UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA PROJETO DE GRADUAÇÃO ESTUDO DA IMPLANTAÇÃO DE UM DISPOSITIVO DE PROTEÇÃO DE REGULADORES DE TENSÃO ÉVERSON LIRA GUIMARÃES VITÓRIA – ES SETEMBRO/2005 ÉVERSON LIRA GUIMARÃES ESTUDO DA IMPLANTAÇÃO DE UM DISPOSITIVO DE PROTEÇÃO DE REGULADORES DE TENSÃO Parte manuscrita do Projeto de Graduação do aluno Éverson Lira Guimarães, apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo, para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista. VITÓRIA – ES SETEMBRO/2005 ÉVERSON LIRA GUIMARÃES ESTUDO DA IMPLANTAÇÃO DE UM DISPOSITIVO DE PROTEÇÃO DE REGULADORES DE TENSÃO COMISSÃO EXAMINADORA: ___________________________________ Prof. Dr. Cícero Romão Cavati Orientador ___________________________________ Prof. Dr. Getúlio Vargas Loureiro Examinador ___________________________________ Eng. Eduardo Luiz Henriques Examinador ___________________________________ Msc Wanderley Cardoso Celeste Examinador Vitória - ES, 16, setembro, 2005 4 DEDICATÓRIA Dedico esta monografia de fim de curso aos meus familiares, em especial meu pai – Messias Souza Guimarães (in memorian ) – minha mãe – Elma Lira Guimarães – meu irmão – Ederson Lira Guimarães – e ainda a Cristina Valéria os intermináveis incentivos dados ao longo de minha graduação. 5 AGRADECIMENTOS Dedico meus sinceros agradecimentos ao professor doutor Cícero Romão Cavati por sua orientação precisa e objetiva em diversos momentos de incertezas, aos demais professores do Departamento de Engenharia Elétrica, por compartilhar parte valiosa de seus conhecimentos, os quais foram, sem sombra de dúvidas, fundamentais em cada pequeno detalhe desta monografia e a todos os colegas os quais eu tive e que se mostraram verdadeiros parceiros na busca pelo objetivo comum de nos tornarmos Engenheiros. A todos, muito obrigado. 6 Lista de figuras Figura 1-1 - Diagrama funcional .................................................................................13 Figura 2-2 - Auto-transformador.................................................................................16 Figura 2-3 - Auto-tranformador elevador....................................................................17 Figura 2-4 - Auto-transformador abaixador................................................................17 Figura 2-5 - Chave reversora de polaridade................................................................17 Figura 2-6 - Tape´s de derivação.................................................................................18 Figura 2-7 - Reator......................................................................................................18 Figura 2-8 - Reator posição de neutro.........................................................................19 Figura 2-9 - Reator posição de tape 1..........................................................................19 Figura 2-10 - Corrente circulante................................................................................20 Figura 2-11 - Fluxos magnéticos no reator..................................................................21 Figura 2-12 - Ausência de tensão no reator.................................................................22 Figura 2-13 - Presença de tensão no reator.................................................................22 Figura 2-14 - Bobina de equalização...........................................................................23 Figura 2-15 - Corrente circulante................................................................................23 Figura 2-16 - Esquemático do regulador de tensão.....................................................25 Figura 2-17 - Regulador tipo A...................................................................................26 Figura 2-18 - Regulador tipo B...................................................................................26 Figura 2-19 - Elevador (R16)......................................................................................27 Figura 2-20 - Abaixador (L16)....................................................................................28 Figura 2-21 - Elevador (R16)......................................................................................29 Figura 2-22 - Abaixador (L16)....................................................................................29 Figura 2-23 - Regulador tipo B com um TP................................................................32 Figura 2-24 - Regulador tipo A com dois TP´s...........................................................32 Figura 2-25 - Largura de faixa do regulador...............................................................33 Figura 2-26 - Compensador de queda de tensão na linha............................................35 Figura 2-27 - Consumidores ao longo da linha-Vi é o ponto de regulação.................36 Figura 2-28 - Regulador aplicado a sistema com fontes em paralelo..........................38 Figura 2-29 - Circuito monofásico..............................................................................39 7 Figura 2-30 - Regulação em uma fase........................................................................39 Figura 2-31 - Regulação em três fases com dois reguladores.....................................40 Figura 2-32 - Regulação de circuito trifásico a quatro fios.........................................40 Figura 2-33 - Regulação de circuito trifásico a três fios.............................................40 Figura 3-1 - Localização dos sensores de corrente ......................................................44 Figura 3-2 - Localização do módulo de proteção ........................................................45 Figura 3-3 - Garra de corrente ...................................... Erro! Indicador não definido. Figura 3-4 - Princípio básico do efeito Hall ................................................................48 Figura 3-5 - Campo magnético x corrente ...................................................................48 Figura 3-6 - Circuito condicionador de sinal ...............................................................49 Figura 3-7 - Linha CI da SECON ................................. Erro! Indicador não definido. Figura 3-8 - Resistor RM .............................................................................................50 Figura 3-9 - Correntes de primário e secundário .........................................................51 Figura 3-10 - Relação Ip x I .........................................................................................51 Figura 3-11 – Considerações .......................................................................................51 Figura 3-12 - Diagrama de conexões ...........................................................................52 Figura 3-13 – Dimensões do sensor SECOHR 500 BRC ............................................53 Figura 3-14 - O TC toroidal .........................................................................................56 Figura 3-15 - O TC toroidal .........................................................................................57 Figura 3-16 - O TC e o condutor .................................................................................57 Figura 3-17 - Sensoriamento do próprio equipamento ................................................59 Figura 3-18 - O TC toroidal e sua comunicação externa .............................................60 Figura 3-19 - O TC toroidal experimental ...................................................................62 Figura 3-20 - O circuito condicionador de corrente ....................................................62 Figura 3-21 - Adicionando offset ao sinal do TC ........................................................63 Figura 3-22 - Resultados obtidos da placa experimental .............................................64 Figura 3-23 - Simulação dos limites de tensão ............................................................65 Figura 3-24 - Resultados obtidos da placa experimental .............................................65 Figura 3-25 - Freqüência de corte ................................................................................66 Figura 3-26 - Placa experimental montada ..................................................................67 8 Figura 4-1 – Localização dos sensores de tensão ........................................................69 Figura 4-2 - Esquema do TC .......................................................................................72 Figura 4-4 - Esquemático do regulador de tensão .......................................................77 Figura 4-5 - O TP no regulador de tensão ...................................................................81 Figura 4-6 - O RCT1 e o RCT2 no painel traseiro da caixa do sistema de controle ..82 Figura 4-7 - Circuito condicionador de tensão ............................................................84 Figura 4-8 - Sinal deslocado e atenuado ......................................................................85 Figura 4-9 - Resultado experimental ...........................................................................85 Figura 4-10 - Ganho e freqüência de corte ..................................................................86 Figura 4-11 - Circuito de alimentação simétrica .........................................................88 Figura 5-1 - Localização das buchas S e L ..................................................................91 Figura 5-2 - O circuito alimentador .............................................................................93 Figura 5-3 - Operações de manobra.............................. Erro! Indicador não definido. Figura 5-4 - Posição das chaves no equipamento regulador .......................................95 Figura 5-5 - Chaves de manobra no regulador de tensão ............................................96 Figura 5-6 - Chave by-pass ..........................................................................................97 Figura 5-7 - Chaves do painel de controle ...................................................................98 Figura 5-8 - Curto-circuitando o equipamento regulador de tensão ............................99 Figura 5-9 - Contator a vácuo 3TL71 da Siemens.....................................................101 Figura 5-10 - Sistema de autoproteção para circuito monofásico .............................103 Figura 5-11 - Sistema de autoproteção para circuito trifásico ..................................104 9 LISTA DE TABELA Tabela 2-1- Tensões fonte/carga para o regulador tipo A ...........................................31 Tabela 2-2 -Tensões fonte/carga para o regulador tipo B............................................32 Tabela 2-3 - Comparação entre o tipo A e o tipo B .....................................................32 Tabela 2-4 - Faixas de regulação x corrente ................................................................36 Tabela 2-5 - Padronização de reguladores ...................................................................41 Tabela 3-1 - Tabela comparativa .................................................................................66 Tabela 4-1- Cargas dos aparelhos de medição ............................................................70 Tabela 4-2 - Cargas nominais padronizadas dos TP´s .................................................71 Tabela 4-3 - Características elétricas dos TP´s ............................................................74 Tabela 4-4 - Ligações de derivação e níveis de tensão (50Hz) ...................................78 Tabela 4-5 - Relações de RCT .....................................................................................80 Tabela 5-1 - Dados de aplicação de pára-raios shunt ..................................................92 Tabela 5-2 - Caracteristicas elétricas do contator a vácuo 3TL81 ............................102 10 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ..............................................................................................12 2 OS REGULADORES DE TENSÃO .............................................................15 2.1 Sobre os tipos de reguladores de tensão ...........................................................15 2.2 O regulador de tensão monofásico de 32 degraus ............................................17 2.2.1 Principio de funcionamento do regulador de tensão ...............................18 2.2.2 Funcionamento do regulador de tensão do tipo degrau...........................25 2.2.3 Tipos de regulador por degraus ...............................................................27 2.2.4 O sistema de controle (Relé regulador) ...................................................33 2.3 Tipos de conexões em bancos de reguladores ..................................................39 2.4 Dimensionamento de reguladores .....................................................................41 2.5 Conclusões ........................................................................................................43 3 AQUISIÇÃO DE DADOS – O SENSOR DE CORRENTE .......................44 3.1 A localização do sensor no equipamento regulador de tensão .........................44 3.2 O sensor tipo garra de corrente .........................................................................45 3.3 O sensor de efeito hall.......................................................................................47 3.3.1 O efeito Hall ............................................................................................47 3.3.2 O sensor de corrente ................................................................................49 3.4 O transformador de corrente toroidal................................................................54 3.4.1 Os tipos de transformadores de corrente .................................................54 3.4.2 O transformador de corrente toroidal ......................................................55 3.5 A escolha do sensor de corrente........................................................................58 3.5.1 O monitoramento da corrente nos reguladores de tensão monofásicos de 32 degraus.........................................................................................................58 3.5.2 Colhendo o sinal do TC do regulador de tensão .....................................60 3.6 O circuito condicionador de corrente................................................................61 3.7 Conclusões ........................................................................................................67 4 AQUISIÇÃO DE DADOS – O SENSOR DE TENSÃO .............................68 4.1 O sensor de tensão ............................................................................................68 4.2 A localização do sensor no equipamento regulador de tensão .........................68 11 4.3 O transformador de potencial (TP) ...................................................................69 4.4 Características do circuito de tensão em reguladores de tensão monofásicos de 32 degraus ...............................................................................................................75 4.4.1 O uso do TP no regulador de tensão monofásico de 32 degraus ............75 4.4.2 Cálculo da relação total de transformação ..............................................77 Exemplo .................................................................................................78 4.5 Colhendo o sinal do TP do regulador de tensão ...............................................80 4.5.1 Efetuando a coleta do sinal do RCT ........................................................81 4.5.2 O circuito condicionador de tensão .........................................................83 4.6 Sobre a alimentação do circuito de aquisição de dados ....................................87 4.6.1 Alimentação via RCT ..............................................................................87 4.6.2 Alimentação via sistema de controle do regulador de tensão de 32 degraus ..............................................................................................................88 4.7 Conclusões ........................................................................................................89 5 ATUAÇÃO DA PROTEÇÃO .......................................................................90 5.1 Sobre o atual sistema de proteção dos reguladores de tensão monofásicos de 32 degraus ...............................................................................................................90 5.1.1 Proteção contra surtos de tensão .............................................................90 5.1.2 Proteção contra faltas ..............................................................................93 5.2 Análise do sistema de proteção .........................................................................94 5.2.1 Sobre os procedimentos de manobra .......................................................95 5.2.2 Sugestões descartadas para a proteção ....................................................96 5.3 Definindo a proteção do equipamento regulador de tensão..............................99 5.4 O dispositivo de atuação .................................................................................100 5.5 Visão geral do sistema de autoproteção ..........................................................102 5.6 Conclusões ......................................................................................................104 6 CONCLUSÕES ............................................................................................106 12 RESUMO Este trabalho tem por objetivo apresentar o desenvolvimento de um estudo de aquisição de dados e atuação para a implementação de um dispositivo de proteção para reguladores de tensão em linhas de distribuição de energia elétrica. Para tanto, foi feita uma análise do atual sistema de proteção dos reguladores bem como das possibilidades de promover adicional proteção, para que estes equipamentos venham de fato terem a sua vida útil preservada. Foi desenvolvido também um sistema de aquisição de sinais de corrente e tensão, a partir de sensores de corrente e tensão utilizados no próprio equipamento regulador. 