geração da energia

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Conceitos Básicos sobre Sistemas de Energia e Aterramento em Áudio

Compilado por: Eng. Adriano Luiz Spada Attack do Brasil

Capítulo 1 – Sistemas de Energia

Os sistemas de energia muitas vezes não recebem a merecida atenção, este fato faz com que apareçam muitos problemas no sistema de áudio em função do descaso com a energia que é a base para o bom funcionamento dos equipamentos eletrônicos em geral.

1.1- Geração da Energia Elétrica

A energia elétrica que geramos é uma transformação da energia que está presente na natureza: no calor do sol, nas quedas de água, nos ventos, no calor do vapor, etc., ou seja, já está criada. O fato é que transformamos a energia já existente em outra forma de energia mais adequada a nossa utilização. A partir disto podemos exemplificar algumas formas de transformação:

• Fissão do urânio radioativo obtendo energia elétrica (usinas nucleares);

• Queima do óleo obtendo eletricidade (usinas termoelétricas);

• Energia mecânica das quedas de água transformada em energia elétrica (usinas hidroelétricas). Esta é a forma mais utilizada no Brasil.

As formas citadas anteriormente geram energia elétrica na forma de uma corrente elétrica alternada e trifásica, e com tensão também alternada e trifásica. A freqüência na maior parte dos casos é de 60Hz (ciclos/segundo), porém alguns países ou regiões adotam a freqüência de 50Hz.

A forma de onda gerada é senoidal e possui geralmente tensão eficaz de 127 ou 220 Volts, porém em alguns locais podemos ter variações de valores iguais a 110V, 115V, 120V, 127V, 220V ou 230V.

1.2- Fator de Potência

Quando a energia elétrica é gerada na usina a fase da tensão e da corrente são iguais, ou seja, a tensão e a corrente estão em fase (sobrepostas). Veja a figura 1 que ilustra esta situação.

Figura 1 – Tensão e Corrente em Fase na Geração

Observe na figura 1 que as ondas de tensão e corrente na forma senoidal, geradas na usina, estão em fase. Pois bem, a partir disto cargas conectadas à rede elétrica, principalmente as indutivas, como motores elétricos, fazem com que a onda de corrente se atrase em relação à onda de tensão. Se aplicarmos um certo valor de tensão de corrente contínua em um capacitor, observa-se que o mesmo leva um certo tempo para carregar-se e atingir o máximo valor da tensão entre seus terminais, já a corrente tem altos valores logo no início, decrescendo à medida que o capacitor carrega-se e tornandose nula no final. Este fato nos faz perceber porque a corrente não se encontra em fase com a tensão em um capacitor. No indutor o processo é semelhante, porém, com as propriedades inversas. A figura 2 ilustra esta situação.

Figura 2 – Tensão e Corrente Defasadas

A defasagem entre tensão e corrente pode ser medida através do ângulo “φ”, sendo que o coseno deste ângulo nos fornece o fator de potência, assim:

O fator de potência possui valor igual a um quando a tensão está em fase com a corrente. O valor começa a diminuir de um quando a corrente começa a se atrasar em relação à tensão, e este tenderá a zero se a defasagem chegar aos 90º. Através do triângulo das potências podemos definir a equação para cálculo do fator de potência.

Figura 3 – Triângulo das Potências

O fator de potência pode ser definido como a relação entre a potência ativa e a potência aparente consumida por um equipamento, independentemente da forma de onda apresentada. Porém, os sinais que variam no tempo devem ser periódicos e de mesma freqüência.

i IV dttitV

Para ondas de tensão e corrente senoidais temos:

aparentepotênciakVA ativapotênciakW potênciadefatorFP onde kW kVArarctgkVA kWFPSENO

O que podemos avaliar com o fator de potência é que quanto mais defasadas estiverem a tensão e a corrente, menor será o valor do fator. Com isso, menor valor de potência ativa estaremos utilizando, ou seja, necessitamos uma potência aparente elevada, mas devolvemos boa parte desta em forma de energia reativa. Salientamos que esta situação pode ser crítica em instalações industriais com muitos motores.

