projeto de estudo de implantação de um dispositivo de ...€¦estudo da implantaÇÃo de um...

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



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



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.

(A) (B) (C) (D)

Aquisição Processamento Regulador Atuação

de de de da

Tensão Dados Dados Proteção

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:

Satisfação do consumidor;

Redução das perdas na distribuição;

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

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 2-1 - Auto-transformador

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.

Adicionando tape’s a bobina “C”, passamos a ter degraus de tensão, conforme

figura 2-5.

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 faz através da outra extremidade do reator, conforme

figura 2-6.

Figura 2-4 - Chave inversora de polaridade

Figura 2-5 - Tape´s de derivação

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:

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 2

Vd , devido ao

center tape, o que explica o reator ser um divisor de tensão.

Figura 2-7 - Reator posição de neutro

21

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.

Analisando a figura 2-9 as equações 2-1 e 2-2 podem ser inferidas, utilizando

as Leis de Kirchhoff no referido circuito.

Figura 2-8 - Reator posição de tap 1

Figura 2-9 - Corrente circulante

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, 2Lφ , criados

pela corrente, 2LI , se anulam, o que em um circuito indutivo significa que a tensão

induzida na bobina do reator devido a circulação da corrente de carga é zero, ou seja:

Vinduzida = N 0=dtdφ

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 Ldtdi , ou seja, a taxa de variação de corrente de zero

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, pode-

se 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 EspiraVolt deste

regulador é variável, conforme ilustra a figura 2-16.

Figura 2-16 - Regulador tipo A

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

EspiraVolt deste regulador é constante, conforme ilustra a figura 2-17.

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 2-17 -Regulador tipo B

Considere-se a seguinte equação B

C

C

B

II

VV

= , onde:

VB, IB, VC, IC são a tensão e corrente nas bobinas B e C, respectivamente.

Figura 2-18 - Elevador (R16)

29

Logo,

B

C

II

=138013800 ⇒ IC = 10 IB

Ainda, IF = IB + IL e IC = IL

Então, 1) AIIII LBBL 10

10100

1010 ===⇒=

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.

Logo, para IL=IC = 10IB

Figura 2-19 - Abaixador (L16)

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,

B

C

II

=138013800 ⇒ IC = 10 IB

Ainda, IF = IB + IL e IF = IC

Então, 1) LC

C II

I +==10

10010

IC – 0,1IC = 100

0,9IC = 100

IC = A1,1119,0

100=

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) 10010

+−= CC

II

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:

%1,9Re%0,90%1001380012544

+⇒= gulax

%1,11Re%1,111%1001380015332

−⇒= gulax

Tabela 2-2 -Tensões fonte/carga para o regulador tipo B

TENSÃO NA FONTE

(V)

TENSÃO NA CARGA

(V)

13800 13800

(- 10%) = 12420 (12420 + 1380) = 13800

(+10%) = 15180 (15180 – 1380) = 13800

Concluindo:

%10Re%0,90%1001380012420

+⇒= gulax

%10Re%110%1001380015180

−⇒= gulax

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

TIPO A TIPO B

R16

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 (%)

CORRENTE SUPLEMENTAR (% DA CORRENTE NOMINAL)

10,0 100 8,75 110 7,5 120 6,25 135

5 160

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:

Inversão no sentido de rotação do motor do comutador sob carga;

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;

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 NOMINAL

DO SISTEMA (V)

TENSÃO NOMINAL DO REGULADOR

(V)

LIGAÇÃO DO BANCO DE

REGULADORES

NÍVEL BÁSICO DE IMPULSO

POTÊNCIA NOMINAL

DO REGULADO

R (KVA)

CORRENTE DE LINHA (A)

4160 2400 ESTRELA COM

NEUTRO ATERRADO

60

50 75

100 125 167 250

200 300 400 500 668

1000


NEUTRO ATERRADO

75

50 75

100 125 167

100 150 200 250 334

42

250 333

500 668


NEUTRO ATERRADO

95

38,1 57,2 76,2

114,3 167 250 333 416 509

50 75

100 150 219 328 438 546 668

13800 13800 TRIÂNGULO 95

69 138 207 276 414 552

50 100 150 200 300 400


NEUTRO ATERRADO

150 (TENSÃO

APLICADA = 50KV)

72 144 216 288 333 432 576 667 833

50 100 150 200 231 300 400 463 578


NEUTRO ATERRADO

150 (TENSÃO

APLICADA = 50KV)

100 200 333 400 667 833

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 = AkVx

kVA 4188,133

10000=

43

A tensão nominal do regulador deve ser:

VN = V79673

13800=

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:

Erro de leitura variando de 0,5 a 2% dependendo do modelo e da faixa de

leitura das garras;

Faixa de corrente a ser medida podendo ser encontrada desde mA até

3kA em alguns modelos de garras;

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:

Podem medir corrente contínua e alternada;

Possuem isolação galvânica;

Trabalham em ambiente industrial.