13 1 INTRODUÇÃO A motivação para realizar o referido projeto pode ser entendida da seguinte forma: Geralmente as unidades monofásicas de reguladores de tensão possuem proteção contra surtos de tensão através de uso de para raios, porém nem sempre esta proteção é garantida, pois há correntes de fuga devido a condições não previsíveis e estas correntes causam a elevação de temperatura nos enrolamentos e a conseqüente queima dos mesmos. Entretanto, estes reguladores não possuem autoproteção e nem a proteção do conjunto de reguladores em termos de sobre-correntes e surtos de tensão, quando instalados em redes primárias trifásicas de distribuição de energia. Este projeto constitui-se numa complementação de outro projeto ora em desenvolvimento que trata do desenvolvimento e implementação de uma interface digital usando um Microcontrolador PIC, para o processamento de dados. O objetivo deste estudo pode ser esclarecido com o diagrama funcional ilustrado na figura 1-1. Regulador Aquisição Processamento Atuação de de de da Tensão Dados Dados Proteção (A) (B) (C) (D) Figura 1-1 - Diagrama funcional Sendo: (A) O equipamento Regulador de Tensão; (B) O sistema de aquisição de dados que será analisado ao longo deste trabalho; (C) O sistema de processamento de dados que faz parte de outro trabalho ora em desenvolvimento; (D) O sistema de atuação da proteção do regulador que também será analisado ao longo do desenvolvimento deste trabalho. 14 Assim, este trabalho apresenta um estudo de um sistema de proteção para reguladores de tensão o qual fornecerá dados suficientes para a compreensão do funcionamento básico do regulador monofásico de tensão de 32 degraus (escopo A); apresentará uma proposta de um sistema de aquisição de dados de tensão e de corrente com uma relação custo-benefício satisfatória (escopo B), que venha a interagir de forma eficaz com a placa controladora responsável pelo processamento de dados (escopo C) e analisará o atual sistema de proteção do equipamento propondo, se possível, uma forma eficiente de atuação da proteção (escopo D). O segundo capítulo traz diversas informações sobre os reguladores de tensão monofásicos por degraus, o terceiro e quarto capítulos fazem uma análise do equipamento regulador de tensão, onde serão feitas propostas para o sistema de aquisição de dados (tensão e corrente) e o quinto capítulo vem a fazer o estudo da atuação do equipamento regulador de tensão. 15 2 OS REGULADORES DE TENSÃO Os sistemas elétricos devem apresentar requisitos mínimos de qualidade tais como tensão estável, ausência de perturbações e ruídos e a maior disponibilidade possível. Do lado dos consumidores, principalmente industriais, duas situações podem se apresentar: 1- Instalações dotadas de equipamentos sensíveis ou alimentados por redes que apresentam acentuada variação de tensão por limitação do sistema de distribuição local; 2- Instalações dotadas de sistemas de elevada potência que requerem tensões variáveis em grandes faixas para sua operação. Nos dois casos, são empregados sistemas condicionadores de tensão, os quais se não forem adequadamente concebidos e dimensionados, comprometem tanto a instalação que alimentam quanto a rede elétrica a qual estão conectados, propagando perturbações para outros consumidores e diminuindo, portanto, a qualidade da energia disponível no sistema de distribuição. Na seção 2.1 são apresentados alguns tipos de reguladores de tensão e suas características, consideradas relevantes, para a escolha de um regulador que resalva o problema observado. Na seção 2.2 é feito um detalhamento do regulador de tensão monofásico de 32 degraus, escolhido como referência para que se alcance o objetivo proposto no capítulo 1. A seção 2.3 descreve os tipos de conexões em bancos de reguladores. Na seção 2.4 é mostrado o dimensionamento de reguladores e por fim, na seção 2.5, são mostradas as conclusões deste capítulo. 2.1 Sobre os tipos de reguladores de tensão Os equipamentos condicionadores de tensão, de grande potência comumente utilizados, são os transformadores com derivações comutáveis por meio de comutador sob carga ou por sistemas recortadores de tensão baseados em eletrônica de potência. No primeiro caso, as faixas de variação são estreitas, o ajuste é feito em degraus, com pequenos transitórios de comutação e, em sistemas, que requerem ajuste 16 muito freqüente, o severo desgaste do comutador, resulta em grande incidência de manutenção e redução da disponibilidade do equipamento. No segundo caso, os recortadores a tiristores permitem grandes faixas de variação, ajuste contínuo, porém introduzem sérios problemas de harmônicos e ruídos elétricos na instalação e na rede. Em algumas aplicações de baixa tensão de saída, utilizam-se ainda os variadores de escovas de deslocamento helicoidal, que tem como fator limitante a existência dos contatos deslizantes. Todos os equipamentos acima citados apresentam sérias restrições e eventuais sobrecargas além de serem muito susceptíveis a curtos-circuitos na saída. O regulador de tensão de indução é uma solução para o condicionamento de tensão em sistemas de grande porte que apresentam muitas e expressivas vantagens sobre os equipamentos anteriormente citados, tendo apenas como aspecto negativo o seu custo que é ligeiramente superior para a mesma potência e faixa de variação. Sua construção é similar à da máquina assíncrona de rotor bobinado, constituindo-se de um transformador de campo rotativo e fase variável na configuração trifásica, e de um transformador de acoplamento variável na configuração monofásica. Uma adequada conexão entre enrolamentos do primário e secundário produz tensão variável na saída em função do ângulo relativo entre estator e rotor. A faixa de variação da tensão é completamente percorrida numa excursão bastante limitada desse ângulo sendo o acesso ao rotor feito por meio de cabos flexíveis, dispensando o uso de contatos móveis como anéis coletores e escovas. O posicionamento entre rotor e estator é realizado por um simples sistema mecânico motorizado. Dessa forma o regulador de indução permite uma variação contínua da tensão de saída, com a vantagem de não possuir nenhum elemento de desgaste ou contato móvel. Isso permite uma alta confiabilidade e capacidade de sobrecarga, ilimitada freqüência de ajustes e ciclos de variação da tensão, além de apresentar bom comportamento durante curtos-circuitos. Dentre os diversos tipos de reguladores, este trabalho irá tomar como referência o regulador de tensão monofásico de 32 degraus, por se tratar do regulador de maior abrangência em unidades reguladoras nos sistemas de distribuição, em especial, o sistema de distribuição da ESCELSA. 17 2.2 O regulador de tensão monofásico de 32 degraus A aplicação de reguladores de tensão, nos sistemas de distribuição de energia elétrica teve início na década de 40, nos países desenvolvidos. Principalmente no EUA, em função de sua grande extensão territorial, onde os centros de consumo estão espalhados por vastas áreas, distantes dos pontos de geração, e, aliado a isso, o aparecimento de grande quantidade de novos aparelhos eletroeletrônicos, sensíveis a oscilações de tensão, fez aumentar as reclamações dos consumidores, que passaram a exigir boa qualidade na distribuição de energia elétrica. Por conta disso, hoje se encontram instalados em vários pontos daquele país dezenas de milhares de reguladores, fornecendo aos pontos de consumo uma regulação de tensão adequada e conferindo qualidade ao fornecimento de energia. Isso traz pelo menos três conseqüências benéficas: 9 Satisfação do consumidor; 9 Redução das perdas na distribuição; 9 Aumento do faturamento das concessionárias de energia elétrica. O Brasil apresenta certa similaridade com os EUA no que se refere ao espaço territorial, o que viabiliza a utilização dos reguladores de tensão. Estes têm grande aceitação por parte das concessionárias, por razões econômicas, de simplicidade e versatilidade. Além disso, hoje há reguladores de tensão totalmente fabricados no Brasil, o que elimina os problemas de obtenção de peças de reposição verificados até 1986, quando tais equipamentos eram total ou parcialmente (comutador de derivações em carga) importados dos EUA. Na seção 2.2.1 é mostrado o princípio de funcionamento do regulador de tensão, bem como alguns detalhes com relação à comutação sob carga. A seção 2.2.2 apresenta detalhe do funcionamento do regulador de tensão do tipo degrau, sendo apresentado, na seção 2.2.3, os tipos de reguladores monofásicos do tipo degrau normalmente encontrados, bem como uma análise 18 comparativa entre eles. Na seção 2.2.4 é feita uma análise sobre o sistema de controle do regulador de tensão. 2.2.1 Principio de funcionamento do regulador de tensão O princípio de funcionamento de um regulador de tensão é similar a de um auto-transformador, ou seja, existe, além do acoplamento magnético entre o primário e o secundário, um acoplamento elétrico, conforme ilustra a figura 2-1 Figura 2-1 - Auto-transformador Há duas formas de se executar a ligação elétrica entre o primário e o secundário, tornando o auto-transformador elevador conforme figura 2-2, ou abaixador conforme figura 2-3. Figura 2-2 - Auto-transformador elevador Figura 2-3 - Auto-transformador abaixador 19 Conforme pode ser visto nas figuras 2-2 e ,2-3, é a polaridade das bobinas que determina a ligação elétrica para o auto-transformador funcionar como abaixador ou elevador. Portanto, vamos adicionar uma chave inversora de polaridade no circuito, para possibilitar que o auto-transformador funcione como elevador e abaixador, conforme a figura 2-4. Figura 2-4 - Chave inversora de polaridade Adicionando tape’s a bobina “C”, passamos a ter degraus de tensão, conforme figura 2-5. Figura 2-5 - Tape´s de derivação Logo, se a carga estiver ligada no tape 1, e se for preciso alterar sua ligação para o tape 2, será necessário interromper o circuito, ou seja, desligar o regulador. Para que isso não aconteça, a solução é adicionar um reator ao circuito, porque enquanto uma das extremidades (pernas) do reator é deslocado para o tape 2, a alimentação da carga se figura 2-6. faz através da outra extremidade do reator, conforme 20 Figura 2-6 - Reator Considere, para isso, com o intuito de melhorar o detalhamento do circuito do reator, um pedaço da bobina “C”. Considere ainda que inicialmente as duas extremidades do reator estejam na posição 0 (neutra), conforme figura 2-7: Figura 2-7 - Reator posição de neutro Finalmente, considere que a outra extremidade do reator altere (viaje) para o próximo tape como mostra a figura 2-8. A tensão aplicada aos terminais do reator é Vd, mas a tensão na carga aumentará ou diminuirá na proporção de center tape, o que explica o reator ser um divisor de tensão. Vd , devido ao 2 21 Figura 2-8 - Reator posição de tap 1 Analisando o circuito da figura 2-8, quando “B” sair do tap 0, e estiver sendo deslocado para o tape 1, a energização do circuito se fará através de “A”, conforme já explicado anteriormente. Ao ser aplicada a tensão Vd sobre os terminais do reator, circula uma corrente interna, IC (figura 2-9). Esta corrente deve ser limitada para que não ocorra o desgaste excessivo dos contatos do comutador e a vida útil dos mesmos seja preservada. A determinação do limite da corrente circulante interna no reator parte do princípio da extinção de arco em um circuito conforme ilustra a figura 2-9. Figura 2-9 - Corrente circulante Analisando a figura 2-9 as equações 2-1 e 2-2 podem ser inferidas, utilizando as Leis de Kirchhoff no referido circuito. 22 VR = 2Vb – Vd Equação 2-1 Onde VR é a tensão sobre a chave no momento da comutação, Vb a tensão em cada metade da bobina do reator e Vd a tensão na bobina principal do equipamento. IR = ½IL - IC Equação 2-2 Onde IR é a corrente de arco que circula durante a comutação de tape, Ic é a corrente circulante interna no reator e IL é a corrente da carga.. A partir deste ponto, desenvolveram-se estas equações e conclui-se que o reator deve ser projetado para uma corrente circulante dada pela equação 2-3, onde a idéia é de se fazer com que a corrente de arco durante a comutação caia a zero. A tolerância para o ensaio de corrente circulante é de ± 20%. IC = 50% IL Equação 2-3 O núcleo do reator possui de 1 a 2 “Gap’s” que são dimensionados para que a corrente circulante se estabeleça dentro dos parâmetros anteriores. Estes “gap’s” são preenchidos com fenolite ou premix [1]. Contudo, ao longo da vida útil do regulador, o “gap” pode aumentar ou diminuir devido a vibrações e/ou temperatura e a calibração da corrente não corresponder aos parâmetros anteriores. Para exemplificar os cálculos para efeito de recalibração do reator, considere o regulador com as seguintes características: HCMR - 60Hz – 138kVA (1380 kVA) – 13800V ± 10% (32 degraus) – 100A. Projeto ⇒ IC = 0,5 x 100 = 50A ± 20% Campo ⇒ Supondo: IC = 70 A Medindo o Gap = 2 x 10,5 = 21mm Para recalibrar se faz a proporção direta, a saber: 70 A corresponde a 21mm 23 50 A corresponde a X Então X = 15mm ⇒ 2 x 7,5mm O reator apresenta a característica de possibilitar a circulação da corrente de carga, IL, não constituindo impedância para esta corrente. Isto acontece por causa do center tape, que promove a circulação da metade de IL por um lado do reator (A) e a outra metade de IL por outro lado do reator (B), conforme figura 2-10. Figura 2-10 - Fluxos magnéticos no reator De acordo com a figura 2-10, tem-se que os fluxos magnéticos, pela corrente, φL 2 , criados IL , se anulam, o que em um circuito indutivo significa que a tensão 2 induzida na bobina do reator devido a circulação da corrente de carga é zero, ou seja: Vinduzida = N dφ =0 dt Equação 2-4 Entretanto, um desgaste nos contatos do comutador pode ocorrer. Para analisarmos este efeito, considere os dois circuitos mostrados nas figuras 2-11 e 2-12. No circuito da figura 2-11, como não existe tensão aplicada sobre o reator ⇒ IC = 0. 24 Figura 2-11 – Ausência de tensão no reator Já no circuito da figura 2-12, como existe tensão aplicada sobre o reator ⇒ IC ≠ 0. Figura 2-12 – Presença de tensão no reator A alternância da corrente circulante de zero (figura 2-11) para o valor 50% IL (figura 2-12) durante as comutações do regulador, causaria um elevado desgaste dos contatos do comutador devido ao L di , ou seja, a taxa de variação de corrente de zero dt para 50% seria elevada, o que causaria o aumento da tensão de arco e conseqüentemente da potência de arco. Para resolver este problema e manter a corrente circulante no reator constante em 50% IL , independentemente da posição do comutador, adiciona-se uma bobina de equalização ao circuito do reator, conforme ilustra a figura 2-13. 