Fonte capacitiva
O que é uma fonte capacitiva?
Fonte capacitiva é um dispositivo eletrônico que armazena a energia elétrica em um banco de capacitores. Ela é ligada em uma fonte de alimentação alternada (CA) ou contínua (CC). Normalmente ela é usada no circuito de trip capacitivo, fornecendo energia para a bobina de abertura do disjuntor.
Tem crescido o uso de fonte capacitiva na alimentação de relés de proteção ao invés de nobreaks. Fornecendo energia para o mesmo durante alguns segundos.
Quais os tipos de fonte capacitiva?
Basicamente existem dois tipos de fontes capacitivas: Fontes capacitivas para alimentação de bobina (TRIP) e Fontes capacitivas para alimentação de relé.
Quais as diferenças?
A fonte capacitiva para alimentação de bobina, quando alimentada, seu circuito apenas mantém o banco de capacitores “carregados”. Quando deligada fornece energia em um curto período (apenas alguns milissegundos) apenas para alimentar a bobina.
A fonte capacitiva para alimentação de relé, quando alimentada, seu circuito além de manter o banco de capacitores “carregados”, também fornece energia para o relé de proteção. Quando desligada fornece energia em um período curto (apenas alguns segundos) apenas para alimentar o relé de proteção. Neste caso pode ser utilizado um nobreak ao invés da fonte capacitiva podendo fornecer energia por longo período de tempo (algumas horas dependendo da carga).
Alimentação das fontes capacitivas
As fontes capacitivas podem ser alimentadas com tensões DC ou AC. Quando alimentada em AC podemos ter a tensão de saída diferente da tensão de entrada.
Neste caso um transformador é utilizado com tensão de entrada de acordo com a alimentação e a tensão de saída sendo igual a tensão de saída DC dividido pela raiz de 2. ou seja:
Após o transformador, um(s) diodo(s) é(são) utilizado(s) para auxiliar na conversão da tensão AC em DC junto com os capacitores.
Qual a diferença entre nobreak e fonte capacitiva?
Basicamente, a fonte capacitiva armazena a energia em um banco de capacitores e o nobreak em um banco de baterias. Cada um possui suas vantagens e desvantagens.
O nobreak pode fornecer energia por uma longa duração (dependendo da carga, algumas horas), por outro lado é mais suscetível a falhas. A fonte capacitiva fornece energia por curta duração (dependendo da carga, alguns segundos), por outro lado é menos suscetível a falhas.
Existem outras vantagens e desvantagens, cabe ao usuário escolher qual a melhor opção.
O que é o processo de TRIP?
O processo de TRIP é o processo de abertura do disjuntor. Nesse processo um pulso de tensão é fornecido para a bobina de abertura. Esse pulso tem duração de alguns milissegundos.
Funcionamento da fonte capacitiva para alimentação de bobina?
Antes de dimensionarmos uma fonte capacitiva, primeiro devemos entender o seu funcionamento.
O seu circuito elétrico simplificado é o da seguinte figura:
Figura 1 – Circuito simplificado de funcionamento de uma fonte capacitiva
Onde:
V é a fonte de alimentação ou energia;
CH1 é o disjuntor de alimentação da fonte;
RS é o resistor limitador de corrente;
C é o banco de capacitores (representado apenas por um capacitor);
CH2 é o contato NA do relé que irá fazer a função de TRIP;
RB é a resistência ôhmica (do fio) da bobina de abertura.
Muita confusão é feita sobre RB. RB é a resistência ôhmica da bobina, ou seja do fio e não XL, porque estamos trabalhando com tensão DC. Essa resistência pode ser medida com um simples multímetro.
Neste exemplo para simplificar, estamos utilizando uma fonte DC e sem o diodo contra inversão de polaridade que fica dentro da fonte capacitiva.
