Surtos de Corrente: Causa primária de danos em equipamentos

rau · 23 de janeiro de 2009

Surtos de corrente: A Principal Causa de Danos aos Equipamentos Eletrônicos.

Prof. Deepak Divan, Engenheiro Elétrico e da Computação do Instituto de Tecnologia da Geórgia – Atlanta, GA 30332 e Membro do IEEE.

E-mail: [email protected]

Abstrato:

Raios atingem linhas de força de alta tensão frequentemente, mas só causam surtos de alta tensão num raio de 200 metros da área impactada, afetando poucos usuários finais. Dispositivos do tipo TVSS (Supressores de Surtos Transitórios de Tensão) protegem contra estes raros e danosos surtos de tensão. Por outro lado, cada descarga atmosférica numa linha de força, ou outra falha do sistema de força, causam afundamentos de tensão curtos, de duração típica menor do que 6 ciclos, causando impactos em consumidores a mais de 300 Km . Como resultado, afundamentos de tensão ocorrem com mais frequência do que surtos de tensão. No final do afundamento de tensão, a tensão da linha AC abruptamente retorna ao normal, causando um alto surto de corrente, porque o limitador de corrente fica desabilitado. Este surto de corrente que degrada, diminui a confiabilidade e a vida útil do equipamento, tem o potencial de causar mais danos do que uma descarga atmosférica e é a causa principal de danos aos equipamentos em campo. Este documento irá trazer as informações que validarão a ocorrência de correntes de surto freqüentes e destruidoras, e discutirá uma nova forma de se lidar com proteção elétrica.

Introdução:

Grandes fabricantes de equipamentos em campos tão diversos como os da automação industrial, eletrônicos hospitalares e equipamentos eletrônicos domésticos, estão percebendo que de 30% até 50% das falhas em campo, são resultantes de uma causa de raiz singular. Tais falhas em campo ocorrem tipicamente no estágio de entrada da fonte de alimentação e tem sido rotineiramente atribuídos aos “surtos de energia”. A forma primária de proteção contra surtos hoje é o uso de Supressores de Surtos de Tensão Transitórios (TVSS – Transient Voltage Surge Suppression - do inglês) para proteger contra surtos que ocorrem como resultado de um impacto direto de descargas atmosféricas. Apesar da presença maciça de tal proteção, falhas nos equipamentos continuam acontecer, o que sugere que a raiz do problema não foi identificada e tomada as medidas cabíveis. Milhões de unidades de equipamentos elétricos estão operando e continuam a serem criados mundialmente permanecendo vulneráveis a falhas prematuras, causando um “downtime” inesperado e excessivos custos de trocas e acionamento da garantia. Isso aponta a um possível “lacuna” na proteção de equipamentos que precisa ser melhor entendida, a raiz do problema. Este documento analisará as questões relacionadas à falha prematura de equipamentos e sugerir um curso de ações para retificar essa situação.

Há duas questões fundamentais relacionadas com distúrbios elétricos e equipamentos eletrônicos – a proteção do equipamento em si e os processos que permitem continuar com o equipamento operando durante os distúrbios. Este documento está apenas preocupado com a primeira questão – proteção do equipamento, vida útil e confiabilidade. Se manter o funcionamento for algo crítico, uma classe diferente de soluções tais como um Corretor Dinâmico de Afundamentos (DySC) ou um UPS, é necessário. É da crença comum que danos ocorrem quando uma descarga elétrica no sistema de distribuição causa um surto de tensão. A UL1449, que se tornou um padrão adotado maciçamente, especifica que um impulso de 20 micro segundos e 6kV, é o que pode ser medido numa tomada, vindo de um raio atingido diretamente a linha elétrica, e ainda especifica alguns protocolos para testes. Enquanto descargas elétricas atingindo as linhas de alta tensão é algo comum, há pouca evidência para mostrar que estes eventos se traduzem em surtos de tensão destrutivos para um grande número de consumidores – todos tipicamente ligados em baixa tensão. Dado o conteúdo de alta freqüência de um raio, o potencial destrutivo da descarga, deixa claro que danos só podem existir se o raio atingir a linha de força na vizinhança (~200 metros) e arredores do consumidor. Isso é muito raro e não é responsável pela alta incidência de falhas em equipamentos que é observada. Além disso, a filosofia de instalação de protetores anti-surto em cascata, incluindo protetores desde a entrada elétrica, deveria eliminar o potencial de danos – mas não elimina.

