UNIVERSIDADE DE UBERABA ARLEY RIBEIRO DUARTE JEAN MARCOS CARDOSO

PROTTIPO DE REL PARA PROTEO DE MOTORES ELTRICOS

UBERLNDIA - MG 2011

ARLEY RIBEIRO DUARTE JEAN MARCOS CARDOSO

PROTTIPO DE REL PARA PROTEO DE MOTORES ELTRICOS

Trabalho de concluso de curso apresentado Universidade de Uberaba, como parte dos requisitos graduao e obteno do ttulo de Engenheiro Eletricista.

Orientadora: Prof. Ms. Kety Rosa de Barros

UBERLNDIA - MG 2011

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Dedicamos este trabalho a todas as pessoas que com humildade nos apoiaram e nos fizeram crescer para nos tornarmos engenheiros.

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AGRADECIMENTOSAos nossos colegas, principalmente a Geraldo Robson e Fbio Carvalho, pela amizade e companheirismo que durante a faculdade nos incentivaram e nos ajudaram a construir este projeto. Aos professores pelo profissionalismo e dedicao que, mesmo nos momentos mais difceis, souberam nos guiar tornando ainda mais gratificante esta etapa. Ao professor Sidney Fontoura pelos conhecimentos repassados e pelas orientaes durante o desenvolvimento deste trabalho. A nossa orientadora professora Kety Barros, pela pacincia, pela capacidade de discutir idias e por seus apontamentos precisos e detalhados. Arley Ribeiro Duarte e Jean Marcos Cardoso

A Deus por me guiar e abenoar em todos os momentos de minha vida. Agradeo a meus amigos pelos incentivos, com destaque para Jean que acreditou que este projeto seria possvel. A minha famlia: meus pais e minha irm, pois seus ensinamentos e conselhos me trouxeram at aqui. Por fim, a minha esposa Sara que esteve sempre ao meu lado com pacincia e dedicao, me dando fora para vencer. Arley Ribeiro Duarte

Agradeo a Deus pela sua presena em minha vida, iluminando sempre meus caminhos. A minha famlia: minha me, meus irmos, meu sogro e minha sogra e cunhadas, que a distncia fortaleceu ainda mais nossos laos. Meu pai, pois sei que ele ainda compartilha comigo as minhas conquistas. A minha esposa Ana Cristina que esteve ao meu lado desde o incio desta caminhada e que sempre me compreendeu. Aos meus amigos, pela importncia em minha vida, em especial a Aldimar pelo incentivo durante todo curso. Ao meu amigo Arley por compartilhar todo este projeto. Enfim, a todos aqueles que contriburam para esta conquista. Jean Marcos Cardoso

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Procedei como filho da luz, pois o fruto da luz consiste em toda bondade, justia e verdade. (Ef 5,8-9)

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ResumoCom a evoluo da tecnologia e da engenharia eltrica, os rels de proteo esto cada vez mais poderosos. So rels microprocessados com inmeros recursos que, com a utilizao de clculos avanados, possibilitam uma proteo eficiente de diversos tipos de equipamentos, dentre eles os motores eltricos. Neste contexto, o presente trabalho visa desenvolver um prottipo de rel multifuno para proteo de motores eltricos de induo trifsicos, utilizando um microcontrolador, acompanhado de um software para superviso e comando do motor e para parametrizao do rel. O prottipo realiza vrias funes protegendo o motor contra sobretenso, subtenso, sobrefrequncia, subfrequncia, sobretemperatura, curto-circuito, perda de fase e sobrecorrente, seja por rotor bloqueado ou sobrecarga. Tambm so apresentados os resultados dos ensaios realizados para verificar o desempenho do prottipo. O desenvolvimento do rel e a realizao dos ensaios foram baseados em normas tcnicas e recomendaes da IEC, ANSI, NBR e IEEE.

Palavras-chaves: prottipo, rel, proteo, multifuno, microcontrolador, motor.

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AbstractWith the evolution of technology and electrical engeneering, protective relays are becoming increasingly more powerful. They are microprocessed relays with innumerable features that, with advanced calculations, allows an efficient protection of several types of equipments, icluding electical motors. In this context, this work aims at the development of a prototype of a multifunction relay for protection of three-phase electrical motors using a microcontroller together with a software for supervision and control of the motor and for parametrization of the relay. The prototype has many functions, that protect the motor against overvoltage, undervoltage, overfrequency, underfrequency, overheating, short-circuit, loss of phase and overcurrent, either caused by blocked rotor or overload. Results of the tests are presented for verification of the prototype's performance. The development of the relay and the tests were based on technical standards and recomendations from IEC, ANSI, NBR and IEEE.

Keywords: prototype, relay, protection, multifunction, microcontroller, motor.

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LISTA DE FIGURASFigura 01 Diagrama Unifilar Simplificado ................................................................. 6 Figura 02 Elementos de Proteo ............................................................................ 8 Figura 03 Rel Eletromecnico de Disco de Induo da GE ................................. 10 Figura 04 Rel Esttico da Allis-Chalmers ............................................................. 11 Figura 05 Circuito Tpico de um Rel Digital .......................................................... 12 Figura 06 Rel Digital ............................................................................................. 13 Figura 07 Rel de Proteo de Motor .................................................................... 15 Figura 08 Curvas ANSI Sobrecorrente Tempo Inverso .......................................... 18 Figura 09 Esquema de Coordenao das Protees de Sobrecorrente ................ 22 Figura 10 Vetores de Desbalano de Corrente ...................................................... 23 Figura 11 Grfico Variao Tenso x Frequncia .................................................. 24 Figura 12 Ajustes de RTDs.................................................................................... 26 Figura 13 Classificao dos Motores ..................................................................... 28 Figura 14 Motor de Induo Trifsico ..................................................................... 29 Figura 15 Interligaes de Escovas ao Eixo do Rotor ............................................ 30 Figura 16 Produo de um Campo Girante ............................................................ 31 Figura 17 Tipos de Falhas em Motores .................................................................. 35 Figura 18 Sistema Trifsico Sequncia 1,2,3 ......................................................... 36 Figura 19 Ligao Estrela....................................................................................... 37 Figura 20 Ligao Tringulo ................................................................................... 38 Figura 21 Esquema de Ligao do Prottipo ......................................................... 41 Figura 22 Diagrama de Blocos do Prottipo ........................................................... 43 Figura 23 Circuito de Aquisio do Sinal de Tenso .............................................. 44 Figura 24 Circuito de Aquisio do Sinal de Corrente Fase A................................ 45 Figura 25 Grficos dos Tipos de Filtros .................................................................. 46 Figura 26 Filtragem do Sinal de Temperatura ........................................................ 47 Figura 27 Filtro Butterworth do Sinal de Tenso .................................................... 48

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Figura 28 Resposta Filtro Butterworth .................................................................... 49 Figura 29 Grfico da Converso A/D ..................................................................... 51 Figura 30 Como Usar o ADC.................................................................................. 52 Figura 31 Grfico dos Sinais de Tenso ................................................................ 53 Figura 32 Grfico dos Sinais de Corrente .............................................................. 54 Figura 33 Diagrama de Blocos PIC 18F ................................................................. 56 Figura 34 Rels de Sada ....................................................................................... 57 Figura 35 Entrada Digital ........................................................................................ 58 Figura 36 Circuito de Sinalizao e Reconhecimento ............................................ 59 Figura 37 Circuito de Comunicao ....................................................................... 60 Figura 38 Circuito Oscilador para Medio da Frequncia..................................... 60 Figura 39 Sinal de Onda Quadrada para Medio da Frequncia ......................... 62 Figura 40 Circuito Somador para Medio da Corrente Residual .......................... 62 Figura 41 Circuito Detector de Falha Interna.......................................................... 63 Figura 42 Fonte de Alimentao do Microcontrolador ............................................ 63 Figura 43 Fluxograma do Programa Principal ........................................................ 65 Figura 44 Tela de Superviso ................................................................................ 69 Figura 45 Processo de Aquisio de Informaes ................................................. 70 Figura 46 Telas de Parametrizao ....................................................................... 71 Figura 47 Viso Geral do Software Contendo os Botes de Ajustes ..................... 72 Figura 48 Vista Lateral do Prottipo ....................................................................... 73 Figura 49 Bornes para Conexes........................................................................... 73 Figura 50 Detalhe da Fixao da Placa de Sinalizao ......................................... 74 Figura 51 Painel Frontal do Prottipo ..................................................................... 74 Figura 52 Conexes entre Placas e Bornes ........................................................... 75 Figura 53 Vista Frontal do Prottipo com as Placas Inseridas ............................... 75 Figura 54 Vista Frontal do Prottipo ....................................................................... 76 Figura 55 Ensaio do Rel com as Caixas de Testes .............................................. 78 Figura 56 Esquema de Ligao do Motor Utilizado como Modelo ......................... 79

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Figura 57 Coordenao das Protees de Sobrecorrente Utilizada nos Ensaios .. 81