25 Figura 2-13 - Bobina de equalização Note que a bobina de equalização se localiza na parte ativa do transformador principal do regulador, que possibilita que esta bobina seja um elemento ativo, ou seja, uma fonte de tensão no circuito do reator, quando o mesmo estiver na condição do circuito ilustrado pela figura 2-11. Sendo assim, analisando o circuito da figura 2-14, percebe-se que a corrente circulante nesta condição muda de sentido, mas se mantém em módulo. Figura 2-14 - Corrente circulante 2.2.2 Funcionamento do regulador de tensão do tipo degrau O equipamento regulador de tensão de 32 degraus permite que se obtenha em seus terminais de saída ou em um ponto remoto do sistema uma tensão constante e pré-determinada. Ao contrário do regulador auto-booster, o regulador de tensão do tipo 26 degrau (figura 2-15) pode elevar ou reduzir o valor da tensão dos seus terminais de entrada. O regulador de tensão de 32 degraus compõe-se basicamente de um autotransformador dotado de várias derivações no enrolamento série, uma chave reversora de polaridade que permite adicionar ou subtrair a tensão do enrolamento série e um controle de componentes estáticos que possibilita realizar os ajustes necessários à regulação da tensão no nível pretendido. Estes reguladores são particularmente utilizados em redes de distribuição rural de grande comprimento, que alimentam em seu percurso comunidades urbanas. Podem ser instalados na saída do alimentador da subestação ou em determinados pontos da rede. Algumas vezes, os reguladores são utilizados para regular toda a barra da subestação em vez de somente um alimentador. Para uma queda de tensão muito elevada, pode-se utilizar os reguladores de tensão de 32 degraus, os reguladores de tensão auto-booster e bancos de capacitores em derivação. Entretanto, deve-se limitar o uso de reguladores de tensão a ser aplicado num determinado alimentador em função da capacidade térmica dos condutores ou com base nas perdas ôhmicas decorrentes. Para melhor entender o funcionamento de um regulador de 32 degraus, podese analisar o esquema apresentado pela figura 2-15. Nele, a tensão da fonte é elevada a um comutador de tape que pode variar do ponto neutro N até a derivação 8 ao longo do enrolamento série. Um transformador de potencial (um TP), instalado no lado da carga, envia um sinal para o relé regulador de tensão (o controle) e este, irá analisar este sinal comparando-o com uma tensão de referência pré-ajustada por um operador. Assim, o controle irá comandar a ordem para elevar ou reduzir a tensão, através da chave reversora. Se a chave de reversão estiver na posição VL e o comutador de derivação for assumindo tapes em ordem crescente a tensão de saída vai diminuindo. Se a chave de reversão estiver posicionada no ponto VR ocorre o processo inverso. 27 Figura 2-15 - Esquemático do regulador de tensão Nota-se no mesmo circuito, a presença de um transformador de corrente (o TC) instalado no lado da carga, cuja finalidade é a de enviar para o controle um sinal de carregamento da linha, compensando as quedas de tensão que venham a ocorrer no sistema. 2.2.3 Tipos de regulador por degraus Os tipos de reguladores por degraus, conforme NBR 11809 – Item 3.10, são: Tipo A Chamado de regulador com excitação variável, uma vez que a bobina de excitação, B, sente qualquer variação de tensão da fonte. Logo, o regulador é variável, conforme ilustra a figura 2-16. Figura 2-16 - Regulador tipo A Volt deste Espira 28 Tipo B Chamado de regulador de excitação constante, uma vez que a bobina de excitação B se localiza no lado de carga, não sentindo variações de tensão. Logo o Volt deste regulador é constante, conforme ilustra a figura 2-17. Espira Figura 2-17 -Regulador tipo B Para o regulador tipo A vamos utilizar como referência para este cálculo o regulador com as seguintes características: 13800V ± 10% - 100A, fazendo uma regulação de 1380V para a carga. Analisemos este regulador operando como regulador elevador como ilustra a figura 2-18. Figura 2-18 - Elevador (R16) Considere-se a seguinte equação VB I C = , onde: VC I B VB, IB, VC, IC são a tensão e corrente nas bobinas B e C, respectivamente. 29 Logo, 13800 I C = ⇒ IC = 10 IB 1380 IB Ainda, IF = IB + IL e IC = IL Então, 1) I L = 10 I B ⇒ I B = I L 100 = = 10 A 10 10 2) IF = IB + 100 = 10 + 100 = 110A Para se analisar como este mesmo regulador, por exemplo, opera como regulador abaixador, considere a figura 2-19. Figura 2-19 - Abaixador (L16) Logo, para IL=IC = 10IB IF = - IB + IL Então, se IB = 10 A, tem-se IF = 90A 30 Para o regulador do tipo B será considerado como referência para o cálculo das correntes o mesmo regulador utilizado para o tipo A, ou seja, o regulador 13800V ± 10% - 100A, fazendo uma regulação de 1380V para a carga. Considere inicialmente este regulador operando como regulador elevador como ilustra a figura 2-20. Figura 2-20 - Elevador (R16) Logo, 13800 I C = ⇒ IC = 10 IB 1380 IB Ainda, IF = IB + IL e IF = IC Então, 1) I C = I C 100 = + IL 10 10 IC – 0,1IC = 100 0,9IC = 100 IC = 100 = 111,1A 0,9 2) IB = 11,1A Finalmente, a análise que se segue, mostra este mesmo regulador operando como regulador abaixador como ilustra a figura 2-21. 31 Figura 2-21 - Abaixador (L16) Logo, 1) IC = 10 IB 2) IF = - IB + IL Então, 1) I C = − IC + 100 10 1,1 IC = 100 IC = 90,9A Logo, será visto a análise comparativa entre os reguladores tipo A e tipo B: Considerando que a regulação do tipo A é de + 9,1% até – 11% e a do tipo B é de ± 10%, tem-se que a regulação do tipo A e do tipo B são obtidos conforme mostrado nas tabelas 2-1 e 2-2, respectivamente. Tabela 2-1- Tensões fonte/carga para o regulador tipo A TENSÃO NA FONTE (V) TENSÃO NA CARGA (V) 13800 13800 (- 10%) = 12420 (12420 + 1242) = 13662 (+ 10%) = 15180 (15180 – 1518) = 13662 12544 13800 15332 13800 A conclusão é que este regulador não consegue regular ± 10%. 32 Concluindo: 12544 x100% = 90,0% ⇒ Re gula + 9,1% 13800 15332 x100% = 111,1% ⇒ Re gula − 11,1% 13800 Tabela 2-2 -Tensões fonte/carga para o regulador tipo B TENSÃO NA FONTE TENSÃO NA CARGA (V) (V) 13800 13800 (- 10%) = 12420 (12420 + 1380) = 13800 (+10%) = 15180 (15180 – 1380) = 13800 Concluindo: 12420 x100% = 90,0% ⇒ Re gula + 10% 13800 15180 x100% = 110% ⇒ Re gula − 10% 13800 Analisando a tabela 2-3, conclui-se que, como IC é 11,1% maior no regulador tipo B se comparada ao tipo A, as perdas no enrolamento “C” são maiores que no tipo A. Logo o tipo B tende a ser um regulador maior porque demanda mais radiador para sua refrigeração. Tabela 2-3 - Comparação entre o tipo A e o tipo B R16 TIPO A TIPO B IF (A) 110 111,1 IC (A) 100 111,1 IB (A) 10 11,1 33 L16 IF (A) 90 90,9 IC (A) 100 90,9 IB (A) 10 9,09 É importante observar ainda que o regulador do tipo B possui apenas um TP para alimentar o relé e o motor do comutador. O tipo A possui dois TP’s, um para o relé e outro para o motor, como ilustram as figuras 2-22 e 2-23. Figura 2-22 - Regulador tipo B com um TP Figura 2-23 - Regulador tipo A com dois TP´s 2.2.4 O sistema de controle (Relé regulador) O sistema de controle dos reguladores monofásicos é composto por elementos estáticos e permite obter grande versatilidade do equipamento quando em operação. Serão apresentadas nesta seção, as principais características dos sistemas de controle em reguladores de tensão monofásicos por degraus. 34 Conforme descrito no item 2.2.2, existe nos reguladores por degraus um TP instalado no lado da carga que fornece uma amostra da tensão da carga. Em circuitos de baixa tensão, normalmente o valor da tensão do secundário deste TP é 120V e quando o regulador está com tensão nominal aplicada no primário do TP, o sensor de tensão do relé regulador tem a finalidade de comparar a tensão fornecida pelo TP com a tensão de referência ajustada. Logo, supondo que esta seja de 120V, se houver uma alteração para mais ou para menos da tensão fornecida pelo TP, o relé regulador comandará o comutador de forma a ajustar a tensão do lado da carga até que se tenha 120V no secundário do TP e, conseqüentemente, tensão nominal no lado da carga. Caso haja necessidade de operação em sistemas com tensão nominal diferente a do regulador, pode-se atuar neste controle para adequar o funcionamento. Alguns fabricantes fornecem o regulador com possibilidade de funcionamento em tensões diferentes da nominal, bastando para isso modificar ligações no controle ou atuar em chaves, etc. Um ajuste de insensibilidade pode ser feito, de modo a determinar a faixa de precisão a partir da tensão de referência, dentro da qual o regulador considera que não há necessidade de comutação. Normalmente os reguladores são fornecidos com largura de faixa de 1,5 a 6V ou ±0,6% a 6% da tensão de referência como ilustrado na figura 2-24. Figura 2-24 - Largura de faixa do regulador Esta faixa de precisão pode ser utilizada, em alguns casos, como uma vantagem para o próprio equipamento, uma vez que, quanto maior esta faixa, menos 35 operações de comutação serão feitas, minimizando os desgastes internos, nos casos em que seja este um ponto crítico a considerar [2]. Um ajuste de temporização também pode ser feito. A finalidade da temporização é evitar comutações desnecessárias em função de variações rápidas de tensão. Sem ela ocorreria um número excessivo de comutações, provocando desgaste mecânico acelerado do comutador. Dessa forma, a correção de tensão se dá somente para variações de tensão cujas intensidades estejam fora dos valores ajustados pela tensão de referência e largura de faixa, e ainda, por período maior que o determinado na temporização. A faixa de temporização normalmente fornecida é de 10 a 120s, em incrementos de 10s. Este controle também apresenta uma outra função importante, que é a coordenação de dois ou mais reguladores de tensão ligados em cascata; o mais próximo à fonte deve responder mais rápido às variações de tensão para evitar um número de operações excessivas dos demais reguladores. Normalmente, o regulador mais próximo à fonte tem a temporização ajustada em 30s e os demais em 45s, em incrementos de 15s para cada banco em cascata.[1]. Um compensador de queda de tensão é um componente que simula a impedância da linha desde o banco de reguladores até o ponto onde se deseja que a tensão seja constante. O circuito básico do compensador simula as quedas de tensão existentes na linha, fazendo com que o regulador as compense. Este tipo de regulador com compensador de queda de tensão é geralmente utilizado em subestações de distribuição com o propósito de regular a tensão em um ponto remoto à frente ao longo de um alimentador primário de distribuição. Em alguns casos, esta é uma interessante estratégia de controle de tensão[2]. O secundário do TP, que fornece a amostra da tensão do lado de carga, é colocado em série com um circuito cuja resistência e indutância são imagens da resistência e indutância da linha, como pode ser visto na figura 2-25. Quando o regulador é submetido à carga, circula no TC uma corrente proporcional ao carregamento e, conseqüentemente aparece uma queda de tensão em Rc e Xc proporcional a queda de tensão da linha. 36 Figura 2-25 - Compensador de queda de tensão na linha Neste caso, a tensão “vista” pelo relé regulador é a tensão do secundário do TP menos a queda provocada pelo compensador. Logo o relé posicionará o regulador de maneira a restabelecer o equilíbrio entre a tensão que ele “vê” e a tensão de saída do regulador. Assim esta tensão de saída é maior que aquela considerada para o sistema, porém, devido à queda de tensão na linha, a tensão na carga ficará constante. O regulador de tensão permite o aumento da corrente passante (aumento de carga) com a redução da faixa de regulação. A faixa de regulação máxima normalizada é de ±10%. Porém, há no regulador ajustes capazes de limitar esta faixa nos seguintes pontos: ±10%, ±8,75%, ±7,5%, ±6,25% e ±5,0%. A atuação deste controle faz com que o comutador de derivações em carga seja bloqueado automaticamente ao atingir a tensão da faixa de regulação ajustada. A corrente de Load Bônus deve ser limitada em 668 A, conforme NBR 11809/1992. Pode-se ver na tabela 2-4 as faixas de regulação com suas respectivas correntes suplementares, conforme a NBR citada anteriormente. Tabela 2-4 - Faixas de regulação x corrente FAIXA DE REGULAÇÃO TENSÃO (%) 10,0 8,75 7,5 6,25 5 CORRENTE SUPLEMENTAR (% DA CORRENTE NOMINAL) 100 110 120 135 160 37 Os reguladores de tensão são geralmente instalados em circuitos com cargas distribuídas ao longo da linha. No caso de uso de compensador de queda na linha, como já mencionado nesta seção, as cargas imediatamente após o regulador de tensão podem ficar submetidas a tensões inadequadas. Para proteger estas cargas é recomendável o uso do limitador de tensão. Este limitará a tensão na saída do regulador dentro de um valor preestabelecido, de forma a não prejudicar os consumidores próximos, como na figura 2-26. Figura 2-26- Consumidores ao longo da linha – Vi é o ponto de regulação Os reguladores de tensão são geralmente instalados em circuitos com fluxo de potência unidirecional (fonte-carga), entretanto, quando instalados em alguns circuitos de didtribuição do tipo “anel”, pode ocorrer a inversão do fluxo de carga. Quando da ocorrência deste fenômeno, o regulador terá um comportamento inadequado, podendo causar sobretensões ou subtensões no circuito ligado ao terminal fonte do regulador. Para propiciar uma operação adequada e segura nestas condições o relé regulador possui um “detector de fluxo inverso de potência”. Este é capaz de detectar automaticamente a inversão do fluxo e fazer as seguintes alterações no funcionamento do regulador, de modo a adequar sua operação: 9 Inversão no sentido de rotação do motor do comutador sob carga; 9 Conexão do relé regulador a um TP (opcional) instalado no lado da fonte do regulador ou através da compensação de tensão feita pelo próprio controle em função da tensão da fonte e de quanto o regulador deverá aumentar ou reduzir a tensão para regular a tensão na carga. Note que o projeto do 38 regulador pode utilizar uma destas opções, cabendo ao fabricante fazer a opção; 9 Inversão da polaridade do compensador de queda na linha. Se o fluxo for novamente invertido para o sentido normal, o relé, automaticamente, faz as alterações necessárias ao circuito, a fim de adequá-lo ao seu funcionamento normal. Deve-se, contudo, atentar para não aplicar este acessório quando existe a possibilidade de funcionamento de fontes em paralelo, como ilustra a figura 2-27. Figura 2-27 - Regulador aplicado a sistema com fontes em paralelo Neste caso não é recomendável a utilização do regulador de tensão como acessório interligador dos sistemas, uma vez que quando o fluxo de potência for indefinido poderá ocorrer instabilidade no sistema de controle do regulador. O relé de controle pode possibilitar a comunicação de dados através de um software, a ser fornecido junto aos reguladores, para comunicação via serial RS-232 quando, por exemplo, um notebook é conectado ao relé. Através deste software, se tem acesso a dados como tensão na saída do banco de reguladores, corrente de carga, demanda máxima, potência ativa, potência reativa, potência aparente, fator de potência, tensão e corrente na saída do banco refletida no circuito do relé, alteração de ajustes diversos, memória de massa contendo dados como tensão de saída do banco, corrente de carga, posição do comutador de tap’s em intervalos ajustáveis de 1 em 1 minuto até 60 em 60 minutos, como requerido pelo usuário. Este relé possui dois protocolos para comunicação remota (automação): o protocolo mod-bus e o DNP 3.0. A aplicação do protocolo depende do receptor que é de responsabilidade do 39 usuário. A automação pode ser feita através de rádio, satélite, fibra óptica e outros meios aplicáveis, sendo de escolha do usuário. Para cada aplicação, o usuário deve especificar para a compra dos reguladores, qual o meio de intercomunicação para automação para que o fabricante possa possibilitar para que o projeto do controle tenha condições para tal aplicação. 2.3 Tipos de conexões em bancos de reguladores Um regulador pode regular um circuito monofásico ou uma fase de um trifásico em estrela ou delta. Dois reguladores ligados em delta aberto ou três reguladores em delta podem regular um circuito trifásico. Quando ligados em estrela aterrada, três reguladores podem regular um trifásico a quatro fios. Entretanto, três reguladores não podem ser ligados diretamente em estrela em um trifásico a três fios pois pode haver deslocamento do neutro. Em um sistema trifásico a três fios, três reguladores podem operar em estrela se seu neutro for ligado ao neutro de um banco de transformadores ligados em estrela. Na figura 2-28 podemos ver a regulação de tensão em um circuito monofásico. Figura 2-28 – Circuito monofásico Na figura 2-29 observa-se a regulação de uma fase em um circuito trifásico a quatro fios. 40 Figura 2-29 - Regulação em uma fase Segue na figura 2-30 a regulação em três fases, com dois reguladores em trifásico a três fios. Figura 2-30 -Regulação em três fases com dois reguladores Na figura 2-31 nota-se a regulação em três fases, com três reguladores multiaterrados em estrela em circuito trifásico a quatro fios. Figura 2-31 - Regulação de circuito trifásico a quatro fios 41 Segue na figura 2-32 a regulação em três fases, com três reguladores em trifásico a três fios. Figura 2-32 - Regulação de circuito trifásico a três fios Um fato interessante descoberto durante as pesquisas sobre os reguladores de tensão, é que o uso de bancos reguladores de tensão monofásicos, como os mostrados anteriormente, reduzem o custo em aproximadamente 25%, quando comparados ao uso de reguladores trifásicos[3]. 