César Cassiolato (*)

 

Muitas vezes, a confiabilidade de um sistema de controle é colocada em risco devido às suas más instalações. Comumente, os usuários fazem vista grossa e, em análises mais criteriosas, aparecem 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 isso, o comprometimento com a confiabilidade e segurança operacional e pessoal em uma planta.

 

Este breve artigo provê dicas para a minimização do efeito de acoplamento capacitivo e vale sempre a pena lembrar das regulamentações locais, e em caso de dúvida, elas 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, estações etc.

 

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

 

A figura 1 nos mostra vários tipos de acoplamento gerando ruído em instalações industriais:

 

Figura 1 – Vários tipos de acoplamento gerando ruído em instalações industriais

 

Os sinais podem variar basicamente devido a:

• Flutuação de tensão;
• Harmônicas de corrente;
• RF conduzidas e radiadas;
• Transitórios (condução ou radiação);
• Campos eletrostáticos;
• Campos magnéticos;
• Reflexões;
• Crosstalk;
• Atenuações;
• Jitter (ruído de fase).

 

As principais fontes de interferências são: 

• Acoplamento capacitivo (interação de campos elétricos entre condutores);
• Acoplamento indutivo (acompanhado de um campo magnético. O nível de perturbação depende das variações de corrente (di /dt) e da indutância de acoplamento mútuo);
• Condução através de impedância comum (aterramento): ocorre quando as correntes de duas áreas diferentes passam por uma mesma impedância. Por exemplo, o caminho de aterramento comum de dois sistemas.

 

Acoplamento Indutivo

O “cabo perturbador” e o “cabo vítima” são acompanhados de um campo magnético (veja figura 2). O nível de perturbação depende das variações de corrente (di /dt) e da indutância de acoplamento mútuo.

 

Figura 2 – Acoplamento indutivo: representação física e circuito equivalente

 

O acoplamento indutivo aumenta com:

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

 

A impedância de carga do cabo ou circuito perturbador.

 

Figura 3 – Acoplamento indutivo entre condutores

 

Medidas para reduzir o efeito do acoplamento indutivo entre cabos

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

 

Figura 4 – Acoplamento indutivo entre cabo e campo

 

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

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

 

Figura 5 – Acoplamento indutivo entre cabo e loop de terra

 

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

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

 

 

Figura 6 – Interferência entre cabos: campos magnéticos através do acoplamento indutivo entre cabos induzem transientes (pickups eletromagnéticos) de corrente

 

As interferências eletromagnéticas podem ser reduzidas:

1. Cabo trançado;
2. Isolação ótica;
3. Pelo uso de canaletas e bandejamentos metálicos aterrados.

 

Figura 7 – Indutância mútua entre dois condutores

 

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

  

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

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

 

Rt = -20 log{(1/( 2nl +1 ))*[1+2nlsen( ?/n?)]} dB, onde n é o número de voltas/m e l é o comprimento total do cabo. Veja figuras 8 e 9.

 

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

 

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

 

Figura 8– Efeito de acoplamento indutivo em cabos paralelos

 

Figura 9 – Minimização do efeito de acoplamento indutivo em cabos trançados

 

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

 

O uso da blindagem em acoplamento indutivo

A blindagem magnética pode ser aplicada tanto para fonte de ruído ou circuito de sinal para minimizar o acoplamento.

 

Blindar campos magnéticos de baixa frequência não é tão fácil como blindar campos elétricos. A eficácia da blindagem magnética depende do tipo de material e sua permeabilidade, a sua espessura e as frequências envolvidas.

 

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

 

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

A perda de absorção com o uso de cobre e de aço para duas espessuras é mostrada na figura 10.

 

Figura 10 – Perda de absorção com o uso de cobre e de aço

 

As blindagens magnéticas desses metais são bastante ineficientes em baixas frequências.

 

Proteção com o uso de canaletas metálicas

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

Figura 11 – Proteção de transientes com o uso de canaletas metálicas

 

Conclusão

Vimos nesse artigo vários detalhes sobre os efeitos do acoplamento indutivo e como minimizá-los.

 

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, em que 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).

 

Sempre que possível, consulte as regulamentações físicas, assim como as práticas de segurança de cada área.

 

Referência bibliográfica

• Artigos técnicos – César Cassiolato
• Pesquisas na internet (todas as ilustrações, marcas e produtos usados aqui pertencem aos seus respectivos proprietários, assim como qualquer outra forma de propriedade intelectual).

 

(*) César Cassiolato é presidente & CEO da Vivace Process Instruments