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LISTA DE TABELAS

Tabela 01 Nmeros de Funo .............................................................................. 14 Tabela 02 Defeitos e Causas ................................................................................. 32 Tabela 03 Caractersticas do Padro Utilizado nos Ensaios .................................. 78 Tabela 04 Dados do Motor Utilizado como Modelo nos Ensaios ........................... 79 Tabela 05 Ajustes Implantados no Rel para Ensaios ........................................... 80 Tabela 06 Resultados dos Testes Funo 27 ........................................................ 82 Tabela 07 Resultados dos Testes Funo 59 ........................................................ 83 Tabela 08 Resultados dos Testes Funes 81 ...................................................... 84 Tabela 09 Resultados dos Testes Funo 46 ........................................................ 84 Tabela 10 Resultados dos Testes Funo 50 ........................................................ 85 Tabela 11 Resultados dos Testes Funo 51TD ................................................... 86 Tabela 12 Resultados dos Testes Funo 51TI ..................................................... 88 Tabela 13 Resultados dos Testes Funo 49 ........................................................ 89

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

IEC International Electrotechnical Comission ANSI American National Standarts Institute ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas NBR Norma Brasileira IEEE - The Institute of Electrical and Electronics Engineers TP Transformador de Potencial TC Transformador de Corrente RTD Resistence Temperature Detector

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SumrioCaptulo 1 - Introduo ............................................................................. 11.1 1.2 1.3 1.4 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.3.1 2.1.3.2 2.1.3.3 Justificativa e Motivao ...........................................................................2 Objetivo Geral ...........................................................................................3 Objetivos Especficos ................................................................................3 Organizao do Trabalho...........................................................................3

Captulo 2 Conceitos Gerais .................................................................. 5Rels de Proteo .......................................................................................6 Definies e Princpios ..............................................................................7 Tipos e Classificao .................................................................................9 Proteo de Motores ................................................................................13 Subtenso (ANSI 27) ................................................................................15 Sobretenso (ANSI 59).............................................................................16 Sobrecorrente ...........................................................................................16

2.1.3.3.1 Sobrecorrente de Tempo Inverso (ANSI 51) ...........................................17 2.1.3.3.2 Sobrecarga ...............................................................................................19 2.1.3.3.3 Rotor Bloqueado ......................................................................................20 2.1.3.3.4 Sobrecorrente de Tempo Definido (ANSI 51) .........................................20 2.1.3.3.5 Sobrecorrente Instantnea / Curto-circuito (ANSI 50).............................21 2.1.3.3.6 Coordenao e Seletividade.....................................................................21 2.1.3.4 2.1.3.5 2.1.3.6 2.1.3.7 2.2 2.2.1 2.2.2 Desbalano de Corrente (ANSI 46) ..........................................................22 Perda de Fase ...........................................................................................23 Subfrequncia e Sobrefrequncia (ANSI 81) ...........................................24 Temperatura (ANSI 49) ............................................................................25 Motores Eltricos .....................................................................................26 Definio..................................................................................................27 Motor Eltrico de Induo Trifsico .......................................................28

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2.2.3 2.2.4 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.1.5 3.1.6 3.1.7 3.1.8 3.1.9 3.1.10 3.1.11 3.1.12 3.1.13 3.2 3.3 3.4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

Princpio de Funcionamento ....................................................................30 Causas, falhas e danos .............................................................................32 Conceitos Complementares .....................................................................35 Corrente Alternada Trifsica ...................................................................36 Ligao Estrela ........................................................................................36 Ligao Tringulo ....................................................................................37

Captulo 3 Desenvolvimento do Prottipo........................................... 39Estrutura do Hardware ............................................................................42 Aquisio dos Sinais Analgicos ............................................................43 Sensor de temperatura .............................................................................46 Filtragem dos Sinais ................................................................................46 Converso A/D ........................................................................................51 Processamento .........................................................................................55 Sadas digitais ..........................................................................................57 Entrada digital ..........................................................................................58 Sinalizao ...............................................................................................58 Interface com o Software .........................................................................59 Oscilador para Medio de Frequncia ...................................................60 Circuito Somador para Medio da Corrente Residual ...........................62 Detector de Falha Interna ........................................................................62 Fontes de Alimentao ............................................................................63

Firmware .................................................................................................64 Software ...................................................................................................68Montagem do rel ....................................................................................72

Captulo 4 Resultados de Ensaios ........................................................ 77Ensaio das Funes de Tenso ................................................................82 Ensaio das Funes de Frequncia ..........................................................83 Ensaio da Funo Desbalano de Corrente .............................................84 Ensaio da Funo Perda de Fase..............................................................85 Ensaio da Funo Sobrecorrente Instantnea ..........................................85 Ensaio da Funo Sobrecorrente de Tempo Definido .............................86

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4.7 4.8 5.1 5.2

Ensaio da Funo Sobrecorrente de Tempo Inverso ...............................87 Ensaio da Funo de Temperatura...........................................................89

Captulo 5 Concluso ........................................................................... 90Limitaes................................................................................................91 Trabalhos Futuros ....................................................................................92

APNDICE A ......................................................................................... 93 APNDICE B ......................................................................................... 94 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ................................................... 95

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Captulo 1 - IntroduoO sistema eltrico composto por materiais e equipamentos utilizados desde a gerao, transmisso, distribuio at o consumidor final, seja residencial, industrial ou comercial. Estes esto sujeitos s perturbaes das mais diversas, por intempries da natureza ou falhas nos prprios equipamentos, o que pode causar a interrupo no fornecimento de energia ou ainda gerar danos para os equipamentos ou sistemas envolvidos. A qualidade de projetos e equipamentos empregados em um sistema eltrico ou parte dele so fatores essenciais para a minimizao da probabilidade da ocorrncia de perturbaes mais crticas. Ainda assim, por mais seleto que seja a qualidade dos equipamentos empregados, sempre haver a possibilidade de ocorrer faltas ou perturbaes. Esses fatos exigem, ento, que os sistemas eltricos e instalaes sejam protegidos por equipamentos ou dispositivos de proteo, restringindo ao mximo os danos provocados pelas perturbaes. [46] Em um sistema eltrico a proteo um recurso bsico e essencial, sendo muito importante a tcnica de selecionar, ajustar e aplicar os vrios equipamentos e dispositivos de proteo, de tal forma que o sistema possa ser protegido adequadamente, com segurana, confiabilidade e eficincia, alm de oferecer proteo para as pessoas envolvidas. As principais protees utilizadas em um sistema eltrico so fusveis, disjuntores e rels de proteo. [16] Os fusveis so dispositivos de segurana de um circuito eltrico, cuja funo interromper a passagem de corrente eltrica em um curto-circuito. Os disjuntores so dispositivos eletromecnicos de manobras que podem suportar a abertura de circuitos de altas correntes, protegendo equipamentos eltricos contra

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sobrecarga e curto-circuito, e os rels de proteo so dispositivos cuja funo detectar variaes anormais e emitir sinais de alarme ou desligamento. Os rels de proteo so fabricados para fins especficos como sobrecorrentes, direcionais, sobretenso e uma gama de caractersticas funcionais que podem proteger qualquer equipamento ou sistema eltrico. Diante dessa demanda, os rels evoluram ao longo do tempo. Nasceram eletromecnicos, passaram pela fase eletrnica, com os rels estticos, e atualmente so digitais e multifunes, pois com a evoluo da tecnologia incorporaram processadores em seus circuitos, executando vrias funes em um nico equipamento e com maior desempenho. Muitos so os equipamentos que necessitam de proteo e dentre estes, os motores eltricos, como parte fundamental em uma indstria, por vezes necessita de um projeto de proteo que inclua a utilizao de rels digitais.

1.1 Justificativa e MotivaoA filosofia de proteo do sistema eltrico de potncia, juntamente com os rels de proteo sempre foram assuntos interessantes devido importncia na indstria e a forma como realizam suas tarefas. Baseado em pesquisas e trabalhos na rea, ficou evidente que seria possvel a construo de um rel multifuno. O motor eltrico veio justificar o desenvolvimento do prottipo, pois se trata de um equipamento amplamente utilizado e que necessita de proteo eltrica. A soma desses fatores culminou na motivao em desenvolver um prottipo de um rel multifuno para proteo de motores eltricos, visando minimizar os efeitos causados por falhas nestes.

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1.2 Objetivo GeralO objetivo deste trabalho desenvolver um prottipo de rel multifuno para proteo de motores eltricos de induo trifsicos, utilizando como pea fundamental um microcontrolador, e tambm a construo de um software para superviso e comando do motor, e parametrizao do rel, realizada remotamente atravs de uma interface de comunicao.

1.3 Objetivos EspecficosOs objetivos especficos deste projeto so: Desenvolver algoritmos que executem algumas das funes de proteo realizadas por rels multifuno de proteo de motores; Programar um microcontrolador para processar as funes de proteo propostas; Projetar externas; Desenvolver um prottipo que atenda s caractersticas funcionais de proteo: sensibilidade, seletividade, rapidez e confiabilidade; Projetar um sistema que interaja com o usurio atravs de sinalizaes no prprio equipamento, facilitando o entendimento da ocorrncia pelo usurio; Desenvolver um software que atenda as necessidades do prottipo, com uma interface amigvel ao usurio. um circuito eletrnico capaz de proporcionar ao microcontrolador um sinal timo, imune de rudos e interferncias

1.4 Organizao do TrabalhoEste trabalho encontra-se dividido e organizado da seguinte forma: O captulo 1 apresentou a introduo e os objetivos do trabalho.