2.4 Dimensionamento de reguladores Segue abaixo, na tabela 2-5 os reguladores padronizados pela norma NBR11809/1992. Tabela 2-5 - Padronização de reguladores TENSÃO TENSÃO LIGAÇÃO DO NOMINAL NOMINAL DO BANCO DE DO SISTEMA REGULADOR REGULADORES (V) (V) NÍVEL BÁSICO DE IMPULSO 4160 2400 ESTRELA COM NEUTRO ATERRADO 60 8320 4800 ESTRELA COM NEUTRO ATERRADO 75 POTÊNCIA NOMINAL DO CORRENTE REGULADO DE LINHA (A) R (KVA) 200 50 300 75 400 100 500 125 668 167 1000 250 100 50 150 75 200 100 250 125 334 167 42 13200 7620 ESTRELA COM NEUTRO ATERRADO 13800 13800 TRIÂNGULO 24940 34500 95 95 14400 ESTRELA COM NEUTRO ATERRADO 150 (TENSÃO APLICADA = 50KV) 19920 ESTRELA COM NEUTRO ATERRADO 150 (TENSÃO APLICADA = 50KV) 250 333 38,1 57,2 76,2 114,3 167 250 333 416 509 69 138 207 276 414 552 500 668 50 75 100 150 219 328 438 546 668 50 100 150 200 300 400 72 144 216 288 333 432 576 667 833 100 200 333 400 667 833 50 100 150 200 231 300 400 463 578 50 100 167 201 334 418 Utilizando a tabela anterior, segue um exemplo de como dimensionar um regulador. Considere como dados: Carga de 10MVA; Tensão da regulação: 13800V; Fonte em estrela com resistência de aterramento menor que 20 Ohms; Ligação do banco em estrela. Para isso, a corrente é: I= 10000kVA 3 x13,8kV = 418 A 43 A tensão nominal do regulador deve ser: VN = 13800 3 = 7967V Analisando a tabela anterior, escolhemos o regulador de 333kVA – 7620V – 438A, e com tensão adicional 7967V. 2.5 Conclusões Como pode ser visto, o regulador de tensão é um equipamento de suma importância no que diz respeito à regulação de tensão, e em se tratando do regulador de 32 degraus, este vem se mostrando bastante eficiente, apesar de, já existir regulador de maior eficiência quanto à regulação como é o caso do regulador de indução. No próximo capítulo, será apresentado o tipo de sensor de corrente, proposto neste estudo, para se promover a aquisição de dados, a níveis aceitáveis para processamento em uma placa controladora, para compor o sistema de auto proteção do equipamento regulador de tensão. 44 3 AQUISIÇÃO DE DADOS – O SENSOR DE CORRENTE O objetivo principal deste capítulo é o de mostrar como foi solucionado um dos problemas para se promover a aquisição de dados que, inicialmente, foi o de converter correntes alternadas cujos valores podem superar os 500 A e com nível de isolação da ordem de 15kV, em um sinal que possa ser analisado por uma placa controladora. Para isso, serão abordados neste capítulo, os tipos de sensores de corrente pesquisados, durante este estudo, para exercer a função de monitoramento da corrente nos reguladores de tensão monofásicos de 32 degraus, bem como o circuito que transformará o sinal de tal sensor em um sinal que possa ser analisado, por exemplo, por um microcontrolador do tipo PIC. Também fará parte deste, mostrar os resultados de simulação com o ORCAD 9.2 e fazer um comparativo com os resultados medidos em placa de protoboard fazendo uso de osciloscópio. 3.1 A localização do sensor no equipamento regulador de tensão No decorrer deste estudo, foram analisadas inicialmente as possibilidades de se fazer o sensoriamento da corrente diretamente nos condutores externos ligados ao lado da fonte e/ou no lado da carga do equipamento regulador de tensão como pode ser visto na figura 3-1 que ilustra a vista superior de um circuito monofásico. Figura 3-1 - Localização dos sensores de corrente 45 Outro tipo de análise levada em consideração foi a necessidade de se fazer o sensoriamento da corrente tanto no lado da fonte, como no lado da carga simultaneamente, o que não se fez necessário, como será discutido posteriormente. Ainda com relação à localização do conjunto de monitoramento da corrente como um todo (sensores, circuito amplificador e placa controladora) o mesmo deverá localizar-se externamente ao equipamento regulador de tensão, formando um conjunto junto à placa controladora responsável pelo processamento dos dados provenientes do monitoramento da corrente, como exemplifica a figura 3-2, de modo que não venha a interferir no funcionamento do equipamento regulador de tensão, a não ser que a intervenção seja proveniente de uma “decisão” tomada pela placa controladora após a análise dos dados monitorados, a fim de se promover a autoproteção do equipamento regulador de tensão. Figura 3-2 - Localização do módulo de proteção 3.2 O sensor tipo garra de corrente Ao iniciar o estudo sobre o sensor de corrente a idéia inicial era a de se fazer o uso de sensor do tipo garra de corrente. Este sensor é muito utilizado em amperímetros do tipo alicate e pode ser encontrado separadamente, ou seja, apenas a garra de corrente . As garras de corrente tem como função transformar correntes altas em tensões bem pequenas na faixa de mV, para que seja possível medir altos valores de corrente em um multímetro. Esta transformação acontece da seguinte maneira: quando uma dada corrente alternada é aplicada na garra, esta gera um campo magnético, este 46 campo magnético vai induzir uma tensão nos terminais do multímetro e este irá amostrar o valor em mV o qual deverá ser transformado em A. A garra para corrente AC transforma o valor da corrente AC medida em um condutor em uma referência de tensão AC RMS, ou seja, deve ser utilizada em conjunto com um medidor de tensão AC para que o valor transformado possa ser apresentado em um mostrador. Este medidor de tensão pode ser um multímetro, no entanto deve apresentar algumas características específicas, como medir tensão AC, possuir impedância de entrada maior ou igual a 1Mohm e possuir uma faixa escala de medida de 2V ou mais sensível. Já com correntes DC, é aplicada uma dada corrente em um certo tipo de material, este material gera diferença de potencial entre as suas extremidades, esta diferença de potencial será enviada para os terminais do multímetro, no qual estará amostrando o resultado em mV. A relação de transformação das garras de corrente, como por exemplo, nos modelos “Minipa 265” e “CA-600” é a seguinte: 1mV/A, isso quer dizer que se a garra estiver recebendo 300A ela irá transformar para 300mV e é este o valor que vai ser enviado para o multímetro. Com relação a se fazer uso deste tipo de sensor como elemento acondicionador de corrente, algumas das características analisadas em catálogos de fabricantes [4], se enquadram no perfil do sensor procurado, entre elas destacam-se: 9 Erro de leitura variando de 0,5 a 2% dependendo do modelo e da faixa de leitura das garras; 9 Faixa de corrente a ser medida podendo ser encontrada desde mA até 3kA em alguns modelos de garras; 9 Sinal de saída da garra de corrente compreendido entre 0 e 1V. À primeira vista, este sensor, como pode ser visto nos dados acima, se enquadraria perfeitamente no perfil do sensor procurado, não fosse um outro fator muito importante a ser levado em consideração que é o nível de isolação destes aparelhos. As garras de corrente possuem um nível de isolação de 300V ou 600V 47 dependendo da sua categoria e em alguns modelos podem chegar aos 750V. Segundo um dos fabricantes consultados[4], fazer uso das mesmas para efetuar medidas de corrente em níveis de tensão da ordem de 15kV torna-se inviável devido ao campo elétrico gerado nestes níveis de tensão, que criam correntes induzidas que interferem na isolação da garra de corrente e pondo em risco a utilização da mesma. Dados os fatos expostos anteriormente com relação ao uso da garra de corrente como elemento sensor em reguladores de tensão, chega-se num primeiro momento, a conclusão de que fazer uso da mesma é inviável por ser este um sensor que apresenta incompatibilidade técnica com relação aos níveis de tensão a que estão sujeitos os equipamentos reguladores de tensão monofásicos de 32 degraus. 3.3 O sensor de efeito hall Uma das opções que este estudo veio a considerar foi o uso do sensor de efeito Hall para o monitoramento da corrente nas condições previstas anteriormente. Custo, desempenho e benefício são algumas considerações a serem questionadas quanto ao uso deste tipo de tecnologia. Muitas vantagens podem influenciar na decisão do uso deste tipo de sensor como, por exemplo, a alta velocidade de operação, a larga faixa de temperatura (-40ºC a +150ºC), isolação galvânica e a ausência de partes móveis. 3.3.1 O efeito Hall Será descrito, um pouco sobre a teoria do efeito hall. Quando um condutor percorrido por uma corrente elétrica é inserido em campo magnético, gera-se uma tensão que é perpendicular a corrente e ao campo magnético, este princípio é conhecido como o efeito Hall. A figura 3-4 ilustra o princípio básico do efeito Hall. Ela mostra uma lâmina fina de material semicondutor, o elemento Hall, sendo percorrido por uma corrente. Quando não temos a presença do campo magnético, a distribuição da corrente é uniforme e não temos diferença de potencial no lado da saída, ou seja, V=0. 48 Figura 3-3 - Princípio básico do efeito Hall Quando um campo magnético perpendicular à corrente está presente, como pode ser visto na figura 2-5, a força de Lorentz é exercida sobre a corrente, causando um distúrbio na distribuição da mesma, resultando em uma diferença de potencial no lado da saída, resultando em V≠0. A interação do campo magnético e da corrente é mostrada pela equação 2-1, onde VH é a tensão Hall, I a corrente que circula no material semicondutor e B a intensidade do campo magnético. Figura 3-4 - Campo magnético x corrente VH ∞ I x B Equação 3-1 Os sensores de efeito Hall podem ser aplicados em diversos tipos de dispositivos. Se o parâmetro a ser percebido pelo sensor puder ser incorporado por um campo magnético, um sensor de efeito Hall poderá ser utilizado. O elemento Hall é um sensor de campo magnético básico, ele requer um condicionamento de sinal para que a saída possa ser usada em diversas aplicações. O sinal eletrônico condicionado precisa passar por um estágio de amplificação e de compensação de temperatura, como pode ser visto no esquema básico da figura 2-6. 49 Figura 3-5 - Circuito condicionador de sinal A tensão Hall ( VH ) é um sinal de baixo nível, da ordem de 30microvolts na presença de um campo magnético de 1 gauss [5]. Este baixo nível de saída requer uma amplificação com baixo ruído, alta impedância de entrada e ganho moderado. Um amplificador diferencial com estas características pode ser integrado com o elemento Hall usando a tecnologia padrão de transistor bipolar. A compensação de temperatura também pode ser facilmente integrada. O propósito do regulador mostrado na figura 2-5 é a de manter a corrente constante para que a saída do sensor reflita apenas a intensidade do campo magnético. 3.3.2 O sensor de corrente Ao se pesquisar por sensores de efeito Hall procurou-se fazer a opção por fabricantes que promovem o desenvolvimento, fabricação e produção de sensores e instrumentos dedicados ao sensoriamento e medição de parâmetros elétricos. Optou-se, neste estudo, em se fazer uso da divisão de sensores do fabricante SECON, empresa pioneira do Brasil, na produção de sensores de corrente elétrica por efeito Hall que tem como foco os sensores isolados de grandezas elétricas, oferecendo assim, um produto de boa qualidade e com tecnologia totalmente nacional. Na linha de instrumentos, este fabricante oferece uma ampla variedade de modelos de amperímetros e voltímetros, além de ter uma ampla experiência na criação 50 de soluções definidas em instrumentação digital para medição de parâmetros elétricos como, por exemplo, em processos de soldagem. Os sensores de corrente elétrica por efeito Hall realimentado SECON são especiais por possuírem as seguintes características: 9 Podem medir corrente contínua e alternada; 9 Possuem isolação galvânica; 9 Trabalham em ambiente industrial. Algumas aplicações dos sensores SECON: 9 Inversores; 9 Solda elétrica; 9 Galvanoplastia; 9 Acionamentos elétricos. No estudo deste projeto, optou-se pela escolha de um sensor de corrente da linha CI da SECON , cujo funcionamento será descrito a seguir. Para se ter uma saída em tensão a partir da saída em correntes dos sensores SECON é necessário que se coloque um resistor RM como demonstra a figura 3-8. Figura 3-6 - Resistor RM A figura 3-9 ilustra as correntes de primário e secundário do sensor. 51 Figura 3-7 - Correntes de primário e secundário Para se obter maior resolução no sinal de saída em medidas de correntes baixas, pode-se passar o condutor N vezes pela janela do primário do sensor, como ilustra a figura 3-10. Figura 3-8 - Relação Ip x I Algumas considerações sobre o dimensionamento do resistor RM podem ser vistas na figura 3-11 e equação 2.2. Figura 3-9 – Considerações São elas: RM2>RM1 e VS2>VS1 para IS2=IS1 Equação 3-2 52 O modelo escolhido em nosso estudo para se promover o monitoramento da corrente foi o SECOHR 500 BRC, que é um sensor de corrente elétrica por efeito Hall realimentado, usado para medir corrente contínua e alternada com isolação galvânica e sinal de saída em corrente (alta imunidade ao ruído). Para ter-se uma saída em tensão, basta colocar um resistor RL em série com a saída S do sensor, como visto anteriormente e como mostra o diagrama de conexões na figura 3-12. As dimensões físicas podem ser vistas na figura 3-13. Figura 3-10 - Diagrama de conexões Características técnicas do SECORH 500 BRC: Corrente nominal: 500 A. Faixa de medida: ±1000 A. Razão de saída: 1 : 5000. Erro total máx (70°C): ±3 % da nominal. Tensão de alimentação: ±15V DC (±5%). Temperatura de operação: 70 °C. Corrente de operação: 25 mA + IS. Resistência interna a 70°C. 65 ohms. RLMáx = (13-65. IxMáx )/ IxMáx (IxMáx = Corrente máxima na saída S) Obs: grande parte do erro (80%) é devido ao erro de offset DC que pode ser desconsiderado em medidas AC desacopladas. 53 Uma das preocupações com relação a se fazer uso deste tipo de sensor foi com relação à isolação galvânica citada anteriormente. A questão levantada era de que se o isolamento galvânico deste sensor seria suficiente para, por exemplo, efetuar medidas de corrente em um regulador monofásico de 32 degraus operando com um nível de tensão de 13,8kV. Ao se fazer contato com o fabricante, este afirmou ser possível e recomendou o uso do modelo SECOHR 500 BRC, visto anteriormente, ou ainda do modelo SECOHR 500 TC1, por possuírem características semelhantes. Figura 3-11 – Dimensões do sensor SECOHR 500 BRC Faremos agora um exemplo de dimensionamento do resistor RL do sensor SECOHR 500 BRC, segundo a equação 3-3 fornecida pelo fabricante[6]. RLMáx = (13-65. IxMáx )/ IxMáx (IxMáx = Corrente máxima na saída S) Equação 3-3 Como visto anteriormente, temos que IxMáx ( corrente de operação) será dada como na equação 3-4. 54 IxMáx = 25mA + IS Equação 3-3 Tomemos inicialmente IS = 5mA. Logo, teremos que IxMáx=30mA. Fazendo-se uso da equação 2-3, chega-se a um valor calculado de 368,33Ω e a um valor comercial para RL de 390Ω. Para este valor de RL, temos que o novo valor de IxMáx será de 28,6mA o que implica em uma potência de dissipação de 320mW. Baseando-se nos cálculos apresentados para o resistor RL, seus dados para especificação serão: Resistor de 390Ω, 1W, ±10%, para IS = 5mA. Vista as características do sensor de efeito Hall, estudado até o momento, conclui-se que este pode vir a ser o sensor ideal a ser utilizado em nosso projeto para promover o monitoramento de correntes em reguladores monofásicos de tensão de 32 degraus. Um dos inconvenientes apresentados por este tipo de sensor foi o seu custo elevado, o que nos levou a continuar o estudo a procura de um outro sensor para se efetuar o monitoramento, como será apresentado a seguir. 3.4 O transformador de corrente toroidal Um outro tipo se sensor de corrente cogitado neste estudo, foi o transformador de corrente (TC) do tipo toroidal, um tipo de sensor para monitoramento de correntes de alto valor que atualmente, são utilizados em aplicações diversas áreas como companhias de telecomunicações, equipamentos médico-odontológicos, automação, áudio e de outros setores como o de medição de energia e iluminação. 3.4.1 Os tipos de transformadores de corrente Veremos inicialmente os tipos de TC´s encontrados no mercado e algumas de suas características. Seguem abaixo alguns tipos de transformadores de corrente e suas aplicações: 55 9 TC tipo bucha: Possui o enrolamento secundário isolado e montado no núcleo, sendo o enrolamento primário constituído de um condutor isolado. Este condutor é parte integrante de transformadores e disjuntores. São mais precisos para correntes elevadas e menos precisos para baixas correntes; 9 TC tipo janela: Possui o enrolamento secundário isolado e montado no núcleo. O condutor passante representa o primário. A diferença em relação ao TC de bucha é que o ar é utilizado como material isolante. Muito utilizado em 13.8kV; 9 TC tipo barra: Possui o enrolamento primário e secundário isolados e montado no núcleo. O primário consiste de uma barra colocada no interior da janela do núcleo. Adequado para resistir a esforços de grandes sobrecorrentes. Deve-se tomar cuidado na montagem para evitar obstruir a barra por esforços magnéticos; 9 TC tipo pedestal: Possui o primário e secundário enrolados num núcleo toroidal, sendo largamente utilizado nas classes de tensão de 25 e 138kV. 3.4.2 O transformador de corrente toroidal O TC toroidal é um tipo de transformador de corrente que permite que o condutor principal passe "por dentro" do transformador sem sofrer interrupções. Além disso, a corrente de magnetização é sensivelmente menor no núcleo toroidal, o que permite uma maior precisão nas medições. A alta eficiência do transformador toroidal se deve ao fato de que o núcleo não apresenta "gaps" (cortes na chapa) como pode ser visto na figura 3-14, que para o fluxo magnético, são como buracos. Dessa forma, obtém-se um maior desempenho por meio de uma chapada homogênia e de material superior. Pela sua própria constituição, esse tipo de transformador oferece vantagens, como baixa irradiação do campo magnético, operação silenciosa, corrente em vazio baixa, tamanho reduzido, o que o torna de 40% a 60% mais leve que os convencionais, além de fácil montagem. 