1.3- Configurações de Rede Elétrica

Quem já não viu ou escutou o seguinte: rede elétrica em 220V ou 380V. Pois bem, vamos esclarecer o que significa a rede elétrica entregue pela concessionária estar em 220V ou 380V. A situação de 220V ou 380V indica a diferença de potencial que temos entre as fases R, S e T.

1.3.1 - Vivo, Neutro e Terra

O “Vivo” é o condutor que carrega a corrente elétrica até o equipamento, ou seja, é o condutor “carregado”. O Neutro é o condutor que proporciona o “retorno” da corrente elétrica, sendo que este, como o condutor vivo, é fornecido pela concessionária de energia. Na teoria o condutor neutro deve ter potencial elétrico igual a zero volt, porém pelo motivo de desbalanceamento de carga entre as fases este pode apresentar potenciais diferentes de zero. O desbalanceamento entre as fases é ocasionado por setores com necessidade de diferentes quantidades de consumo de potência ligados em um mesmo sistema de distribuição. A diferença de demanda entre os setores pode fazer com que o neutro varie o seu potencial, que chamamos de flutuação.

O condutor terra é aquele que utilizamos para interligar a carcaça e o ponto de terra central do equipamento à haste de terra. Em situações normais não deve possuir corrente elétrica circulante. Quando há corrente circulando no condutor de terra, normalmente trata-se de corrente transitória, que está sendo desviada de uma descarga atmosférica para o terra, por exemplo.

1.3.2- Rede em 220V

Quando a rede elétrica está na configuração de 220V teremos uma diferença de potencial entre fases de 220V (chamada de tensão de linha – configuração em “triângulo”) e entre neutro e fase de 127V (chamada de tensão de fase – configuração em “estrela”). A figura 4 exemplifica esta configuração.

220V 220V 220V

127V 127V127V

Figura 4 – Rede Elétrica em Configuração 220V

rede elétrica possui configuração em 220V ou 380V dependendo da localidade, concessionária, etc

Observe na figura 4 que podemos ter 220V entre fases, constituindo assim uma configuração em triângulo ou podemos ter 127V entre fase e neutro, o que nos fornece a configuração em estrela. A

Uma questão que você deve estar se perguntando agora é a seguinte: se tivermos uma diferença de potencial entre fase e neutro de 127V, por que a diferença de potencial entre fases não é o dobro desta? A resposta é que as fases de um sistema de energia trifásico estão defasadas em 120º, o que faz a diferença de potencial entre duas fases de uma rede elétrica em configuração 127V ser de 220V e não de 254V que seria o dobro de 127V. A figura 5 ajudará a entender melhor esta situação.

Figura 5 – Fases da Rede Trifásica

Observe na figura 5 que as fases possuem uma defasagem de 120º entre elas. Por este motivo quando trabalhamos com a diferença de potencial entre fase e neutro temos 127V (na configuração de rede 220V) e quando trabalhamos com diferença de potencial entre fases temos 220V e não 254V como num primeiro momento seria esperado. Para um sistema trifásico simétrico a relação entre tensão de linha e tensão de fase é dada conforme a figura 6.

60º 30º120º

Figura 6 – Relação entre Tensão de Linha e Tensão de Fase Rede Trifásica Simétrica Analisando a figura 6 temos:

fasedetensãoV linhadetensãoV onde V

As tensões no sistema trifásico são especificadas da seguinte forma:

ouou V

V V LLinhadeTensõesFasedeTensões

Através da equação 3 podemos entender como a tensão de linha tem valor de 220V e não 254V em uma configuração de rede de 220V. Observe:

1.3.3- Rede em 380V

Quando a rede elétrica estiver na configuração de 380V teremos uma diferença de potencial entre fases de 380V (chamada de tensão de linha – configuração em “triângulo”) e entre neutro e fase de 220V (chamada de tensão de fase – configuração em “estrela”). A figura 7 exemplifica esta configuração.

