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Proteção Digital
HARDWARE DOS
RELÉS NUMÉRICOS
1. CONSIDERAÇÕES INICIAIS
; Objetivos
idênticos
ao
hardware
dos
relés
convencionais, ou seja, recebem sinais analógicos de
tensão, corrente e outros, sinais digitais de contatos e
efetuam as ações de controle necessárias através do
fechamento de contatos ou disparo de chaves
eletrônicas.
; Relés digitais (numéricos ou microprocessados)
possuem características exclusivas devido à alta
capacidade de comunicação tais como ajuste
automático ou manual, remoto ou local, medições de
dados, registro de faltas e outras informações.
; Manutenção reduzida e confiabilidade aumentando
devido às facilidades de auto-monitoramento e autoteste.
; Grande flexibilidade, uma vez que um hardware
básico pode ser utilizado para diversos tipos de relés,
havendo diferenças apenas no software.
; Outros processamentos de dados podem ser
incluídos facilmente sem prejudicar as funções de
proteção, tais como localização de faltas, registro de
eventos, medições de demanda, estimação de
temperatura, etc.
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2. DIAGRAMA FUNCIONAL DE BLOCOS
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3. PRINCIPAIS COMPONENTES
n ENTRADAS
ANALÓGICAS: sinais analógicos dos transdutores
primários de corrente e potencial (TC’s e TP’s)
DIGITAIS: sinais discretos que refletem o estado de
disjuntores, sinais provenientes de outros relés, etc.
o SISTEMA DE ENTRADAS ANALÓGICAS
; FUNÇÕES PRINCIPAIS
(a)
isolamento elétrico entre os circuitos de entradas
analógicas e os circuitos internos do relé.
(b) proteção dos relés contra sobretensões transitórias
induzidas nos condutores de entrada por chaveamentos
e outros processos transitórios.
(c)
acondicionamento dos sinais analógicos a níveis
adequados para a conversão A/D.
(d) filtragem anti-aliasing: limitação dos sinais analógicos a
frequências até à metade da frequência de amostragem
(denominada frequência de Nyquist).
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; EXEMPLOS:
RELÉ DE
DISTÂNCIA
RELÉ
DIFERENCIAL
mede impedância
necessário apenas o sinal de 60 Hz
filtro anti-aliasing passa baixa com fc = 120 Hz
filtro digital para off-sets (componentes dc)
fa ≥ 240 Hz (4 amostras ou mais por ciclo)
na prática fa ≥ 480 Hz (8 amostras por ciclo)
corrente diferencial em 60 Hz
restrição de 2o harmônico
necessários sinais de 60 Hz e 120 Hz
filtro anti-aliasing passa baixa com fc = 180 Hz
fa ≥ 360 Hz (6 amostras ou mais por ciclo)
na prática fa ≥ 720 Hz (12 amostras por ciclo)
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p INTERFACE A/D
; FUNÇÕES PRINCIPAIS
Execução dos processos de amostragem, multiplexação,
amplificação e conversão A/D através de um sinal de clock
que dita a frequência de amostragem. Para cada sinal
amostrado há a conversão do valor instantâneo do sinal
analógico em uma palavra digital, que fica disponível para o
microprocessador.
; CIRCUITO BÁSICO
; AMOSTRAGEM DOS SINAIS ANALÓGICOS
(a)
Necessidade de sinal de clock:
Æ Preservação da fase dos sinais amostrados
Æ Necessidade de se manter estável o sinal de entrada do
conversor A/D por um certo período de tempo.
(b) Amostragem executada por amplificadores S/H
Æ Um para cada canal analógico (mais comum) ou um para
todos canais analógicos.
Æ Em geral são amplificadores de baixo custo.
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(c) Circuito Básico
Vin
-
S
-
Vout
+
+
Capacitor de
Retenção
Lógica de
Controle
Saída = Entrada (estado TRACK)
Saída = constante (estado HOLD)
; MULTIPLEXAÇÃO DOS SINAIS ANALÓGICOS
(a) Executada por um circuito denominado multiplexador
analógico que consiste de um conjunto de chaves
analógicas controladas por lógica digital.
(b) Disponível no mercado com grande variedade e a baixo
custo.
(c) Seu uso se justifica pois são mais baratos que os
conversores A/D e devido à baixa taxa de amostragem
necessária nas funções de proteção (em geral interesse
apenas nos sinais de 60 Hz)
; AMPLIFICAÇÃO PARA AJUSTE DE ESCALA
(a)
Executada por um circuito denominado amplificador
de ganho programável.
(b) Permite o casamento do valor do sinal analógico à faixa
ótima de operação do conversor A/D.
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; CONVERSÃO ANALÓGICA/DIGITAL (A/D)
(a) O sinal filtrado, amostrado, selecionado e escalado é
rapidamente transformado no conversor A/D em um número
que pode ser lido pelo microprocessador.