Este documento mostra que a causa principal das falhas são surtos de corrente que acontecem no final dos eventos de afundamentos de tensão, e não surtos de tensão, provendo a análise e evidências para dar suporte a essa premissa. Este documento também identifica a necessidade de dados sistemáticos dos equipamentos com relação a susceptibilidade dos mesmos, estatísticas dos distúrbios elétricos que podem causar falhas prematuras e dados sobre as impedâncias série que podem resultar em danosas correntes de surto. Finalmente este documento desenvolve uma justificativa clara para que o padrão UL1449 seja alargado e que se inclua a proteção contra ambos surtos de corrente e tensão.

Modo de falha no estágio de entrada de energia:

Para quase todos os equipamentos eletrônicos, o estágio de retificação na entrada consiste de um retificador e um capacitor. Isso é verdadeiro pra quase todos os equipamentos eletrônicos, incluso eletrônicos controladores de automação, robôs, equipamentos médicos, controladores direcionais e eletrônicos em geral. É de conhecimento comum que as condições de partida podem causar um surto de corrente que pode danificar o retificador, capacitor ou fusíveis. Um limitador de corrente inrush, (NTC ou relé + resistor) são usados para limitar a corrente drenada durante a partida, mas é “contornado” no circuito durante a operação normal. O sistema opera bem durante o suprimento normal de tensão (+/-10%), como mostrado na Fig.1.

Figure 1: Retificador típico mostrando o funcionamento do limitador de corrente inrush durante a partida.

Quando um afundamento de tensão acontece, a corrente drenada vai à zero enquanto o capacitor do barramento DC é descarregado. Para os afundamentos mais comuns (<6 ciclos), o limitador de corrente permanece desativado. Quando a falha é removida, a tensão volta abruptamente ao normal e começa a recarregar a capacitância do barramento DC sem o limitador de corrente inrush no circuito (condição claramente não intencional por parte do projetista do equipamento). Isto então resulta numa alta corrente que flui direto em direção ao equipamento, como mostrado na figura2. Não tem havido nenhuma análise sistemática que documenta as condições nas quais equipamentos podem exceder sua margem de operação segura. O surto de corrente que acontece no final de afundamentos de tensão depende de vários fatores.

- Duração e magnitude do afundamento

- Ângulo de entrada do corte e perfil da tensão de retorno

- A impedância série e corrente de curto-circuito no ponto da carga.

- Indutância do filtro e tipo de limitador de corrente utilizado.

Figura 2: Surto de corrente e o pulso I^2.T ocorrendo no final do evento de afundamento de tensão.

Várias modalidades de falha associadas com surto de corrente precisam ser consideradas. Em particular, vários componentes incluindo diodos retificadores, trilhas do circuito impresso e fusíveis possuem valores nominais de suportabilidade ao I^2.T. A tabela 1 mostra os cálculos para o cenário de pior situação de I^2.T para uma fonte de energia típica, níveis de impedância série, quando operando sob condições nominais, e a duração dos afundamentos de tensão em N ciclos, junto com as especificações máximas para um diodo típico que poderia ser usado em tais circuitos [1]. Como pode ser esperado, margens de segurança adequadas existem em condições nominais (N=0.5). Entretanto, para afundamentos mais longos (N>0.5) o I^2T associado com os surtos de corrente fluindo no final do afundamento de tensão pode exceder dramaticamente as especificações dos diodos.

Tabela : Cálculos de I^2T para um retificador de fase típico.

A figura 3 mostra um calculo mais detalhado do I^2.T do pulso de corrente, em função da impedância série e o ângulo de entrada do corte no final do afundamento de tensão. A questão de se as especificações do diodo são excedidas, depende fortemente do ângulo do corte, um fenômeno aleatório. Isso pode explicar o porquê tem sido difícil obter fortes correlações entre distúrbios elétricos e falha no estágio de entrada. Entretanto, está claro que o estresse I^2.T é provavelmente o mais importante fator limitante para o estágio de entrada da fonte de alimentação. Deve ser observado que resultados similares foram vistos para sistemas trifásicos.

