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Editorial nº 07

Relés Fotoelétricos para Comando de Iluminação
O quê o usuário deve saber antes da compra

Os relés fotoelétricos podem ser subdivididos em quatro módulos, a saber:

1. Módulo sensor;
2. Módulo de potência;
3. Módulo de proteção;
4. Carcaça.

1) MÓDULO SENSOR:

1.1) O módulo sensor pode ser constituído por um único componente, a saber, a fotocélula, que é um fotoresistor de CdS (Sulfeto de Cádmio), com capacidade suficiente para acionar diretamente o módulo de potência, o qual pode ser um relé térmico ou magnético

1.2) O módulo sensor eletrônico pode ser, ou um foto transistor, ou ainda uma fotocélula, porém, todos estes componentes obrigatoriamente acoplados a um circuito eletrônico com cerca de 50 componentes.

No simples comparativo numérico do número de componentes, vemos que as alternativas são as seguintes: ou se adota um sensor de silício acoplado a um circuito eletrônico com cerca de 50 componentes, ou se adota um sensor de CdS com só um componente, a saber, a própria fotocélula.

Como os relés fotoelétricos para comando de IP, são instalados diretamente junto às redes de distribuição de energia, os mesmos estão enquadrados na categoria "C" das normas ANSI, C62.41, neste caso, os relés fotoelétricos devem possuir componentes muito robustos, bem como receber uma proteção adequada para suportar também as condições severas que ocorrem na rede, ou seja, de até 10 KV e 10 KA.

Partindo também do pressuposto de que em qualquer produto, quanto menos componentes, menores serão as possibilidades de defeito, e vice e versa, quanto mais componentes, maiores as possibilidades de falha, chegamos à conclusão de que os relés que utilizam somente a fotocélula como sensor, são mais seguros e confiáveis que os relés que utilizam um sensor eletrônico com cerca de 50 componentes.

2) MÓDULO DE POTÊNCIA:

Como Módulo de Potência podemos ter as seguintes alternativas:

2.1) Relé Térmico operando em CA (corrente alternada);
2.2) Relé Magnético operando em CA (corrente alternada);
2.3) Relé Magnético operando em CC (corrente contínua);
2.4) Módulo de Potência eletrônico Tiristor

2.1 - Relé Térmico:

Os Relés Térmicos operam pela deflexão de um Bimetal, aquecido por uma resistência específica, monitorada pela luminosidade ambiente através da fotocélula, que é um fotoresistor de CdS. Este componente possui uma resistência variável com o iluminamento. No escuro, ou seja, à noite, o fotoresistor possui uma resistência muito elevada e não deixa fluir a corrente através do resistor de aquecimento do bimetal. Com a luminosidade ambiente, a corrente flui, aquece o bimetal que deflete com o calor, e opera o relé, abrindo ou fechando os contatos de carga.

O Relé Térmico de acionamento deve ser um Relé fabricado especificamente para a utilização em controles Fotoelétricos e com as seguintes características básicas:

Possuir compensação de temperatura ambiente para operar sempre com o mesmo nível de luminosidade durante todo o ano, ou seja, no inverno e no verão.

Possuir retardo de operação, que torna o Relé Fotoelétrico, e a lâmpada por ele comandada, imune a variações luminosas bruscas e indesejadas, como faróis de autos, raios ou outra qualquer.

O retardo de operação é praticamente mandatório no caso de se utilizar lâmpadas de descarga, vapor de sódio e vapor metálico, pois as mesmas possuem a característica de que uma vez desligadas, demorarem cerca de 10 a 15 minutos para voltarem a adquirir a luminosidade total especificada. O retardo, evitando a operação indesejada, também aumenta a vida útil das lâmpadas que se desgasta com o acender e o apagar desnecessário.

O retardo também proporciona grande economia em equipamentos auxiliares necessários para a instalação de um ponto de luz, senão vejamos:

Os Relés Fotoelétricos são hoje em dia na maior parte, instalados no topo das luminárias que se projetam de 1,5m a 3m sobre a via pública, o que requer um caminhão com caçamba para o operador ter acesso ao topo da luminária e poder testar o relé, bem como todos os outros equipamentos do ponto de luz que estão sendo instalados.

O retardo de operação do Relé Fotoelétrico dispensa o uso destes caminhões caçamba, requerendo somente um simples caminhão ou caminhonete "Pick-Up" e uma escada, que é apoiada no poste.