(b) Conversor A/D com emprego de contador
Æ É o mais simples e o menos usado dos métodos
de conversão A/D devido à sua baixa velocidade.
Æ Consiste em um conversor D/A ligado a um contador.
Æ Um comando inicia a contagem do contador.
Æ O sinal do contador é aplicado ao D/A que vai
tendo um sinal em sua saída analógica proporcional a
entrada.
Æ Quando a saída analógica se compara ao sinal
analógico que se deseja medir, é dado o comando de
fim de contagem o que define o equivalente digital ao
sinal analógico.
Æ No caso mais desfavorável (entrada analógica
máxima) o contador tem que alcançar a contagem
máxima.
Número de bits
do conversor
8
12
Tempo de Conversão
(períodos de clock)
28 - 1 = 255
212 - 1 = 4095
VIN
+
-
CONT
CONVERSOR
VOUT
CONTADOR
D/A
de 8 BITS
de 8 BITS
D0 - D7
INICIO DE CONVERSÃO
FIM DE CONVERSÃO
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CLK
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(c) Conversor A/D por aproximação sucessiva
Æ É o método mais utilizado na conversão A/D.
Æ A saída de um conversor D/A comanda a entrada de
inversão de um comparador através de um operacional.
Æ É inicialmente acionando o bit mais significativo. Se ele
estiver abaixo do nível do nível do sinal analógico
desejado, ele é setado como 1, caso contrário, como 0.
Æ Depois é feita a comparação para o segundo bit mais
significativo e assim por diante.
Æ Para um conversor de 8 bits, serão necessárias no
máximo oito comparações.
Æ A principal vantagem deste método de aproximação
sucessiva é a velocidade de convergência.
Æ Quando muito, são necessários n pulsos de relógio para
produzir resolução de n bits do sinal analógico.
V
IN
INÍCIO DE CONVERSÃO
+
-
CONTROLE
CLK
FIM DE CONVERSÃO
MSB
LSB
CONVERSOR
REGISTRADOR
V
OUT
D/A
RAS
de 8 BITS
REGISTRADOR
BUFFER
D0-D7
(d) Notas Importantes
Æ Conversores de 8 bits: baratos e utilizados em relés de
sobrecorrente.
Æ Conversores de 12 bits: os mais aplicados em proteção,
pois são relativamente baratos (≈ US$ 40,00) e oferecem
boa precisão, com tempos médios de 25 µs.
Æ Conversores de 16 bits: mais caros e utilizados quando se
requer maior precisão (medição).
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q SISTEMA DE ENTRADAS DIGITAIS
; FUNÇÕES PRINCIPAIS
(a) acondicionamento dos sinais discretos para aplicação ao
processador.
(b) isolamento elétrico entre os circuitos de entradas
digitais e os circuitos internos do relé.
(c) proteção dos relés contra sobretensões transitórias
induzidas nos condutores de entrada por chaveamentos
e outros processos transitórios no primário ou
secundário.
r MEMÓRIAS
(a) RAM : necessária como buffer para armazenamento
temporário dos valores de entrada, para acumular
resultados intermediários dos programas de proteção e
para
armazenar
dados
a
serem
guardados
posteriormente na memória não volátil.
(b) ROM e PROM: utilizadas para armazenagem permanen-te
de programas do relé digital. Via de regra estes
programas são executados diretamente da ROM (ou
EPROM) ou através de uma memória RAM previamente
carregada com o programa original.
(c) EPROM e EEPROM : utilizadas para armazenagem dos
parâmetros de ajustes do relé ou outros dados vitais que
não são modificados com grande frequência.
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s PROCESSADOR (CPU)
(a) executa os programas de proteção, o controle de
diversas funções de tempo e realiza tarefas de
autodiagnóstico e de comunicação com os periféricos.
(b) são utilizados os mais diversos tipos de microprocessadores, desde os mais simples tipo single-chip,
passando pelos de oito bits, indo até os de dezesseis e
trinta e dois bits.
t SISTEMA DE SAÍDAS DISCRETAS
(a) processa a informação de uma porta de saída paralela do
processador, que pode consistir de uma palavra digital
em que cada bit pode ser utilizado para definir um estado
de uma porta de saída.
u PORTAS DE COMUNICAÇÃO
(a) PORTAS SERIAIS: permitem a troca de informações
remotas ou locais para tarefas de ajustes dos valores
dos parâmetros, leitura de registros de faltas, de dados
de ajustes e outras.
(b) PORTAS PARALELAS: permitem o intercâmbio de
informações em tempo real.
v SISTEMA DE SINALIZAÇÃO DA OPERAÇÃO
(a) executa a função de sinalização visual ou auditiva da
operação do relé através de conjunto de leds e alarmes.
w FONTE DE ALIMENTAÇÃO
(a) fonte de tensão independente, geralmente do tipo
comutada, que pode ser ligada às baterias da
subestação. Produz tensões dc necessárias aos circuitos
do microprocessador (valores típicos de 5V e +15 V).
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