Algumas aplicações dos sensores SECON:

Inversores;

Solda elétrica;

Galvanoplastia;

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

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;

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;

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;

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:

Fazer o monitoramento apenas no lado da carga;

Fazer o monitoramento da corrente internamente ao equipamento e não

como proposto inicialmente na seção 3.1, ou seja, diretamente nos condutores

externos;

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 fazê-

la 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 protegido a ser enviado para placa controladora

Sinal do TC anormal (maior)

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

DADOS

RESULTADO

DE

SIMULAÇÃO

RESULTADO

DE

MEDIÇÃO

Vmáx [V] 4,72 4,25

Vmín[V] -765,66m -720m

Tabela 3-1 - Tabela comparativa

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

Aparelhos

Potência ativa

(W)

Potência reativa

(var)

Potência aparente

(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

Designação

Potência

aparente

(VA)

Fator

de

Potência

Resistência

(Ohm)

Indutância

(mH)

Impedância

(Ohm)

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:

Tensão nominal primária – É aquela para a qual o TP foi projetado;

Tensão nominal secundária – É aquela padronizada por norma e tem

valor fixo igual a 115V;

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;

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;

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;

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;

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:

Isolação (em banho de óleo, ou epóxi);

Uso ( interior ou exterior);

Tensão suportável de impulso (TSI);

Tensão nominal primária, em kV;

Tensão nominal secundária, em V (115V);

Freqüência nominal;

Classe de exatidão requerida;

Carga nominal ( baseada na carga das bobinas dos instrumentos a serem

acoplados);

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 REQUISITOS ELÉTRICOS Unid. 15kV 36,2kV 72,5kV 145kV

01

Parâmetros do Sistema: -Tensão nominal -Tensão máxima de operação -Freqüência nominal

kV kV Hz

13,8 15 60

34,5 36,2 60

69

72,5 60

138 145 160

02 Tensão primária nominal kV 13,8/√3 34,5√3 69√3 138√3 03 Tensão secundária V 115/√3 115/√3 115/√3 115/√3 04 Relação de transformação:

-enrolamento 1; -enrolamento 2; -enrolamento 3;

120:1 120:1

-

300:1 300:1

-

600:1 600:1

-

1200:1 1200:1 1200:1

05 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;

kV

kV

kV

kV

34

110

121

2,5

70

170

187

2,5

140

350

385

2,5

230

550

605

2,5 06 Máxima tensão de rádiointerferência a

110% da tensão fase-terra de operação normal máxima (Referida a 300 ohms)

µV

-

-

-

1000

07 Máximo corona interno a 110% da tensão fase-terra de operação normal máxima: -tipo seco; -tipo imerso em óleo;

pC pC

50 -

50 -

-

10

-

10 08 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).

V

9162

22906

45813

91625

09 Grupo de ligação - 2 2 2 2 10 Fator nominal de tensão:

-contínuo; -em 30s;

- -

1,2 1,5

1,2 1,5

1,2 1,5

1,2 1,5

11 Sobre-elevação de temperatura, acima da temperatura ambiente: -No enrolamento (método da variação da resistência)

Em líquido isolante Tipo seco

-No liquido isolante

ºC ºC ºC

55 55 55

55 55 55

55 -

55

55 -

55 12 Potência Térmica Nominal VA 500 500 1000 1000

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



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.

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.