Seu funcionamento ocorre em duas etapas:
Quando ligada:
No instante que a fonte capacitiva é ligada ou energizada, o capacitor se estiver totalmente descarregado, se comporta como um curto circuito. A corrente deve ser limitada através de um resistor, neste exemplo o resistor limitador é o RS.
Figura 2 – Fonte capacitiva quando ligada
Graficamente, a corrente Ic (corrente no capacitor) e a tensão Vc (tensão no capacitor) se comportam da seguinte forma:
Figura 3 – Corrente no capacitor
Figura 4 – Tensão no capacitor
Curiosidade: Teoricamente, a tensão no capacitor Vc nunca será igual a V.
O resistor RS normalmente é incorporado dentro da fonte capacitiva.
Duas considerações devemos fazer:
1 – Se o resistor RS for “grande”, a fonte capacitiva demorará para carregar totalmente, por outro lado, teremos uma corrente de “carga” nos capacitores muito pequena aumentando sua vida útil. Um problema sério que pode ocorrer, é que se durante a carga houver a necessidade de um processo de TRIP. A energia armazenada no capacitor pode não ser suficiente para alimentar a bobina de abertura do disjuntor;
2 – Se o resistor RS for “pequeno”, a fonte capacitiva carregará rapidamente, por outro lado, teremos uma corrente de “carga” nos capacitores muito alta diminuindo a longo prazo sua vida útil e gerando uma subtensão na alimentação do painel, podendo ser prejudicial no funcionamento de algum dispositivo;
Geralmente esse resistor é dimensionado para que ocorra a carga os capacitores em alguns segundos.
Normalmente, nessa primeira etapa, quem tem que se preocupar é o fabricante.
Quando desligada:
No instante em que a fonte de alimentação é desligada e os contatos do relé que está fazendo a função de TRIP é fechado, a energia armazenada nos capacitores é fornecida para a bobina de abertura de acordo com a figura a seguir:
Figura 5 – Fonte capacitiva quando desligada
Graficamente, a corrente Ic (corrente no capacitor) e a tensão Vc (tensão no capacitor) se comportam da seguinte forma:
Figura 6 – Corrente no capacitor
Figura 7 – Tensão no capacitor
Nessa última analise é que teremos uma atenção mais detalhada.
Como dimensionar uma fonte capacitiva?
A equação no momento da descarga do capacitor é:
Onde:
Queremos isolar a variável “C” que é o valor ideal do capacitor, substituindo a equação (2) na equação (1) e isolando “C” temos:
Substituindo t por ∆t por que é um pulso temos:
Onde:
C é o valor do banco de capacitores;
RB é a resistência ôhmica da bobina;
Vc é a tensão no capacitor após o pulso de disparo (TRIP);
V é a tensão inicial no capacitor (tensão de alimentação da fonte);
∆t é o tempo ou duração do pulso de disparo (TRIP).
Normalmente, alguns fabricantes utilizam a tensão Vc como sendo a metade da tensão V após o pulso de disparo e t (duração do pulso de disparo) normalmente entre 10 à 20ms.
A resistência da bobina RB normalmente é definida em laboratório onde os projetistas decidem em qual tensão desejam trabalhar. O próximo passo é enrolar uma bobina até achar o valor ôhmico ideal que consiga abrir o disjuntor para um dado pulso de duração estipulada pelos mesmos.
Na verdade, o que se procura é achar uma bobina que forneça a força magnética necessária para atrair um pino magnético que irá liberar a energia mecânica armazenada em uma mola realizando o processo de abertura do disjuntor.
Exemplo de cálculo do banco de capacitores para a fonte operando como TRIP:
Suponhamos que desejamos realizar o processo de TRIP em um disjuntor com as seguintes características:
V = 125V (tensão da bobina)
Vc = 62,5V (tensão da bobina após o pulso)
RB = 33Ω (resistência da bobina)
∆t =10ms (duração do pulso de TRIP)
Qual o valor necessário do banco de capacitores a realização do processo de TRIP?