380V 380V 380V

220V 220V220V

Figura 7 – Rede Elétrica em Configuração 380V

Na figura 7 podemos ter tensão de 380V entre fases, constituindo assim uma configuração em triângulo ou podemos ter 220V entre fase e neutro, o que nos fornece a configuração em estrela. Novamente temos a relação de raiz de três entre a tensão de fase e a tensão de linha, pois as fases estão defasadas entre si em 120º. Este fato faz com que as tensões de linha sejam de 380V e não de 440V, que seria o dobro de 220V. Observe:

Em sistemas de áudio temos uma enorme variedade de equipamentos que utilizam energia elétrica em voltagem 110V-127V ou 220V-240V. Dessa maneira, há a necessidade de utilizarmos uma ligação de energia conforme a configuração que estiver a rede elétrica que está sendo fornecida de companhia distribuidora.

1.4.1- Configuração 220V

Como já vimos no item 1.3.2 quando a rede elétrica estiver em configuração de 220V temos diferença de potencial de 220V entre fases e 127V entre fase e neutro. Neste caso para alimentarmos os equipamentos que necessitam de tensão em 110V-127V utilizamos a tensão de fase, ou seja, entre fase e neutro. Para os equipamentos que necessitam tensão em 220V utilizaremos a tensão de linha, de fase para fase. A figura 8 exemplifica esta situação.

N 127V 127V 127V

220V 220V 220V

Figura 8 – Tensões 127V e 220V em Configuração de Rede 220V

Na figura 8 temos as linhas de fase (R, S e T) e a linha de neutro (N), observe que os equipamentos que necessitam de tensão entre 110V e 127V deverão ser ligados entre uma das fases e o neutro (entre R e N, S e N ou T e N). Já os equipamentos que precisam de tensão de 220V devem ser ligados entre as fases (entre R e S, S e T ou T e R).

1.4.2- Configuração 380V

Conforme seção 1.3.3 quando a rede elétrica estiver em configuração de 380V temos diferença de potencial de 380V entre fases e 220V entre fase e neutro. Agora para alimentarmos os equipamentos que necessitam de tensão em 110V-127V há a necessidade de utilizarmos um transformador abaixador de tensão de 220V para 127V, ou seja, seu primário será conectado entre uma das fases e o neutro, e no seu secundário teremos a tensão de 127V. Para os equipamentos que necessitam tensão em 220V utilizaremos a tensão de fase, entre fase e neutro. As tensões de linha, entre fases, as quais proporcionam 380V, não são utilizadas nestes casos (não utilizado principalmente em função do fator de isolamento). A figura 9 exemplifica esta situação.

220V 127V

Figura 9 – Tensões 127V e 220V em Configuração de Rede 380V

Observe na figura 9 que as tensões de fase possuem uma diferença de potencial de 220V, portanto, entre fase e neutro alimentaremos os equipamentos que utilizam tensões de 220V. Os equipamentos que necessitam de alimentação de tensão de 127V utilizarão o transformador abaixador de tensão de 220V para 127V.

É importante também salientar que é muito comum a utilização do transformador abaixador de tensão mesmo quando utilizada a configuração de rede 220V, onde o primário do transformador é conectado entre duas fases. A utilização deste transformador proporciona isolamento elétrico entre a rede e as cargas que serão alimentadas com tensão 110-127V.

1.5- Perda de Neutro

A perda do neutro pode ocorrer por vários motivos, mas podemos dizer que esta perda acontece quando o neutro for interrompido ou deixar de existir no quadro geral de entrada de energia elétrica de uma residência, edifício, indústria, sistema de áudio, etc. Mais freqüentemente, ocorrem maus contatos, os quais provocam interrupção e ligamento da corrente muitas vezes em espaços de tempo muito curtos. Salientamos que ligações mal feitas, por motivo da corrosão com o passar do tempo, podem também proporcionar a perda de neutro.

