implementação de um sistema elétrico de proteção

IMPLEMENTAÇÃO DE UM SISTEMA ELÉTRICO DE PROTEÇÃO DIDÁTICO
- SPED
Jéssyca Martins de Sena1, José Diogo Forte de Oliveira Luna2, Lígia Silvéria Vieira da Silva3,
Stephanie Santana Pinto4, Fernando Gromiko Helena5, Ciro José Egoavil Montero6 e Carlos Alberto
Tenório de Carvalho Júnior7
Abstract In this paper we will propose the procedure
adopted to build a didactic device, which aims to
demonstrate the operation of a didactic electrical protection
system (DEPS). The protection system operates through the
activation of the equivalent circuit of a digital relay, which
uses voltage and current sensors to enable protection
through defined settings, that will trigger the relay to
deactivate the charge whenever the sensors detect an
unexpected operation situation. The protection system uses
an ATmega328, because it is a simple microcontroller,
didactic and easy to program. The DEPS was built with
basic electronic components, that can be easily acquired,
which facilitates the replication of the project, allowing the
student to get familiar with the concepts of electrical
protection system that are addressed in more advanced
courses, as soon as he begins his studies in electronics.
Key words: Teaching equipment, Electrical Protection,
Digital Relay.
Resumo  Neste trabalho apresentamos o procedimento
adotado na implementação de um equipamento didático, o
qual tem como objetivo demonstrar o funcionamento da
proteção em um sistema elétrico (DEPS). O sistema de
proteção atua por meio do acionamento de um circuito
equivalente ao de um relé digital, no qual utiliza o
sensoriamento de tensão e corrente para ativar a proteção
através de parâmetros pré–definidos, atuando em diferentes
situações que simulem ocorrências adversas no
funcionamento do equipamento elétrico. O sistema utiliza o
microcontrolador ATMEGA 328, pois se trata de uma
plataforma simples, didática e de fácil programação. O
SPED foi construído com componentes eletrônicos comuns e
de fácil aquisição o que facilita a replicação do projeto,
permitindo ao discente, logo que inicia seus estudos de
eletrônica, familiarizar-se com os conceitos de sistemas de
proteção que são abordados nas disciplinas mais
avançadas.
Palavra chave: Plataforma Didática, Proteção Elétrica,
Relé Digital.
INTRODUÇÃO
Uma parte fundamental de uma instalação elétrica é
o sistema de proteção, que deve evitar falhas na rede
elétrica, curtos-circuitos, variações anormais de corrente,
tensão ou frequência que possam danificar equipamentos ou
materiais. Diversos fatores podem causar problemas na rede,
desde o funcionamento inadequado de um equipamento
alimentado pela rede e descargas atmosféricas. Nesses
momentos a proteção deve interromper a eletricidade, para
proteger linhas, barras e equipamentos, sempre tentando
minimizar os possíveis prejuízos, evitando que o defeito
atinja outras partes da rede e monitorando as falhas, para que
se possa analisar suas causas e facilitar a posterior o
reestabelecimento do fornecimento da energia. O que
possibilita a análise posterior e verificando as possíveis
causas das falhas [1].
Os sistemas de releamento em subestações
normalmente possui acoplado transformadores de
instrumentação: como os transformador de corrente, TC, e
de potencial, TP, são aplicado em relés de proteção, no qual
possuem o enrolamento primário conectado em série com o
condutor no caso dos TCs e em paralelo para os TPs que
carrega a tensão e corrente elétrica que será medida ou
controlada [2].
Esses transformadores monitoram os níveis de
tensão e corrente elétrica presente na rede, em caso de
detecção de valores inaceitáveis relacionado aos os
parâmetros elétricos mensurados, o relé pode ser acionado
de forma instantânea ou temporizado, dependendo da sua
aplicação, pois em algumas situações podem existir uma
tolerância à variações de corrente ou tensão com duração
reduzida, que não justificam a interrupção da rede elétrica.
Os relés de proteção podem ser eletromecânicos e de estado
solido e são dispositivos que atuam como proteção em rede
elétrica [3].