Solução:
Para resolvermos, utilizaremos a seguinte equação:
Substituindo valores:
O valor comercial mais próximo é 470µF. Como a tensão de trabalho é 125V o valor comercial mais próximo é de 200V.
Logo, o capacitor ideal é um de 470µF x 200V.
Lembrando que esse artigo é teórico e não leva em considerações outros fatores que podem influenciar no processo de TRIP.
O ideal seria colocar essa fonte capacitiva e realizar os testes necessários. Caso não ocorra o processo da maneira adequada, alterar alguma das grandezas envolvidas até achar o valor de capacitância ideal.
Dados mínimos necessários para a compra da fonte capacitiva
Para efetuar a compra da fonte capacitiva, basta fornecer ao fabricante os seguintes dados:
- tensão de alimentação AC ou DC de entrada;
- tensão DC de saída;
- valor do banco de capacitores;
Dimensionamento de fonte capacitiva para relé de proteção
A análise para a fonte capacitiva para relé de proteção é um pouco diferente da feita para a bobina de disjuntor.
A primeira diferença em seu funcionamento é que enquanto a fonte capacitiva está sendo energizada, além de manter os capacitores carregados também fornece energia para o relé de proteção.
A segunda diferença se diz respeito ao “tipo de carga” que ela está alimentando. Na fonte capacitiva para bobina de disjuntor, sua resistência é fixa independente da tensão. Logo a equação (4) não poderá ser utilizada.
O relé de proteção possui uma fonte do tipo “chaveada” que mantém a tensão de saída (tensão para alimentar o circuito do relé) constante independente da tensão de entrada. E seu consumo é praticamente fixo. Por causa dessa característica não podemos utilizar a equação (4) para o calculo do banco capacitivo porque a resistência de entrada do relé varia em função da tensão de entrada.
A análise ideal é através na energia armazenada no capacitor.
Normalmente, a fonte capacitiva para alimentar relé de proteção estará fornecendo uma energia para o relé em uma determinada tensão. Quando a alimentação da fonte acaba, os capacitores manterão o relé ligado por um tempo ou seja, até atingir a tensão mínima de funcionamento.
Através dessas duas informações podemos chegar as seguintes equações:
1 - Energia inicial nos capacitores antes da falta de energia da fonte de alimentação:
Onde:
Ei é a energia inicial
C é o valor do bando de capacitores
Ui é a tensão inicial
2 - Energia final nos capacitores antes do desligamento total do relé:
Onde:
Ef é a energia final
C é o valor do bando de capacitores
Uf é a tensão final
A energia que foi consumida pelo relé durante esse intervalo pode ser calculada pela seguinte equação:
Como:
Substituindo a equação (6) na equação (5) temos:
Isolando a capacitância temos:
Onde:
C é o valor do bando de capacitores;
P é a potência do relé;
∆t é o tempo em que deseja-se manter o relé ligado;
Ui é a tensão inicial ou tensão de saída da fonte capacitiva;
Uf é a tensão final ou tensão mínima de funcionamento do relé.
É muito importante nesse caso saber a potência de funcionamento do relé. Principalmente se a fonte capacitiva estiver sendo alimentada com tensão AC afim de dimensionar corretamente o transformador de alimentação.
Exemplo de cálculo do banco de capacitores para a fonte alimentando relé de proteção:
Suponhamos que desejamos alimentar um relé de proteção com as seguintes características:
Tensão de alimentação: 206V
Tensão mínima de funcionamento: 72V
Potência de alimentação: 2W
Tempo de funcionamento após o desligamento da fonte capacitiva: 18,5s
Solução:
Basta utilizarmos diretamente a equação (8):
Dados mínimos necessários para a compra da fonte capacitiva com saída para alimentação do relé de proteção
Para efetuar a compra da fonte capacitiva, basta fornecer ao fabricante os seguintes dados:
- tensão de alimentação AC ou DC de entrada;
- tensão DC de saída;
- valor do banco de capacitores;
- potência do relé de proteção;