estado da arte – energizador para cercas elétricas

STATE OF THE ART – ELECTRIC FENCE ENERGIZER
Marcelo Giovanni Bonifacino De Martino
–
Fernando Soares dos Reis
Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul – PUCRS
Programa de Pós Graduação em Energia Elétrica - PPGEE
Abstract:
illustrated to exemplify. An impulse generation
circuit present in many energizers is illustrated and
Nowadays the use of electric fence for
analyzed. The operated of the impulse generator
control and content livestock are having a large
circuit is divided in two stages and the simulation
application in almost all countries of the world.
of each stage is illustrated. The Power Sim 6.0
Brazil like the major exporter of beef cattle is a
Demo Version software was used to simulate.
great consumer of this technology. Big farms with
large areas to control needs electric fences
I. Introdução:
energizers of large capacity to keep high voltage in
all extension. But not much information about
O uso de cercas eletrificadas para conter
security of use and equipment characteristics and
animais no meio rural vem sendo usado desde o
development is printed and available for consumers
início do século. Apesar de ter se popularizado
and sellers. There are in all Brazil country many
muito no meio rural e de muitos fabricantes
manufacturers of this kind of equipment, but the
surgirem em todo o mundo, inclusive no Brasil
technology of use and of project is very recent.
onde dezenas de fabricantes disputam o mercado,
This paper is intent to introduce some
poucos estudos em
nível
acadêmico
foram
concepts of electric fence technology. An electric
realizados. A fim de colaborar com o meio
circuit analysis and simulation of Electric Fence
acadêmico, despertar o interesse e demonstrar a
Energizer for livestock use is detailed. Some safety
importância desta tecnologia tão bem desenvolvida
parameters are boarded and standards are listed.
em outros países, este artigo trás uma abordagem
Much information reported is based on industry
explicativa e demonstrativa que tem a finalidade de
and field experience. The Electric Fence Energizer
servir
is rounded about many concepts and security
desenvolvimento desta tecnologia.
como
ponto
inicial
para
estudo
standards and data performance. This information
is important to a start point to develop an Electric
Fence Energizer circuit. Is very relevant the correct
understanding of electric characteristics of this
technology and the reaction of the electric shock
derived from it. The electric circuit is divided in
two parts, supply circuit and impulse generator
circuit. This arrangement is used in [1] to refer the
circuit parts. Two supply circuits are proposed and
Figura 1 – Ilustração característica de uma cerca
elétrica.
e
As primeiras cercas eletrificadas surgiram
na década de 30 na Nova Zelândia, Estados Unidos
que o gado não transpõe a cerca para valores pico
de tensão acima de 2 kV.
e alguns países da Europa. Na década de 70
surgiram as primeiras cercas elétricas permanentes
de
grande
tensionamento
e
os
primeiros
energizadores de baixa impedância, um dos focos
deste artigo.
Os fabricantes da Nova Zelândia
foram os que mais desenvolveram esta tecnologia.
A figura 1 mostra as partes principais de
uma cerca elétrica. O eletrodo positivo é conectado
ao fio de arame, que serve de condutor. Este fio é
isolado e preso aos postes ou moerões, por
isoladores. O eletrodo negativo é conectado a
hastes de aterramento fincadas no solo.
Figura 3: Circuito simplificado da cerca elétrica.
A
figura
3
mostra
um
circuito
simplificado da cerca elétrica, desprezando fugas
no isolamento do arame e características indutivas
e capacitivas dos elementos. De acordo com [3],
para impulso de tensão a influência capacitiva do
animal ou ser humano pode ser desconsiderada,
desde que se utilize a resistência inicial do corpo
que é a resistência elétrica interna do corpo no
Figura 2: Caminho da corrente quando o animal
encosta-se à cerca eletrificada.
momento em que ocorre a tensão de toque. Este
valor para o gado pode ser admito em 175 Ω para
um caminho de corrente do nariz para as 4 patas e
II. Operação:
em 500 Ω para o ser humano.