1
Jéssyca Martins de Sena, Dept. Eng. Elétrica - Fundação Universidade Federal de Rondônia, Porto Velho. RO, Brasil, [email protected]
José Diogo Forte de Oliveira Luna, Dept. Eng. Elétrica - Fundação Universidade Federal de Rondônia, Porto Velho. RO, Brasil, [email protected]
3
Lígia Silvéria Vieira da Silva, Dept. Eng. Elétrica - Fundação Universidade Federal de Rondônia, Porto Velho. RO, Brasil, [email protected]
4
Stephanie Santana Pinto, Departamento Eng. Elétrica - Fundação Universidade Federal de Rondônia, Porto Velho. RO, Brasil, [email protected]
5
Fernando Gromiko Helena, Dept. Eng. Elétrica - Fundação Universidade Federal de Rondônia, Porto Velho. RO, Brasil, [email protected]
6
Ciro José Egoavil Monteiro, Dept. Eng. Elétrica - Fundação Universidade Federal de Rondônia, Porto Velho. RO, Brasil, [email protected]
7
Carlos Alberto Tenório de Carvalho Junior, Dept. Eng. Elétrica - Fundação Universidade Federal de Rondônia, Porto Velho. RO, Brasil, [email protected]
2
DOI 10.14684/INTERTECH.13.2014.370-372
© 2014 COPEC
March 16 - 19, 2014, Guimarães, PORTUGAL
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O presente projeto pretende reproduzir em pequena
escala o acionamento de um sistema de proteção através de
valores fornecidos pelo sistema de medição. Os parâmetros
elétricos monitorados pelos sensores de tensão e de corrente
elétrica AC serão analisados pelo microcontrolador,
podendo-se definir valores, no qual a ocorrência de uma
determinada medição na carga que será considerada como
condições anormal de operação, de modo que a proteção
será acionada e interrompendo o fornecimento de energia
elétrica. Essa implantação possibilitará a aplicação de uma
simulação didática de acionamento proteção através de
parâmetros de medição da rede elétrica monofásica.
O Arduino UNO foi a plataforma utilizada para o
desenvolvimento desse projeto, onde pode ser considerada
como uma alternativa didática para o a reprodução SPED.
Esta plataforma faz uso do microcontrolador de 8 bits
ATmega328 da Atmel, que usa arquitetura AVR, possui 32
registradores de propósito geral, 32kB de memória flash,
1kB de memória EEPROM, 2kB de memória RAM,
conversor analógico-digital (AD) de 10 bits e 23 linhas I/O
de propósito geral [4].
A plataforma Arduino é consagrada tanto entre
projetistas e hobbistas pela facilidade de uso e por ser
licença aberta, de modo que existe muito material disponível
para aprendizado e desenvolvimento usando essa plataforma,
requerendo conhecimentos mínimos de microcontroladores,
tornando esta plataforma um recurso valioso para o inicio
dos estudos na área.
O circuito do relé digital utiliza um triac acionado
por um opto-diac para realizar o seccionamento da rede,
caso receba o comando do microcontrolador, que por sua
vez é alimentado de informação pelos sensores.
MATERIAIS E MÉTODOS
Os transformadores de instrumentação são
comumente utilizados para sensoriamento de tensão e
correntes elétricas alternada em sistemas de potência, como
o microcontrolador possui uma tolerância máxima de tensão
alternada de 2,5V de pico, é necessário que os
transformadores de instrumentação abaixem esses valores
para níveis aceitáveis.
Para a medição de corrente elétrica alternada foi
utilizado um módulo sensor de corrente AC TA12-100,
composto por TC (TR1) de pequeno porte, onde sua relação
de transformação é de 1000:1. No módulo é utilizado um
resistor de carga de 200 Ω, o sinal de saída será dado em
valor de tensão e a faixa de leitura será de 0 até 12A. O
enrolamento primário do TC é conectado em série com o
condutor.
Na medição de tensão AC foi utilizado
transformador (TR2) rebaixado de 220/120V para 3V, um
divisor de tensão foi acoplado no circuito para reduzir os
valores de leitura para valores aceitável ao microcontrolador.
O enrolamento primário do TP é conectado em paralelo com
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a carga. Na figura 1 pode ser observado o circuito do
projeto.
FIGURA. 1
CIRCUITO ELETRÔNICO DE ACIONAMENTO E MONITORAMENTO DE UM
SISTEMA DE PROTEÇÃO DIDÁTICO NA CARGA NA REDE ELÉTRICA
MONOFÁSICA.
Os parâmetros elétricos são monitorados pelos
sensores de tensão e corrente elétrica e serão analisados pelo
microcontrolador, podendo-se definir valores no qual a
ocorrência de uma determinada medição na carga que será
considerada como condições de risco à operação. Quando
isso acontecer, a proteção será acionada e interromperá o
fornecimento de energia elétrica. Essa implementação
possibilitará a aplicação de uma simulação didática de
acionamento da proteção através de parâmetros de medição
da carga na rede elétrica monofásica. Sendo assim, optou-se
pela utilização de um relé de estado sólido como
chaveamento eletrônico do circuito para atuar na proteção de
sobre-tensões e sub-tensões, devido a confiabilidade e
rapidez o acionamento.
