Teste de acionamento em mecanismo de

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Universidade do Vale do Paraíba
Faculdade de Engenharia Arquitetura e Urbanismo
Curso Engenharia Elétrica / Eletrônica
Teste de acionamento em mecanismo de disjuntores
AT / MT
Antonio Carlos Marciano Leite Júnior
Lucas César Vieira Pires
Relatório do Trabalho de Conclusão de
Curso apresentado à Banca Avaliadora
da
Faculdade
de
Engenharias,
Arquitetura
e
Urbanismo
da
Universidade do Vale do Paraíba, como
parte dos requisitos para obtenção do
Título de Bacharel em Engenharia
Elétrica / Eletrônica.
São José dos Campos – SP
Dezembro 2014
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Teste de acionamento em mecanismo de disjuntores
AT / MT
Antonio Carlos Marciano Leite Júnior
Lucas César Vieira Pires
Banca Avaliadora
Presidente Alderico Rodrigues de Paula Junior
Orientador Alessandro Corrêa Mendes
Membro A
Membro B
______________________________________
Alessandro Corrêa Mendes
Orientador Acadêmico
______________________________________
José Ricardo Abalde Guedes
Coordenador da Disciplina de TCC
Data:
3
Agradecimentos
Agradecemos a Deus Pai todo poderoso por ter nos dado o dom da vida,
inteligência, saúde e força para superar as dificuldades
e obstáculos enfrentados ao longo desses anos.
A Universidade do Vale do Paraíba, seu corpo docente, direção
e administração que oportunizaram a janela que hoje vislumbra um horizonte
superior, a banca e todos que apesar de vossas inúmeras tarefas se fizeram presente.
Ao nosso orientador Prof. Alessandro Corrêa Mendes, pelo suporte no pouco tempo que
lhe coube, pelas suas correções e incentivos e ao nosso Prof. José Ricardo Abalde, pela
grande ajuda dada no pouco tempo disponível. Aos nossos pais e familiares, pelo amor,
incentivo e apoio incondicional.
A todos que direta ou indiretamente fizeram parte da nossa formação,
o nosso “muito obrigado!”.
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Resumo
Desenvolvimento de um circuito fornecedor de corrente contínua, controlado por
microcontrolador, capaz de supervisionar o nível de tensão em corrente contínua e a
velocidade de abertura / fechamento dos mecanismos de acionamentos de disjuntores de
alta / média tensão, agrupando funções em um só equipamento, otimizando recursos e
reduzindo custos. O hardware base utilizado é o MSP430, microcontrolador fabricado
pela Texas Instruments, reconhecido por seu baixo custo e sua grande versatilidade. A
linguagem utilizada é ``C´´, e o software de interface é o ``CCS´´, as principais funções
utilizadas são a PWM e Timer. Os sinais elétricos da rede são convertidos e aplicados à
entrada do MSP430, que se encarrega via software controlar o circuito de disparo
necessário à variação de tensão, e paralelamente o timer se encarrega de monitorar o
tempo do processo.
Palavras-chave: Microcontrolador. Voltmínimo. Oscilógrafo. Disjuntores.
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Abstract
Developing a provider of direct current circuit, controlled by microcontroller, able to
monitor the level of DC voltage and the speed of opening / closing mechanisms drives
breakers high / medium Voltage, grouping functions into a single device, optimizing
resources and reducing costs. The hardware used is based on the MSP430,
microcontroller manufactured by Texas Instruments, recognized for its low cost and
versatility. The language used is “C”' , and the software interface is “CCS”' and the
main functions used are the PWM e Timer . The electrical signals are converted and
network applied to inbound the MSP430, which takes care via software control the
trigger circuit voltage variation needed to , and parallel with the timer takes care of
monitoring the process time .
Keywords: Microcontroller. Voltmínimo. Oscillograph; Breakers.