A luminária pode ser toda pré-montada no nível do solo, ou vir montada do depósito, já com o Relé, lâmpada, equipamentos auxiliares e braços afixados à mesma.

O ponto de luz é então içado, fixado ao poste e conectado a rede elétrica.

No momento da conexão elétrica com a rede, o Relé Fotoelétrico, que possui seus contatos Normalmente Fechados NF, irá acender a lâmpada mesmo quando for de dia, e após o tempo de retardo, o relé irá operar apagando a lâmpada, acionado pela luminosidade ambiente.

O ponto de luz então, já estará montado e testado, dispensando-se a necessidade de se retornar ao topo da luminária para simular o escurecer e fazer o relé operar, dispensando-se o uso da caçamba.

No caso do Relé não possuir retardo, por ser de operação instantânea, e no caso da instalação ser feita de dia, a lâmpada não acenderá, e será necessário ao instalador, retornar ao topo da luminária com um caminhão caçamba, para testar a operação do ponto de luz, cobrindo o sensor do relé fotoelétrico, simulando a noite e verificando se o ponto de luz está operacional ou não.

Concluindo, o retardo, além de tornar a iluminação mais segura, é também vantajoso e mais econômico no momento da instalação do ponto de luz, por não requerer equipamento de montagem de custo elevado.

2.2 - Relé Magnético em CA

Os relés magnéticos em CA, são Relés que operam através de uma força magnética de atracação, fechando ou abrindo os contatos de um relé eletro-mecânico. A força de atracação é gerada por uma corrente que flui através de uma bobina, e cria um campo magnético. Esta força de atracação é monitorada por um fotoresistor que opera, em função da luminosidade ambiente em contraposição a uma força fixa de uma mola, e em sendo assim, temos duas forças antagônicas, a saber:

A força magnética de atracação da bobina magnética, que é uma força variável com a luminosidade ambiente, e a força gerada por uma mola mecânica de valor fixo, a qual mantém os contatos do relé abertos ou fechados, dependendo se os mesmos são NA (Normalmente Abertos) ou NF (Normalmente Fechados).

Durante o anoitecer e o alvorecer, vamos ter um determinado momento, em que estas duas forças se igualam com o mesmo valor e se contrapõem. Neste determinado momento, que é o momento da operação do relé, se cria uma instabilidade mecânica entre estas duas forças opostas de mesmo valor, o que favorece a vibração do relé magnético AC.

Esta vibração é altamente danosa para o relé fotoelétrico, bem como para as lâmpadas de descarga, comandadas pelo mesmo, pois, além de acarretar uma prematura destruição dos contatos, diminui também a vida útil das lâmpadas.

Somente quando uma das forças é claramente superior à outra, é que o relé efetua com segurança a operação de desligar ou ligar a lâmpada.

Por sua vez, a operação de um relé térmico é efetuada sem vibração, ou seja, o relé térmico não possui posição mecânica instável e não vibra, pois o sistema mecânico de operação dos relés térmicos só permite duas posições, ou seja, aberta ou fechada, não possuindo posição intermediária.

2.3 - Relé Magnético Corrente Contínua CC:

Com relação ao relé magnético CC (corrente contínua), que somente é utilizado em relés com o módulo sensor eletrônico, o mesmo tem uma operação segura e não vibra, em virtude da corrente elétrica ser retificada e operar em corrente contínua; sendo que no momento de operação, o mesmo recebe um pulso elétrico do circuito eletrônico de comando para ligar ou desligar a lâmpada.

2.4 - Módulo de Potência Eletrônico:

O módulo de potência eletrônico é composto somente por um componente eletrônico que comuta a carga, a saber, o Tiristor .

Pode se afirmar que um relé que utilize como módulo de potência o Tiristor, é o único relé 100% eletrônico, pois não possui componentes mecânicos, contatos ou peças móveis, sendo um relé totalmente em estado sólido, possuindo também a única tecnologia de relé fotoelétrico, que comuta a carga pelo zero da curva de corrente; característica esta exclusiva dos Tiristores.

Outras Características dos Módulos de Potência

Ainda com relação a diversos módulos de potência, podemos subdividi-los da seguinte forma: aqueles que possuem contatos de carga NF (Normalmente Fechados), e aqueles que possuem contatos NA (Normalmente Abertos) sempre quando desenergisados.

Os relés com contatos NF são utilizados para o comando individual de luminárias, e os relés NA são utilizados normalmente para comandar as bobinas das Chaves de IP.

