Neste artigo mostramos como funcionam os indicadores de sequência de fases e apresentamos sugestões para quem quiser economizar, montando o seu próprio aparelho.
A verificação necessária na instalação e manutenção ou modificações em redes de suprimento realizadas na ligação de vários tipos de equipamentos, em especial, dos motores de indução trifásicos) o tipo mais utilizado nas indústrias. Na verificação da sequência de fases é preciso determinar a ordem em que ocorrem os máximos, ou os "zeros", das tensões nas três fases.
Por se tratar de eventos que se repetem a intervalos de alguns milésimos de segundo, esta tarefa não pode ser realizada com multímetros normais ou lâmpadas de prova, testadores de tensão, etc., sendo necessário usar aparelhos especiais.
O que é "sequência de fases"?
A figura 1 a mostra o gráfico das três tensões de um suprimento de energia trifásico.
As fases foram identificadas com as letras A (preta), B (vermelha) e C (azul). Observando a variação da amplitude das tensões ao longo do tempo, vemos que após a fase A atingir o seu valor máximo, a vez seguinte é a da fase B, e somente depois a da fase C. Esta é a "sequência de fases" normal.
No caso de uma inversão acidental de dois dos condutores do suprimento, por exemplo das fases B e C, o equipamento alimentado "verá" uma sequência de fases diferente (figura 1 b). Observe que agora o valor máximo de tensão ocorre primeiro na fase A, depois na fase C, e somente depois na fase B. Diz-se que houve uma "inversão da sequência de fases" em relação ao caso anterior.
A sequência de fases e o sentido de rotação do motor de indução trifásico
Atualmente, mais de 95% de todos os motores elétricos usados em aplicações industriais são do tipo indução, trifásico. (Figura 2) O motivo desta preferência reside na sua construção simples e robusta, o que se traduz em grande durabilidade, custo inicial menor e exigências de manutenção bem modestas em comparação com outros tipos de motores.
Um fato importante é que, devido à disposição sequencial dos enrolamentos das três fases no estator deste tipo de motor, o sentido de rotação do campo magnético girante e, portanto, do motor, depende da sequência de fases da tensão aplicada.
Verificação da sequência de fases
Pelo motivo exposto anteriormente, a ligação de motores de indução trifásicos deve ser feita respeitando a sequência correta. Além de motores de indução, a verificação da sequência de fases é também necessária na instalação. Por isso, o pessoal de instalação e vários outros equipamentos como, por exemplo, geradores de emergência, medidores trifásicos de kW e kWh, medidores de fator de potência, etc.
Uma inversão acidental de dois fios numa rede trifásica industrial, poderia provocar a inversão do sentido de rotação dos motores de um setor inteiro de uma fábrica. Isto naturalmente é indesejável, pois além de impedir o funcionamento correto das máquinas acionadas, poderia causar danos ou provocar acidentes.
Assim, a verificação também é necessária em qualquer serviço de instalação, manutenção ou modificações em redes de suprimento de energia industriais de 60 Hz, o intervalo de tempo entre a ocorrência dos máximos ou dos "zeros" das três tensões, é de apenas 5,5 milissegundos.
Portanto, seria totalmente impraticável tentar determinar a sequência de fases com dispositivos como lâmpadas de prova ou com multímetros comuns. Por isso, o pessoal de instalação e manutenção costuma carregar, além do multímetro e das ferramentas normais, um indicador de sequência de fases”
Os tipos mais comuns de indicadores comerciais
Entre os indicadores disponíveis comercialmente podem ser destacados quatro tipos básicos: O primeiro (figura 3a) é um tipo especial de motor trifásico, em miniatura, com um disco de alumínio que gira em baixa rotação.
O disco possui marcas, cujo movimento pode ser observado através de uma janelinha. O sentido de rotação do disco indica se a sequência de fases é a correta ou invertida.
O segundo tipo de indicador é dotado de um circuito eletrônico lógico, que varia dependendo do fabricante, e indica a sequência de fases através de LEDs ou de um mostrador LCD (figura 3b).
O terceiro tipo é o indicador "sem fios", mostrado na figura 3c. Para fazer o teste, basta encostá-lo sequencialmente nos condutores (mesmo cobertos de isolamento) e observar o acendimento e as cores dos LEDs. Um sinal sonoro toca, indicando que a sequência é correta. Este aparelho acumula muitas vantagens, mas, em contrapartida, o seu manejo exige uma certa habilidade do operador.
Ao encostá-lo sequencialmente nas três fases, é necessário observa atentamente, e guardar de memória, a ordem de acendimento dos LEDs coloridos, pois estes só acendem um de cada vez. Além disto, existe um limite de tempo de 5 segundos que não deve ser ultrapassado no deslocamento do aparelho de uma fase para outra.
