ser eliminado ou minimizado pela quebra loops de terra (se houver) e proporcionando-se retornos ao terra. Veja a figura 5.
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Figura 5 - Aterramento e conexões adequadas, evitando-se o acoplamento condutivo
Minimize caminhos comuns, especialmente de alta corrente, correntes comutadas e sinais com transientes;
Em caminhos comuns use sempre que possível a menor resistência (para altas correntes) e a mais baixa indutância (para alta di/dt’s);
Use planos de baixa impedância para fontes DCs e seus retornos. É comum usar um capacitor de bypass entre a fonte, mantendo as frequências altas em seus circuitos.
Conclusão
Vimos neste artigo vários detalhes sobre os efeitos do acoplamento condutivo 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.
Autor
César Cassiolato
Referência Bibliográfica
Artigos técnicos - César Cassiolato
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
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