Sistema Gerador de VMTs para Avaliação da
Suscetibilidade de Equipamentos Elétricos
S. X. Duarte;N. Kagan; E. L. Ferrari; N. M. Matsuo – Enerq/USP
A Tenório; J. L. Cavaretti – Eletropaulo; U. F. Castellano
Resumo-O objetivo do artigo é apresentar um gerador de variações
momentâneas da tensão (VMTs), afundamentos ou elevações da
tensão, que foi desenvolvido para possibilitar a realização de ensaios
comparativos entre equipamentos, medidores destes tipos de
fenômenos, de diferentes fabricantes. Possibilita, ainda, a realização
de ensaios de suscetibilidade de equipamentos de consumo diversos,
quando submetidos à VMTs. Foram obtidos resultados significativos
pelo sistema quando da aplicação de ensaios em equipamentos de
diversos fabricantes no âmbito de um projeto realizado para a
Eletropaulo.
Palavras chave: gerador de variações momentâneas de tensão;
gerador de afundamentos e elevações de tensão; qualidade de energia.
I.
INTRODUÇÃO
A. Generalidades
O gerador de VMTs tem seu princípio de funcionamento
baseado no chaveamento de divisores de tensão, cujo tempo de
chaveamento é controlado por software. Este controle é feito a
partir de um sistema de aquisição e controle de dados dotado
com entradas e saídas digitais e entradas e saídas analógicas.
Uma característica importante deste sistema gerador é a
utilização do medidor ligado na própria tensão de
fornecimento da rede de distribuição, local onde se faz a
aplicação de uma VMT, sendo portanto bastante
representativo das condições reais de fornecimento de energia
elétrica em baixa tensão. Das principais características deste
sistema podem ser destacadas, as indicadas a seguir:
-
possibilidade de gerar VMT
trifásica,
monofásica, bifásica ou
-
o controle de amplitude da tensão pode ser feito em
degraus de 6,25 % quando configurado para monofásico e
12,5 % quando configurado para monofásico ou trifásico,
-
o tempo de duração da VMT pode ser controlado a partir
de 1 ciclo,
-
possibilidade de gerar eventos e adquirir dados
simultaneamente possibilitando análises comparativas
entre medidores (com taxa de aquisição de 200 k ciclos/s
para até 16 canais e 1.2 M ciclos/s para um único canal
individual),
-
possibilidade de gerar eventos sucessivos com intervalo
entre eventos controlável através de software.
O programa utilizado para fazer o controle foi desenvolvido
em linguagem de programação gráfica LabView. Esta
linguagem de programação tem se mostrado muito útil em
aplicações que demandam a aquisição, controle e o tratamento
de sinais por possuir grande número de funções que
incorporadas em sua biblioteca reduzem muito o tempo de
programação. O sistema gerador de VMTs utiliza como
suporte de hardware os seguintes componentes físicos:
microcomputador (PC), placa de aquisição e controle para
entradas e saídas analógicas e digitais, sensores de tensão e
sensores de corrente baseados no efeito Hall, condicionadores
de sinais de tensão e corrente, divisores de tensão do tipo
resistivo e fonte de tensão de fornecimento da concessionária
de energia. A seguir é apresentada uma descrição das partes
que compõem o sistema que possibilita a geração de VMTs e a
aquisição destes sinais de tensão e corrente.
B. Partes Principais do Sistema Gerador de VMTs
O sistema utilizado para gerar os fenômenos de VMT e
adquirir simultaneamente os sinais analógicos de tensão e
corrente, que serão utilizados para fornecer dados a serem
trabalhados por uma unidade central de processamento (UCP),
para efetuar a monitoração de alguma grandeza ou possibilitar
a investigação da aplicação de diferentes protocolos de cálculo
utilizados por diferentes fabricantes de medidores, poderá
possuir as seguintes partes principais.
•
transdutor, que é utilizado para converter os sinais de uma
grandeza, de uma natureza para outra de natureza
diferente, ou de mesma natureza, porém com
características diferentes.
•
condicionador de sinal, que tem a finalidade de adequar o
nível do sinal da saída do transdutor à entrada do próximo
estágio, que é a conversão analógica/digital.
•
conversão analógica/digital, que tem a finalidade de
converter os valores dos sinais analógicos adquiridos em
valores digitais, de maneira a serem interpretrados ou
trabalhados por uma unidade central de processamento de
dados.