Finalmente, o quarto tipo é o chamado "neutro flutuante", dotado de duas lâmpadas (figura 3 d). Dependendo de qual das duas lâmpadas acende, o aparelho indica se a sequência de fases é correta ou invertida. Este tipo de indicador, pela sua simplicidade e número reduzido de componentes, presta-se bem para uma montagem “caseira”
Como funciona o indicador tipo “neutro flutuante”
Este nome provém do fato do indicador ser baseado num circuito ligado em "estrela" ou "Y" com neutro flutuante ("flutuante" significa que o neutro, ou o centro do "Y", não é ligado a nada. A figura 4 exibe o diagrama elétrico e o diagrama de fasores de um indicador deste tipo.
Um dos braços do "Y" é composto por uma reatância, que poderia ser um indutor, mas, na maioria das vezes usa-se um capacitor (menor, mais leve e muito mais barato). Os outros dois braços são puramente resistivos, frequentemente formados por lâmpadas incandescentes.
A presença do elemento reativo em apenas um dos braços do "Y" causa um deslocamento do neutro flutuante, numa direção que depende da sequência de fases da tensão aplicada. O diagrama de fasores desta figura mostra que nestas condições uma das lâmpadas fica sujeita a uma tensão bem maior que a outra e, portanto, apresenta um brilho muito maior.
Dependendo de qual das duas lâmpadas acende ou brilha mais, o aparelho indica se a sequência de fases é correta ou invertida. Alguns indicadores em vez de lâmpadas incandescentes usam lâmpadas néon, ou LEDs em série com resistores.
Montagem própria
Os modelos mais "profissionais" de indicadores de sequência de fases podem ter um preço relativamente elevado. Por exemplo, um modelo tipo motor trifásico miniatura, como o mostrado na figura 3a, está sendo oferecido em promoção, "de US$ 360,00 por US$ 309,00" (cerca de R$ 750,00 ao câmbio da época em que o artigo foi escrito).
E um modelo igual ao mostrado na figura 3b tem o preço de tabela de 274,95 dólares, ou cerca de R$669,00. É claro que, procurando, é possível encontrar modelos bem mais em conta (figura 3d). No entanto, se o leitor quiser ter a satisfação de montar o seu próprio aparelho, poderá fazê-lo sem grandes dificuldades e gastando muito menos, conforme será visto a seguir.
O modelo básico tipo "Pé de Boi"
Este é um tipo de indicador bem simples e barato, que costuma ser improvisado por eletricistas experientes, usando apenas duas lâmpadas incandescentes e um capacitor, montados numa pequena tábua de madeira.
A figura 5 ilustra uma montagem deste tipo. As lâmpadas são de 220 V, 15 W e o capacitor de 1 microfarad/ 400 V. Este indicador improvisado pode não ter o "apelo estético" dos aparelhos comerciais, mas o importante é que funciona perfeitamente! Da meia dúzia de componentes utilizados na montagem, nenhum ultrapassou o valor de R$ 3,00.
O aparelho mostrado é próprio para uso em redes com tensão de 220 V entre fases. Para outras tensões, o leitor poderá determinar o valor dos componentes conforme explicado a seguir.
Como calcular os valores dos componentes?
As lâmpadas incandescentes são escolhidas de modo que a sua tensão nominal seja igual ou pouco maior que a tensão entre fases da rede a ser testada. Para as tensões maiores é possível ligar em série duas ou mais lâmpadas, de mesma potência (watts) e mesma tensão. (Por exemplo, 2 x 220 = 440 V ou 3 x 127 = 381 V).
Para que o indicador funcione corretamente é necessário que a reatância capacitiva Xc do capacitor, em ohms, seja igual ou próxima da resistência R, em ohms, dos braços resistivos do "Y". Portanto, o primeiro passo consiste em determinar a resistência das lâmpadas.
A resistência de uma lâmpada incandescente não é linear, mudando muito com a temperatura do filamento. Assim a resistência da lâmpada “a quente” (i.e. nas condições de operação nominais) pode ser até dez vezes maior que a resistência “a frio”, medida com um multímetro. Por isto, em vez de medir, o que se faz é determinar a resistência nominal da lâmpada através de um simples cálculo:
ER = E2/P
Onde E é a tensão nominal e P a potência nominal da lâmpada em watts. Uma vez determinado o valor de R e, portanto, de Xc (que deve ter valor igual, em ohms), a capacitância C pode ser calculada pela equação
C = 1.000.000 / (2 π f X c)
Onde f é a frequência da rede em Hz e Xc é a reatância capacitiva em ohms.
O milhão no numerador serve para incandescente não é linear, que o resultado seja expresso direta-mudando muito com a mente em mIcrofarads. Para uma frequência de rede de 60 Hz, a equação acima pode ainda ser simplificada para
C = 2652 / Xc
Onde o valor de C também é dado em mIcrofarads. Para os nossos leitores europeus e os vizinhos sul-americanos, que utilizam a frequência de 50 Hz, a equação correta é
C = 3183 / Xc
A tensão de trabalho do capacitor deve ser determinada levando em conta não a tensão eficaz (“RMS”), mas sim a tensão máxima (ERMS√2).