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O captulo 2 apresenta os conceitos gerais, contendo as tecnologias, ferramentas utilizadas e alguns conceitos complementares para o perfeito entendimento deste trabalho. O captulo 3 apresenta o desenvolvimento do prottipo, com detalhamento do hardware, firmware e software do rel. O captulo 4 apresenta os resultados dos ensaios realizados. O captulo 5 apresenta a concluso, limitaes e sugestes de trabalhos futuros.

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Captulo 2 Conceitos GeraisExistem vrios trabalhos relacionados proteo de motores eltricos, cada qual com sua caracterstica especfica, mas com o mesmo propsito, proteger motores eltricos contra falhas e perturbaes. A maioria destes trabalhos utiliza somente a corrente como grandeza a ser monitorada, porm uma pequena parcela tambm utiliza a tenso, frequncia e temperatura do motor, aumentando a abrangncia de atuao do rel. Os rels digitais disponveis comercialmente executam inmeras funes de proteo com grande preciso e confiabilidade, disponibilizando aos usurios softwares com interfaces grficas de fcil manuseio. Os atuais sistemas de proteo no se preocupam somente com a integridade do equipamento a ser protegido, mas tambm com a integrao do rel ao projeto da planta, que seguem desde a comunicao em rede confeco de listas de eventos e ferramentas para anlise de ocorrncias atravs de oscilografias. A fim de facilitar a compreenso do trabalho em questo sero descritos a seguir os principais conceitos e ferramentas utilizadas na confeco do prottipo. A figura 01 demonstra simplificadamente, a ligao do sistema de proteo com um motor eltrico.

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Figura 01 Diagrama Unifilar Simplificado

2.1 Rels de ProteoA operao de um sistema eltrico sempre confrontada com a possibilidade da ocorrncia de defeitos ou falhas nos circuitos, nos equipamentos e vrias condies anormais. Na maioria dos casos, os defeitos so devidos diminuio do isolamento que resulta curtos circuitos entre fases e entre fases e terra. [16] Se uma condio anormal de operao ou defeito surge no sistema, mas sua natureza no necessita de isolamento imediato da parte atingida, a proteo acionada, mas to somente para energizar um alarme, alertando o operador para que providncias sejam tomadas para eliminar a perturbao. Caso a natureza do defeito exija o isolamento da parte atingida, isso se d atravs do comando de abertura dos disjuntores ou contatores. Esta deciso pode ser tomada por equipamentos denominados rels de proteo.

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2.1.1 Definies e PrincpiosPela ABNT NBR IEC 60050-446:2005 a definio de rel um dispositivo projetado para produzir alteraes sbitas e predeterminadas em um ou mais circuitos eltricos de sada, quando certas condies forem atendidas nos circuitos eltricos de entrada que controlam o dispositivo. Os rels de proteo tm como funo resguardar os componentes protegidos, de modo que quando uma condio anormal ou defeito surgir, eles atuem isolando os componentes atravs dos disjuntores apropriados ou energizando um dispositivo de alarme. [16] Nos sistemas eltricos atuais, os rels de proteo esto rigorosamente relacionados com o controle automtico e projetados para rpida e automaticamente restabelecerem o sistema a condies normais de operao, garantindo desta forma, a continuidade do sistema. [16] Para responder adequadamente s finalidades para as quais foi criada, a proteo deve preencher alguns requisitos, sendo os mais importantes: a seletividade, rapidez, sensibilidade e confiabilidade. A seletividade a habilidade da proteo em discriminar e somente desconectar a parte do sistema atingida, trazendo os menores prejuzos para o sistema. A rapidez fundamental para que o sistema opere sem trazer prejuzos para o equipamento principal, entretanto projetar um sistema de proteo que seja ao mesmo tempo rpido e seletivo extremamente complexo e oneroso, devido necessidade de maior nmero de dispositivos de proteo. A sensibilidade a percepo, por exemplo, se um curto-circuito ocorrer na extremidade de um circuito, mesmo que em pequena intensidade, a proteo deve ser sensibilizada. Finalmente a confiabilidade, pois a proteo deve ser segura, atravs da utilizao de um rel de alta qualidade e eficcias conhecidas, por exemplo, em nenhum caso dever ser realizada uma operao falsa ou falhar em caso de defeitos ou condies anormais. Alm destes requisitos, ao se projetar um sistema de proteo, o investimento a ser feito deve ser compatvel com a instalao, o que exige um estudo de custos e viabilidades tcnico-econmicas.

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A constituio bsica de um rel, figura 02, pode distinguir em trs elementos bsicos: elemento sensvel, de comparao e de comando. O elemento sensvel manter permanente contato com a grandeza a ser controlada atravs da prpria ou de uma amostra desta; o elemento de comparao estabelecer o limite entre o normal e o defeito atravs de valores pr-determinados e o elemento de comando trata-se de um elemento finalizador e sua funo permitir a operao de um circuito ou equipamento eltrico.

GRANDEZA A SER CONTROLADA

>DEdK ^E^1s>

>DEdK KDW Z K

>DEdK KD EK

EQUIPAMENTO A SER ACIONADO

Figura 02 Elementos de Proteo Fonte: Filosofia de Proteo - Univercemig

Alguns conceitos so de extrema necessidade e usuais em proteo. Pickup: o menor valor da grandeza operante, capaz de promover a operao do rel. (Limiar de operao). [16] Trip: ponto em que o rel de proteo fecha os contatos de sada. Isso ocorre instantaneamente ou, no caso de funes temporizadas, quando o valor de pickup da grandeza monitorada permanece no sistema por um perodo de tempo, especificado pelo usurio ou por um tempo definido por uma curva tambm prdeterminada pelo usurio. [29] Drop-out: o maior valor da grandeza operante capaz de promover a desoperao do rel. (Limiar de desoperao). [16] Dial: tambm conhecido como mltiplo, representa o atraso de tempo ou o valor que multiplica a grandeza medida, interferindo no tempo de atuao dos rels que utilizam curvas como caracterstica de funcionamento.

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2.1.2 Tipos e ClassificaoOs rels so classificados quanto s grandezas fsicas (eltricas, mecnicas, trmicas, etc.), natureza (corrente, tenso, potncia, etc.), tipo construtivo (eletromecnicos, estticos, digitais, etc.), funo (sobre e subcorrente, tenso, direcional de corrente, distncia, etc.), conexo do elemento sensor (direto no circuito primrio ou atravs de redutores de medidas), tipo de fonte para atuao (CA ou CC), grau de importncia (principal, intermedirio, secundrio, etc.), posicionamento dos contatos (NA ou NF), aplicao (geradores, motores, etc.) e quanto temporizao (instantneo e temporizado). [21] Os rels de proteo so essenciais no funcionamento do sistema eltrico atual e a evoluo contnua desses dispositivos uma consequncia da necessidade do estabelecimento de novas condies operacionais, aumentando a confiabilidade e reduzindo os prejuzos causados por problemas que ocorrem na rede eltrica. Essa evoluo sempre baseada no custo e no benefcio do emprego deste equipamento ao sistema. Basicamente os rels passaram por trs geraes sendo os

eletromecnicos, estticos e os digitais ou microprocessados. O progressivo desenvolvimento dos sistemas eltricos quer no crescimento das tenses e potncias de suprimento, quer na evoluo da complexidade das interligaes e aumento dos nveis de curtos-circuitos, originou a necessidade de aplicaes de esquemas de proteo cada vez melhores. Os primeiros rels eram fabricados com finalidades de proteo especficas, utilizando a variao de somente uma grandeza eltrica. Essa grandeza produzia foras de interaes eletromagnticas entre a corrente e o fluxo magntico sobre um condutor. Este condutor era constitudo por um disco, como se fosse um motor. Devido s principais caractersticas de operao este rel denominou-se rel de proteo eletromecnico, figura 03.

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Figura 03 Rel Eletromecnico de Disco de Induo da GE

Os rels estticos, figura 04, sucederam os rels eletromecnicos, operam com base no funcionamento de circuitos lgicos eletrnicos de estado slido. O desenvolvimento dos rels estticos acelerou-se rapidamente com a descoberta de novos e modernos componentes eletrnicos utilizando semicondutores. Funcionalmente, estes so aplicados de maneira idntica aos rels eletromecnicos, entretanto, apresentam-se com maior operacionalidade, atuao e desenvolvimento de esquemas de proteo mais avanados. Estas geraes de rels foram rapidamente substitudas, visto que a expanso do setor cresceu rapidamente no mundo. [22]

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Figura 04 Rel Esttico da Allis-Chalmers

Com a crescente demanda do mercado tecnolgico e a grande evoluo dos computadores, a proteo de equipamentos com rels digitais pode tornar-se realidade. A tecnologia digital tem se tornado a base da maioria dos sistemas de proteo, atuando no s nas funes de controle, mas tambm em medies, comunicao e tomadas de decises instantneas. Desta forma, alm das funes de um rel de proteo, os rels digitais podem ser programados para desempenhar outras tarefas, como perceber uma perturbao e interagir com outros equipamentos para isolar a falha e propor outro caminho para restabelecimento do sistema rapidamente sem que haja uma interveno humana. A figura 05 mostra o diagrama de um circuito tpico de um rel digital.