56 Durante a pesquisa por fabricantes de TC´s toroidais, foi feita a escolha pelo fabricante Toroid do Brasil, subsidiária da americana Toroid Corporation of Maryland (fundada em 1982 e que teve como precursora a empresa Toroid AB, fundada na Suécia, nos anos 70). Este fabricante possui uma vasta linha de produtos para medir ou monitorar a corrente elétrica que circula em um condutor, a Toroid do Brasil oferece uma solução extremamente eficaz, trata-se de transformadores de corrente, utilizados em conjunto com amperímetros ou circuitos eletrônicos de controle, esses transformadores têm, justamente, a função de medir e/ou monitorar a corrente elétrica que circula em um conjunto. Figura 3-12 - O TC toroidal O fabricante ainda desenvolve e fabrica esses transformadores para corrente elétrica desde 10A até 10kA, em diversas relações de corrente, e com diâmetro interno (janela) que pode variar de 5mm até 250mm. Quando necessário, a empresa ainda pode produzir um modelo de acordo com as necessidades específicas de cada cliente, no que se refere às dimensões e características elétricas. Além das vantagens citadas, o produto ainda oferece um complexo isolamento entre o condutor ou barramento principal e o circuito eletrônico (ou amperímetro) 57 ligado ao secundário. Os TC's produzidos pela Toroid do Brasil são isolados com dupla camada de filme de poliéster, resistente a 155ºC, garantindo uma rigidez dielétrica de até 4kV e tornando os transformadores também indicados para a aplicação dentro de equipamentos e painéis. A empresa fornece, como opcional, os TC's já montados em uma base isolante, com terminais e sem isolamento externo e, quando usado para aplicações em ambientes mais agressivos, pode fornecer o TC encapsulado em resina epóxi, garantindo maior durabilidade e resistência. Alguns TC´s toroidais podem ser vistos nas figuras 3-15 e 3-16. Figura 3-13 - O TC toroidal Figura 3-14 - O TC e o condutor À primeira vista, este tipo de TC poderia ser também uma opção para o monitoramento da corrente, não fosse um problema encontrado com relação ao uso dos TC´s toroidais da Toróide do Brasil e de outros fabricantes como a Polienge que é o nível de isolamento que, nos fabricantes pesquisados, não ultrapassa os 4kV podendo chegar aos 6kV em encomendas especiais. Neste caso, isto veio a se tornar um problema, já que, o nível de tensão pretendido está em torno de 15kV impossibilitando o uso dos mesmos. 58 3.5 A escolha do sensor de corrente Até o momento foram analisadas as possibilidades do uso dos seguintes sensores para o monitoramento da corrente: a garra de corrente, que se tornou inaplicável devido ao nível de tensão, o sensor de efeito Hall, que, segundo as especificações do fabricante atende as necessidades de monitoramento e o TC toroidal que também deixou a desejar quanto ao nível de isolação que não se mostrou satisfatório. Na seção seguinte, será mostrada como foi feita a escolha do sensor que viesse a atender as características necessárias para se promover o monitoramento da corrente nos reguladores de tensão monofásicos de 32 degraus. 3.5.1 O monitoramento da corrente nos reguladores de tensão monofásicos de 32 degraus A princípio, o tipo de sensor a ser utilizado poderia vir a ser o sensor de efeito Hall, porém, no decorrer deste estudo, fez-se necessário um estudo mais detalhado sobre o monitoramento da corrente pelo próprio equipamento regulador de tensão, uma vez que, existem funções em seu sistema de controle (Relé regulador) como aquelas descritas na seção 2.2 que dependem do monitoramento constante da corrente de carga. Para isto, foram adquiridos catálogos de fabricantes de reguladores de tensão monofásicos de 32 degraus da Thoshiba, e da Cooper Power Systems, ambos fabricantes e fornecedores de reguladores de tensão monofásicos de 32 degraus utilizados pelo sistema da ESCELSA, por exemplo. Após a análise do material adquirido, uma descoberta crucial para a escolha do tipo de sensor de corrente foi a de que tais equipamentos fazem uso do TC do tipo toroidal para monitorar a corrente no lado da carga e fornecer dados para o controle, como pode ser visto em destaque na figura 3-17. 59 Figura 3-15 - Sensoriamento do próprio equipamento A fabricação destes TC´s para a classe de tensão de 15kV é feita exclusivamente para uso neste tipo de equipamento. Com isso, novos fatores vieram a influenciar na escolha do tipo de sensor de corrente tais como: 9 Fazer o monitoramento apenas no lado da carga; 9 Fazer o monitoramento da corrente internamente ao equipamento e não como proposto inicialmente na seção 3.1, ou seja, diretamente nos condutores externos; 9 Analisar a possibilidade de se aproveitar o sinal do TC já existente no próprio equipamento regulador de tensão, sem interferir no funcionamento do mesmo. Ao se analisar os fatores apresentados, percebe-se que, se tais fatores descritos acima puderem vir a ser praticados, será dado um grande avanço em nosso estudo, principalmente no que diz respeito ao custo do equipamento de monitoramento da corrente. 60 3.5.2 Colhendo o sinal do TC do regulador de tensão Geralmente, dependendo do tipo do TC que se esteja fazendo uso, o mesmo pode possuir diversos tap´s ou derivações. Nos equipamentos reguladores de tensão monofásicos de 32 degraus, o TC toroidal utilizado não possui derivações e a sua saída é utilizada exclusivamente para fornecer um sinal em tensão para o sistema de controle como foi visto na figura 2-16. Para se analisar a possibilidade de se fazer a coleta do sinal deste TC, sem causar qualquer tipo de interferência no funcionamento do mesmo, procurou-se fazer uma análise física do equipamento, o que veio a ser feito durante uma visita ao setor responsável pela manutenção de reguladores de tensão da ESCELSA, que na ocasião, possuía um equipamento regulador de tensão aberto para reparos. Durante a análise, verificou-se que os terminais do TC fazem comunicação com o sistema de controle (Relé regulador) que se localiza em uma caixa externa ao regulador. Tal comunicação é feita através de condutores (um “chicote” com condutores de todos os componentes elétricos internos), que fazem a comunicação com o meio externo, através de um conduíte que leva estes condutores para a caixa externa do sistema de controle, como pode ser visto na figura 3-18. Figura 3-16 - O TC toroidal e sua comunicação externa 61 Diante da verificação e constatação da posição dos condutores provenientes do TC, que possuem comunicação externa, optou-se por fazer a coleta do sinal do TC externamente, de forma a não inserir nenhuma impedância adicional ao circuito de controle do equipamento, e ainda de não se fazer necessária a abertura do equipamento regulador de tensão para a instalação do equipamento sensor de corrente. Assim, diante das dificuldades anteriores encontradas em relação ao nível de isolamento para a escolha do sensor de corrente, o fato de se ter a possibilidade de fazer a coleta do sinal do TC no próprio equipamento regulador de tensão e ainda fazêla externamente, aproveitando-se o isolamento do próprio equipamento, abriu-se novamente o questionamento com relação ao tipo de sensor a ser utilizado, uma vez que, agora, até mesmo o sensor tipo garra de corrente poderá vir a ser utilizado. Para se fazer a escolha do sensor adequado, foram analisadas características como tamanho, eficiência e custo. Com isso, optou-se por se fazer a escolha do sensor do tipo TC toroidal, por ser eficiente com relação aos resultados (como veremos adiante), ser de pequeno tamanho e baixo custo. 3.6 O circuito condicionador de corrente Para a montagem em protoboard e, posteriormente em placa de fenolite, foi utilizado um pequeno núcleo de ferrite, adquirido de uma placa de fonte de alimentação para computadores, e sobre este foi feito o enrolamento para se produzir um TC toroidal experimental, semelhante àqueles mostrados nas figuras 3-14, 3-15 e 3-16 do item 3.4.2 deste trabalho. Este TC toroidal experimental, ilustrado na figura 3-19, possui dimensões de 25mm de diâmetro externo, 10mm de diâmetro interno e com 10mm de profundidade. A relação V/A medida em laboratório foi de 608mV/A. Além disso, forma utilizadas 324 espiras de fio 16 no enrolamento secundário do toróide de núcleo de ferrite, enquanto que na primário foram adicionados 22 espiras para proporcionar um aumento na relação de transformação, obtendo-se, com isso, um sinal amplificado. 62 Figura 3-17 - O TC toroidal experimental O sinal deste TC experimental deverá ser enviado para a entrada analógica de um PIC que se encontra na placa controladora para se promover o monitoramento e o processamento de dados, logo, este sinal deverá estar compreendido em um intervalo de 0 a 5V. Após análise de um data sheet da Microchip para o PIC modelo 16F84A,[8] foi desenvolvido um circuito que atendesse os limites de tensão especificados anteriormente. Este circuito também pode ser utilizado para PIC’s de outros modelos e fabricantes, o circuito está ilustrado na figura 3-20. Figura 3-18 - O circuito condicionador de corrente Para que o sinal do TC, que é um sinal senoidal, viesse a ficar compreendido entre os limites de tensão de 0 a 5V, foi necessário que se adicionasse um offset a este sinal, de modo a deslocá-lo verticalmente no eixo de tensões, como pode ser visto no gráfico da figura 3.21. 63 Sinal do TC com offset Sinal do TC Figura 3-19 - Adicionando offset ao sinal do TC O valor do offset aplicado ao sinaldo TC pode ser regulado pelo potenciômetro ligado à entrada não inversora do amplificador operacional ilustrado na figura 3.20. Observa-se que o sinal de saída está defasado de 180º em relação à entrada, não apresentando problema algum para a análise do sinal. O ganho do amplificador é unitário, não se verificou a necessidade de amplificar o sinal do TC já que este irá fazer a leitura de uma corrente máxima de 200mARMS, que é o valor da corrente máxima no secundário dos TC´s de reguladores de tensão monofásicos quando estes estão à plena carga[7]. Além disso, o TC experimental utilizado possui uma relação de transformação de 608mV/A resultando em um sinal de tensão máximo de 121,6mVRMS quando o regulador estiver à plena carga. Caso se verifique a necessidade de uma pequena amplificação do sinal, como por exemplo, de cinco a dez vezes, poder-se-á fazer como sugerido na figura 3-10 na seção 3.3.2 onde o condutor é transpassado pelo interior do sensor N vezes e a corrente no secundário é amplificada em N vezes. Para uma amplificação maior, sugere-se a troca do resistor de 100kΩ que se encontra em paralelo com o capacitor de 1ηF por outro de maior valor. Uma placa contendo o circuito da figura 3-20 foi desenvolvida. A figura 3-22 apresenta o resultado experimental feito a partir da placa desenvolvida onde a forma de onda superior é a resposta e o sinal mostrado logo abaixo. A figura 3-21 apresenta o resultado de simulação, permitindo a comparação com o resultado experimental. 64 Figura 3-20 - Resultados obtidos da placa experimental Com relação aos limites de tensão que serão impostos à entrada analógica do PIC, observa-se na saída do amplificador uma configuração com diodos, responsáveis pelo controle dos limites de tensão vistos anteriormente. Configuração esta, baseada em uma configuração apresentada no pelo fabricante do PIC [8]. Vejamos os resultados da simulação com o intuito de testar os limites de tensão aplicados à entrada analógica do PIC, ilustrados na figura 2-23. O resistor de 1MΩ na figura 2-20 representa a entrada de alta impedância do PIC no circuito de simulação. Para se verificar a proteção da entrada do PIC foi simulado um aumento anormal da tensão do TC experimental, aumento este que implica em um sinal que ultrapassa os 2,5V de amplitude (as senóides nas figuras 3-23 e 3-24), para se verificar os limites máximo e mínimo a serem entregues para a placa controladora (as senóides com cortes),como pode ser visto nas figuras 3-23 e 3-24. Como resultados de simulação, foram obtidos os valores na tabela 3-1. Para se verificar os mesmos limites reais na placa de protoboard, fez-se uso do gerador de sinais na entrada do circuito e foram obtidos os valores da tabela 3-1 que faz uma comparação entre os resultados simulados e os resultados medidos na placa de protoboard. 65 Sinal do TC anormal (maior) Sinal protegido a ser enviado para placa controladora Figura 3-21 - Simulação dos limites de tensão Novamente, para fins de comparação ilustra-se na figura 3-24, o resultado obtido da placa experimental constatado com o osciloscópio. Figura 3-22 - Resultados obtidos da placa experimental 66 Tabela 3-1 - Tabela comparativa RESULTADO DADOS DE SIMULAÇÃO RESULTADO DE MEDIÇÃO Vmáx [V] 4,72 4,25 Vmín[V] -765,66m -720m Com relação à freqüência, o circuito comporta-se como um filtro passa-baixas, com freqüência de corte igual a aproximadamente 1591,5Hz e operando como multiplicador com ganho unitário. Logo, o ganho total do circuito condicionador de corrente (sensor + circuito condicionador) passa a ser o ganho do próprio TC toroidal experimental, ou seja 608mV/A. Pode-se ver o resultado da simulação do circuito condicionador na figura 2-25. Figura 3-23 - Freqüência de corte Os resultados obtidos via simulação com o programa Orcad 9.2, ilustrados nas figuras 3-21 e 3-23, e na tabela 2-1, foram muito próximos aos resultados verificados na placa experimental como está ilustrado nas figuras 3-22 e 3-24. Para se obter os 67 resultado ilustrados, fez-se uso de osciloscópio, gerador de sinais e do próprio TC experimental já montado na placa de fenolite, monitorando correntes em um pequeno motor AC (de ventilador) e em um ferro de solda, verificando-se a eficiência do circuito condicionador, que será demonstrado durante a apresentação deste estudo. Com relação à alimentação deste circuito condicionador de corrente, a mesma será definida no capítulo 3. Pode-se ver na figura 3-26 a placa experimental completa, com os circuitos condicionadores de tensão e de corrente, bem como a base onde fixaram-se o TC e os bornes para que se efetuem as ligações, conforme será sugerido ao longo deste estudo. Figura 3-24 - Placa experimental montada 3.7 Conclusões Com o sensor e o circuito de condicionamento de corrente apresentados neste capítulo, é possível promover o monitoramento da corrente nos reguladores de tensão em questão, sem que este circuito venha a apresentar qualquer tipo de interferência no funcionamento do controle do equipamento e ainda, sem oferecer qualquer tipo de risco para o operador. Também foram obtidos resultados satisfatórios na simulação que puderam ser comprovados após análise dos resultados observados na placa experimental, com o uso do osciloscópio, como foi apresentado neste capítulo. 68 4 AQUISIÇÃO DE DADOS – O SENSOR DE TENSÃO Neste capítulo, será feita a análise de como foi feito o monitoramento da tensão do equipamento regulador de tensão, bem como o circuito que condicionará o sinal de tal sensor em um outro sinal que possa ser usado por um controlador, por exemplo, do tipo PIC, semelhante ao modo como foi feito para o monitoramento da corrente no capítulo 3. Também fará parte deste capítulo mostrar como será feita a alimentação dos circuitos de aquisição de dados, tanto do sensor de corrente como o de tensão, e ainda fazer a análise dos resultados da simulação com o ORCAD 9.2, fazendo um comparativo com os resultados medidos em placa experimental, onde se fez o uso de osciloscópio, por exemplo. 4.1 O sensor de tensão Para o monitoramento da tensão, foram pesquisados por equipamentos sensores de alta tensão. Contudo, foram encontrados apenas equipamentos complexos e de alto custo, com funções de monitoramento da tensão nos níveis pretendidos (em torno dos 15kV), medição de fator de potência, potência ativa, potência reativa e potência aparente, não se adequando à proposta de se apresentar um equipamento condicionador de tensão e de corrente eficiente e com um custo aceitável. Será mostrado, no decorrer deste capítulo, a melhor solução adotada para se resolver este problema. 4.2 A localização do sensor no equipamento regulador de tensão Com relação à localização dos sensores de tensão, a idéia inicial também era a de se fazer o monitoramento da tensão, diretamente nos condutores externos, como indica a figura 4-1, para a regulação em um circuito monofásico. Também se pensava na idéia de se promover o monitoramento da tensão tanto no lado da fonte como no lado da carga, simultaneamente (idéia semelhante ao que também iria ser feito no caso do monitoramento da corrente no equipamento regulador de tensão). 