Em princípio, podemos dizer que a perda do neutro não traz nenhum problema, provocando apenas uma descontinuidade no fornecimento de energia. Porém, em algumas configurações de ligação pode haver problemas indesejados e danosos.

Quando estivermos operando em uma configuração de rede de 220V com um sistema alimentado por duas fases e um neutro, (equipamentos utilizados requerem alimentação de 127V) vamos supor que um equipamento esteja conectado em uma das fases e no neutro e o outro equipamento esteja conectado na outra fase e no neutro. Esta situação é ilustrada na figura 10.

Equipamento 1Equipamento 2

Sem Neutro Ocorre Conexão em 380V Figura 10 – Perda do Neutro

Na figura 10 podemos observar que se houver uma perda do condutor neutro, o equipamento 1 e o equipamento 2 ficarão ligados em série em uma diferença de potencial de 380V, já que estarão conectados entre as fases R e S em configuração 380V. Este fato é que pode trazer grandes danos aos equipamentos, inclusive a queima. Um exemplo mais claro desta situação pode ser dado com dois equipamentos comumente utilizados em sistemas de áudio.

Vamos supor que um processador de efeitos que opera com tensão de 110V até 127V está ligado entre a fase R e o neutro de uma rede elétrica em configuração 220V consumindo uma potência máxima de 50 Watts. Entre a fase S e o neutro está ligada uma console também operando em 127V, mas consumindo uma potência máxima de 1000 Watts. Primeiramente vamos calcular a impedância de cada equipamento a partir da tensão e potência utilizada, sem a preocupação se são cargas indutivas ou capacitivas.

ConsoledaImpedância rProcessadodoImpedância

O esquema correspondente a esta ligação é dado pela figura 1.

Impedância do ProcessadorImpedância da Console Fase RFase S

Neutro 127V 127V

Impedância do ProcessadorImpedância da Console Fase RFase S

Neutro

Figura 1 – Esquema de Exemplo da Perda do Neutro

Através do exemplo ilustrado na figura 1 podemos entender que se houver uma perda do neutro, na console provavelmente não teremos nenhum problema, já que a tensão em cima desta será pequena. No processador o caso é bem mais complicado, pois a tensão em cima deste será de um valor bem mais elevado em relação à tensão que o equipamento pode suportar, este fato pode provocar muitos danos, inclusive a sua queima. Pois bem, devemos então tomar bastante cuidado principalmente quando estivermos trabalhando com uma configuração que utilize o neutro e mais de uma fase, pois este não pode sofrer corte em hipótese alguma, sob pena de grandes danos ao sistema de áudio.

Capítulo 2 – Aterramento em Sistemas de Áudio

O assunto aterramento elétrico se traduz na maioria das vezes em grande número de dúvidas quanto às normas e procedimentos para realização de um sistema de aterramento que funcione de maneira satisfatória. Neste contexto devemos salientar que muitas vezes pelo desconhecimento das técnicas adequadas para a realização do aterramento, em vez de proteção ocorre sim a queima do equipamento e também choques elétricos nos operadores dos mesmos. Para apresentarmos as técnicas básicas de construção de um aterramento devemos primeiramente entender o que é o “terra” e qual a diferença entre terra, neutro e vivo. Claro que o assunto aterramento é muito vasto e várias literaturas podem ser encontradas, porém os aspectos e regras básicas caminham na mesma direção.

2.2- Principais Funções do Aterramento

• Proteger o usuário do equipamento das descargas atmosféricas ou provenientes de falha de componentes, viabilizando um caminho alternativo para conduzir tais energias a terra;

• Promover a descarga de energias estáticas acumuladas nas carcaças dos equipamentos para a terra.

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