RCT

TP

1º Ajuste

Auto-transformador

para ajuste fino

Sistema

de

Controle

Figura 4-3 - O TP e o RCT

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

nominal

do

regulador

1

Tensão

nominal

monofásica

2

Dados de ajuste de relação

Tensão

terminal

de

prova**

6

Relação

de

transfor-

mação**

7

Derivação

interna*

3

Derivação

de TP

4

Relação

do RCT

5

6600 6930

6600

6350

6000

5500

-

-

-

-

-

55:1

55:1

55:1

55:1

55:1

127

120

115

110

104

119

120

120,5

119

115,5

58,2:1

55:1

52,7:1

50,4:1

47,7:1

11000 11600

11000

10000

6930

6600

E1/P1

E1/P1

E2/P2

E2/P2

E2/P2

91,7:1

91,7:1

91,7:1

55:1

55:1

127

120

110

127

120

119,5

120

119

119

120

97:1

91,7:1

84,1:1

58,2:1

55:1

79

6350

6000

5500

E2/P2

E2/P2

E2/P2

55:1

55:1

55:1

115

110

104

120

119

115,5

52,7:1

50,4:1

47,7:1

15000 15000

14400

13800

13200

12000

11000

10000

8660

E1/P1

E1/P*

E1/P1

E1/P1

E1/P1

E2/P2

E2/P2

E3/P3

120:1

120:1

120:1

120:1

120:1

92,3:1

92,3:1

72,9:1

120

120

115

110

104

120

110

120

125

120

120

120

115,5

119

118

119

120:1

120:1

115:1

110:1

104:1

92,3:1

84,6:1

72,9:1

22000 23000

22000

20000

19100

15000

12700

11000

10000

E1/P1

E1/P*

E1/P1

E1/P1

E2/P2

E2/P2

E3/P3

E3/P3

183,1:1

183,1:1

183,1:1

183,1:1

119,8:1

119,8:1

91,6:1

91,6:1

120

120

110

104

120

104

120

110

125,5

120

119

120

125,5

122,5

120

119

183,3:1

183,3:1

168:1

159,2:1

119,8:1

103,9:1

91,6:1

84:1

33000 35000

33000

30000

22000

20000

11600

11000

10000

E1/P1

E1/P1

E1/P1

E2/P2

E2/P2

E3/P3

E3/P3

E3/P3

275:1

275:1

275:1

183,3:1

183,3:1

91,7:1

91,7:1

91,7:1

127

120

110

120

110

127

120

110

120,5

120

119

120

119

119,5

120

119

291:1

275:1

252,1:1

183,3:1

268:1

97:1

91,7:1

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

127

120

115

110

104

1,108

1,058

1,000

0,958

0,917

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

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;

Efetuar, a princípio, apenas o monitoramento no lado da carga, exceto

em reguladores que atuam com fluxo inverso;

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:

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:

+9Vca: Responsável pela medição de freqüência e sincronismo da

medição da tensão;

+5Vcc: Responsável pela alimentação do circuito digital;

+24Vcc (não regulada): Responsável pela alimentação do “Contador de

Operações” e relés de saída;

+12/-12Vcc: Responsável pela alimentação do circuito analógico;

+20Vcc: Responsável pela alimentação do indicador externo;

+15Vcc: Responsável pela alimentação dos “Opto-Acopladores”, do

circuito conversor “V/F”, do circuito conversor “V/I”, e dos “Opto-

Acopladores” 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. Observaram-

se 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 inicia-

se 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

Nominal

do Regulador

Tensão Nominal do Sistema

(Volts)

Tensão Nominal

Recomendado para

Pára-raios Shunt

tipo MOV (kV)

Delta ou

monofásico

Estrela

Multi aterrada

2500/4330 2400

2500

24000/4160

2500/4300

3

5000/8660 4160

4330

4800

5000

4160/7200

4330/7500

4800/8320

5000/8660

6

7620/13200 6900

7200

7620

7970

6900/11950

7200/12470

7620/13200

7970/13800

10

11000 11000 - 15

13800 12000

12470

13200

13800

14400

-

-

-

-

-

15

14400/29940 - 13800/23900

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 fase-

terra 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

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.

Subestação Religador de Alimentador Alimentador Consumidores

Tensão

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:

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);

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 auto-

proteção 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. Introdução aos microcontroladores PIC–Microship–

16F84A. Disponível em :< http://paginas.terra.com.br/educacao/mdmau/

Microcontrolador %20PIC16F84.pdf >. Último acesso em mai.2005.

[9] MAMEDE FILHO, João.Instalações Elétricas Industriais.Brasil:LTC,2001.

[10] CAMINHA, Amadeu Casal.Introdução à Proteção dos Sistemas Elétricos. Brasil:

Edgar Blucher.

[11] COPEL. Disponível em:< http://www.copel.com/pagcopel.nsf?>. Último acesso

em jul.2005.

[12] ESCELSA. Setor de manutenção. Carapina, Serra, ES.

http://www.minipa.com.br/produtos/produtos.asp

http://www.secon.com.br/sen_produtos.htm

http://www.cooperpower.com.br/sistema/produtos.asp?menu%20=direito&

http://www.cooperpower.com.br/sistema/produtos.asp?menu%20=direito&

http://paginas.terra.com.br/educacao/mdmau/

http://www.copel.com/pagcopel.nsf

109

[13] SIEMENS. Catálogo Contator Trifásico a Vácuo 3TL71.Disponível em:<

http://www.siemens.com.br/templates/produto.aspx?channel=250&produto=7058

&conteudo=7059>. Último acesso em out.2005.

[14] TOROIDE DO BRASIL Ind.e Com de transformadores. Disponível em :<

http://www.toroid.com.br/corrente.htm> Último acesso em jul.2005.

http://www.siemens.com.br/templates/produto.aspx?channel=250&produto=7058&conteudo=7059

http://www.siemens.com.br/templates/produto.aspx?channel=250&produto=7058&conteudo=7059

http://www.toroid.com.br/corrente.htm

projeto de estudo de implantação de um dispositivo de ...€¦estudo da implantaÇÃo de um...

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