69 Figura 4-1 – Localização dos sensores de tensão Com relação à localização do conjunto de monitoramento da tensão no equipamento regulador de tensão, como um todo (sensores, circuito amplificador e placa controladora) o mesmo deverá se localizar externamente ao equipamento regulador de tensão. Assim como foi proposto para o circuito condicionador de corrente, o circuito condicionador de tensão deverá formar um conjunto junto à placa controladora responsável pelo processamento dos dados provenientes do monitoramento da tensão. Deste modo, o mesmo não deverá interferir de modo algum no funcionamento do equipamento regulador de tensão, a não ser que a intervenção seja proveniente de uma “decisão” tomada pela placa controladora após a análise dos dados monitorados, a fim de se promover a autoproteção do equipamento regulador de tensão. 4.3 O transformador de potencial (TP) Um tipo de sensor muito utilizado para altas tensões que é o transformador de potencial, transformador este que, como será mostrado em detalhe mais adiante, fará parte do circuito condicionador de tensão. Este é um equipamento capaz de reduzir a tensão do circuito para níveis compatíveis com a tensão suportável pelos aparelhos de medição. 70 A tensão primária do TP é função da tensão nominal do sistema elétrico ao qual está ligado. A tensão secundária, no entanto é padronizada e tem valor fixo de 115V. Variando-se a tensão primária, a tensão secundária varia na mesma proporção. Os TP´s podem ser construídos para serem ligados entre fases de um sistema ou entre fase e neutro ou terra. Os TP´s devem suportar uma sobretensão permanente de até 10%, sem que lhes ocorra nenhum dano. São próprios para alimentar instrumentos de impedância elevada, tais como voltímetros, bobinas de potencial de medidores de energia, etc. Para propósito deste projeto, o TP será ligado entre fase e neutro. Em serviço de medição primária, os TP´s geralmente alimentam um medidor de kWh com indicação de demanda e um medidor de kvar. As cargas aproximadas destes instrumentos podem ser vistas na tabela 3-1 [9]. Tabela 4-1- Cargas dos aparelhos de medição Potência ativa Aparelhos (W) Potência reativa Potência aparente (var) (VA) Voltímetro 7,0 0,9 7,0 Motor p/ conjunto de demanda 2,2 2,4 3,2 Autotransformador defasador 3,0 13,0 13,3 Watímetro 4,0 0,9 4,1 Freqüencímetro 5,0 3,0 5,8 Fasímetro 5,0 3,0 5,8 Cossifímetro - - 12,0 Medidor de kWh (BP) 2,0 7,9 8,1 Medidor de kvarh (BP) 3,0 7,7 8,2 Medidor de indução (demanda) 2,2 2,4 3,2 Quando forem utilizados TP´s para medição de faturamento, é necessário que se determine o valor da carga dos instrumentos a ser conectada, a fim de se poder especificar a carga correspondente do TP, e que pode ser obtido na tabela 3-2 [9]. 71 A norma classifica os TP´s em dois grupos de ligação: O grupo 1 abrange os TP´s projetados para ligação entre fases, são de maior aplicação na medição industrial. O grupo 2 corresponde aos TP´s projetados para ligação entre fase e neutro em sistemas com o neutro aterrado sob impedância. Tabela 4-2 - Cargas nominais padronizadas dos TP´s Potência Fator Designação aparente de Resistência Indutância Impedância (Ohm) (mH) (Ohm) (VA) Potência P 12,5 12,5 0,7 115,2 3.042,0 1.152,0 P 25 25 0,7 403,2 1.092,0 576,0 P 75 75 0,85 163,2 268,0 192,0 P 200 200 0,85 61,2 101,0 72,0 P 400 400 0,85 30,6 50,4 36,0 Os TP´s podem ser construídos para uso ao tempo ou abrigado. Também são fornecidos em caixa metálica, em banho de óleo ou em resina epóxi. Os TP´s em banho de óleo são apropriados para instalações em cubículos de medição em alvenaria e/ou em cubículos metálicos de grandes dimensões, o segundo tipo é próprio para cubículos de dimensões reduzidas. Ao contrário dos TC´s, quando se desconecta a carga do secundário em um TP, os seus terminais devem ficar em aberto, pois, se um condutor de baixa resistência for ligado, ocorrerá um curto-circuito franco, capaz de danificar a isolação. As principais características elétricas dos TP´s são: 9 Tensão nominal primária – É aquela para a qual o TP foi projetado; 9 Tensão nominal secundária – É aquela padronizada por norma e tem valor fixo igual a 115V; 9 Classe de exatidão – É o maior valor de erro percentual que o TP pode apresentar quando ligado a um aparelho de medida em condições 72 especificadas. São construídos, normalmente, para as classes de exatidão de 0,2, 0,3, 0,6 e 1,2; 9 Carga nominal – É a carga admitida no secundário do TP sem que o erro percentual ultrapasse os valores estipulados para a sua classe de exatidão. A tabela 3-2 indica as cargas nominais padronizadas dos TP´s e as respectivas impedâncias; 9 Potência térmica – É o valor da maior potência aparente que o TP pode fornecer em regime contínuo sem que sejam excedidos os limites especificados de temperatura; 9 Tensão suportável de impulso (TSI) – É a maior tensão em valor de pico que o TP pode suportar quando submetido a uma frente de onda de impulso atmosférico de 1,2 x 50μs; 9 Polaridade – Semelhante aos TC´s, é necessário que se identifiquem nos TP´s os terminais de mesma polaridade. Logo, diz-se que o terminal secundário X1 tem a mesma polaridade do terminal primário H1 num determinado instante, quando X1 e H1 são positivos ou negativos relativamente aos terminais X2 e H2, conforme se pode observar na figura 4-2. Normalmente, os TP´s mantêm adjacentes os terminais secundário e primário de mesma polaridade. A ligação das bobinas dos medidores de energia nos terminais secundários de um TP deve ser feita de tal modo que, se H1 corresponde ao terminal de entrada ligado ao circuito primário, o terminal de entrada da bobina de potencial dos instrumentos deve ser conectado ao terminal secundário X1, para TP de polaridade subtrativa. Figura 4-2 - Esquema do TP 73 Para se especificar um TP, é necessário que sejam definidos, no mínimo, os seguintes parâmetros para que se possa especificar corretamente um TP, ou seja: 9 Isolação (em banho de óleo, ou epóxi); 9 Uso ( interior ou exterior); 9 Tensão suportável de impulso (TSI); 9 Tensão nominal primária, em kV; 9 Tensão nominal secundária, em V (115V); 9 Freqüência nominal; 9 Classe de exatidão requerida; 9 Carga nominal ( baseada na carga das bobinas dos instrumentos a serem acoplados); 9 Polaridade. Com base nos dados acima, um exemplo de especificação pode ser assim descrito: Transformador de potencial para medição de energia, isolação em epóxi, uso interno, freqüência nominal de 60Hz, tensão nominal primária de 13.800V, tensão nominal secundária de 115V, classe de exatidão 0,3, carga nominal P25, polaridade subtrativa e tensão suportável de impulso de 95kV. Uma outra característica também muito importante dos transformadores de potencial é que, dependendo da aplicação, o TP pode apresentar derivações no enrolamento secundário, assim como também acontece nos enrolamentos primários de alguns tipos de TC´s. Vejamos, por exemplo, a tabela 4-3 [10], que traz dados para especificação de TP´s. Observa-se que para as classes de tensão de 138 e 230 kV os TP´s possuem dois enrolamentos secundários. No caso das derivações no secundário dos TP´s as mesmas podem ser encontradas para outras classes de tensão como, por exemplo, a de 13,8kV. 74 Tabela 4-3 - Características elétricas dos TP´s ITEM 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 REQUISITOS ELÉTRICOS Parâmetros do Sistema: -Tensão nominal -Tensão máxima de operação -Freqüência nominal Tensão primária nominal Tensão secundária Relação de transformação: -enrolamento 1; -enrolamento 2; -enrolamento 3; Nível de isolamento nominal: -tensão suportável nominal à freqüência industrial; -tensão suportável nominal de impulso atmosférico, onda plena; -tensão suportável nominal de impulso atmosférico, onda cortada; -tensão suportável nominal à freqüência industrial, no enrolamento secundário; Máxima tensão de rádiointerferência a 110% da tensão fase-terra de operação normal máxima (Referida a 300 ohms) Máximo corona interno a 110% da tensão fase-terra de operação normal máxima: -tipo seco; -tipo imerso em óleo; Sobretensão fase-tera temporária para qual o TP é capaz de operar com carga simultânea total sem que ocorra um acréscimo de temperatura acima de 40ºC, (NBR 6855 grupo 2). Grupo de ligação Fator nominal de tensão: -contínuo; -em 30s; Sobre-elevação de temperatura, acima da temperatura ambiente: -No enrolamento (método da variação da resistência) 9 Em líquido isolante 9 Tipo seco -No liquido isolante Potência Térmica Nominal Unid. 15kV 36,2kV 72,5kV 145kV kV kV Hz kV V 13,8 15 60 13,8/√3 115/√3 34,5 36,2 60 34,5√3 115/√3 69 72,5 60 69√3 115/√3 138 145 160 138√3 115/√3 120:1 120:1 - 300:1 300:1 - 600:1 600:1 - 1200:1 1200:1 1200:1 kV 34 70 140 230 kV 110 170 350 550 kV 121 187 385 605 kV 2,5 2,5 2,5 2,5 µV - - - 1000 pC pC 50 - 50 - 10 10 V 9162 22906 45813 91625 - 2 2 2 2 - 1,2 1,5 1,2 1,5 1,2 1,5 1,2 1,5 55 55 55 500 55 55 55 500 55 55 1000 55 55 1000 ºC ºC ºC VA Durante o estudo também foram encontrados dados sobre requisitos técnicos específicos relacionados a TP´s [11] para a classe 15 kV como pode ser visto abaixo: 75 REQUISITOS TÉCNICOS Transformadores de potencial de 15 kV Relação de transformação: 13.800/√3 - 115/√3 V – 3 secundários. Classe de exatidão e cargas nominais para cada enrolamento: -enrolamento 1: 0,6P200 -enrolamento 2: 0,6P200 -enrolamento 3: 0,3P100 No decorrer deste capítulo, será mostrado que o fato de o TP possuir tapes no enrolamento secundário, foi essencial para que se resolvessem alguns problemas encontrados durante nosso trabalho. 4.4 Características do circuito de tensão em reguladores de tensão monofásicos de 32 degraus Será tomado, como exemplo, para análise do circuito de tensão em reguladores monofásicos de tensão de 32 degraus, o uso do TP em reguladores da McGraw-Edison por ser este um dos tipos de reguladores de tensão muito utilizado no sistema ESCELSA e por terem características muito semelhantes com relação ao uso do TP em reguladores da Toshiba, Siemens e outros como os da Cooper. 4.4.1 O uso do TP no regulador de tensão monofásico de 32 degraus Os reguladores de tensão monofásicos de 32 degraus da McGraw-Edison possuem dispositivos para operação em tensões abaixo da nominal de placa, isto é obtido através do enrolamento do sensor de potencial, com derivações que grosseiramente correspondem à tensão apropriada do sistema. Esta fonte pode ser um 76 enrolamento montado no conjunto núcleo/bobina ou em um TP separado e montado na saída (carga) do regulador. A derivação do TP escolhida às vezes não provê de ajuste fino da tensão para o sistema de controle. Um auto-transformador com derivações é usado para se fazer o ajuste fino, como ilustra a figura 4-3. RCT TP Auto-transformador 1º Ajuste para ajuste fino Sistema de Controle Figura 4-3 - O TP e o RCT Este auto-transformador é referido como Transformador de Correlação de Relação (RCT) e possui derivações de entrada 104, 110, 115, 120,127 e 133V. A derivação de saída para o sistema de controle é ligada em 120V. Aplicações envolvendo fluxo reverso de potência necessitarão de uma segunda fonte de tensão instalada internamente ao regulador para medição da tensão no lado da fonte, que é necessária para operação reversa. Neste caso, um TP diferencial é utilizado para medir tensão sobre o enrolamento série que é utilizada para determinar a tensão no lado da fonte. Este TP diferencial tem derivações similares ao TP de saída, as derivações de alta tensão estão localizadas no TP diferencial e identificadas como P1, P2, etc, conforme ilustra a figura 4-4. O secundário tem sua relação corrigida por um RCT2 (similar ao RCT) e a tensão diferencial uma vez corrigida é levada para o sistema de controle do equipamento. Se a tensão do sistema (tensão impressa entre as buchas S e SL) é outra diferente das listadas na placa, este problema pode ser resolvido se houver relação de correção suficiente disponível nas derivações dos enrolamentos de controle (TP interno) e nas derivações do RCT que permitam ao controle funcionar adequadamente. Em linhas gerais, a relação total deve ser suficiente para que a tensão entregue ao sistema de controle em condições nominais seja em torno de 115-125V. 77 Figura 4-4 - Esquemático do regulador de tensão 4.4.2 Cálculo da relação total de transformação Nesta seção, será apresentado o procedimento para se calcular a relação total de transformação (TP + RCT) [7]. Para se determinar a tensão entregue ao controle, usa-se o seguinte procedimento: 1. Das relações do TP mostrados na placa, escolha um que resulte em uma tensão o mais próximo possível de 120V na saída do TP interno (A saída do TP interno é a entrada do RCT), veja os dados de placa na tabela 4-4; 2. Calcule a tensão de saída do TP interno e compare com as derivações de entrada do RCT : 133, 127, 120, 115, 110 e 104V; 3. Escolha a derivação do RCT o mais próximo da tensão de entrada do RCT. 4. Dado a derivação de entrada do RCT use a tabela 3-5 para determinar a relação do RCT; 5. Utilize a expressão 4.1 abaixo para calcular a tensão de entrada do controle; Tensão de entrada do controle = Tensão de saída do TP interno / Relação do RCT. (4.1) 6. Use a expressão 4.2 abaixo para calcular a relação total do TP: Relação total do TP = Relação do TP interno x Relação do RCT. (4.2) 78 Exemplo Segue abaixo, uma exemplificação de como efetuar o procedimento visto anteriormente. Seja, por exemplo, um regulador com 22000V, 50Hz, para ser utilizado em um sistema com tensão nominal de 12700V, o seguinte deve ser determinado: 1. A melhor relação de transformação do TP é 91,7. Ver tabela 3-4. 2. A tensão de saída do TP interno é 138,5 (12700/91,7 =138,5). 3. A melhor derivação do RCT é 133. Ver tabela 3-5. 4. A relação do RCT é 1,108. Ver tabela 3-5. 5. A tensão de entrada do controle é 138,5/1,108 = 125V. Isso está dentro da faixa permitida. 6. Relação total do TP = 91,7 x 1,108 = 101,6. Tabela 4-4 - Ligações de derivação e níveis de tensão (50Hz) Tensão Tensão nominal nominal Dados de ajuste de relação Tensão Relação terminal de do monofásica Derivação Derivação Relação de transfor- regulador interna* de TP do RCT prova** mação** 1 2 3 4 5 6 7 6600 6930 - 55:1 127 119 58,2:1 6600 - 55:1 120 120 55:1 6350 - 55:1 115 120,5 52,7:1 6000 - 55:1 110 119 50,4:1 5500 - 55:1 104 115,5 47,7:1 11600 E1/P1 91,7:1 127 119,5 97:1 11000 E1/P1 91,7:1 120 120 91,7:1 10000 E2/P2 91,7:1 110 119 84,1:1 6930 E2/P2 55:1 127 119 58,2:1 6600 E2/P2 55:1 120 120 55:1 11000 79 15000 22000 33000 6350 E2/P2 55:1 115 120 52,7:1 6000 E2/P2 55:1 110 119 50,4:1 5500 E2/P2 55:1 104 115,5 47,7:1 15000 E1/P1 120:1 120 125 120:1 14400 E1/P* 120:1 120 120 120:1 13800 E1/P1 120:1 115 120 115:1 13200 E1/P1 120:1 110 120 110:1 12000 E1/P1 120:1 104 115,5 104:1 11000 E2/P2 92,3:1 120 119 92,3:1 10000 E2/P2 92,3:1 110 118 84,6:1 8660 E3/P3 72,9:1 120 119 72,9:1 23000 E1/P1 183,1:1 120 125,5 183,3:1 22000 E1/P* 183,1:1 120 120 183,3:1 20000 E1/P1 183,1:1 110 119 168:1 19100 E1/P1 183,1:1 104 120 159,2:1 15000 E2/P2 119,8:1 120 125,5 119,8:1 12700 E2/P2 119,8:1 104 122,5 103,9:1 11000 E3/P3 91,6:1 120 120 91,6:1 10000 E3/P3 91,6:1 110 119 84:1 35000 E1/P1 275:1 127 120,5 291:1 33000 E1/P1 275:1 120 120 275:1 30000 E1/P1 275:1 110 119 252,1:1 22000 E2/P2 183,3:1 120 120 183,3:1 20000 E2/P2 183,3:1 110 119 268:1 11600 E3/P3 91,7:1 127 119,5 97:1 11000 E3/P3 91,7:1 120 120 91,7:1 10000 E3/P3 91,7:1 110 119 84:1 *Derivações P são usados com E somente com reguladores onde um TP interno é usado em conjunto com o enrolamento de controle para alimentar o controle. Veja a placa de identificação para verificação do tipo de alimentação do controle. 80 **A tensão terminal de prova e a relação de transformação total podem variar um pouco de um regulador para o outro. Veja a placa de identificação para determinar os valores exatos. Tabela 4-5 - Relações de RCT Derivação de entrada do RCT Relação do RCT 133 1,108 127 1,058 120 1,000 115 0,958 110 0,917 104 0,867 Até o momento, os reguladores de tensão monofásicos de 32 degraus fazem uso do TP para promover o monitoramento da tensão. Outras funções também são atribuídas ao TP, tais como a alimentação do sistema de controle e a alimentação do motor responsável pelo sistema de comutação de tapes. No momento da escolha de um sensor de tensão eficiente, uma das grandes preocupações era a de se encontrar um sensor que atendesse principalmente as características de isolação nos níveis pretendidos (15kV). Com isso, também se optou em analisar a possibilidade de se fazer uso do sinal colhido pelo próprio TP já existente no equipamento regulador de tensão, uma vez que , quando foram feitas as análises técnicas e físicas descritas na seção 3.5.2, percebeu-se que também era possível fazer a coleta do sinal do TP externamente, sem que se viesse a causar qualquer tipo de interferência no funcionamento do equipamento regulador de tensão. 