Frequencímetro de rede (INS213)

Com o aumento do uso de geradores com alternadores e de inversores dada a necessidade de ecnomizar energia, um problema pode se tornar importante para as aplicações industriais e domésticas mais críticas: a frequência da energia fornecida. Muitos aparelhos são sensíveis a esta frequência podendo apresentar um funcionamento anormal com desvios de apenas alguns hertz desta frequência. Neste artigo descrevemos um frequencímetro de rede simples porém eficiente que pode ser usado para se monitorar a frequência de inversores e geradores de corrente alternada para a rede de 110 V e 220 V.

A frequência da rede de energia de 60 Hz no nosso país e em muitos outros não é apenas um padrão sem utilidade prática. O valor da frequência é importante nos projetos de muitos equipamentos e influi diretamente no modo como eles funcionam.

Assim, nos motores industriais e de muitos eletrodomésticos, a frequência da rede não só determina a velocidade de sua rotação como também as características de consumo e rendimento.

Ligar um motor projetado para uma determinada frequência de rede em outra pode significar problemas sérios como alteração da velocidade de rotação, perda de potência, aquecimento, etc.

Da mesma forma, relógios digitais e outros equipamentos de medidas que usam a frequência da rede como referência podem alterar seu funcionamento se ligados em frequências diferentes.

As empresas fornecedoras de energia elétrica cuidam para a estabilidade da frequência da energia fornecida e por isso não precisamos nos preocupar muito com isso. No entanto, com o uso maior de geradores e inversores ligados a baterias como fontes alternativas tanto para fazer frente as necessidades de economia de energia como em caso de corte, deve-se garantir que a frequência da tensão da rede esteja correta e se não estiver, cuidar para que isso ocorra através de ajustes dos circuitos ou dispositivos geradores de energia.

É claro que, para saber se a frequência da rede de energia está correta precisamos medí-la existindo instrumentos específicos para esta finalidade.

Um deles é tradicional medidor de frequência por lâminas ressonantes que tem o aspecto mostrado na figura 1.

Um frequencímetro de lâminas vibrantes (ressontantes).

Este instrumento, bastante simples contém uma bobina que aplica o campo alternado da tensão da rede num conjunto de lâmias de metal, cada qual com um comprimento levemente diferente da outra.

Em consequência desta diferença de comprimento, cada lâmina estará ressonante numa frequência, formando assim uma escala que é centralizada justamente em 60 Hz. Desta forma, se o campo criado pela bobina estiver em 60 Hz a lâmina correspondente vibrará com muito maior amplitude o que será visível facilmente na escala, conforme mostra a figura 2.

A lâmina ressonante na frequencia da rede vibra com maior amplitude.

É claro que a solução eletrônica é a melhor, e circuitos relativamente simples podem ser implementados para se monitorar a frequência da rede de energia.

O circuito que descrevemos utiliza como componene básico um conversor frequência/tensão Lm²917N (do qual já falamos num artigo completo em edições anteriores) e que também serve para outras aplicações industriais que envolvem a medida de baixas frequências tais como redes de 50 Hz, 400 Hz, medida de rotação de motores, etc.

COMO FUNCIONA

O circuito integrado LM2917N consiste num conversor frequência-tensão (Frequency to Voltage Converter ou F/V Converter). Neste circuito, um sinal é aplicado na entraga gerando-se na sua saída uma tensão que depende não da amplitude do sinal mas sim de sua frequência.

Este circuito integrado, cujo diagrama de blocos é mostrado na figura 3, possui um amplificador operacional de alto ganho e um transistor interno que possibilita a excitação direta de cargas de altas correntes como lâmpadas e relês.

Diagrama de blocos do LM2917N

Isso significa que mesmo indicadores com sensibilidades relativamente baixas podem ser usados sem problemas. Cargas de até 50 mA podem ser excitadas sem problemas.

Na aplicação básica os componentes externos, no caso R4, C3 e C4 determinam a faixa de tensões de saída em função da faixa de frequências de entrada.

No nosso circuito estes componentes foram escolhidos para proporcionar uma faixa de 0 a 2 V quando a frequência de entrada varia de 0 a 200 Hz. Desta forma, podemos ter a indicação de 60 Hz em mais ou menos 1/3 da escala de tensões.

Basta então ligar um voltimetro na saída que seja capaz de atuar nesta faixa e converter sua escala de tensões para frequências. Dependendo das características do instrumento usado R5 e P1 devem ser alterados para se alcançar a indicação desejada.

Podemos, por exemplo, usar um voltimetro digital com o conhecido ICL7906 (LCD de 3 e 1/2 dígitos) ou então fazer uso de um indicador analógico com um miliamperimetro conforme o circuito mostrado na figura 4.

Indicador analógico

No nosso projeto usamos um fonte com transformador que tanto serve para alimentar o circuito com 12 V como também para fornecer o sinal de referência para medida.

Basta calibrar o indicador com uma fonte de 60 Hz e usar o aparelho com facilidade. Como fazer a calibração veremos mais adiante.

Montagem

Na figura 5 temos o diagrama completo do frequencímetro de rede.

Diagrama completo do frequencímetro de rede

A disposição dos componentes numa placa de circuito impresso é mostrada na figura 6.

Placa de circuito impresso do frequencímetro de rede.

O transformador da fonte tem um secundário de 12 + 12 V com tomada central e corrente de pelo menos 200 mA. A entrada pode ser de qualquer tensão (conforme o gerador - 110 ou 220 V).

Como o consumo do aparelho é muito baixo o circuito integrado 7812 regulador de tensão não precisará ser montado em radiador de calor.

O capacitor eletrolítico de 1000 µF da fonte deve ter uma tensão de trabalho de pelo menos 25 V e ios demais de 12 V ou 16 V.

Os resistores são todos de 1/8 W com 5% de precisão e os capacitores menores podem ser de poliéster.

O indicador depende do leitor podendo ser um miliamperímetro de 0-1 mA que terá a faixa convertida para 0 - 200 Hz.

Todo o conjunto cabe numa pequena caixa plástica que será instalada junto ao inversor ou gerador do qual se deseja monitorar a frequência.

Calibração

Basta ligar o aparelho na rede de energia, já que ela fornecerá o sinal de 60 Hz com precisão. Ajusta-se então o trimpot de saída para se ter uma leitura de 0,6 V no instrumento de saída (se for voltímetro de 0-2 V) ou ainda de 0,3 mA se for um miliamperímetro de 0 - 1 mA.

Depois, é só usar o instrumento lembrando que este ponto da escala corresponde a 60 Hz e o fim de escala corresponde a 200 Hz.