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Figura 05 Circuito Tpico de um Rel Digital Fonte: ARAJO, Carlos Andr S. - Proteo de Sistemas Eltricos 2005

Outra funo importante do rel digital o autodiagnstico ou diagnstico da planta onde este est instalado. Esta funo faz com que o rel realize uma superviso contnua de seu hardware e firmware, detectando possveis anormalidades para que essas possam ser reparadas antes que o rel opere incorretamente ou deixe de operar quando necessrio. A grande vantagem que, com a coleta de eventos de um rel pode-se analisar a sequncia dos acontecimentos, localizao de defeitos, monitoramento de equipamentos de manobra e defeitos incipientes, como descargas parciais em enrolamentos. A figura 06 mostra um rel digital de ltima gerao.

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Figura 06 Rel Digital Fonte: SEL-710 Rel de Proteo de Motores 2006, 2007

2.1.3 Proteo de MotoresEstudos do Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) e Electric Power Research Institute (EPRI) indicam que, em mdia, 33% das falhas em motores so eltricas, 31% so mecnicas e 35% so devidas ao ambiente, manuteno e outras razes. Assim, a adequada seleo e ajuste do motor so fundamentais para o bom desempenho do sistema. [24] H uma ampla gama de caractersticas de motores eltricos e vrias funes para as quais estes so usados e projetados. A escolha da proteo adequada depende do tipo do motor, o ambiente ao qual este est instalado e tambm da carga para o qual est conectado, por exemplo, conhecer as correntes nominais e tempos de partida de cada motor, a temperatura mxima que este pode suportar, alm da sobrecarga. Todas essas caractersticas devem ser bem claras e definidas. As protees de motor podem ser divididas em duas principais categorias, como: condies externas e falhas internas. As condies externas podem ser distrbios no sistema de alimentao, intempries do ambiente, entre outros. As

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falhas internas podem ser, por exemplo, curtos-circuitos ou aquecimento do enrolamento do motor. As principais funes encontradas nos modelos mais avanados de rels do fabricante SEL (SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES) so relacionadas na tabela 01 e na figura 07, de acordo com a nomenclatura ANSI:

ANSI 27 59 55 VAR 60 49 50 51 37

FUNES Subtenso Sobretenso Fator de Potncia Potncia Reativa Perda de Potncia Rel Trmico Sobrecorrente Instantnea Sobrecorrente Temporizado Subcorrente

ANSI 14 47 71 81U 81O 66 87 38 46

FUNES Sobrevelocidade Fase Reversa Controle de Carga Subfrequncia Sobrefrequncia Superviso de Partidas Diferencial de Corrente Temperatura de Mancal Desbalano de Corrente / Perda de Fase

Tabela 01 Nmeros de Funo Fonte: SEL-710 Rel de Proteo de Motores 2006, 2007

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Figura 07 Rel de Proteo de Motor Fonte: SEL-710 Rel de Proteo de Motores 2006, 2007

Dentre as principais caractersticas so destacadas as utilizadas no prottipo desenvolvido.

2.1.3.1 Subtenso (ANSI 27)A proteo de subtenso verifica queda em tenses na alimentao de equipamentos eltricos, como motores. Caso ocorra um nvel de tenso abaixo do pr-programado o rel automaticamente envia um sinal para desligar o equipamento. Considerando-se a instalao de um motor em um ponto do circuito de uma instalao em que a tenso esteja abaixo das condies normais previstas, as caractersticas deste so alteradas como: o conjugado de partida diminui com o quadrado da tenso aplicada, a corrente de partida cai proporcionalmente, a corrente a plena carga aumenta na mesma proporo, o fator de potncia aumenta,

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as perdas estatricas e rotricas aumentam aquecendo o enrolamento e a velocidade diminui. Para a grande maioria dos motores o ajuste de subtenso em 0,8 pu atende, devido ao fato de que as quedas de tenso na partida normalmente no excedem 12% e as concessionrias podem ter at 7% de queda chegando-se a 19%. As quedas de tenso podem durar cerca de 0,5 a 2 segundos dependendo do motor. [24, 25]

2.1.3.2 Sobretenso (ANSI 59)A proteo de sobretenso foi elaborada para proteger a mquina eltrica e os componentes das instalaes eltricas conectados dos efeitos de aumentos inadmissveis de tenso. Sobretenses podem ser causadas pela operao incorreta do sistema eltrico. Um motor instalado em um sistema em sobretenso poder ocasionar diminuio da corrente de plena carga e fator de potncia, aumento do conjugado da partida, conjugado mximo e a velocidade aumenta ligeiramente. Apesar do sistema de arrefecimento melhorar bastante pelo aumento do conjugado, ainda poder haver um sobreaquecimento dos enrolamentos principais. A qualidade da energia eltrica aplicada ao motor deve ser garantida conforme norma IEC60034-1, a amplitude da tenso poder variar dentro de uma faixa de 10% do valor nominal.

2.1.3.3 SobrecorrenteO rel de sobrecorrente tem como a grandeza de atuao a corrente eltrica do sistema, sendo da prpria rede ou atravs de transformadores de corrente. Esta funo protege o sistema de elevadas correntes ocasionadas por curtos circuitos, sobrecargas, entre outros, podendo ser aplicada para proteger qualquer elemento de um sistema de energia, inclusive motores. O rel de sobrecorrente pode ser instantneo ou temporizado de tempo inverso ou de tempo definido.

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2.1.3.3.1 Sobrecorrente de Tempo Inverso (ANSI 51)Este tipo de rel opera em tempo inversamente proporcional corrente de falta. Isso uma de suas vantagens, j que possui tempos de acionamentos menores mesmo com correntes muito elevadas e sem risco de perda de seletividade. So classificados de acordo com sua curva caracterstica, que indica a velocidade de operao. No padro ANSI existem vrias curvas para ajuste da seletividade de acordo com a aplicao, como: inversa, pouco inversa, longa inversa, moderadamente inversa, muito inversa, extremamente inversa e definitivamente inversa. [49] Na figura 08 esto representadas as curvas caractersticas e as equaes, utilizadas funo. pela Siemens em um de seus rels, proteo de motores, correspondentes ao padro ANSI, padro utilizado no desenvolvimento desta

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onde:

t = trip d = mltiplo I = corrente de falta Ip = corrente de pickup

Figura 08 Curvas ANSI Sobrecorrente Tempo Inverso Fonte: Rel Proteo Multifuno para Motores 7SK80 V4.6 - SIEMENS

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Independentes do modelo de proteo a serem utilizados os ajustes de proteo de sobrecorrente so baseados nas seguintes grandezas: Corrente nominal: corrente de operao do motor, podendo ser acrescentado a este valor o fator de servio; Corrente de partida: corrente no momento da energizao do motor, quando energizado diretamente da rede eltrica, com partida direta. O valor desta corrente pode chegar a 8 vezes o valor da corrente nominal; Tempo de acelerao: tempo que o motor leva entre a posio repouso e a velocidade nominal de operao; Tempo de rotor bloqueado: tempo mximo que o motor pode ter seu rotor travado sem que excedam os limites de temperatura, que podem causar danos ao mesmo. Este rel utiliza a funo de sobrecorrente de tempo inverso para proteger motores contra sobrecarga e rotor bloqueado.

2.1.3.3.2 SobrecargaNos motores de baixa tenso, inferiores a 1000 V, a proteo de sobrecarga feita por rels trmicos ou disjuntores de baixa tenso com sensores eletrnicos. Para motores de mdia tenso, de 1000 V a 69 kV, segundo IEEE Std, 242, pode ser empregado o esquema de proteo usando um rel de sobrecorrente com a curva de tempo inversa para a proteo contra sobrecarga. Em geral, motores projetados para operao contnua (regime de servio S1) , envolvendo partidas rpidas, no frequentes e que no produzam aquecimento adicional significativo so aceitveis com proteo contra sobrecarga por corrente de tempo inverso. Motores projetados para condies de partidas severas ou que tenham partidas frequentes so aceitveis somente com dispositivos de proteo adequados que assegurem que a temperatura limite no seja excedida. [37]1

Regime de servio S1: quando o motor aciona uma carga constante durante um tempo longo, suficiente para atingir a temperatura de equilbrio trmico do motor. A temperatura varia com a carga, ligada ao eixo do motor, mas no poder ser superior a temperatura correspondente classe de isolamento trmico do motor. [50]

1

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2.1.3.3.3 Rotor BloqueadoA situao em que o rotor instantaneamente bloqueado durante o funcionamento normal pode lev-lo a rpido aquecimento, causando danos irreversveis. O calor gerado no rotor, mesmo que no o danifique, poder ser transmitido parcial ou quase totalmente para o estator, podendo levar a temperatura do enrolamento estatrico a valores incompatveis com o material isolante, chegando a danificar completamente o estator. A proteo contra rotor bloqueado durante o funcionamento consiste de um rel de sobrecorrente temporizado que ajustado para operar em um valor de corrente acima da corrente nominal. Utiliza-se uma temporizao neste rel, para permitir que transitrios de carga de pequena intensidade e curta durao no interrompam a alimentao do motor, causando a parada de um processo. Apesar de uma proteo bem projetada, uma proteo contra rotor bloqueado pode ser bastante complexa, quando o tempo de acelerao requerido pela carga iguala ou ultrapassa o tempo suportvel para a corrente com o rotor bloqueado. Em casos crticos e em motores de grande porte para a proteo de rotor bloqueado utilizam-se protees por rels distncia, que supervisionam as variaes de impedncia do motor ao longo do processo de partida.