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SUMÁRIO
Introdução ....................................................................................................................... 10 Materiais e métodos ........................................................................................................ 14 Resultados e discussões .................................................................................................. 21 Conclusão........................................................................................................................ 22
Anexos ............................................................................................................................ 23
Referências ..................................................................................................................... 28 7
Índice de figuras
Figura 1 – Transmissão energia elétrica ......................................................................... 10 Figura 2 – Exemplo de Estação transformadora de distribuição ( ETD ) ....................... 10 Figura 3 – Sentido da corrente normal e na falta corrente alternada ( CA ) ................... 11 Figura 4 – Mecanismo de acionamento à mola ............................................................. 12 Figura 5 – Bobina de acionamento corrente contínua ( CC ) ......................................... 13 Figura 6 – Esquema elétrico primeiro circuito utilizado ................................................ 14 Figura 7 - Esquema elétrico segundo circuito utilizado ................................................. 15 Figura 8 – Exemplo de um voltimínimo ........................................................................ 15 Figura 9 – Exemplo de um oscilógrafo ........................................................................... 16 Figura 10 – MSP430 ....................................................................................................... 17
Figura 11 – Diagrama de bloco do circuito .................................................................. 17 Figura 12 – Circuito detecção passagem senóide em zero ........................................... 18 Figura 13 – PWM ........................................................................................................... 19 Figura 14 – Circuito de disparo ...................................................................................... 19 Figura 15 – Acoplador ótico ........................................................................................... 20 Figura 16 – Ponte de diodos onda completa .................................................................. 20
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Índice de tabelas
Tabela 1 – Tensão nominal sistema corrente contínua .................................................. 11 Tabela 2 – Porcentagem tensão corrente contínua.......................................................... 21 Tabela 3 –Valores equipamentos .................................................................................... 22 9
Lista de abreviações
ETD
Estação Transformadora de Distribuição
AT
Alta Tensão
MT
Média Tensão
LT
Linha de Transmissão
AC
Corrente Alternada
DC
Corrente Contínua
Vca
Tensão Alternada
Vcc
Tensão Continua
PWM
Modulação por Largura de Pulso
LCD
Display de Cristal Liquido
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Introdução
A maior parte da energia elétrica produzida no Brasil é proveniente das
hidrelétricas, que desde seu início até a chegada ao consumidor final, tem em seu
processo várias etapas - Figura 1.
A Estação Transformadora de Distribuição ( ETD ) [4] [6] [8] é uma destas etapas
e possui equipamentos capazes de receber a alta tensão – AT ( 138 / 88 kV ),
transmitida pelas linhas de transmissão ( LT ) e reduzi-las a média tensão – MT ( 34,5 /
13,8 kV ) - Figura 2 .
Figura 1 – Transmissão elétrica
Figura 2 - ETD
Todos os sistemas de proteção de uma ETD, devem manter-se operantes mesmo na
falta da corrente alternada ( CA ) e por este motivo a alimentação utilizada é a corrente
contínua ( CC ).
A característica primordial da corrente contínua é a possibilidade de
armazenamento de energia e a posterior utilização, respeitando é claro certo consumo
por uma razão de tempo.
Os armazenamentos nas ETD’s em questão são através de baterias ligadas em série
( bancos de baterias ) e que possuem dois níveis de tensões ( 48 ou 125 Vcc ), sendo
que cada elemento tem tensão nominal 2,2 Vcc ( flutuação ) - Tabela 1.
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Tabela 1
Tensão nominal CC Tensão por elemento Quantidade Tensão operação ( V ) ( V ) elementos ( V ) 48 2,2* 24 52,8** 125 2,2* 62 136,4** * A tensão de 2,2 Vcc é chamada "flutuação" e é necessária para manter as baterias carregadas ** As tensões 10 % maiores compensam quedas nos circuitos alimentadores O cálculo da autonomia das baterias depende do modelo e fabricante podendo ser
expresso, por exemplo, como 150 A / 10 h, que significa 150 amperes em 10 horas. Este
valor não é linear e depende da característica do consumo da carga.
Uma ETD possui pelo menos um retificador e um banco de bateria , que em
condições normais de operação são responsáveis por alimentar o sistema de proteção –
Figura 3.
Figura 3 – Sentido da corrente
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É parte integrante do sistema de proteção, o mecanismo de acionamento do
disjuntor de AT ou MT, que podem ser a mola, pneumático ou hidráulico, porém
todos possuem bobinas de acionamento que operam em CC – Figura 4.