Outra questão importante é o impacto potencial das correntes de surto na vida útil dos semicondutores e capacitores. A corrente de surto fluindo pelo circuito ressonante formado pela indutância da linha e o capacitor do barramento DC, faz com que o capacitor se sobrecarregue, possivelmente resultando em uma condição de sobretensão. Sobretensões repetitivas podem reduzir dramaticamente a vida dos capacitores. Foi também demonstrado que altos surtos de corrente podem causar forças mecânicas nos fios de interligação que são comumente usados dentro dos semicondutores de força, tais como os diodos. Estas forças mecânicas podem fazer com que as interligações se elevem da superfície do chip, levando a altas perdas e potencial falha do dispositivo.

Figura 3: I^2.T no final do afundamento de tensão em função da impedância série e duração do afundamento. O diodo é um de 5ª, com especificação de I^2.T de 150A2 seg.

E finalmente, o dano catastrófico potencial ao equipamento não pode ser ignorado. Atenção significativa está sendo dada a questão do perigo do “flash de arqueamento” [6]. A energia presa na indutância da linha durante correntes de falta é dissipada na zona onde o circuito é fisicamente interrompido. Disjuntores são forçados a absorver a energia associada com o arqueamento. Entretanto, quando um arco é causado por uma falha de um circuito impresso ou um diodo, a liberação é tipicamente inadequada e pode causar um arqueamento continuo, resultando em dano catastrófico ao equipamento e um potencial risco à segurança. Cálculos demonstram que a energia dissipada associada com um surto de corrente pode exceder o de uma descarga atmosférica, mostrando o potencial para danos significativos.

Quão sério é esse problema?

Dados vindos de redes de detecção de descargas atmosféricas da rede de eletricidade publica, confirmam descargas freqüentes nas linhas expostas. [2] Entretanto, descargas elétricas diretas na localidade do consumidor, apesar de ser um evento espetacular, são muito raras com bases estatísticas. Isso sugere que os surtos de tensão que podem causar danos também, raramente ocorrem. Além disso, múltiplas camadas de proteção anti-surto de tensão criam uma proteção razoável aos equipamentos, particularmente em instalações comerciais/industriais.

Dados de anos de monitoramento da qualidade elétrica, mostra que afundamentos de tensão ocorrem mais frequentemente do que surtos de tensão [4,5]. É interessante observar que descargas elétricas na rede elétrica pode de fato causar afundamentos de tensão que podem ser observados há quilômetros da área impactada. É esperado então se ver afundamentos de tensão mais frequentemente do que surtos de tensão. Isso é apoiado pela física da operação da rede elétrica e pelos dados colhidos. A Figura 4 mostra dados de distúrbios elétricos de 100 plantas industriais grandes, gravados num período de um ano. Uma média de 30 eventos/ano são vistos, mesmo nas zonas onde a qualidade da rede elétrica é elevada. A vasta maioria destes distúrbios são de afundamentos de tensão de curta duração (< 10 ciclos) que podem causar surtos de correntes potencialmente danosos. Plantas maiores e prédios com cargas conectadas de 1 a 30mW, tendem a ter barramentos mais grossos e impedâncias série mais baixas, resultando em correntes de surtos mais altas e mais energia presa. Deveria ser observado que a maioria dos consumidores residenciais e comerciais verão uma incidência de afundamentos de tensão ainda mais alta.

Figura 4: Distúrbios elétricos medidos em 100 plantas industriais grandes pelo período de 1 ano (3013 eventos).

A visão tradicional dos afundamentos de tensão tem sido levada em conta à interrupção dos processos e operações, sendo que pouca atenção foi dada aos afundamentos como uma questão de segurança e danos aos equipamentos. Entretanto, baseado em dados e uma avaliação da literatura, é sentido que surtos de corrente ocorridas no final de afundamentos de tensão, são experimentadas centenas de vezes mais frequentemente do que surtos de tensão e são a causa principal de danos. Ainda assim, é virtualmente inexistente proteções contra os potencialmente danosos surtos de corrente, mostrando uma grande lacuna na proteção de equipamentos.