2.1.3.3.4 Sobrecorrente de Tempo Definido (ANSI 51)Para proteo contra faltas nos cabos do motor ou falhas internas no motor, utiliza-se o rel de sobrecorrente de tempo definido, juntamente com os elementos instantneos. O ajuste do rel de sobrecorrente de tempo definido variado, pois trata com diferentes nveis de corrente, usando diferentes tempos de operao. A utilizao desta proteo sempre baseada no equipamento e condies da planta, visto que a seletividade primordial para ajuste e seleo.

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O ajuste de tempo em aproximadamente 6 ciclos permite um ajuste de pickup entre 1,2 e 1,5 vezes a corrente de rotor bloqueado. [41]

2.1.3.3.5 Sobrecorrente Instantnea / Curto-circuito (ANSI 50)Geralmente para proteo de motores de baixo custo em uma planta de um sistema utilizam-se somente fusveis para proteo de curto-circuito, por ser um sistema de proteo simples e barato. Para a proteo em circuitos de motores essenciais em um sistema, ou de grandes potncias, utiliza-se rels microprocessado atuando em disjuntores. A proteo de sobrecorrente instantnea, ou de curto-circuito, protege o motor principalmente contra as falhas nos enrolamentos do estator que ocorrem com mais frequncia entre bobinas e carcaa, ou seja, fase e terra. Curto-circuito entre fases so mais raros, pois o isolamento entre as bobinas melhor que o isolamento entre bobina e carcaa. As correntes para sensibilizao das protees de sobrecorrente so bem filtradas antes de entrar nesta proteo, de forma que s as correntes de frequncia fundamental so usadas para clculos da funo. Isso torna o controle eficaz da proteo a condies de transientes no inicio de um curto-circuito e para correntes de curto-circuito assimtricas. O pickup desta funo deve ser ajustado com um valor acima da corrente de rotor bloqueado. Em coordenao com a funo de sobrecorrente de tempo definido (1,2 a 1,5 vezes a corrente de rotor bloqueado) pode ento ser ajustado em 2 vezes a corrente de rotor bloqueado. [41]

2.1.3.3.6 Coordenao e SeletividadeDe acordo com as recomendaes da IEEE Std, 242, a figura 09 representa o esquema de coordenao e seletividade das protees de sobrecorrente. Sempre

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que possvel deve-se adequar esta seletividade aos motores, mas dependendo da planta ou sistema, alguns parmetros podem no ser utilizados.

Figura 09 Esquema de Coordenao das Protees de Sobrecorrente Fonte: Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems - IEEE Std 242-2001

2.1.3.4 Desbalano de Corrente (ANSI 46)A corrente residual a soma vetorial das correntes de fase, sendo que a proteo de desbalano de corrente detecta correntes desbalanceadas de motores de induo trifsicos. Cargas desbalanceadas criam um campo de rotao contrria que age no rotor em dupla frequncia. Correntes parasitas so induzidas na superfcie do rotor conduzindo ao sobreaquecimento local nas zonas finais do rotor e lminas laterais. Outro principal problema com o desbalano de corrente a vibrao. Para ajuste desta proteo devem ser consideradas as caractersticas fsicas do motor, visto que as prprias impedncias podem estar desbalanceadas. Normalmente utilizam-se 15 ou 25%, com ajuste de tempo de 3,5s. [24] A figura 10 ilustra a distribuio vetorial de um sistema isolado, submetido a uma falta da fase (C) para a terra.

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Figura 10 Vetores de Desbalano de Corrente Fonte: A.C. Motor Protection - FECIME

2.1.3.5 Perda de FaseQuando um motor em funcionamento perde a tenso de alimentao em uma das fases, a fase aberta ter corrente zero e cada uma das duas fases remanescentes ter uma circulao de corrente de aproximadamente 170% da corrente de carga do motor. Esta condio de desbalano resulta em uma componente de sequncia negativa que produz um fluxo que gira em sentido contrrio ao sentido de rotao do motor. Este fluxo, por sua vez, induz uma corrente no rotor de aproximadamente 120 Hz (em um sistema eltrico de 60 Hz). A corrente induzida resulta no aumento da resistncia do rotor e no rpido aquecimento que pode danificar o motor em um curto perodo de tempo. Desta forma no evento de uma falta de fase, necessrio que esta funo de proteo desligue rapidamente o motor. [35]

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2.1.3.6 Subfrequncia e Sobrefrequncia (ANSI 81)A funo de proteo de sub ou sobrefrequncia detecta anormalidade de baixa e alta frequncia respectivamente em um sistema eltrico. Se a frequncia permanece fora da faixa admissvel, so iniciadas aes apropriadas, como desligamento do circuito onde o motor est instalado. Um motor alimentado em sobrefrequncia poder aumentar a velocidade nominal e acarretar a diminuio na corrente de partida e o conjugado mximo. A variao de frequncia permitida, mas respeitando os padres das normas. De acordo com a norma ABNT NBR 17094-1:2008, motores de induo para uso em sistema de potncia de frequncia fixa, alimentado por um gerador C.A. (local ou por rede de fornecimento), com as combinaes de tenso e de frequncia so classificadas como zona A e B, conforme figura 11. Um motor de induo deve ser capaz de prover torque nominal contnuo dentro da zona A, mas as elevaes de temperatura podem ser superiores a aquelas obtidas tenso e frequncias nominais. J um motor de induo deve ser capaz de prover torque nominal na zona B, mas pode apresentar desvios superiores zona A, sendo as elevaes de temperatura provavelmente superiores a zona A. O funcionamento prolongado na periferia da zona B no recomendado.

Figura 11 Grfico Variao Tenso x Frequncia Fonte: ABNT NBR 17094-1:2008

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2.1.3.7 Temperatura (ANSI 49)Em alguns momentos, partes do motor podem apresentar sobrelevaes de temperatura sem que ocorram sobrecorrentes, por exemplo, obstruo no sistema de arrefecimento ou refrigerao, quando estes so operados por dispositivos distintos. Em instalaes de motores em ambientes desfavorveis, a superviso de temperatura muito importante por razes de segurana de equipamentos e segurana de pessoas. A instalao de detectores de temperatura em motores depende do tipo do motor a ser controlado ou do tamanho, visto que o detector trmico escolhido depender do nvel de tenso do motor, dos instrumentos de painel associados e da regio do motor onde se deseja medir a temperatura, pois alm da temperatura dos enrolamentos, muitas vezes em motores de grande porte deseja-se supervisionar a temperatura nos mancais, para deteco precoce de defeitos ou em pontos ao longo do sistema de ventilao para deteco de eventuais obstrues. Uma das vantagens da utilizao de detectores de temperatura instalados em seu interior a possibilidade de ter um monitoramento bastante eficaz contra regimes intermitentes ou contnuos com carga intermitente. Para minimizar as falhas de contato nos transmissores de temperatura eficiente que estes detectores sejam instalados durante a fabricao do motor, sendo que ao encomendar para o fabricante essencial a descrio do transmissor, visto que a interface entre o transmissor e o receptor do sinal seja compatvel. O ajuste desta proteo pode ser baseado em dados dos ensaios executados pelo fabricante no catlogo do equipamento. A figura 12 sugere alguns ajustes quando da utilizao de RTDs para medio de temperatura.