Figura 4 - Mecanismo de acionamento á mola
Devido à importância destes equipamentos e a necessidade de monitoramento
da integridade dos mesmos, são efetuadas manutenções periódicas que se utilizam de
testes de acionamento. Os ensaios de tensão mínima [7] ( “voltmínimo” ) e o de
velocidade de acionamento ( oscilografia ) são dois exemplos de testes.
O ensaio de tensão mínima consiste em começar com uma tensão inferior a
nominal ( em torno de 30 % ), verificar a atuação da bobina e consequentemente o
acionamento do mecanismo. A elevação da tensão na bobina será até o valor nominal
devendo o mecanismo ser atuado até este nível.
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O ensaio de velocidade de acionamento consiste em monitorar o tempo desde o pulso
de tensão na bobina, até a mudança de estado do contato no disjuntor ( Aberto / Fechado
). Figura – 5.
Figura 5 - Bobina de acionamento do mecanismo
Materiais e métodos
A motivação para criação deste projeto foi a melhoria no método de ensaio e a
utilização dos conhecimentos adquiridos.
Antes relembramos os métodos que anteriormente eram utilizados para ensaio de tensão
mínima. O primeiro circuito possuía um reostato ligado á uma “ponte de diodos”.
Desvantagens: estética, peso e leitura de tensão tinha que ser através de outro
equipamento ( multímetro ) – Figura 6.
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Figura 6 - Esquema ilustrativo reostato
O segundo método que foi utilizado por um tempo após avaria do primeiro circuito,
foi o de conectar um cabo em quantidades diferentes de elementos de baterias, variando
assim o valor da tensão. Desvantagens : trabalhoso, insegurança e leitura de tensão tinha
que ser através de outro equipamento ( multímetro ).
O terceiro método foi um circuito que elaborei utilizando um dimmer, reduzindo a
tensão na entrada de um transformador 220 / 110 Vca, com seu secundário ligado a uma
ponte de diodos e com um galvanômetro monitorando a tensão – Figura 7.
Desvantagem: estética
Figura 7 - Esquema ilustrativo segundo circuito
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Este esquema foi levado a um fabricante que o tornou mais confiável e
apresentável -Figura 8.
Desvantagem : custo mais elevado perante o anterior
Figura 8 - Exemplo de voltmínimo
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O monitoramento da velocidade de abertura / fechamento dos mecanismos de
acionamento dos disjuntores, é um dos mais importantes dentre os ensaios, tendo como
foco em seu resultado quanto mais rápido a operação melhor.
As desvantagens neste ensaio são os números de cabos conectados ao equipamento,
devido o mesmo não possuir um sistema de alimentação em corrente contínua
necessário para atuação da bobina do mecanismo. O custo elevado do equipamento é
outra característica – Figura 9
Figura 9 - Exemplo de oscilógrafo
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Aplicação do microcontrolador
No decorrer do curso foram-nos lecionadas matérias que utilizavam como base o
microcontrolador MSP430[1] [5], produzido pela Texas Instruments, circuito de baixo
custo que se mostrou bastante versátil e útil para diversas aplicações – Figura 10 e 11.
Figura 10 - MSP430
Figura 11 - Diagrama de blocos do circuito
A ideia inicial de utilização para o MSP430 é o controle e variação do nível de
tensão CC, variando a percentagem de utilização da senoide.
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Para tanto é necessário o monitoramento do período da senoide ( passagem pelo
“zero” ), o que ocorre através de um circuito de amostragem conectado a base de um
transistor ( BC-547 ). Toda vez que a senoide passa os 0,7 V (+) o transistor conduz
levando a saída ZERO_CROSS ao nível “baixo”. No retorno da senoide, ao atingir
valores abaixo de 0,7 V (+), o transistor bloqueia levando a saída ZERO_CROSS ao
nível “alto”.
Com este artifício podemos através do timer do controlador medir o período da
senoide - Figura 12.
Figura 12 – Circuito detecção passagem zero
Observação: Este circuito deve ser utilizado apenas em aplicações monofásicas. A
utilização em aplicações com mais de uma fase, implica na replicação do mesmo para
cada acréscimo de fase.
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Uma vez coletada esta informação, utilizamos outra função do microcontrolador
chamada modulação por largura de pulso ou mais conhecida como PWM ( do inglês
Pulse-Width Modulation ).
Esta função é capaz de gerar um “trem de pulsos” variável em fase com a senoide –
Figura 13.