Distúrbios elétricos e zona de operação segura.

Está claro que uma grande fração dos eletrônicos operando em campo hoje está vulnerável a surtos de correntes, e estão completamente desprotegidos dos eventos que ocorrem com freqüência. Entretanto, a maioria dos dados colhidos até hoje são uma anedota e precisam ser validados para aplicações industriais, comerciais e de consumo, através de extensivos estudos. Existem lacunas consideráveis em nosso conhecimento que precisam ser avaliadas através de medições em campo, incluindo:

- Medição da susceptibilidade das fontes de energia sob condições realistas

- Medição de corrente de curto circuito no ponto da carga.

- Medições das estatísticas dos eventos de afundamento de tensão e correlação com os surtos de corrente.

Isto poderá levar à criação de uma nova especificação de zona de operação segura aos distúrbios elétricos (PD-SOA) para equipamentos elétricos, que precisa ser parte integral das especificações do projeto.

À medida que os dados acima são acumulados, a indústria necessita se mover sistematicamente em direção à um padrão que “elevaria a barricada” ao eliminar o mecanismo dominante de falha para todas as classes de equipamentos. A UL1449 provê o protocolo para testes para verificar a conformidade dos equipamentos para surtos de tensão. A abordagem mais pragmática seria revisar o padrão UL1449 para que fosse incluída a proteção contra surtos de tensão e corrente, provendo assim uma classificação de conformidade com a proteção completa, tanto para fabricante de equipamentos, como para seus consumidores.

Conclusões

Este documento identificou um grande mecanismo de falha que se aplica ao longo de virtualmente todas as classes de equipamentos. Enquanto a análise de concentrou em sistemas monofásicos, a conclusão geralmente se aplica de forma igual aos sistemas de entrada trifásicos e aos sistemas com estágios de entrada ativos. Tem sido demonstrado que surtos de corrente que ocorrem no final de freqüentes eventos de afundamento de tensão, pode resultar em estresse nos componentes do estágio de entrada, o qual pode exceder dramaticamente suas especificações. A questão da energia presa e o potencial para danos catastróficos, foram também discutidos. Esta falha tem sido tipicamente atribuída aos surtos de tensão. Entretanto, há poucos dados correlatos às estatísticas de falha em campo e descargas atmosféricas de fato. Por outro lado, dados relacionados aos afundamentos de tensão sugerem que esta questão é real e que a maioria dos equipamentos em campo estão atualmente sem proteção.

Este documento também desenvolveu um argumento claro para a medição dos dados em cima da susceptibilidade típica dos equipamentos, impedância da linha no ponto da carga e estatísticas reais dos afundamentos de tensão/surtos de corrente em localidades industriais, comerciais e residenciais significativas. E finalmente, uma necessidade foi definida para que um novo padrão para proteção completa, possivelmente uma UL1449 revista, definindo-se um padrão de teste que asseguraria aos fabricantes e consumidores, a conformidade do equipamento.

Referencias:

1. A. Bendre, D. Divan, W. Kranz and W. Brumsickle, ‘Equipment Failures Caused by Power

Quality Disturbances’, IEEE IAS Conf Record, 2004.

2. M. McGranaghan, E. Gunther and T. Laughner, “Correlating porque Disturbances with Lightning

Strikes”, Power Quality Magazine, Sept 2002, pp8-13, 67

3. B. Conaster, D. Nastasi and K. Phipps, “Following the Trail of Destruction”, Power Quality

Magazine, Sept 2002, pp 62-66

4. D. Divan, ‘Evaluating Equipment Susceptibility to Current Surges’, EPRI PQA Conference

Presentation, Vancouver, July 2005.

5. Divan, D.; Luckjiff, G.A.; Brumsickle, W.E.; Freeborg, J.; Bhadkamkar, A.; ”A grid

information resource for nationwide real-time power monitoring”; IEEE Transactions on

Industry Applications, Volume: 40, Issue: 2, March-April 2004, Pages:699 – 705

6. D. Doan, G. Gregory, H. Kemp, B. McClung, V. Saporita and C. Wellman, ‘How to Hamper

Hazards’, IEEE IAS Magazine, May/Jun 2005, pp30-39.