4.5 Colhendo o sinal do TP do regulador de tensão Para se promover a coleta do sinal do TP, este estudo levou em consideração principalmente os seguintes itens: 81 9 Promover o monitoramento da tensão fazendo uso do próprio sensor já existente no equipamento regulador de tensão, deixando de lado a idéia de se fazer o monitoramento da tensão externamente, como foi descrito no item 3.2; 9 Efetuar, a princípio, apenas o monitoramento no lado da carga, exceto em reguladores que atuam com fluxo inverso; 9 Efetuar a coleta do sinal em uma das derivações de saída do RCT e não diretamente no TP. 4.5.1 Efetuando a coleta do sinal do RCT Optou-se neste estudo, em se efetuar a coleta do sinal de tensão através do RCT e não do TP propriamente dito. Sabe-se que o TP interno ao equipamento regulador de tensão possui comunicação com o meio externo ao equipamento, assim como também acontece com o TC, responsável pelo monitoramento da corrente, fato este, que pode ser visto na figura 3-5 e que veio a fazer parte de nosso conhecimento após análise física, citada no capítulo 2, do equipamento regulador de tensão. Figura 4-5 - O TP no regulador de tensão 82 Os principais motivos pelos quais optou-se em fazer a coleta no RCT e não diretamente no TP foram basicamente dois. O primeiro foi o fato de o RCT possuir vários tapes como, por exemplo, para os reguladores da Cooper, tapes com derivações de 104,110,115,120,127 e 133V [7] e além disso, temos que entre estas derivações, apenas uma será utilizada pelo sistema de controle, ficando as outras, sem utilização. O segundo motivo pelo qual optou-se fazer a escolha pelo RCT, e o que tornou a escolha mais viável no que diz respeito a praticidade de instalação do sistema de monitoramento de tensão, é que o RCT está instalado em um painel traseiro na caixa do sistema de controle como pode ser visto na figura 4-6. Figura 4-6 - O RCT1 e o RCT2 no painel traseiro da caixa do sistema de controle Com isso, optou-se por fazer a coleta através do sinal colhido de uma das derivações do RCT que não estejam sendo utilizadas pelo sistema de controle, 83 colhendo o sinal diretamente do painel traseiro da caixa do sistema de controle, não se fazendo necessário que se abra o equipamento regulador de tensão, uma vez que a caixa do controle se encontra externa ao mesmo. Por outro lado, uma questão também muito importante a ser levado em consideração é que, fazendo-se a coleta do sinal de tensão a partir de uma das derivações do RCT, não se tem um sinal a níveis adequados, para ser analisado por um microcontrolador, já que os níveis de tensão ultrapassam os 100 VRMS, nível este inapropriado para a placa controladora. Com isso, faz-se necessário efetuar mais uma atenuação do sinal do RCT, fazendo-se uso de um transformador, com o papel de sensor-atenuador do sinal do RCT, efetuando a redução do nível de tensão para níveis aceitáveis em uma placa controladora como será visto ainda neste capítulo. 4.5.2 O circuito condicionador de tensão Ao se fazer uma comparação entre o circuito condicionador de tensão e o circuito condicionador de corrente, percebe-se que, de certa forma, ambos tem a mesma função, ou seja, a de fornecer um sinal compreendido entre 0 e 5V para ser analisado por um microcontrolador do tipo PIC, que se encontra em uma placa controladora para o processamento dos dados monitorados. A principal diferença entre estes circuitos condicionadores está no tipo de sensor utilizado, um TC toroidal experimental como o descrito na seção 3.6 para o monitoramento da corrente e agora, um transformador para o monitoramento da tensão, que deverá ser acoplado em uma das derivações do RCT para se acentuar a redução no valor da tensão para o monitoramento, como ilustra a figura 4-7. O transformador utilizado em nosso estudo possui as seguintes características: 9 9 9 Primário de 220 ou 127VRMS; Secundário de 6VRMS com center tape; Corrente máxima de 500mARMS para a carga. Para se efetuar os testes no protoboard e posteriormente em placa de fenolite, foi utilizada a saída do transformador correspondente à 3VRMS do center tape, contudo, 84 este sinal ainda deve ser atenuado, uma vez que seu valor de pico correspondente é de 4,24V e teremos com isso um sinal com valor de pico a pico de 8,48V fazendo com que este sinal ultrapasse os limites impostos pelo circuito condicionador de tensão (0 a 5V). Uma forma de evitar que se extrapole estes limites seria a de se utilizar um transformador que tivesse um secundário com, por exemplo, 1,0V o que resultaria em um valor de pico a pico de 2,83V não extrapolando os limites do circuito condicionador. Outra forma de se evitar o problema com os limites de tensão seria a de fazer com que o próprio circuito condicionador viesse a atenuar o sinal do transformador. Com relação ao transformador, não foi utilizado um com um secundário que fornecesse valor menor do que os 3VRMS , devido ao fato de não ter sido encontrado tal transformador disponível no mercado. A solução adotada foi a de se utilizar o transformador com 3VRMS de tensão no secundário e de se fazer a atenuação no circuito condicionador como está ilustrado na figura 4-7. Figura 4-7 - Circuito condicionador de tensão Assim como foi feito para o circuito condicionador de corrente, o sinal proveniente do transformador teve que ser deslocado no eixo das tensões para que o sinal viesse a ficar compreendido entre 0 e 5V, tal como foi descrito na seção 3.6 figura 3-21, com a diferença de que agora, além de se deslocar o sinal, também estaremos atenuando o mesmo. Tal diferença pode ser vista observando-se a figura 4-8 85 Sinal atenuado com off set Sinal do transformador Figura 4-8 - Sinal deslocado e atenuado Para efeito de comparação com o sinal obtido da placa experimental através do osciloscópio, podemos observar a figura 4-9 que ilustra os resultados experimentais. Figura 4-9 - Resultado experimental O valor do offset aplicado ao sinal proveniente do transformador pode ser regulado através do potenciômetro ligado à entrada não inversora do amplificador operacional ilustrado na figura 3-7. Neste circuito observa-se também uma defasagem de 180º em relação ao sinal de entrada como pode ser visto na figura 3-6, não apresentando problema algum para a análise do sinal. Em se tratando de freqüência, este circuito, assim como o circuito condicionador de corrente, tem o comportamento de um filtro passa-baixas, com 86 freqüência de corte de aproximadamente 1591,5 Hz. Com relação ao ganho do circuito, como o mesmo estará atenuando o sinal de entrada, resolveu-se atenuar o sinal em 78% ou seja, aplicar um ganho de 0,22 ao sinal de entrada, como ilustra a figura 3-10. Ganho= 0,22 1591,5Hz Figura 4-10 - Ganho e freqüência de corte Com relação ao ganho total do conjunto de monitoramento da tensão, desde o sinal entregue pelo RCT até o sinal a ser enviado para o PIC, teremos uma primeira atenuação devido ao uso do transformador (considerando que se esteja em uso os terminais primários referentes à 127VRMS e os terminais secundários referentes à 3VRMS) igual a 97,6% do sinal, ou seja, um ganho de atenuação de 0,024. Incluindo-se então, a atenuação do circuito condicionador de 0,22, teremos que o ganho total de atenuação será de 0,00528. Assim sendo, se o RCT fornecer um valor de tensão de, por exemplo, 130VRMS, será entregue para o PIC um sinal senoidal com valor de pico a pico de 1,94V para ser analisado, não apresentando problema nenhum para a placa controladora do sistema de proteção. A proteção da entrada do PIC é idêntica àquela proposta na seção 3.6 para o circuito condicionador de corrente, obtendo-se assim, os mesmos resultados observados anteriormente, tanto na simulação como nos testes com a placa experimental. Os testes com o circuito condicionador de tensão foram realizados com o mesmo promovendo o monitoramento da tensão da rede (127VRMS) e também 87 fazendo o monitoramento de uma fonte AC regulável, onde se verificou a eficiência do circuito condicionador, que será demonstrado durante a apresentação deste estudo. 4.6 Sobre a alimentação do circuito de aquisição de dados Serão apresentadas aqui, duas sugestões para a alimentação dos circuitos condicionadores de tensão e de corrente e possivelmente da alimentação da própria placa controladora responsável pelo monitoramento destes dados, promovendo-se assim, a alimentação de todo o conjunto de monitoração e processamento de dados. 4.6.1 Alimentação via RCT Como foi visto na seção 4.5.1, temos que o RCT é na verdade, um transformador utilizado para se fazer um ajuste fino de tensão, que possui vários tapes e, no entanto, utiliza-se apenas um deles. Uma primeira idéia foi a de se utilizar um dos tapes para se promover o monitoramento da tensão, como visto na seção 4.5.2 e, agora, a idéia é de se utilizar um outro tape que não esteja em uso, para se fazer um circuito de alimentação do sistema de aquisição de dados. A alimentação dos circuitos condicionadores de tensão e de corrente sugeridos durante este estudo e testados em protoboard é do tipo simétrica com 9V. Para se obter tal circuito de alimentação a partir de uma das derivações do RCT será necessário a adição de um transformador abaixador com center tape que tenha como saída 9VRMS ou mesmo 12 VRMS para que se faça a montagem de um circuito de alimentação simétrica muito comum em circuitos eletrônicos como sugerido na figura 4-11. Este circuito faz uso de reguladores de tensão estáticos, capacitores de filtro e diodos e é um circuito de alimentação muito comum em circuitos eletrônicos onde a alimentação simétrica se faz necessária. 88 Figura 4-11 - Circuito de alimentação simétrica 4.6.2 Alimentação via sistema de controle do regulador de tensão de 32 degraus Durante análise de um manual sobre o sistema de controle do regulador de tensão[1], descobriu-se que o mesmo possui um circuito de alimentação interno e este circuito possui vários bornes com determinados valores de tensão para alimentar desde o circuito eletrônico, até o motor responsável pela comutação dos tapes do equipamento regulador de tensão. Vejamos os valores de tensão e suas atribuições para o controle TB-R800 da Toshiba: 9 +9Vca: Responsável pela medição de freqüência e sincronismo da medição da tensão; 9 +5Vcc: Responsável pela alimentação do circuito digital; 9 +24Vcc (não regulada): Responsável pela alimentação do “Contador de Operações” e relés de saída; 9 +12/-12Vcc: Responsável pela alimentação do circuito analógico; 9 +20Vcc: Responsável pela alimentação do indicador externo; 9 +15Vcc: Responsável pela alimentação dos “Opto-Acopladores”, do circuito conversor “V/F”, do circuito conversor “V/I”, e dos “OptoAcopladores” do indicador externo; Ao se analisar os valores de tensão disponíveis na placa de alimentação do sistema de controle, surgiu a idéia de se fazer uso da alimentação simétrica disponível 89 na mesma (+12/-12Vcc), uma vez que o circuito de monitoramento de tensão e de corrente são circuitos de baixo consumo, necessitando apenas de um possível redimensionamento de seus componentes, já que o circuito montado e testado foi projetado para alimentação simétrica de +9/-9Vcc. 4.7 Conclusões O estudo do circuito de condicionamento de tensão apresentado neste capítulo veio a apresentar uma forma eficiente de se realizar o monitoramento da tensão nos equipamentos reguladores de tensão em questão. Também foram apresentadas formas de se fazer a alimentação do circuito de aquisição de dados e possivelmente da placa responsável pelo processamento dos mesmos, sem que se viesse a interferir de qualquer forma no funcionamento do equipamento regulador de tensão. Observaramse ainda, resultados satisfatórios na simulação que vieram a ser constatados na placa experimental através do osciloscópio, gerador de sinais, etc. Encerra-se aqui, a etapa de aquisição de dados proposta neste estudo e iniciase a análise de um sistema de proteção para os equipamentos reguladores de tensão que possa vir a interagir eficientemente com uma placa controladora, placa esta, que após analisar os dados provenientes dos sistemas de aquisição de corrente e de tensão propostos, também venha a atuar sobre o equipamento regulador de tensão em questão, por intermédio do sistema de proteção que será discutido no próximo capítulo. 90 5 ATUAÇÃO DA PROTEÇÃO Até o momento, foram analisadas formas de se promover o monitoramento da tensão e da corrente em reguladores de tensão monofásicos de 32 degraus. Para tanto, foram analisadas formas eficientes para que se efetuassem tais tarefas com o maior êxito possível, principalmente no que diz respeito a se propor um equipamento de fácil instalação, baixo custo e eficácia. Neste capítulo, será apresentado um estudo que irá analisar a situação atual da proteção a que estão sujeitos os equipamentos reguladores de tensão nas redes de distribuição, novamente, baseando-se no sistema de distribuição da ESCELSA, e ainda propor formas de atuação da proteção para o equipamento regulador de tensão que possa vir a interagir eficientemente com a placa controladora responsável pelo processamento dos dados provenientes do sistema de aquisição. 5.1 Sobre o atual sistema de proteção dos reguladores de tensão monofásicos de 32 degraus Aqui, será analisado o sistema de proteção dos equipamentos reguladores de tensão da Cooper Power Sistems por se tratar de ser um dos reguladores muito utilizado no sistema ESCELSA e por possuir características muito semelhantes a outros reguladores de tensão tais como os reguladores da Toshiba. 5.1.1 Proteção contra surtos de tensão Todos os reguladores de tensão monofásicos por degraus são equipados com um pára-raio em paralelo (pára-raio série) com o enrolamento série entre as buchas fonte (S) e de carga (L), que podem ser identificadas no circuito esquemático na figura 5-1. Este pára-raio limita a tensão sobre o enrolamento nas descargas atmosféricas e sobretensões de chaveamento. Um pára-raio tipo MOV de 3kV proporciona a proteção do enrolamento série em todos os reguladores monofásicos por degraus, exceto nos modelos de 33kV e 34,5kV, os quais fazem uso de um pára-raio tipo MOV de 6kV. 91 Figura 5-1 - Localização das buchas S e L Outro tipo de pára-raio que também pode ser encontrado nos reguladores de tensão é o pára-raio shunt, que é um acessório opcional para a proteção do enrolamento shunt. Este pára-raio é ligado diretamente no tanque ligando a bucha L e o terra. Para proteção adicional, o fabricante sugere que se instale o pára-raio shunt entre a bucha S (fonte) e o terra. É sugerido ainda que os mesmos sejam instalados nos suportes no tanque perto das buchas aterrando-se ainda, o pára-raio e o tanque do equipamento regulador na mesma conexão do terra utilizando cabos curtos. Algumas informações sobre a aplicação de pára-raios do tipo shunt são mostradas na tabela 5-1. 92 Tabela 5-1 - Dados de aplicação de pára-raios shunt Tensão Tensão Nominal do Sistema Tensão Nominal Nominal (Volts) Recomendado para do Regulador Delta ou Estrela Pára-raios Shunt monofásico Multi aterrada tipo MOV (kV) 2400 24000/4160 2500 2500/4300 4160 4160/7200 4330 4330/7500 4800 4800/8320 5000 5000/8660 6900 6900/11950 7200 7200/12470 7620 7620/13200 7970 7970/13800 11000 11000 - 13800 12000 - 12470 - 13200 - 13800 - 14400 - - 13800/23900 2500/4330 5000/8660 7620/13200 14400/29940 3 6 10 15 15 14400/29940 18 19920/34500 - 19920/34500 27 22000 22000 - 27 33000 33000 - 36 34500 34500 - 36 93 5.1.2 Proteção contra faltas Com relação aos tipos de falta, sejam elas do tipo fase-terra ou fase-fase, a verdade é que, os reguladores de tensão não possuem um tipo de proteção eficiente contra faltas deste tipo, fala-se aqui de eficiência pois, o fabricante do equipamento regulador afirma que a proteção via pára-raios vista anteriormente também protege o equipamento regulador de tensão contra a ação de faltas, o que na realidade, não se tem confirmado tal eficiência a nível de faltas fase-terra ou fase-fase [13] nos equipamentos reguladores de tensão. Então, com relação à proteção contra faltas faseterra ou fase-fase, a verdade é que a proteção via pára-raios tem deixado a desejar, tornando o equipamento regulador de tensão susceptível a ação de faltas, com proteção deficiente. Para se resolver o problema da susceptibilidade do equipamento regulador de tensão quanto a ocorrência de faltas, um recurso utilizado pela concessionária de energia elétrica é o de se utilizar um outro equipamento em conjunto com o regulador de tensão em seus circuitos alimentadores, o religador. Todo circuito alimentador tem como elementos integrantes um religador e um regulador de tensão, como ilustra a figura 5-2. Assim, quando da ocorrência de faltas o religador atuará, fazendo a proteção do alimentador e do regulador de tensão. Regulador Subestação Alimentador Religador Alimentador de Consumidores Tensão Figura 5-2 - O circuito alimentador Um fato que tem sido observado é que, mesmo com o uso do religador em conjunto com o equipamento regulador de tensão, ainda tem-se verificado a ocorrência de danificação de reguladores de tensão, na maioria das vezes chegando a ocorrer a queima dos enrolamentos do equipamento. Logo, nota-se a necessidade de um sistema de auto-proteção, como o proposto neste estudo. 