O energizador emite impulsos de alta
tensão, no momento em que o animal se encosta ao
III. Aspectos de segurança.
arame, fecha o circuito, fazendo a corrente do
impulso percorrer seu corpo como demonstrado na
figura 2. Este impulso provoca uma sensação tão
desconfortável que o animal não se aproximará
mais da cerca. Assim o choque ocorre somente
uma vez e o animal não fica exposto a situações de
stress por longo tempo e não afeta seu processo de
engorda. Em [2], figura 21, pode se visualizar os
limites de energia para sensação de pânico para o
ser humano. Para o gado, na prática, é constatado
O choque elétrico não oferece risco desde
que o impulso elétrico esteja dentro de limites
estabelecido por norma, por exemplo, a IEC
60335-2-76 [1]. Ainda para referência quanto aos
níveis de segurança do impulso elétrico liberado na
cerca, o relatório técnico IEC 60479-2 (capítulo 6)
[2] pode ser consultado. A tabela 1 mostra os
principais requisitos elétricos de operação para um
energizador. Existem também outras duas normas
para fabricação de energizadores, a UL-69 [4] e a
V. Circuito de Alimentação:
DIN VDE 0131 [5].
O circuito de alimentação gera, a
Tabela 1: Alguns limites de segurança para
desempenho de energizadores de acordo com a IEC
60335-2-76.
Repetição de impulsos não pode ser inferior a
partir da tensão de alimentação, um link CC de
1s
gerador de impulsos. A figura 5 mostra um
Duração do impulso não pode ser superior a
esquema para circuito alimentado por bateria e
0,1 s em carga de 500 Ω
outro para alimentação por corrente alternada
algumas centenas de volts, para a carga do
capacitor acumulador de energia C1 do circuito
50/60 Hz.
O impulso elétrico deve ter 5 J ou menos
medido numa carga padrão de 500 Ω para
Para o circuito de alimentação, em geral,
energizadores de potência média.
usa-se um dobrador de tensão para rede elétrica
Para impulsos acima de 5J: A corrente de saída
(figura 11a) ou um conversor CC-CC elevador de
numa carga de 500 ohms não pode exceder os
tensão, na figura é apresentado a topologia Fly-
valores limite delimitados pela linha C2 da
Back, que é uma boa opção para elevar a tensão de
12 Vdc para mais de 400 Vdc (figura 11b).
figura 22 da IEC 60479-2 [2].
IV. Energizador:
O
energizador
tem
a
função
de
transformar a energia elétrica em forma de corrente
alternada da rede elétrica ou contínua da bateria em
uma energia controlada, com tempo de duração,
período e níveis energia dentro de limites seguros.
Em geral o circuito de um energizador pode ser
dividido em duas partes: Circuito gerador de
impulso e o circuito de alimentação (figura 4).
Figura 5: Exemplos de circuito de alimentação; (a)
rede elétrica; (b) bateria.
VI. Circuito Gerador de Impulsos:
O circuito gerador de impulsos (figura 6)
Figura 4: Divisão do circuito elétrico do
energizador.
consiste na associação de um resistor
R1
(colocado em série com o capacitor C1 para limitar
a corrente drenada da fonte durante a carga do
pelo menos 1 segundo. Nesta etapa a corrente i1
capacitor e no momento em que o tiristor entra em
fornecida pelo circuito de alimentação circula pelo
condução), um capacitor acumulador de energia C1,
resistor R1 e pelo capacitor C1, a chave S
um transformador elevador de tensão T (que tem o
permanece aberta. R1 tem a função de limitar a
secundário ligado ao circuito da cerca), uma chave
corrente drenada da fonte. O comportamento da
estática S (Tiristor) e um circuito de controle da
tensão do capacitor C1 se dá de acordo com o
chavear o tiristor. Este circuito consiste em um
gráfico da figura 8.
Discharge
Impulse
Magnetizer
similar
ao
apresentado em [6], que tem a finalidade gerar um
impulso de corrente controlado na cerca.
Figura 8: Carga do capacitor acumulador de
energia C1 – 1ª etapa.
Figura 6: Circuito Gerador de impulsos.
A tensão ao fim da etapa 1, e a
O funcionamento do circuito de um
capacitância do capacitor, determinam a energia
energizador pode ser dividido em duas etapas:
armazenada do aparelho, de acordo com a equação
Carga do capacitor (etapa 1) e descarga do
1:
capacitor (etapa 2).