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O texto abaixo, do mesmo autor, se parece muito com o de cima, apenas acrescentando algumas informações a mais dos testes realizados. Muitos parágrados são iguais ao primeiro texto.

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Preenchendo a lacuna no campo da proteção anti-surtos.

Por Deepak Divan, Professor do Instituto de Tecnologia da Geórgia, Atlanta e CTO da Innovolt, Atlanta.

Uma nova tecnologia de proteção de circuitos protege equipamentos contra surtos de tensão e os surtos de corrente que seguem os eventos de afundamento (“sag”) de tensão.

Grandes fabricantes de equipamentos em campos tão diversos como, os da automação industrial, eletrônicos hospitalares e equipamentos eletrônicos domésticos, estão percebendo que de 30% até 50% das falhas em campos são resultadas de uma causa de raiz singular. Tais falhas em campo ocorrem tipicamente no estágio de entrada da fonte de alimentação e tem sido rotineiramente atribuídos aos “surtos de energia”. A forma primária de proteção contra surtos hoje é o uso de Supressores de Surtos de Tensão Transitórios (TVSS – Transient Voltage Surge Suppression) para proteger contra surtos que ocorrem do resultado de um impacto direto de descargas atmosféricas.

Apesar da presença maciça de tal proteção, falhas nos equipamentos continuam acontecer, o que sugere que a raiz do problema não foi identificada e tomada as medidas cabíveis. Bilhões de unidades de equipamentos elétricos estão operando e continuam a serem criados mundialmente e permanecem vulneráveis às falhas prematuras, causando um “downtime” inesperado e excessivos custos e acionamentos de garantia do produto. Isso aponta para um possível “lacuna” na proteção de equipamentos, que precisa ser melhor entendida a raiz dessas falhas.

Este artigo analisará as questões relacionadas à falha prematura de equipamentos e propor um novo tipo de dispositivo de proteção contra surtos, um protetor anti-surtos de tensão e corrente (CVSS – Current Voltage Surge Suppressor), para prover completa proteção para equipamentos vulneráveis.

É da crença comum que danos aos equipamentos ocorrem quando um raio atinge a rede elétrica urbana, causando um surto de tensão. O norma UL 1449 especifica um impulso de 20 micro-segundos e 6kV, como representativo da tensão que pode ser injetada por um impacto direto de um raio, e especifica um protocolo para testes.

Enquanto descargas elétricas na rede de alta tensão exposta são comuns, há pouca evidência para mostrar que estes eventos frequentemente se traduzem em surtos de tensão destrutivos no ponto de uso (tomada)

[Fig.1]. Os elementos protetores do circuito que limitam a corrente durante a energização da fonte são contornados durante a operação normal, oferecendo pouca proteção contra eventos de corrente inicial de pico (Inrush Current) causados por eventos de afundamentos (sag) de tensão AC.

da vasta maioria dos consumidores da rede publica de energia. – todos tipicamente conectados em baixa tensão. Por outro lado, devido ao conteúdo de alta freqüência de um surto causado por raios, está claro que o dano pode apenas ocorrer se o raio atingir diretamente as imediações, (~ 200 metros) do consumidor. Isso pode ter conseqüências severas, mas é muito raro e não é responsável pela grande incidência de falha de equipamentos que é observada.

Além disso, a filosofia da instalação de protetores anti-surto em cascata, incluindo proteção na entrada de energia, teoricamente deveria eliminar o potencial de danos aos equipamentos, mais na prática isso não acontece. Isso pode também apontar para um fenômeno desconcertante frequentemente encontrado onde equipamentos conectados próximos de outro danificado não sofrem nenhum dano ou algo parecido. Tentar explicar tais ocorrências tem sido um dos “mistérios” no campo de proteção anti-surtos.

A causa primária para falha de equipamentos pode de fato não ser os surtos de tensão, mas surtos de corrente inrush que ocorre no final dos freqüentes eventos de afundamento de tensão. Vamos olhar a análise e evidência que sustenta essa premissa, tão bem como o comportamento de equipamentos eletrônicos típicos sob condições de afundamento de tensão. Nós observaremos também como estimar a susceptibilidade aos surtos de tensão e corrente.