A rigor, o cálculo mostrado acima vale apenas para resistores lineares (i.e. cujo valor não varia com a tensão aplicada). Vimos que as lâmpadas incandescentes exibem um comportamento não linear.
Uma vez que no indicador de sequência de fases tipo neutro flutuante as lâmpadas ficam sujeitas a tensões que sofrem desvios em relação a nominal, a sua resistência também vai diferir da nominal. Um cálculo exato seria extremamente complexo.
Admitir que a resistência é linear é uma hipótese simplificadora que normalmente resulta em valores de capacitância adequados. Se necessário, o circuito, pode ser otimizado, realizando experimentalmente um "ajuste fino" do valor de C.
O modelo "de luxo"
A foto de entrada deste artigo mostra o aspecto externo do nosso protótipo. Neste aparelho, foi acrescentada a função de verificação da presença das três fases. Além disto, as lâmpadas incandescentes foram substituídas por lâmpadas néon, tornando o conjunto menos frágil e mais compacto.
As lâmpadas néon permanecem totalmente apagadas em tensões inferiores a um certo valor e acendem subitamente quando a tensão aplicada ultrapassa este limite, geralmente da ordem de 60 V
Aproveitando esta propriedade, foram adotados divisores de tensão resistivos com valores escolhidos para que, durante o teste, apenas uma das lâmpadas acenda, permanecendo a outra totalmente apagada. (Em comparação, nos indicadores que usam lâmpadas incandescentes ou mesmo LEDs, ambas acendem, e o operador deve observar qual das duas brilham mais).
A figura 6 exibe o esquema elétrico deste indicador, em versão para tensão de 220 V entre fases. Utilizamos dois capacitores de 22 nF/ 400 V em série (resultando em 11 nF) como segurança contra sobretensões.
Se a perna do "Y" que contém o capacitor for designada como fase então a lâmpada correspondente à perna da fase "B' acenderá para uma sequência de fases A-B-C.
Verificação da presença das três fases
Antes de se fazer o teste de sequência é de praxe confirmar que todas as três fases estão presentes. Para poupar ao operador o trabalho de fazer esta verificação com multímetro ou lâmpada de teste, no nosso protótipo foram incluídas três lâmpadas neon adicionais que servem para confirmar a presença das três fases ou, eventualmente, identificar a fase faltante.
A chave DPDT S1 seleciona as funções de presença de fases e sequência de fases
Dicas de montagem
O "pulo do gato" nesta montagem consiste em utilizar conjuntos "olho de boi" néon comerciais que, além de muito baratos, já vêm prontos com o suporte, porca fixadora, lente, lâmpada néon e o respectivo resistor-série.
Isso facilita muito a montagem. O uso de uma caixa pré-fabricada, própria para montagens eletrônicas, dará um aspecto mais "profissional" ao conjunto. (Ver figura de entrada deste artigo). Os fios de ligação devem ser, de preferência, de três cores diferentes para facilitar a identificação das fases, ou as garras devem ter identificação bem visível, por exemplo A, B e C.
Eventuais ajustes
Os "olhos de boi" comerciais costumam vir com os resistores-série de valores bastante diversos (encontramos valores desde 150k ohms até 200 k ohms). Além disto, as lâmpadas neon têm tensões de acendimento que podem variar um pouco de uma para outra.
Os valores dos resistores externos (R1 a R4) usados no nosso protótipo foram escolhidos de modo a acomodar estas variações. Caso o leitor, mesmo assim, encontre alguma dificuldade no acendimento das lâmpadas indicadoras, deverá mexer experimentalmente nos valores destes resistores (começando por R3 e R4), até conseguir uma tensão de cerca de 30 V sobre a lâmpada apagada e cerca de 30 V sobre a lâmpada apagada e cerca de 90 V sobre a lâmpada acesa.
É aconselhável medir estas tensões usando um voltímetro de alta resistência interna. Um multímetro digital com resistência de entrada de 10 M ohms, será satisfatório.
Procedimento de teste
Começa-se virando a chave S1 para a posição "presença das 3 fases".
A seguir ligam-se as três garras de teste às três fases do suprimento a ser testado, na ordem supostamente correta (A-B-C). Todas as três lâmpadas na fila superior devem acender. Caso contrário, o aparelho identificará a fase que falta.
A seguir vira-se a chave para a posição "sequência" e apenas uma das duas lâmpadas da fila inferior acenderá, indicando se a sequência de fases é correta ou invertida.
Nota: Artigo publicado na revista Eletrônica Total 159 de 2014.