•
•
saídas digitais, que tem a finalidade de possibilitar o
acionamento de algum dispositivo de manobra (chave,
disjuntor, etc) comandada por software.
entradas digitais, que tem a finalidade de possibilitar a
leitura do estado de funcionamento (ligado ou desligado)
de algum dispositivo ou equipamento.
A figura 1 é um diagrama de blocos das partes envolvidas
no arranjo utilizado pelo sistema gerador de VMTs
desenvolvido.
PLACA DE
AQUISIÇÃO
DE DADOS
CONDICIONAMENTO
DE SINAIS
SAÍDA
DIGITAL
kΩ;consumo de corrente de 10 mA + a corrente de saída;
resistência interna de entrada 250 Ω, com temperatura até
70°C; resistência interna de saída de 110 Ω, com
temperatura até 70°C.
Como o sistema de medição desenvolvido é utilizado no
laboratório apenas em baixa tensão, de 220V eficazes de linha,
a transformação do nível de tensão no transdutor pode ser
configurada para duas escalas possíveis, sendo estas de ±
311/180 V (valor de pico), para o nível de ± 6.75 V (valor de
pico) necessárias à entrada da placa de conversão
Analógica/Digital. A figura 2 mostra o circuito esquemático
utilizado para efetuar a aquisição do sinal de tensão pelo
transdutor. As características do transdutor de corrente são
semelhantes às do transdutor de tensão é não serão aqui
apresentados maiores detalhes.
GERADOR DE
EVENTOS
M
GND
R1
5
9
TRANSDUTOR DE TENSÃO
Escala 1
4
8
3
7
2
6
R2
Escala 2
+HT
SINAL SAÍDA
M
+ 15 V
+V
- 15 V
COM
TRANSDUTORES
-V
-HT
1
LV25 - P
MEDIÇÃO
EXTERNA
ENTRADA
MEDIÇÃO
ANALÓGICA
INTERNA
CONECTOR
DB9
R3
PONTO DE
MEDIÇÃO
C1
MEDIDOR
COMERCIAL
C2
GND
Led
FLUXOGRAMA DE UM GERADOR DE SAGS / SWELLS
Figura 2 – Circuito esquemático utilizado para o transdutor
baseado no efeito Hall para aquisição do sinal de tensão
Figura 1 – Diagrama de blocos do sistema gerador de VMT
II. ESTRUTURA DE HARDWARE UTILIZADA PARA O
SISTEMA GERADOR DE VMT
Os itens seguintes trarão alguns detalhes e comentários
sobre o sistema de aquisição de dados utilizado no
desenvolvimento do trabalho feito para a Eletropaulo.
A. Transdutores
Aquisição
de Tensão Utilizados no Sistema de
Os transdutores utilizados para adquirir os sinais, são
transdutores de tensão e corrente, baseados no efeito Hall. Os
transdutores de tensão possuem, segundo informações de
catálogo, as seguintes características principais:
•
sinal de corrente de entrada de 10 mA; sinal de corrente
de saída de 25 mA; classe de exatidão a 25 °C de ± 0.6%
da corrente nominal; alimentação de ± 15 V; isolação 2.5
kV eficazes para 50 Hz e 1 min; linearidade <
0.2%;tempo de resposta < 40 µs para resistor série de 25
B. Placa de Condicionamento de Sinais Desenvolvida para o
Sistema de Aquisição de Dados
Sempre que se pretende efetuar a aquisição de sinais
diversos, para prover dados a um sistema de monitoração,
devemos efetuar, em primeiro lugar, a aquisição dos sinais
propriamente dita, que é feita através de transdutores. À parte
do sistema de aquisição de sinais, é efetuado o
condicionamento dos sinais adquiridos, (adequação do nível
do sinal), para que estes possam ser convertidos em sinais
digitais, para posteriormente serem processados na unidade
central de processamento, por algum software. Com a
finalidade de tornar o sistema de aquisição de dados o mais
flexível possível, foi idealizado um arranjo especial para a
placa de condicionamento de sinais. Esta placa possibilita a
utilização de 16 canais de entradas ou saídas analógicas, 8
canais de saídas ou entradas digitais, devidamente isoladas. Na
figura 3 podemos observar um arranjo físico completo da
placa de condicionamento de sinais desenvolvida.