Eacumulada 
C1  VC1( p )
2
eq. 1
2
Onde:
Eacumulada: Energia acumulada no capacitor C1
Vc1(p): Tensão no capacitor C1 ao fim do período
C1: Capacitância de C1
Figura 7: Primeira etapa – carga do capacitor
acumulador de energia.
Etapa 1 (figura 7): O circuito de
alimentação gera um link d.c. que carrega o
capacitor até a tensão desejada num intervalo de
Esta energia está ligada diretamente com a
potência consumida pelo aparelho, e como 1 W
equivale a 1 J/s e ainda considerando um intervalo
de 1 segundo para a carga do capacitor, temos a eq.
2:
Pconsumida  Eacumulada  Pperdas
(W)
eq. 2
Rcerca = 100 Ω (Perda considerável) e Rcerca = 50
Ω (Muita perda).
Onde:
Pconsumida : Potência consumida pelo energizador
P perdas : Perdas no circuito de alimentação e
controle
Etapa 2 (figura 9): Nesta etapa, o circuito
de controle fecha a chave S e permite a descarga do
capacitor
C1
em
cima
do
primário
do
transformador T. A tensão do capacitor é aplicada
na bobina do primário e a tensão cai até zero. O
Figura 10: Descarga do capacitor, corrente e tensão
no primário do transformador.
transformador possui relação de transformador tal
que amplifique o impulso de tensão para atingir
valores desejados de tensão (entre 3 kV e 5 kV)
numa carga de 500 Ω (Rcerca). Os gráficos das
figuras 10 e 11 mostram as curvas na etapa 2.
Figura 11: Impulso de tensão aplicando ao resistor
Rcerca.
VII. Conclusão:
Figura 9: Segunda etapa – descarga do capacitor
acumulador de energia e geração do impulso de
tensão na cerca.
Como o energizador não se comporta
como uma fonte ideal para a cerca, a tensão gerada
no secundário do transformador depende da carga
da cerca. Como no campo o pasto cresce e toca o
arame e o isolamento do fio vivo em relação ao
aterramento
nem
sempre
é
suficiente,
os
fabricantes se utilizam em geral de três valores de
resistência para efetuar esta medição e simular o
desempenho para diferentes níveis de perdas no
isolamento da cerca: Rcerca = 500 Ω (Pouca perda),
A partir das informações relatadas neste
artigo e as devidas referências é possível ter uma
perfeita orientação para o projeto e implementação
de um energizador para cercas seguro e eficiente.
Muitos conceitos aqui apresentados são de suma
importância para a compreensão das normas
referenciadas. Uma comparação entre os resultados
obtidos em simulação e as informações presentes
nas normas demonstra que este tipo de topologia se
enquadra perfeitamente para o cumprimento dos
critérios estabelecidos. Os gráficos obtidos em
simulação se enquadram perfeitamente na forma de
onda para impulso de tensão gerado por descarga
de capacitores apresentado no capítulo 6 de [2].
Outra conclusão é que o software Power Sim 6.0
na versão demo se encaixa perfeitamente para o
estudo a validação de uma metodologia para
projeto, proporcionando a professores e estudantes
uma alternativa sem custo para validação de seus
trabalhos.
VII Referências:
[1]
IEC 60335-2-76 – Safety of household
and similar electrical appliances - Part 276: Particular requirements for electric
fence energizers.
[2]
IEC 60479-2 – Effects of current passing
through the human body Part 2: Special
Aspects
[3]
IEC 60479-3 – Effects of current on
human beings and livestock – Part 3:
Effects of currents passing through the
body of livestock
[4]
UL69 - Electric-Fence Controllers Underwriters Laboratories Inc
[5]
DIN VDE 0131, Publication date:198404
- Construction and operation of
electric
fence
equipment
[VDE
Specification]
[6]
Pill-Soo Kim, Yong Kim, Byung-You
Hong, “An Investigation to General
Characteristics of Impulse Magnetizer (I)
– Circuit, Thermal and Cost Modeling of
Impulse Magnetizer -, 1999 – IEEE.