[Fig.2] – Afundamentos de tensão podem resultar em corrente e tensão excessiva nas fontes de alimentação. Capacitores de filtragem são particularmente sensíveis a surtos de tensão.

Raiz da causa.

Para quase todos os equipamentos eletrônicos, o estágio de retificação na entrada consiste de um retificador e um capacitor. Isso é comum pra quase todos os equipamentos eletrônicos, incluso eletrônicos controladores de processos, robôs, equipamentos médicos, controladores direcionais e eletrônicos em geral. É de conhecimento geral que as condições de partida podem causar um surto de corrente que pode danificar o retificador, capacitor ou fusíveis. Um limitador de corrente inrush, usando um resistor de coeficiente negativo de temperatura (NTC) ou um resistor-relé combinados em série, são comumente usados para limitar a corrente drenada durante a partida, e são “eliminados” do circuito durante a operação normal. (Fig.1).

Qualquer falha grande no sistema de distribuição elétrica resulta normalmente em um afundamento de tensão que pode ser medido a mais de 160 km da localidade da falha. Quando um afundamento de tensão acontece em um barramento da rede publica conectada aos equipamentos eletrônicos, a corrente drenada da linha pelo equipamento vai à zero, enquanto a ponte de diodo altera a direção do fluxo e o barramento DC começa a descarregar-se lentamente. Quando a falha é removida, a tensão da linha retorna abruptamente ao normal e começa a recarregar a capacitância do barramento DC, agora com o limitador de corrente “eliminado” do circuito. Isso então resulta um alto e desprotegido surto de corrente que flui pra dentro do equipamento como mostrado na Fig. 2.

Está claro que os engenheiros do equipamento considerariam que tais surtos de corrente são potencialmente danosos, porque eles usam um limitador de corrente inrush na partida da fonte. Entretanto, o projeto e especificação para a entrada da fonte de alimentação tipicamente não especifica o comportamento durante breve afundamentos de tensão, assumindo quase universalmente que a tensão irá permanecer dentro de uma faixa de +/- 10% do valor nominal ou irá à zero e em algum momento retornará à condição normal de partida.

Pesquisas mostram que o surto de corrente pode colocar estresse em vários componentes da fonte de alimentação. Enquanto os diodos retificadores podem agüentar grandes picos de corrente, pode ser demonstrado que o valor nominal I^2.T de choque térmico do diodo pode ser facilmente excedido em afundamentos de tensão típicos. Esta limitação I^2.T pode fazer com que fusíveis estourem também e circuitos impressos se vaporizem, causando “downtime” e custo de garantia.

Finalmente, um carregamento ressonante entre a indutância da linha e o capacitor, pode fazer com que o valor nominal de surto de tensão do capacitor seja excedido (fig.2). A maioria dos fabricantes de capacitores especifica que esse valor nominal pode ser excedido apenas algumas vezes antes do dano se instalar no capacitor.

Susceptibilidade dos equipamentos.

A premissa de que a vasta maioria dos equipamentos eletrônicos vendidos hoje podem estar desprotegidos e susceptíveis aos danos de distúrbios freqüentes na linha de força, parece injustificável. Para validar o conceito, uma miríade de equipamentos comercialmente disponíveis foram selecionados e testados para se avaliar a susceptibilidade aos surtos de corrente inrush.

A Fig. 3 mostra dados típicos para corrente inrush e I^2.T, medida num monitor LCD Dell 15”, apenas com um protetor anti-surtos – TVSS.

A tensão foi interrompida por uma duração que variou em incrementos de 0.1 ciclo. A amplitude da corrente inrush e o I^2.T do pulso de corrente resultante foram medidos e colocados num gráfico em função da duração do afundamento de tensão. O monitor consome em estado normal, 0,38A rms, mas está sujeito a picos tão alto quanto 40A no final de um evento de afundamento de tensão. O estresse I^2.T pode também ser observado 50 vezes acima do nível normal. As medições foram feitas num laboratório onde as configurações de impedância da origem foram medidas como tendo uma indutância de 100 µH e a resistência de 0.3 à 0.4 Ohms.