ENTRADAS/SAÍDAS
ANALOGICAS
EA7
EA6
EA5
EA4
EA3
EA2
EA1
EA0
EA15
EA14
EA13
EA12
EA12
EA10
EA9
EA8
CONECTOR
DE 50 VIAS
FONTE DE ALIMENTAÇÃO
SD7
SD6 SD5
SD4
SD3
SD2 SD1
SD0
SAÍDAS
DIGITAIS
ED7 ED6
ED5 ED4
ED3
ED2
ED1
VIA DE DADOS
DIGITAIS/
ANALÓGICOS
ED0
a geração de um afundamento ou elevação de tensão é
indicada na figura 4 e é a representação de apenas uma das três
fases disponíveis. É importante notar que a condição inicial da
chave (K) é que define se ocorrerá um afundamento ou uma
elevação de tensão. A chave (k) indicada na figura 4 é
acionada por uma saída digital que é controlada por software.
Esta chave pode ser um contato de um relé eletromagnético,
portanto, sem controle do ângulo de disparo, ou uma chave
estática na qual se pode controlar o ângulo correspondente ao
fechamento ou abertura desta através do controle do disparo
aplicado ao gatilho de um IGBT, por exemplo.
ENRADAS
DIGITAIS
R = 22 W
Ve/8
Figura 3 – Arranjo físico desenvolvido para a placa de
condicionamento de sinais
k
R
Ve/8
Ve/8
R
C. Placa de Conversão A/D
Ve/8
Ve
A placa de conversão A/D utilizada, apresenta 16 canais de
entradas e/ou saídas analógicas, com velocidade de conversão
A/D de 200 kHz para até 16 canais de aquisição simultânea e
de 1.2 MHz para aquisição de um único canal, portanto, sendo
possível, a sua utilização para reprodução até a 1666ª ordem
harmônica, ou 10000ª ordem harmônica, se for utilizado um
único canal dos 16 disponíveis. Deve-se ressaltar que, a
resolução vertical das entradas e/ou saídas analógicas é de 12
bits, sendo possível selecionar os níveis de tensão das entradas
analógicas em +/- 2,5 V, +/-10 V (bipolar). É importante
observar que, para garantir maior confiabilidade (imunidade)
para a placa de conversão A/D, quando da ocorrência de
sobretensões, deve-se, por exemplo, configurar as entradas
analógicas em +/- 10 V e condicionar o sinal através dos
transdutores, para um limite máximo em suas saídas de +/6.75 V. Isto, embora reduza a escala vertical a 75% na
condição de regime, pode prevenir algum possível acidente,
oriundo de uma elevação no sinal das entradas analógicas, em
até 0.25 p.u., acima da condição de regime, sem considerar o
limite de sobresinal admitido pelo fabricante da placa.
Além destas entradas analógicas, a placa para aquisição de
dados utilizada tem 8 entradas ou saídas digitais programáveis
linha a linha. Estes recursos potencializam a utilização deste
sistema para efetuar muitas investigações em que se
necessitam a geração de eventos do tipo VMT e flicker que
são de grande interesse na qualidade de energia elétrica.
D. Divisores de Tensão
Foi utilizado um divisor de tensão resistivo por fase,
constituído de 4 resistores de 22 Ω cada, além de ser acessível
um tap central no mesmo. Estes 4 resistores com seus
respectivos taps possibilitam a saída de tensão ser configurada
em degraus de 1/8 da tensão de entrada, quando utilizado com
a ligação trifásica em estrela e 1/16 quando utilizado com a
ligação monofásica. A corrente admissível em cada elemento
resistor é de 4.6 A em regime contínuo nominal, resultando
uma potência de saída de até 1012 W na ligação monofásica e
1750 W na ligação trifásica. A montagem final que possibilita
Vs=7/8xVe
Ve/8
R
Ve/8
R
Ve/8
Ve/8
TAP CENTRAL
Figura 4 - Esquema de ligações de uma das fases do divisor
de tensão
III. ASPECTOS GERAIS DE SOFTWARE E ALGUMAS
APLICAÇÕES
O hardware descrito na seção 2 é controlado por um
software desenvolvido em linguagem de programação gráfica
LabView. Este software possibilita a seleção do número de
canais a serem monitorados, a escolha do número de ciclos a
ser adquirido (número de amostras), a escolha do acionamento
do número de canais de saídas digitais e o tempo de
acionamento de cada canal digital. Este conjunto de
parâmetros é totalmente acessível e pode ser alterado com
grande facilidade tornando o sistema muito flexível. O sistema
permite a aplicação de eventos de VMTs que reproduzam os
ciclos de religamento utilizados por empresas concessionária
de energia elétrica, possibilitando assim a investigação da
resposta de equipamentos medidores de diferentes fabricantes
quando submetidos a situações de VMTs que contemplam a
filosofia de proteção utilizada por diferentes empresas. Além
disto, o sistema também permite que se investigue a curva de
suscetibilidade de equipamentos diversos quando submetidos
a condições de VMT. Uma outra possibilidade, que inclusive
já fora utilizada com sucesso, é a utilização deste sistema para
a geração de fenômenos de flicker para teste de medidores de
flicker. É importante ressaltar que a cada evento gerado pelo
sistema o programa solicitará um nome de arquivo para gravar
os dados dos sinais adquiridos. O programa pode gravar os
dados em formato *.txt ou *.xls. Estes dados podem ser
facilmente manipulados por qualquer outro software para
tratamento de dados, se for necessário.