O Modo de Falha do Relé Fotoelétrico

Outro ponto que deve ser esclarecido antes da compra pelo usuário, é a condição na qual permanecem os contatos em caso de falha do próprio relé, ou seja, se os contatos permanecem fechados ou abertos no caso de ocorrência de qualquer defeito no próprio relé.

O relé pode ter dois modos de falha, a saber:

"Falha em Aberto" (Fail Off) e "Falha em Fechado" (Fail ON) que significam o seguinte:

No caso de "Abertos em Falha", os relés, tanto térmicos como magnéticos, ou mesmo eletrônicos, e que possuem contatos mecânicos, ficam abertos em caso de falha do relé, o que significa que a lâmpada comandada, ficará apagada dia e noite (Fail Off).

No caso de relé "Fechado em Falha" (Fail On), a lâmpada comandada ficará acesa dia e noite.

Algumas especificações, indicam erroneamente relés NA (Normalmente Abertos) como um relé "Aberto em Falha" (Fail Off), o que não procede.

A nomenclatura "Normalmente Aberto" e respectiva sigla NA, devem ser somente utilizadas para relés que não comandam diretamente a lâmpada, mas sim a bobina de uma Chave de Iluminação Pública, que por sua vez, possui seus contatos para comutar a carga NF. O relé NA não comuta diretamente uma lâmpada, mas sim a bobina da chave magnética de IP.

O fato do módulo de potência nos relés com sensor eletrônico possuir seus contatos NA, ou seja, "Normalmente Abertos", quando desenergisados, não garante que em caso de falhas do relé, os contatos irão permanecer abertos e as lâmpadas apagadas.

Nos relés com sensor eletrônico, mesmo quando rotulados como "Abertos em Falha", temos que, no caso de falha do modulo sensor, as lâmpadas na grande maioria dos casos, irão permanecer acesas. Tal fato ocorre, porque no caso de falha do módulo sensor eletrônico, o circuito eletrônico continua operando e interpreta muitas falhas do módulo sensor, como falta de luminosidade ambiente, ou seja, condição noite; e mantém a luz acesa.

O modo de falha do relé é um importante item da especificação, e deve ser bem definido pelo operador de IP qual o modo de falha que deseja, isto é, se as lâmpadas permanecerão acesas dia e noite no caso de falha do relé, ou apagadas também dia e noite.

3) MÓDULOS DE PROTEÇÃO:

Os módulos de proteção devem proporcionar ao Relé Fotoelétrico como um todo, uma proteção adequada contra anomalias que acontecem na rede de energia elétrica. Como os relés fotoelétricos para comando de IP, são montados diretamente junto às linhas de distribuição, os mesmos são afetados diretamente pelos problemas que ocorrem nas redes.

Existem dois tipos de proteção que podem ser implementadas nos Relés Fotoelétricos:

3.1) Proteção contra os surtos de tensão:

Os surtos de tensão são picos que geralmente acontecem nas redes elétricas, e que geralmente são originários de manobras e/ou descargas atmosféricas. Estes surtos de tensão, a partir de uma certa magnitude, podem afetar a todo e qualquer componente de um Relé Fotoelétrico.

Esta proteção pode ser efetuada através de pára-raios do tipo centelhadores, que podem ser abertos ou encapsulados, centelhadores a gás, ou por Varistores .
A existência desta proteção é de fundamental importância para a durabilidade dos relés, principalmente daqueles relés com módulo sensor eletrônico que possuem muitos componentes eletrônicos genéricos e de baixa capacidade de resistência aos picos de tensão.

A especificação dos pára-raios ou varistores deve ser definida por dois parâmetros, a saber: A tensão de disparo do protetor, e a capacidade do protetor em absorver a energia gerada pelas correntes causadas pelo surto de tensão.

Deve-se notar, que a tensão de disparo do módulo de proteção, deve ter um valor de ruptura inferior ao valor da tensão de ruptura de cada componente, individualmente. Isto garante que o pára-raio e/ou o varistor, irá atuar efetivamente, protegendo o relé fotoelétrico antes da destruição do componente.

A tensão de disparo do protetor deverá ser inferior à capacidade de ruptura de algum componente.

Além da tensão de disparo que é especificada em Volts, deve-se especificar também a capacidade do protetor em absorver a energia gerada pelo surto. Esta grandeza é expressa em Joules, e mede a energia possível de ser absorvida pelo Varistor ou pára-raios, no caso de um surto de tensão.