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Figura 12 Ajustes de RTDs Fonte: Revista o Setor Eltrico, Agosto 2010

2.2 Motores EltricosEm 1885 o italiano Galileu Ferraris desenvolveu o motor de corrente alternada bifsico. Em 1887 Tesla construiu um motor bifsico com rotor em curtocircuito. Em 1889 o engenheiro russo Michael Dobrowolski, da empresa AEG de Berlim, registrou a patente do motor de induo trifsico com rotor de gaiola de esquilo, semelhante ao que existe atualmente. Em 1891 Dobrowolski iniciou a fabricao em srie, com potncias de 0,4 kW a 7,5 kW. [46] A principal funcionalidade de um motor transformar a energia eltrica em energia mecnica, pois em toda atividade industrial, os motores so empregados a mover os mais diversos tipos de equipamentos que podem ser classificados em vrios grupos. Ao longo de um processo pode-se exigir de um motor variaes em seu conjugado para atender a demanda da atividade, e este motor tem que suportar os diversos desconfortos, da mesma forma deve atender o comportamento da carga causando o menor transtorno possvel ao sistema eltrico ao qual est conectado com uma preocupao de reduzir perdas para aumentar a eficincia. O acionamento de mquinas e equipamentos mecnicos por motores eltricos um assunto de extraordinria importncia econmica e no campo industrial, avalia-se que de 70 a 80% da energia eltrica consumida pelo conjunto de todas as indstrias seja transformada em energia mecnica atravs de motores eltricos. [8]

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2.2.1 DefinioOs tipos mais comuns de motores eltricos so motores de corrente contnua e motores de corrente alternada. Os motores de corrente contnua so motores de custo mais elevado e necessitam de uma fonte de corrente contnua, ou de um dispositivo que converta a corrente alternada em contnua. Podem funcionar com velocidade ajustvel entre amplos limites e se prestam a controles de grande flexibilidade e preciso. Seu uso restrito a casos especiais em que estas exigncias compensam o alto custo de aquisio e instalao. J os motores de corrente alternada so os mais utilizados, visto que a energia eltrica em corrente alternada facilmente encontrada em qualquer campo de utilizao. Os principais tipos so: motores sncronos, que funcionam com velocidade fixa e utilizado somente para grandes potncias e os motores assncronos ou de induo, normalmente com uma velocidade constante, que varia ligeiramente com a carga mecnica aplicada ao eixo. O motor de induo o mais usado de todos os tipos de motores, pois combinam as vantagens da utilizao de energia eltrica, baixo custo, facilidade de transporte, limpeza e simplicidade de comando, com sua construo simples, custo reduzido, grande versatilidade de adaptao s cargas dos mais diversos tipos e melhores rendimentos. A figura 13 mostra a classificao dos motores, pois o conhecimento de como funcionam e das aplicaes dos motores importante para o entendimento deste trabalho.

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/ D / D h D W W

^

^ W ' W s Z Z Z ^ / W W ^

W

D

> ' Z d / W Z ^ W W ^ >

Figura 13 Classificao dos Motores Fonte: WEG - Motores Eltricos Assncrono de Alta Tenso

2.2.2 Motor Eltrico de Induo TrifsicoO motor de induo trifsico tornou-se o motor mais usado pela praticidade e economia. Este motor uma construo mais simples, e exibe uma alta confiabilidade e rendimento, garantindo o fator econmico. O motor de induo uma mquina de dupla excitao, na qual uma tenso alternada aplicada a ambos os enrolamentos, sendo a do estator e ao do rotor. A tenso aplicada ao estator uma tenso de excitao de frequncia constante, j a tenso aplicada ao rotor uma tenso induzida de frequncia e de potencial

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variveis, produzida como consequncia da velocidade do rotor com relao velocidade sncrona. A figura 14 mostra um motor de induo trifsico em corte.

Figura 14 Motor de Induo Trifsico Fonte: WEG - Motores Eltricos Assncrono de Alta Tenso

O motor de induo trifsico pode ser de rotor de gaiola ou com rotor bobinado. O motor com rotor de gaiola possui basicamente um estator com enrolamento trifsico e um rotor gaiola de esquilo. O enrolamento trifsico responsvel pelo campo girante e onde so montados, estrategicamente a 120, uma das outras, os grupos de bobinas por fase. O rotor tipo gaiola sofre induo de campo e tenta acompanhar o campo girante suportado por rolamentos instalados na extremidade. O rotor tipo bobinado foi projetado para partidas mais leves, suaves. A finalidade deste rotor permitir que sejam inseridas resistncias em srie com o enrolamento trifsico, controlando a velocidade. Portanto tem-se um enrolamento trifsico no estator e um enrolamento com trs sadas no rotor. Para permitir a ligao entre o rotor e a parte externa encaixado ao eixo do rotor escovas. Estas

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escovas so conectadas a trs anis fixos aos quais esto ligadas as trs terminaes do bobinado do rotor. A figura 15 mostra as escovas encaixadas ao eixo do rotor.

Figura 15 Interligaes de Escovas ao Eixo do Rotor Fonte: Mquinas Eltricas - Geraldo Carvalho

2.2.3 Princpio de FuncionamentoMquinas de induo so conversores eletromecnicos rotativos de energia que tem o princpio de funcionamento na gerao de campos girantes, por isso, s vezes so chamados de mquinas de campo girante. A corrente e a tenso so alternadas nos enrolamentos do estator e do rotor, e enrolamentos polifsicos produzem foras magnetomotrizes girantes em relao estrutura fsica na qual est colocado e essas tem distribuio aproximadamente senoidal ao longo do entreferro. [11] Os enrolamentos do estator so ligados a uma fonte trifsica e estabelece uma distribuio de campo magntico que gira com velocidade sncrona que depende da frequncia da fonte e do nmero de pares de plos desse mesmo enrolamento. Essa distribuio de campo magntico gerada pela onda de fora

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magnetomotriz do estator concatena o enrolamento do rotor, o que induz tenses trifsicas que estabelece correntes trifsicas, e essas correntes de rotor, que por sua vez produzem fora magnetomotriz e estabelece uma distribuio de fluxo magntico que interage como fluxo do estator e consequentemente deste processo so desenvolvidos os torques. Por depender da induo de tenses no enrolamento do rotor, a mquina de induo no funciona na velocidade sncrona. Portanto todas as mquinas de induo trifsica a fim de produzir um campo magntico de amplitude constante e que gire a velocidade sncrona, necessitam de trs enrolamentos individuais e idnticos, deslocados no estator de 120 eltricos e pelos quais circulem correntes defasadas tambm de 120 no tempo. A figura 16 ilustra o exposto.

Figura 16 Produo de um Campo Girante Fonte: Mquinas Eltricas e Transformadores Irving Lionel Kosow

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2.2.4 Causas, falhas e danosMotores sistema eltrico. A tabela 02 relaciona algumas falhas e as provveis causas. [7] Defeito Provveis Causas Excessivo esforo axial ou radial da correia; Eixo torto; MOTOR NO CONSEGUE PARTIR Conexo errada; Numerao dos cabos trocada; Carga excessiva; Capacitor danificado; Bobina auxiliar interrompida. Ligao interna errada; Rotor falhado ou descentralizado; Tenso abaixo do normal; BAIXO TORQUE DE PARTIDA Frequncia abaixo ou acima da nominal; Capacitncia abaixo do especificado; Capacitores ligados em srie ao invs de paralelo. Rotor falhado ou descentralizado; Rotor com inclinao de barras CONJUGADO MXIMO BAIXO acima do especificado; Tenso abaixo do normal; Capacitor permanente abaixo do especificado. CORRENTE ALTA A VAZIO Entreferro acima do especificado; Tenso acima do especificado; eltricos so levados aos esforos fsicos e eltricos

constantemente, o que podem causar algumas falhas e danos neste ou em parte do

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Frequncia abaixo do especificado; Ligao interna errada; Rotor descentralizado ou arrastando; Rolamentos com defeito; Tampas com muita presso ou mal encaixadas; Chapas magnticas sem tratamento; Capacitor permanente abaixo do especificado; Platinado/centrifugo no abrem. Tenso fora do nominal; Sobrecarga; CORRENTE ALTA EM CARGA Frequncia fora da nominal; Correias muito esticadas; Rotor arrastando no estator. Isolantes de ranhura danificados; Cabos cortados; RESISTNCIA DE ISOLAMENTO BAIXA Cabea de bobina encostando na carcaa; Presena de umidade ou agentes qumicos; Presena de p sobre o bobinado. Excessivo esforo axial ou radial da correia; Eixo torto; AQUECIMENTO DOS MANCAIS Tampas frouxas ou descentralizadas; Falta ou excesso de graxa; Matria estranha na graxa. Ventilao obstruda; Ventilador menor; SOBREAQUECIAMENTO DO Tenso ou frequncia fora do

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MOTOR

especificado; Rotor arrastado ou falhado; Estator sem impregnao; Sobrecarga; Rolamento com defeito; Partidas consecutivas; Entreferro abaixo do especificado; Capacitor permanente inadequado; Ligaes erradas. Desbalanceamento; Eixo torto; Alinhamento incorreto; Rotor fora de centro; Ligaes erradas; Corpos estranhos no entreferro; Objetos presos entre o ventilador e a tampa defletora; Rolamentos gastos/danificados; Aerodinmica inadequada. Rotor fora do centro, falhado, arrastando ou desbalanceado; Desbalanceamento na tenso da rede; Rolamentos desalinhados, gastos ou

ALTO NVEL DE RUDO

VIBRAO EXCESSIVA

sem graxa; Ligaes erradas; Mancais com folga; Eixo torto; Folga nas chapas do estator; Problemas com a base do motor.

Tabela 02 Defeitos e Causas Fonte: WEG - Motores Eltricos Assncrono de Alta Tenso

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A vida til de um enrolamento de um motor eltrico trifsico depende de vrios fatores, como: especificao, instalao e operao correta, ambiente de instalao, manuteno peridica, dentre outros. Caso ocorra uma avaria de um motor eltrico, a primeira providncia a se tomar identificar as possveis causas da perda, mediante a anlise do enrolamento danificado. A figura 17 mostra alguns tipos de falhas em motores.