O opto-diac empregado no circuito é o MOC3021,
que é um circuito integrado encapsulado em formato DIP de
6 terminais, que contém um LED infravermelho, que quando
ativado, através dos pinos 1 e 2 do circuito integrado (CI),
irá emitir radiação suficiente para acionar o opto-diac, que,
por sua vez permite a passagem de corrente entre os pinos 4
e 6. Desta maneira, o diac constitui um opto-acoplador, um
driver que isola a carga completamente do circuito de
controle, o que vem de encontro à necessidade de interfacear
os circuitos de controle e a carga, dada a diferença da
magnitude das tensões de operação. Por garantir boa
estabilidade devido à degradação lenta do LED e isolamento
eficaz, o MOC3021 é corriqueiramente aplicado em drivers
de triacs e relés de estado sólido. O diac, então, através de
um resistor, irá enviar corrente suficiente para ativar o triac
que está ligado a carga.
O triac empregado para realizar o seccionamento da
rede é o BTA12-600, um triac envelopado no formato TO220AB, indicado para o chaveamento de corrente alternada,
seja em aplicações de liga-desliga, como relés de estado
sólido, regulação de aquecimento, partida de motores de
indução, ou para operações de controle de fase, como
controle de velocidade de motor ou dimerização de luz, e é
capaz de suportar uma tensão de até 600V.
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Caso o sensor de tensão apresente ocorrência de
risco para a carga o microcontrolador irá desativar o diac,
que por sua vez desativa o triac e por fim interrompe a
energia na carga, acendendo um LED para avisar que houve
uma falha no sistema, ilustrando assim, a atuação de um relé
digital.
acenderá um LED para avisar o operador e aguardará que
um botão seja pressionado para indicar que o fornecimento
pode ser reestabelecido. Nesse caso, o sistema verificará a
tensão, alimentará a carga, ativando o diac e fará a leitura do
TC, novamente. Na figura 3 observa-se o circuito impresso
do relé digital.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
O primeiro parâmetro analisado é o valor da tensão de
entrada na carga, na programação do microcontrolador é
definida previamente a tensão admitida pela carga. No caso
de sobre-tensão ou sub-tensão o microntrolador não ativará o
relé digital, indicando a atuação do SPED, o fornecimento de
energia não será liberado, de modo que a carga não terá
contato com os níveis de tensão diferentes dos préestabelecidos, de modo que a carga estará na sua região de
proteção. Para efetuar o teste foram utilizadas lâmpadas
incandescentes de que operam com a tensão de 127V e
220V. Cada lâmpada foi ligada em tensões de alimentação
diferente do seu padrão de operação e o SPED atuou
conforme o previsto. A figura 2 ilustra como foram feitos os
testes.
FIGURA. 3
PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO COM RELÉ DIGITAL.
FIGURA. 4
FLUXOGRAMA DE FUNCIONAMENTO LÓGICO DO SISTEMA.
CONCLUSÃO
FIGURA. 2
ESQUEMA DE CONEXÕES DOS SENSORES DE TENSÃO, CORRENTE ELÉTRICA E
RELÉ DIGITAL.
De acordo com o fluxograma (Figura 4), a atuação da
proteção ocorre antes da entrada energia elétrica na carga,
isso ocorre devido à realização de leitura do sensor de tensão
primeiramente, e somente depois, verificar as condições e
posteriormente ter a tomada de decisão sobre a ativação da
alimentação na carga. A tensão é lida através de uma porta
analógica do microcontrolador, que recebe um sinal do TP
que é processado pelo conversor AD de 10 bits. O resultado
é então comparado com os valores aceitáveis.
Constatado a regularidade da tensão de alimentação, o
microcontrolador ativa o diac, que por sua vez irá disparar o
triac, alimentando a carga e possibilitando a medição da
corrente através do TC, que enviará um sinal de 0V a 2,5V,
que também será processado pelo conversor AD. Se em
qualquer momento a corrente estiver acima da corrente
estipulada, o relé seccionará a carga da alimentação,
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O desenvolvimento dessa plataforma didática
proporciona uma maneira de facilitar a compreensão do
funcionamento e importância de um sistema de proteção na
rede elétrica. Com componentes simples como triacs, diacs e
resistores, além de um microcontrolador simples, como o
ATmega328 encontrado na plataforma Arduino é possível
simular de maneira satisfatória a implementação de um relé
digital utilizado em sistemas de proteção, obtendo uma
grande compreensão dos fenômenos envolvidos.
REFERÊNCIAS
[1]
Cotosck, K, R, Proteção de Sistemas Elétricos: Uma Abordagem
Técnico-Pedagógica. 2007.
[2]
Filho, C,R,S, Transformadores para instrumentos. Disponível em:
<http://www.joinville.udesc.br/portal/professores/carlos_roberto/mate
riais/Transformadores_Para_Instrumentos2.pdf>. Acessado em
Agosto de 2013.
[3]
Simone, G,A. Transformadores. São Paulo: èrica,1998.
[4]
McRoberts, M, Arduino Básico. Novatec 2011.
March 16 - 19, 2014, Guimarães, PORTUGAL
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