3.2) Proteção contra corrente de partida (Inrush Current):

Na iluminação Pública, as lâmpadas utilizadas hoje em dia, são lâmpadas de descarga que necessitam de um reator com ignitor e um capacitor para a sua partida.

A descarga do capacitor gera um pico de corrente de partida que em muitos casos pode ocasionar o colamento e/ou soldagem dos contatos.
Para a proteção deste pico de partida que pode atingir até 3000 A, existem várias sugestões, algumas efetivas e outras não.

Alguns fabricantes estão apregoando e até conseguindo especificar, a utilização de um relé fotoelétrico com sensor eletrônico como módulo de potência, um relé magnético de CC, que efetua a comutação da carga pelo zero da tensão.

Somente o simples fato da comutação ser efetuada através de um componente eletro- mecânico, já não consegue garantir com precisão que o acionamento seja realmente efetuado no zero da tensão.

Todavia, como nunca é a tensão, e sim a corrente, a grandeza elétrica que destrói os contatos, em nada adianta especificar a comutação pelo zero da tensão, pois esta providência isolada não resolve o problema da colagem dos contatos.

As cargas de iluminação pública são cargas capacitivas, onde a corrente está sempre defasada da tensão. Tal característica elementar resulta no fato de que quando a tensão está no zero de sua curva senoidal, a corrente está em um valor muito diferente do zero, não poupando e não protegendo os contatos dos picos de corrente.

Os Tiristores por sua vez comutam a carga pelo zero da corrente.

Outra possibilidade, é a da proteção dos contatos através de componentes eletrônicos que os protegem contra os picos de partida.

4) CARCAÇA:

O que se chama de carcaça é todo invólucro externo do relé fotoelétrico, que inclui a tampa do relé, a base de montagem, bem como as lâminas dos contatos que vão ser plugadas na tomada padronizada pela ABNT/ANSI/NEMA.

A função da Carcaça é a de proteger o relé, qualquer que seja ele, contra o meio ambiente, bem como possibilitar um manuseio seguro para o mesmo nas operações de instalação e manutenção, e ainda fazer a conexão através de sua tomada com a rede elétrica.

Existem vários graus de proteção, graus estes que indicam proteção do produto contra penetração de agentes externos tais como água, poeira e umidade, sendo o mais rígido, o IP-67, que é um índice de proteção próprio para um produto que opera submerso, ou seja, totalmente estanque.

A norma ABNT, NBR-5123, especifica para o relé fotoelétrico, o índice de proteção IP-23 para ser averiguado segundo a NBR-6143.

A carcaça deve ser também fabricada por material resistente, suficiente para suportar impactos mecânicos, e ser resistente às radiações UV existentes nos raios solares.

A melhor maneira de se verificar a qualidade da carcaça, é solicitar um Certificado de Ensaio ASTM G-53, emitido por laboratório oficial, como por exemplo, o CEPEL ou LAC, certificado este, que garante a boa qualidade e a durabilidade dos materiais plásticos utilizados quando expostos à luz solar.

Os contatos de encaixe do relé na tomada, devem ser de material não ferroso e estanhado para suportar a ação do tempo sem oxidação.

A utilização de contatos de encaixe de material ferroso, como ferro latonado, além de ser proibido pelo INMETRO (Portaria nº 27 de 18/02/2000), oferece um risco elevado para o operador de instalação e da manutenção de IP, pois pode ocasionar acidentes por curto circuito entre o relé e sua tomada. Acidentes estes que podem ser agravados pelo fato dos relés serem instalados, em média a mais de 6m de altura, caso em que a queda do operador pode ser até fatal.

Concluindo: Os pontos que aqui abordamos com relação aos Relés Fotoelétricos, são todos eles justificados tecnicamente e possíveis de serem utilizados por qualquer fabricante.

Estes são os pontos que os usuários devem se dar conta antes de especificar ou adquirir Relés Fotoelétricos para Iluminação em geral, e principalmente Iluminação Pública.

 

Os artigos podem ser reproduzidos e referenciados, citando-se a fonte www.stieletronica.com.br

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Acesso as demais páginas dos Editoriais grifados abaixo:

Chave para Comando em Grupo de Iluminação Pública (IP) /
O porque do retardo na operação de relés fotoelétricos /
O quê o usuário deve saber antes da compra de um Relé Fotoelétrico.