Medições similares foram feitas para uma variedade de equipamentos incluindo, TV, equipamentos de automação e impressoras, com quase todos os tipos de equipamentos demonstrando níveis de corrente inrush significativamente mais alta (20 a 50 vezes maior). Alguns cálculos demonstram que a energia dissipada associada com o surto de corrente pode exceder aquela de um surto de tensão associado a uma descarga elétrica, mostrando que o potencial para danos é significante.

[Fig .4] – Além de aplicar estresse nos diodos retificadores, a corrente inrush pode causar ripples de tensão dentro da impedância série da linha AC, aplicando tensão excessiva ao capacitor de filtragem DC.

A fig. 4 demonstra o calculo do estresse I^2.T para diferentes durações de afundamentos de tensão e níveis de impedância série. Observe como o pico de corrente é uma função periódica da duração da duração do afundamento de tensão em relação aos tempos de ciclo da tensão AC entrante. Isso assim se dá porque a tensão AC cruzará o zero duas vezes por ciclo, e o tempo em que a recuperação de tensão ocorre em relação a esses cruzamentos, determina a magnitude do passo de tensão.

As características na Fig. 4 são similares aos dados medidos na Fig 3 e valida a física por de trás da base do fenômeno. Isso também demonstra que os níveis de I^2.T podem, diante das condições certas, exceder dramaticamente os valores do diodo. Isso pode causar o enfraquecimento e eventual destruição do dispositivo.

De modo similar, modos de falha do capacitor podem depender da relação resistência-reatância da impedância série da linha AC, sendo que exposições repetitivas ao valor de surto de tensão nominal, pode resultar em falha prematura do dispositivo. Já que uma fonte de energia DC é parte universal de todos os equipamentos atual e não há especificações normalizadoras ou padrões com relação ao comportamento do equipamento sob afundamentos de tensão, não é de se surpreender que a susceptibilidade a afundamentos de tensão é vista ao longo de todas as categorias de classes de equipamentos – industrial, médico, comercial e de consumo – apontando a ubiqüidade do problema.

[Fig. 5] Este perfil típico de tensão para um distúrbio de energia ocorrendo numa grande zona industrial, mostra um afundamento de tensão seguido por um rápido retorno à condição normal.

Se afundamentos de tensão ocorressem raramente, a discussão acima não seria de grande importância. Por outro lado, se afundamentos de tensão profundos e potencialmente danosos, com suas correntes de surto associadas ocorrem frequentemente, então é importante encontrar uma solução cabível. Dados de qualidade de energia coletados por anos mostram que afundamentos de tensão são causados por todo tipo de falha, incluindo descargas atmosféricas na rede de energia, e ocorrem 100 vezes mais frequentemente do que surtos de tensão.

A fig.5 mostra um perfil típico de distúrbios gravado numa grande zona industrial. O afundamento de tensão é claramente visto com um rápido retorno ao nível normal, uma vez que a falha é eliminada. Dados extensivos confirmam que afundamentos de tensão deste tipo ocorrem de 30 a 100 vezes por ano para todas as categorias de consumidores conectados na planta de energia americana.

Análises posteriores demonstram que 80% de todos os afundamentos são observados com um mínimo 20% a mais de tensão no momento que o afundamento termina. Isto é o suficiente para causa um surto de corrente inrush significativo. Plantas maiores e prédios com cargas de 1mW ou 30mW tendem a ter barramentos bem fortes e baixa impedância série, resultando em maiores surtos de corrente e energia presa.

Deveria ser observado que a maioria dos pequenos consumidores residenciais e de escritórios, verá uma incidência ainda maior de afundamentos de tensão.

Dada a susceptibilidade da maioria dos eletrônicos, à corrente inrush ocorrendo no final do afundamento de tensão, a relativa alta freqüência destes eventos e a inabilidade dos dispositivos TVSS para proteger contra tais surtos de corrente, deixa claro que há uma necessidade de uso do CVSS, o qual tem custo competitivo com os dispositivos TVSS.