94 5.2 Análise do sistema de proteção Na busca por um sistema de proteção adequado, fez-se necessário analisar as possibilidades de se retirar o regulador de tensão em regime, sem comprometer tal equipamento. Com isso, deparou-se com uma série de procedimentos de manobra do equipamento regulador de tensão, que vieram a limitar algumas idéias, tornando-as impraticáveis em algumas situações como veremos adiante. Os procedimentos de manobra podem ser analisados através da figura 5-3 [1] Figura 5-3 Operações de manobra 95 5.2.1 Sobre os procedimentos de manobra Com relação aos procedimentos de manobra, faremos aqui uma análise dos principais procedimentos ilustrados na figura 5-3 que vieram a interferir de algum modo em nossas análises para o sistema de atuação da proteção. Por exemplo, numa primeira análise, fatos importantes a serem levados em consideração são que, seja na colocação ou na retirada do equipamento regulador de tensão em serviço, as operações de fechamento e abertura das chaves 1, 2, 3 e 4, ilustradas nas figuras 4-4 e 4-5, são realizadas através do operador, que faz uso de hastes isolantes, ou seja, este é um procedimento não automatizado, é mecânico e depende de um operador. Figura 5-3 - Posição das chaves no equipamento regulador Os procedimentos ilustrados na figura 4-3 que dependem de chaves como a chave “NORMAL/DESLIGA/EXTERNO”, chave de operação “ELEVAR- ABAIXAR”, são efetuados na caixa do painel de controle do equipamento regulador de tensão e também dependem de um operador para acioná-las. Logo, este tipo de acionamento também não é automatizado. Verifica-se até aqui, a total dependência do regulador de tensão em relação a necessidade de um operador para que o mesmo entre em regime ou saia dele. Veremos que esta dependência e também o fato de termos acionamentos mecânicos a serem efetuados para que se procedam as manobras, vieram a dificultar a escolha de um sistema de proteção eficiente. 96 Figura 5-4 - Chaves de manobra no regulador de tensão 5.2.2 Sugestões descartadas para a proteção Nesta seção serão apresentadas as idéias que ocorreram durante o estudo para se promover a atuação da proteção. Uma das idéias levantadas para se fazer a proteção do equipamento regulador de tensão era a de retirá-lo do regime de serviço por exemplo, atuando nas chaves 1, 2, 3 e 4. Contudo, como pode ser visto no fluxograma da figura 5-3, esta idéia torna-se impraticável, primeiro por não se ter chaves que possam ser controladas automaticamente e segundo, que também depende de acionamentos feitos na caixa de controle. Outra idéia levantada, a princípio era a de se curto-circuitar o lado de fonte e de carga do equipamento regulador de tensão, fechando a chave 3 , a chave by-pass, 97 como ilustra a figura 5-6, com o intuito de se proteger o equipamento, colocando-se para isso, uma chave controlada no lugar da atual chave que atua mecanicamente. O grande problema ao se fazer isto, é que não é possível realizar tal manobra, a de se fechar a chave 3 (by-pass), sem antes realizar os procedimentos de 3 a 5 ilustrados na figura 5-3. Caso venha a acorrer o fechamento da chave by-pass e o equipamento regulador estiver em uma posição diferente da posição de neutro, parte do enrolamento série será curto-circuitado, podendo causar a circulação de altas correntes que podem danificar severamente o equipamento[12]. Se uma falha acidental deste tipo ocorrer, isto pode significar risco de lesão ou morte do pessoal operacional. Com isso a idéia de se utilizar um by-pass controlado tornou-se inviável tecnicamente. Figura 5-5 - Chave by-pass Uma outra questão levantada, durante este estudo, foi a de se promover a automatização total do processo de retirada ou de colocação do equipamento regulador de tensão em questão. Para isto, seria necessário que se promovesse um estudo onde fosse analisada uma forma de se fazer uso de chaves controladas para que se viesse a substituir as chaves de 1 a 4 ilustradas na figura 4-6. Também seria necessário efetuar a automatização das chaves que se localizam no painel de controle, ilustradas na figura 5-7, que fazem parte dos procedimentos para a retirada ou colocação do equipamento regulador de tensão. Percebe-se que, ao se decidir optar por uma possível automatização, a mesma deveria, pelo menos, ser estudada em conjunto com o fabricante do equipamento regulador de tensão, para que se proponha a automatização de chaves e principalmente dos acionamentos via painel de controle. Logo, a hipótese de se promover a automatização total do sistema de atuação foi descartada, sendo esta talvez, um bom tema para ser tratado em projetos futuros, que venham a se basear na 98 automatização do processo de atuação. Entretanto, esta automatização representará custos elevados podendo vir a inviabilizar a sua produção. Figura 5-6 - Chaves do painel de controle 99 5.3 Definindo a proteção do equipamento regulador de tensão Analisaremos aqui uma possível forma de se efetuar a proteção do equipamento regulador de tensão. Como já foi mostrado anteriormente, os procedimentos para se retirar o equipamento regulador de tensão do regime, apesar de não serem complexos, são de atuação mecânica e dependem de um operador para isto. Da forma como é feita, a operação de manobra também está sujeita a erro humano, fato que já veio a ocorrer [13], onde, durante a ocasião, fechou-se o by-pass sem verificar se o equipamento se encontrava na posição de neutro como descrito na seção anterior. A proposta para se promover uma proteção para o equipamento regulador de tensão é a de se curto-circuitar o lado da fonte do regulador de tensão promovendo o curto circuito entre as buchas S e SL como ilustra a figura 5-8, lembrando-se que a bucha SL do equipamento sempre se encontra aterrada, o que corresponde a levar a fase diretamente para a terra, impedindo que sobrecorrentes indesejáveis venham a danificar os enrolamentos do equipamento regulador de tensão. Figura 5-7 - Curto-circuitando o equipamento regulador de tensão 100 Deve-se atentar para um fato muito importante ao se fechar um curto-circuito como o proposto neste estudo. Foi descrito no item 5-1-2 que os circuitos alimentadores dos sistemas de distribuição também são constituídos por religadores, cuja função é basicamente a de enxergar as faltas fase-fase ou fase-terra e desligar o circuito alimentador. Com o sistema de atuação do regulador de tensão proposto, ao se promover o curto-circuito, estaremos na verdade, provocando uma falta fase-terra proposital, fazendo com que o religador também venha a atuar, desligando o circuito alimentador e conseqüentemente desenergizando o equipamento regulador de tensão (protegendo-o). Para se religar o circuito alimentador, é necessário a presença de pessoal da operação para promover o religamento. Contudo, consegue-se com tal proposta, promover a proteção do equipamento regulador de tensão que é um dos objetivos deste trabalho. 5.4 O dispositivo de atuação Nesta seção será analisado, dentre os dispositivos pesquisados, aqueles que mais se aproximam do elemento de atuação ideal, para se promover o curto circuito do equipamento regulador de tensão como visto na seção anterior. A princípio, este estudo estava focado na busca por um elemento que pudesse atuar de forma eficiente na proteção do equipamento regulador de tensão. Logo, dois itens foram tomados como requisitos básicos e são eles: 9 O atuador deve ser compatível com os níveis de tensão e de corrente, (em nosso caso, com tensões de 15kV e com correntes até 800 A); 9 O atuador deve ter a capacidade de ser controlável, para que se possa fazer a interação deste atuador com a placa controladora do sistema de autoproteção do regulador de tensão. Baseando-se nos itens acima, a busca por um elemento que viesse a preencher tais requisitos foram deixados de lado (fusíveis, chaves seccionadoras, chaves do tipo faca). Tais elementos, apesar de atenderem os requisitos de tensão e de corrente, em 101 especial as chaves do tipo faca e seccionadoras, que são muito utilizadas em operações de manobra, pecam quanto a capacidade de controle e interação com a placa controladora, já que são elementos de acionamento mecânico. O elemento sugerido em nosso estudo que poderá vir a atender as características citadas, principalmente com relação a possibilidade de se efetuar o controle de fechamento e de abertura do curto-circuito, é o contator trifásico a vácuo. Analisaremos aqui, o contator trifásico a vácuo considerado trata-se do 3TL71 da Siemens, ilustrado na figura 4-9, cujo custo está em torno de R$40.000,00. Figura 5-8 - Contator a vácuo 3TL71 da Siemens Este é um dispositivo de atuação magnética destinado à interrupção de um circuito em carga ou a vazio. O seu princípio de funcionamento baseia-se na força magnética que tem origem na energização de uma bobina e na força mecânica resultante que aciona os contatos das câmaras de vácuo, responsáveis pelo alto grau de extinção do arco, com reduzido número de partes móveis. Este dispositivo, possui características elétricas que se enquadram no perfil do elemento que irá atuar, quando necessário, no sistema de auto-proteção do equipamento regulador de tensão. 102 A tabela 5-2 [14] mostra algumas das características técnicas deste dispositivo. Tabela 5-2 - Caracteristicas elétricas do contator a vácuo 3TL81 Tensão nominal 24kV Corrente nominal 800 A Ith (1s) 8kA Freqüência de operação 50 a 60 Hz Número de contatos auxiliares 4 NA + 4 NF 6 NA + 6 NF 8 NA + 8 NF Durabilidade mecânica 1.000.000 manobras Vida mecânica das câmaras de vácuo 1.000.000 manobras Vida elétrica das câmaras de vácuo 500.000 manobras Corrente de corte < 5 A em 220VAC ou 220VDC Após breve análise das características elétricas do contator a vácuo, percebe-se que este é um dispositivo que se enquadra nos pré-requisitos de tensão e de corrente citados anteriormente, assim como também este é um tipo de dispositivo que poderá ser acoplado a um circuito de controle, em nosso caso, acoplado à placa controladora de modo que este dispositivo poderá vir a fazer parte do circuito de auto-proteção do regulador de tensão no que se refere a atuação deste circuito sobre o equipamento regulador de tensão. 5.5 Visão geral do sistema de autoproteção Neste momento, após análise do sistema de proteção, se faz necessário que se visualize a proposta levantada neste trabalho como um todo. Com relação ao sistema de autoproteção do equipamento regulador de tensão, observe-se por exemplo, algumas sugestões de como poderia ser a instalação da autoproteção deste 103 equipamento. Para tanto, considere uma sugestão de um equipamento regulador de tensão regulando uma linha monofásica conforme ilustra a figura 5-10. Neste caso, conforme a tabela 5-2, será necessário de um contator trifásico a vácuo com apenas oito contatos, 4NA + 4NF, sendo que se utilizaria a penas um dos contatos NA deste dispositivo, para se promover o curto-circuito entre as buchas S e SL, conforme descrito na seção 5-3. Entretanto, fazer uso deste tipo de contator, para reguladores utilizados em linhas monofásicas, tornaria o sistema de proteção inviável devido ao custo final deste equipamento, que excederia o custo do regulador de tensão, que está em torno de R$33.000,00 , inviabilizando o sistema de proteção Figura 5-9 - Sistema de autoproteção para circuito monofásico Outra sugestão é para o banco de reguladores em um sistema trifásico, conforme pode ser visto na figura 5-11, onde se tem a necessidade de utilizar três contatos do tipo NA, para se curto-circuitar as buchas S e SL de cada regulador do banco trifásico. Ao contrário da configuração monofásica, onde o custo final do equipamento inviabilizaria o investimento no sistema de proteção, a situação muda com relação ao banco de reguladores trifásicos, onde o montante a ser protegido agora está em torno de R$100.000,00, tornando o sistema de proteção, com um preço em torno de 40% do total a ser protegido. Nesta configuração, a proposta é de se fazer uso de apenas uma placa controladora para o processamento dos dados monitorados de todos os reguladores de tensão, com o intuito de se reduzir os gastos com o equipamento de proteção. 104 Figura 5-10 - Sistema de autoproteção para circuito trifásico Na figura 5-11, temos que o RT1, RT2 e o RT3 são os reguladores de tensão, o CCC é o circuito condicionador de corrente, o CCT é o circuito condicionador de tensão, o PCPD é a placa controladora - processamento de dados, e o DP é o dispositivo de proteção. Nota-se que todo o banco é protegido, mesmo que haja ocorrência de falta em apenas um dos reguladores de tensão. 5.6 Conclusões Neste capítulo foi analisado o atual sistema de proteção dos reguladores de tensão monofásicos do tipo degrau, reforçando a idéia da real necessidade de um sistema de autoproteção como o proposto neste estudo. Também foram feitas a análise e a escolha por um dispositivo atuador que poderá promover a proteção do equipamento regulador de tensão, e ainda, foram feitas sugestões para a instalação do conjunto de proteção como um todo, em regulação de linhas monofásicas e trifásicas. Também analisou-se nesta seção, a viabilidade financeira da proteção proposta em nosso estudo. 105 Obervou-se ainda, a inviabilidade financeira, com relação ao uso da proteção sugerida, com relação a alimentadores monofásicos, tornando-se assim, a proteção possivelmente viável financeiramente apenas em alimentadores trifásicos. 106 6 CONCLUSÕES Este projeto teve como objetivo, elaborar o estudo de uma autoproteção para reguladores de tensão em sistemas de distribuição com ênfase na aquisição de dados e na atuação. Com isso, foi tomado como base, o sistema de distribuição, assim como os reguladores de tensão, do sistema ESCELSA de distribuição em nosso estado. Para isso, este trabalho apresentou no capítulo 1 informações gerais a respeito do regulador de tensão monofásico de 32 degraus, tais como o principio de funcionamento, tipos de reguladores de degraus, dimensionamento de reguladores, principais funções do sistema de controle, etc. Pela dificuldade encontrada em se obter bibliografia que fale a respeito de reguladores de tensão, este capítulo poderá ser útil em outros projetos que venham a coletar informações a respeito de reguladores de tensão. Já nos capítulos 2 e 3, foram analisados sensores para se promover o sensoriamento da tensão e da corrente e conseguiu-se, com as propostas apresentadas, obter o monitoramento da tensão e da corrente com eficiência. Lembrando-se aqui, que a análise presencial do equipamento regulador de tensão em si, veio a constatar a real possibilidade de instalação dos sensores sugeridos, conforme descrito neste estudo. O capítulo 4 tratou de averiguar o atual sistema de proteção a que estão sujeitos os reguladores de tensão, chegando-se a conclusão da real necessidade de se promover a autoproteção. Também foi apresentado um dispositivo que pudesse interagir com uma placa controladora, no caso, o contator a vácuo, que a princípio se enquadrou no papel de dispositivo atuador da proteção. Entretanto, quanto a viabilidade econômica, a proposta apresentada neste trabalho, só veio a se tornar viável, para reguladores instalados em alimentadores trifásicos. As idéias apresentadas ao longo deste trabalho, principalmente as que se referem a atuação da proteção, também foram discutidas com o setor responsável pela manutenção dos equipamentos reguladores de tensão da ESCELSA. Espera-se com isso, que o presente trabalho venha a refletir fielmente o atual cenário do sistema de 107 distribuição atual, propondo num futuro próximo, a solução de problemas, que, em nosso caso, envolvem a proteção de reguladores de tensão monofásicos do tipo degrau. Como proposta de realização de trabalho futuro, sugere-se que se faça um estudo de outro atuador para que a solução proposta possa se viabilizar economicamente. Com o uso de um atuador de baixo custo, a solução proposta neste trabalho, torna-se-á naturalmente atrativa. Nesta linha de investigação, sugere-se mais especificamente, investigar o uso de chaves de aterramento ou de comando de motores para que se possa, por exemplo, acionar as chaves do tipo faca automaticamente, utilizando-se alavanca com acionamento eletromagnético. Uma outra alternativa possível seria fazer a análise de um sistema que viesse a promover o disparo de atuação de pára-raio. 108 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] CATÁLOGO TOSHIBA. O que interessa saber sobre os reguladores de tensão monofásicos com 32 degraus. Out.2000. [2] Cavati, C.R., Notas de aulas de distribuição de energia, DEL/CT/UFES,2000 . [3] TOSHIBA.Disponível em:< http://www.toshiba.com.br/toshiba/pt/produtos/ produtos/dtml_prod_regulador>. Último acesso: Ago. 2005. [4] MINIPA. Disponível em:< http://www.minipa.com.br/produtos/produtos.asp? Secao=7&cat=6&pg=hs_secao>. Último acesso em abr.2005 [5] MICRO SWITCH. Hall effect sensing and application. Disponível em:< http://users.pandora.be/educypedia/electronics/sensorshall.htm>. Último Acesso em: abr. 2005. [6] SECON.Disponível em:< http://www.secon.com.br/sen_produtos.htm>. Último acesso em mai.2005. [7] CATALOGO COOPER POWER SYSTEMS. Reguladores de tensão S225-10-10P. Disponível em:<http://www.cooperpower.com.br/sistema/produtos.asp?menu =direito&area=Regulador%20de%20Tensão%20tipo%20Degrau%2032%20Passo s&titulo=Literatura&indice=S225-10-10P>. Último acesso em mai. 2005. [8] APOSTILA MICROSHIP. 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