Figura 17 Tipos de Falhas em Motores Fonte: WEG - Motores Eltricos Assncrono de Alta Tenso

2.3 Conceitos ComplementaresAlguns conceitos como, comportamento das correntes em um sistema trifsico e os tipos de ligao mais comuns aplicados a motores, so abordados, por influenciarem diretamente no funcionamento do rel.

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2.3.1 Corrente Alternada TrifsicaA maior parte do sistema eltrico, como gerao, transmisso e cargas de altas potncias so alimentadas por sistemas trifsicos. Os motores de grande porte geralmente utilizam este sistema por possuir vantagens econmicas, operacionais e flexibilidade na escolha das tenses. A escolha de rels de proteo influenciada pelo tipo de sistema a qual o motor est ligado. O sistema de corrente alternada trifsico simtrico constitudo por um conjunto de 3 cossenides de mesmo valor mximo, na mesma frequncia e com defasagem de 2 /3 rad entre duas tenses sucessivas quaisquer. A figura 18 apresenta um sistema em tempo real associado notao fasorial como tenso de referncia V12.

Figura 18 Sistema Trifsico Sequncia 1,2,3 Fonte: 3-Phase AC Calculations Revisited - Dataforth

2.3.2 Ligao EstrelaA figura 19 mostra um circuito que tem uma carga em ligao estrela, ou um grupo de cargas monofsicas equilibradas distribudas igualmente entre as fases formando uma ligao estrela. A ligao estrela equilibrado tem que atender s condies de equilbrio, que so: impedncia idntica nas fases, mesmo ngulo de

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defasagem entre as tenses e correntes nas fases e cargas de natureza iguais nas fases.

Figura 19 Ligao Estrela Fonte: Mdulo IV Eletrotcnica Univercemig

Como o circuito equilibrado, as correntes de fase deste circuito possuem o mesmo mdulo, mas defasadas em 120 e no possuem corrente na linha do neutro. O surgimento de corrente no neutro poder acontecer se uma dessas condies descritas no for atendida. Algumas definies: Tenso de fase: tenso medida entre o centro da estrela e qualquer um dos terminais; Tenso de linha: tenso medida entre dois terminais, ou seja, tenso entre os condutores; Corrente de fase: corrente que percorre cada uma das bobinas ou impedncias; Corrente de linha: corrente que percorre os condutores.

2.3.3 Ligao TringuloA ligao tringulo, figura 20, representada por um circuito que tem cargas monofsicas distribudas igualmente entre as fases da rede trifsica equilibrada.

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Para que este circuito esteja equilibrado ter que ter impedncias idnticas nas fases, mesmo ngulo de defasagem entre tenses e correntes nas fases e cargas de natureza iguais. A corrente de cada linha de alimentao de um circuito que esteja alimentando cargas ligadas em tringulo diferente da corrente que percorre a carga. A corrente de carga tambm denominada por corrente de fase.

Figura 20 Ligao Tringulo Fonte: Mdulo IV Eletrotcnica Univercemig

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Captulo 3 Desenvolvimento do ProttipoEste trabalho desenvolve um prottipo de rel multifuno, ou rel digital, para proteo de motores eltricos de induo trifsicos contra diversos tipos de falhas, contemplando vrias funes disponveis, tanto em trabalhos correlatos, como em equipamentos disponveis no mercado. Alm do comando de desligamento pela proteo est incluso comando de parada e partida do motor. Atualmente os rels digitais multifuno utilizam microprocessadores para processar suas funes, devido sua alta capacidade de processamento. O prottipo desenvolvido neste trabalho utiliza microcontrolador, o qual incorpora vrios perifricos necessrios para esta aplicao, visando otimizao de espao e custo. Os microcontroladores sero detalhados posteriormente. Tambm so disponibilizados, pelos fabricantes de rels digitais, softwares para parametrizao com o objetivo de melhorar a interface entre rel e usurio. Nesse sentido, o presente trabalho tambm inclui o desenvolvimento de um software para superviso das condies do motor e parametrizao do prottipo, dispensando a utilizao de display. Vale ressaltar que mesmo diante de novas tecnologias e avanos no desenvolvimento de softwares e na comunicao remota atravs de redes, o essencial para um sistema de proteo sempre foi de proteger o equipamento eltrico contra defeitos e falhas. Para a realizao de suas funes de proteo, o rel desenvolvido dispe de trs entradas de corrente provenientes de TCs (transformadores de corrente),

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possibilitando a medida das correntes de fase e da corrente residual, e uma entrada de tenso proveniente de um TP (transformador de potencial), permitindo a medio da tenso e frequncia aplicadas ao motor. Tambm medida a temperatura do motor, atravs de um sensor fixado na carcaa do mesmo. Uma boa medio de temperatura depende de vrios fatores, e dentre eles o sensor um dos mais importantes. Por isso a utilizao de RTDs, Detector Resistivo de Temperatura (Resistence Temperature Detector), muito comum nos atuais sistemas de proteo, visto que possuem alto grau de preciso e sensibilidade de resposta. Porm, devido dificuldade de instalao desses dispositivos, optou-se pela utilizao de um circuito integrado, o LM35, em substituio ao RTD. Por se tratar de um prottipo, o LM35 atende as expectativas do projeto e necessidade em monitorar a temperatura do motor, mesmo que no seja o sensor ideal para a funo. A figura 21 representa como deve ser a ligao do prottipo do rel em um esquema de proteo de um motor.

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Figura 21 Esquema de Ligao do Prottipo

O prottipo multifuno, ou seja, um nico equipamento executa vrias funes de proteo. Cada funo segue uma numerao definida pela norma ANSI [47], com exceo funo perda de fase: Proteo de subtenso (27); Proteo de sobretenso (59); Proteo trmica, temperatura do motor (49); Proteo de sobrecorrente instantnea / curto-circuito (50); Proteo de sobrecarga e rotor bloqueado (51, tempo inverso);

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Proteo de sobrecorrente (51, tempo definido); Proteo de subfrequncia (81); Proteo de sobrefrequncia (81); Proteo de desbalano de corrente (46); Proteo de perda de fase.

Todas as funes, quando atuadas, desligam o motor, retirando-o de operao. Sendo que a funo de temperatura tambm configurada para gerar um sinal de alarme. Quando h a atuao de alguma funo de proteo, acontece a sinalizao no painel frontal do rel atravs de leds que permanecem acesos at que o usurio reconhea a ocorrncia atravs da botoeira de reset. Tambm possvel verificar o funcionamento dos leds, mantendo pressionada a botoeira de reset. A botoeira e os leds podem ser vistos na figura 54. Valores de atuao e temporizao das funes so parametrizados pelo usurio atravs de um software, que utiliza a interface EIA-232 para realizar a comunicao com o rel. Ainda no software esto presentes as medies analgicas do motor, indicaes de atuao das funes de proteo, alarme ou desligamento, e comando remoto para ligar e desligar o motor. O software detalhado posteriormente. Como em todo equipamento de proteo, para um funcionamento perfeito do prottipo, necessrio que os parmetros inseridos respeitem as caractersticas do rel. As relaes de TP e TC devem ser adequadas para que o motor seja protegido de maneira correta. O Apndice A traz as especificaes tcnicas do prottipo.

3.1 Estrutura do HardwareO hardware do rel composto por vrios elementos, como mostra a figura 22.

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Figura 22 Diagrama de Blocos do Prottipo

3.1.1 Aquisio dos Sinais AnalgicosO circuito de aquisio responsvel por converter os sinais provenientes dos TCs e TP, em sinais adequados ao microcontrolador. O circuito dividido em trs etapas: A primeira converte o sinal de corrente em tenso, no caso das entradas de corrente, e diminui a amplitude do sinal de tenso, no caso da entrada de tenso. J a segunda etapa responsvel por inserir uma tenso de offset, ao sinal de sada do circuito, evitando que este atinja valores negativos, o que danificaria permanentemente o microcontrolador. A terceira etapa um buffer de tenso, responsvel por isolar o circuito de aquisio do filtro. Capacitores de acoplamento, em srie com a entrada do circuito, isolam o sinal de offset interno dos equipamentos de campo, e tambm o inverso, isolando os sinais de offset oriundos do campo que surgem durante alguns tipos de faltas.

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a) Aquisio do Sinal de TensoDiante do limite de 5 V das entradas do microcontrolador, e da mxima amplitude do sinal de tenso de 150 Vca, valor eficaz, o circuito de aquisio providencia uma queda na amplitude do sinal, diminuindo-o a nveis adequados. Embora a mxima amplitude do sinal seja de 150 Vca, a tenso nominal de 115 Vca. O circuito de aquisio da tenso est ilustrado na figura 23. Atravs do divisor resistivo, formado pelos resistores R9, R10 e R11, a tenso na entrada do buffer, IC4:A, no ultrapassa 1,431 Vca, valor de pico, para uma amplitude de entrada de 150 Vca, valor eficaz. O incremento de uma tenso de offset ao sinal principal, com valor de 1,599 Vcc, devido ao divisor resistivo formado por R10 e R11. O resistor R9 desconsiderado, no circuito de corrente contnua, devido ao capacitor de acoplamento. A seleo do capacitor de acoplamento, C6, teve como critrio a utilizao de capacitor de polister, devido menor perda que os eletrolticos, e adoo de valores comerciais de capacitncia. Um capacitor de 330 nF atende s necessidades do projeto, pois sua reatncia, com frequncia de 60Hz, muito pequena diante da impedncia total do circuito.