Produção dos CVSS:

A Innovolt (Atlanta) atualmente introduziu a primeira patente pendente de um protetor CVSS no mercado. O CVSS protege contra ambos surtos de tensão e de corrente inrush causados por afundamentos de tensão. A função limitadora de corrente de surto depende da percepção do momento em que a condição da tensão AC é provável para que resulte num surto de corrente inrush. Nesse momento, o CVSS limita a corrente máxima permitida até que a tensão tenha retornado às condições nominais. A proteção contra surtos de tensão é provida de acordo com a norma UL1449.

O produto está disponível em dois formatos, “plug-in”, tão bem para instalação com fiação manual (com opção para trilhos DIN), com corrente de até 15A numa rede 120Vac, com novas capacidades à serem lançadas em 2006. O CVSS também tem um gravador de dados internamente para prover um historio dos distúrbios que o mesmo está protegendo. A fig. 6 mostra um gráfico da unidade CVSS “plug-in”.

(Figura 6 na proxima mensagem porque o forum na permite mais de 10 imagens numa msg só)

[Fig.6] O dispositivo CVSS mantém o formato básico comum dos TVSS compactos.

(Figura 7 na proxima mensagem porque o forum na permite mais de 10 imagens numa msg só)

[Fig.7] O monitor LCD operando com a proteção CVSS (curva inferior) passa por menos corrente inrush e níveis de stress I^2.T quando operado com a proteção TVSS convencional.

As unidades CVSS foram testadas com diferentes cargas sob condição normal e anormal de tensão. A fig. 7 mostra a corrente inrush e os níveis I^2.T para um LCD Dell 15” quando funcionando com proteção TVSS convencional (curva superior) e CVSS (curva inferior). O pico de estresse é visivelmente reduzido à níveis seguros, quatro vezes para a corrente e 12 vezes para o I^2.T. Uma curva similar mostrando apenas o pico de corrente de uma TV Sony 32”, é mostrada na fig. 8 usando proteção TVSS (curva superior) e proteção CVSS (curva inferior), mostrando níveis de melhoria similares.

(Figura 8 na proxima mensagem porque o forum na permite mais de 10 imagens numa msg só)

[Fig. 8] – O pico de corrente inrush medid em, uma TV Sony 32” é um exemplo de onde o dispositivo CVSS melhora a proteção em relação um dispositivo TVSS.

Testes adicionais do CVSS, com uma variedade de equipamentos de consumo, de escritório e industrial, confirmou uma dramática redução nos picos de corrente e estresse I^2.T. Virtualmente, não há impacto na operação do equipamento em si. Entretanto, deve ser observado que este produto não é um dispositivo pra manter o equipamento funcionando durante uma falta, como um UPS (“nobreak), já que sua função é limitada à proteção do equipamento. A proteção por CVSS pode agregar valor em aplicações industriais, de consumo, médica e de escritório.

As soluções são simples de usar, sem a necessidade de treinamento. Ao prover proteção completa em um pacote, elimina a questão do que qual problema, surto de tensão ou corrente, é o maior problema para um consumidor específico.

Uma solução pronta.

Enquanto a análise neste documento se foca em sistemas monofásicos, a conclusão geralmente se aplica igualmente à sistemas trifásicos e sistemas com estágios de entrada primário ativos. Foi também demonstrado que os surtos de corrente no final dos frequentes afundamentos de tensão, pode resultar em estresse nos componentes do estágio de entrada, que podem exceder os valores nominais.

No passado, tais falhas foram tipicamente atribuídas a surtos de tensão causados por descargas atmosféricas. Entretanto, há poucos dados para correlacionar as estatísticas de falhas em campo com descargas atmosféricas diretas que de fato ocorreram, ou com surtos de tensão. Por outro lado, dados exaustivos sugerem que a vasta maioria dos equipamentos em campo estão atualmente desprotegidos contra surtos de corrente causados por afundamentos de tensão.

Ao contrário dos TVSS convencionas, os dispositivos CVSS demonstram proteger contra ambos surtos de tensão e corrente, causados pelos afundamentos de tensão, sendo que os de corrente, são distúrbios de energia encontrados mais frequentemente.

Power Electronics Technology | Maio 2006.

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