IV. ENSAIOS REALIZADOS
O sistema gerador de VMTs possibilitou a realização de
vários ensaios com o objetivo de avaliar a resposta obtida por
medidores de qualidade de energia quando da ocorrência de
VMT. Com o sistema gerador de VMTs foi possível avaliar
como alguns medidores de qualidade de energia capturavam e
tratavam eventos relacionados a VMTs. Foram realizados até
o momento ensaios em dez medidores de qualidade de energia
de diferentes fabricantes e possibilitaram avaliar a resposta
destes medidores, verificando quais as limitações existentes
nos medidores e quais as possibilidades de soluções destas
limitações. Na figura 5 é apresentada a forma de onda obtida
para aplicação de dois afundamentos suscessivos.
Aplicação de dois afundamento simultâneos com duração 300 ms
cada e 300 ms de intervalo entre eventos
300
Tensão (V)
200
100
0
Pode-se verificar, a partir destes ensaios, o desempenho
destes equipamentos em condições não adequadas. Além de
ser possível a avaliação de desempenho de equipamentos de
medição e da avaliação da suscetibilidade de aparelhos
elétricos, há também a possibilidade de se fazer avaliações
considerando outros fenômenos que afetam a qualidade de
energia como o flicker, distorções harmônicas de tensão e
desequilíbrios de tensão. Para avaliação de equipamentos de
medição que “capturam” estes fenômenos, o sistema
possibilitou a realização de testes em cinco equipamentos de
diferentes fabricantes para a verificação dos algoritmos
utilizados pelos diversos fabricantes para efetuarem o cálculo
dos fenômenos relacionados à qualidade de energia flicker,
desequilíbrios de tensão e distorções harmônicas da tensão.
Todas estas possibilidades descritas anteriormente foram
testadas obtendo-se diversos resultados e possibilitando
inclusive os fabricantes e representantes de equipamentos
conhecerem melhor o desempenho de seus equipamentos em
relação a cada um dos fenômenos avaliados. Além de
proverem informações à concessionária, os ensaios
possibilitaram uma maior aproximação entre fabricantes de
equipamento, a universidade e a concessionária, mostrando
que existe uma falha na relação entre estes setores.
-100
VI. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
-200
-300
Amostras em sequência
Figura 5 – Resposta do gerador de VMT à aplicação de dois
afundamentos sucessivos com duração selecionada de 300 ms
e intervalo entre eventos de 300 ms, em uma fase.
Estes ensaios ofereceram a Eletropaulo material para
subsidiar decisões relativas a aquisição de novos
equipamentos para a medição destes fenômenos, além de
fornecerem resultados referentes a avaliações do fenômeno
relacionado a VMT para subsidiar a proposição de um futuro
protocolo para a medição destes fenômenos.
V. CONCLUSÕES
O desenvolvimento do sistema gerador de VMTs, aqui
apresentado, é um sistema que torna possível não apenas a
produção de eventos relacionados a VMTs e a avaliação de
desempenho de equipamentos destinados a medição destes
eventos, mas, também, a avaliação da suscetibilidade de
equipamentos elétricos quando sujeitos a condições de VMTs.
[1] Duarte, Silvio Xavier, Sistema de aquisição e tratamento
de dados para a monitoração da tensão em regime permanente,
Dissertação de Mestrado, 2000
[2] IEEE Std 1159, IEEE Recommended Practice for
Monitoring Electric Power Quality, 1995
[3] IEC 1000-4-11, Electromagnetic Compatibility - Testing
and Measuring Techniques - Voltage Dips, Short Interruptions
and Voltage Variations Immunity Tests, Genève, 1994.
[4] LabView - Basics Course Manual, February/1996.