Figura 13 – Formas de onda PWM
Unindo a função PWM a outro circuito periférico, podemos controlar o período da
senoide a ser utilizada – Figura 14.
Figura 14 – Circuito de disparo
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Como o microcontrolador [3] trabalha com tensão bem inferior a da rede,
utilizamos um acoplador óptico para isolamento elétrico entre os circuitos – Figura 15.
Figura 15 - Exemplo de Acoplador Óptico
O foco do nosso projeto é a criação de um circuito que forneça corrente contínua, a
carga conectada a saída desde circuito é uma ponte de diodos onda completa, com a
possibilidade de ser pulsada ( manualmente ou pelo controlador ).
Figura 16 – Ponte diodos onda completa
Como o controlador já possui as informações necessárias, utilizamo-lo para pulsar a
tensão retificada, verificando a mudança de estado do contato do mecanismo do
disjuntor ( AT / MT ) e informando o tempo do processo, que é a velocidade de
abertura ou fechamento.
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Resultados e discussões
A maioria dos fabricantes de equipamentos elétricos especifica que seus
equipamentos podem trabalhar em uma margem de + ou - 20 % de variação tensão, ou
seja : Tabela 2 .
Tabela 2
Tensão nominal ( Vcc ) Vcc < 20 % Vcc < 30 % Vcc < 40 % 48 38,40 33,60 28,80 125 100,00 87,50 75,00 A preocupação em um ensaio de tensão mínima é testar e certificar que o mecanismo
do disjuntor consiga operar com nível de tensão abaixo do nominal, estipulado em até
30 % inferior por precaução.
Este nível de tensão é chamado “nível trip” ( desligamento ) e é ajustado a um nível
de tensão em que os disjuntores consigam serem atuados antes da perda do comando
( desligamento forçado ao atingir nível ajustado ).
Os resultados deste ensaio fora dos padrões estabelecidos podem evidenciar a
necessidade de ajuste, lubrificação do mecanismo ou substituição de bobina. Como os
sistemas de proteção digitais atuam por pulsos, a não atuação da bobina do mecanismo
ou a dificuldade de sua atuação, pode acarretar desligamento de proteção de retaguarda
ou em casos graves, até mesmo avaria no disjuntor e equipamento protegido pelo
mesmo.
Os valores das velocidades de acionamento variam de acordo com o modelo,
fabricante e tipo de acionamento e valores fora dos padrões de fabricação podem
evidenciar a necessidade de ajuste, lubrificação do mecanismo ou fadiga de peças. As
consequências negativas de valores maiores aos estabelecidos são as mesmas citadas
anteriormente.
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Conclusão
O circuito projetado satisfaz a aplicação, com resultados bem próximos aos
equipamentos produzidos para cada fim específico.
Este projeto priorizou a simplicidade e o custo baixo, porém podemos fazer upgrades
de periféricos que melhorariam sua interface, como exemplo bluetooth e display LCD.
A inserção de novos periféricos implicaria em custos mais altos e acréscimo de linhas
de programação ou até mesmo nova linguagem.
O custo total do projeto é bem inferior à aquisição de um voltmínimo e um
oscilógrafo. Tabela 3.
Tabela 3
Equipamento Voltmínimo Oscilógrafo um canal Projeto R$ 1500 5000 300 23
Anexos
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Anexos
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Anexos
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Anexos
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Anexos
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Referências
[1] http://www.ti.com/ww/en/launchpad/launchpads-msp430.html?DCMP=mculaunchpad&HQS=msp430launchpad
[2] http://www.univap.br/universidade.html
[3] http://automacaobartos.com.br/
[4] http://www.edp.com.br
[5] Fábio Pereira Microcontroladores MSP430 Teoria e Prática Teoria e Prática Editora
Érica Ltda. 2005 - 1ª Edição
[6] Martignoni, Alfonso; Transformadores; - 8a ed. – São Paulo: Globo, 1991.
[7] Transformadores Teorias e Ensaios; José Carlos de Oliveira, João Roberto Cogo,
José Policarpo G.de Abreu; Edgard Blücher Ltda.
[8] Nogueira, Luiz Roberto – Conversão Eletromecânica de Energia –Caderno do curso
de Engenharia Elétrica- 2013.