Figura 23 Circuito de Aquisio do Sinal de Tenso

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b) Aquisio dos Sinais de CorrenteO sinal de corrente convertido em tenso atravs dos resistores em paralelo R16, R17 e R18, demonstrado na figura 24, enquanto que, a impedncia equivalente formada por C9, R26 e R27 muito alta e no interfere na converso. A corrente mxima de 10 A, valor eficaz, produz uma tenso correspondente a 1,346 Vca, valor de pico. O valor de 10 A, como corrente mxima, devido ao valor da corrente nominal de 1 A, pois o rel deve suportar um grande aumento na amplitude do sinal durante uma falta. Dez vezes atende s expectativas do projeto. A utilizao dos resistores em paralelo devido alta dissipao da potncia gerada pela circulao da corrente. Igualmente ao circuito de entrada de tenso, injetada junto ao sinal uma tenso de offset no valor de 1,599 Vcc. C9 o capacitor de acoplamento e o amplificador operacional o IC5:A, o buffer do circuito. A figura 24 apresenta o circuito referente entrada de corrente da fase A, o mesmo se aplica s fases B e C.

Figura 24 Circuito de Aquisio do Sinal de Corrente Fase A

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3.1.2 Sensor de temperaturaO instrumento utilizado para realizar a medio de temperatura um circuito integrado LM35, Sensor de Preciso de Temperatura Centgrados (Precision Centigrade Temperature Sensors), ligado diretamente ao rel por meio de cabo blindado.

3.1.3 Filtragem dos SinaisUm filtro eltrico um quadripolo capaz de atenuar determinadas frequncias do espectro do sinal de entrada e permitir a passagem das demais. chamado de espectro de um sinal a sua decomposio numa escala de amplitude versus frequncia. [28] A classificao dos filtros quanto funo executada pode considerar quatro tipos bsicos que so filtros passa-baixas (PB), passa-altas (PA), passa-faixa (PF) e rejeita-faixa (RF), conforme ilustra a figura 25. [27]

Figura 25 Grficos dos Tipos de Filtros Fonte: Amplificadores Operacionais e Filtros Ativos (2006)

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Os filtros utilizados neste prottipo atenuam os sinais indesejados, preservando a integridade do sinal recebido pelo rel. Rudos, harmnicos e outras interferncias que adentrarem ao microcontrolador podem comprometer o resultado da converso A/D e causar operaes indevidas do prottipo.

a) Filtragem do Sinal de TemperaturaUm filtro passa-baixa de primeira ordem atende com qualidade s necessidades do sinal de temperatura, pois a sada do sensor um sinal de corrente contnua que no sofre variaes bruscas, ficando os sinais indesejados limitados s interferncias externas. O filtro formado pelo resistor R3 e capacitor C5, figura 26, filtram sinais com frequncias acima de 48,23 Hz, no sendo o atraso provocado pelo filtro suficiente para interferir na qualidade do sinal.

Figura 26 Filtragem do Sinal de Temperatura

A sada do filtro ligada ao circuito que amplifica o sinal de entrada, aumentando a preciso da converso A/D. Um ganho de duas vezes o sinal,

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proporcionado pelos resistores R4 e R5, suficiente para uma leitura com preciso de um grau Celsius.

b) Filtragem dos Sinais de Tenso e CorrenteDiferentemente do sinal de temperatura, o filtro utilizado para os sinais das grandezas eltricas, tenso e correntes, um filtro passa-baixa de segunda ordem Butterworth, conforme ilustra a figura 27. Os rudos e harmnicos esto presentes na rede, sejam constantes ou no momento em que ocorre uma falta, e quanto maior a ordem do filtro, maior sua eficincia em atenuar esses sinais indesejados. Porm, juntamente com essa eficincia, os filtros proporcionam atrasos nos sinais de frequncia fundamental, o que no interessante para um rel de proteo, cuja rapidez uma de suas caractersticas mais importantes. Com base nesses preceitos foram realizadas simulaes e clculos com diversos filtros, e o que apresentou melhor resultado para atenuar sinais indesejados, proporcionando o mnimo de atraso e preservando o resultado da converso A/D, foi o filtro Butterworth de segunda ordem.

Figura 27 Filtro Butterworth do Sinal de Tenso

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Os filtros passa-baixas s permitem a passagem de frequncia abaixo de uma frequncia determinada, denominada frequncia de corte. As frequncias superiores so atenuadas. [28] A utilizao de filtros Butterworth de segunda ordem tem a vantagem de utilizarem componentes de valores iguais. Na frequncia de corte o ganho total de tenso de 3 dB abaixo e na frequncia acima de corte, o ganho de tenso diminui a 40 dB por dcada, como mostra a figura 28. [28]

Figura 28 Resposta Filtro Butterworth Fonte: Amplificadores Operacionais e Filtros Ativos (2006)

A consequncia da utilizao deste filtro a insero de um atraso de 54 na leitura do sinal, retardando a tomada de deciso do rel. Porm, uma medio sem qualidade seria ainda mais prejudicial, pois poderia impedir a percepo de uma falta ou ainda causar o desligamento indevido do motor a ser protegido. A frequncia de corte de 102,61 Hz, determinada por R12, R13, C7 e C8, fornece uma baixa atenuao na faixa de frequncia de operao do rel, 50 a 70

50

Hz, enquanto que atenua consideravelmente as harmnicas de segunda ordem acima. A equao abaixo mostra o clculo da frequncia de corte do filtro.

Para utilizao deste filtro com uma resposta em malha fechada criticamente amortecida utiliza-se um ganho de 1,586. Quando o ganho for este, alm de ter o controle do sistema, possvel obter uma resposta mais plana. [28] Com a pretenso de utilizar somente componentes com valores comerciais, neste caso resistores, o ganho alcanado foi de 1,56, bem prximo ao ideal. A equao abaixo utilizada para se calcular o ganho do circuito.

Devido a este ganho, os sinais provenientes dos circuitos de aquisio so amplificados. O sinal do circuito de medio de tenso passa a trabalhar na faixa entre 0 e 2,232 Vca, valor de pico. O sinal do circuito de medio das correntes aumentam para a faixa de 0 a 2,1 Vca de pico. A tenso de offset eleva-se para 2,5 Vcc, valor considerado zero central pelo microcontrolador, ou seja, o semi ciclo positivo dos sinais analgicos ficam acima de 2,5 V e o semi ciclo negativo permanece abaixo do valor de offset. O diodo Z1, de 5,1 V, protege a entrada do microcontrolador contra eventuais picos de tenso que excedam seus limites. O circuito do filtro Butterworth do sinal de tenso tambm se aplica aos filtros de corrente das fases A, B e C.

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3.1.4 Converso A/DPara que o rel tenha condies de medir as grandezas analgicas, necessrio convert-las em sinais digitais antes que estas sejam processadas. Esta atividade realizada pelo conversor A/D, conversor analgico/digital, do PIC. A principal caracterstica dos sinais analgicos a contnua variao de sua amplitude, assumindo uma infinidade de valores, ou informaes. Por exemplo, para que um sinal de tenso analgica em funo do tempo assuma um valor e este valor possa ser lido e armazenado por um computador, preciso antes digitaliz-lo. Este processo consiste em fazer uma sequncia de medidas desses valores de tenso e cada um destes serem representados por um nmero inteiro, como mostra a figura 29. Esta sequncia de nmeros inteiros armazenada em um arquivo que representa o sinal digitalizado.

Figura 29 Grfico da Converso A/D Fonte: Conversores AD e DA Univercemig

A converso dos sinais pelo PIC acontece no mdulo Conversor A/D, que tem como caracterstica, gerar um resultado binrio de 10 bits, usando o mtodo de aproximao sucessiva. Porm, para obter a exatido especificada necessrio que haja certo atraso entre a escolha da entrada analgica e a medio, chamado tempo de aquisio, que depende apenas da impedncia da fonte do sinal. Momentaneamente, aps escolher a entrada analgica, e antes de iniciar a converso, necessrio esperar alguns microsegundos para que a converso seja o mais exato possvel.

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A medio de tenso no conversor baseada na comparao de tenso de entrada, como uma escala interna que tem 1024 posies, sendo o nvel mais baixo da escala, o Vref- e o nvel mais alto, o Vref+, conforme figura 30. [19]

Figura 30 Como Usar o ADC Fonte: Microcontroladores PIC - Antnio Sergio Sena

O prottipo trabalha com Vref+ de 5 V e Vref- de 0 V, sinal proveniente das entradas analgicas, ou seja, o resultado da converso A/D varia entre 0 e 1023, valor binrio, dependendo do valor na entrada analgica.

a) Converso do sinal de temperaturaAps o processo de filtragem e ganho, o sinal de temperatura chega ao conversor com amplitude varivel entre 0 e 3 V, o que resulta em um nmero binrio de 0 a 613. Estes so os valores utilizados na lgica de programao relacionada temperatura.

b) Converso do sinal de tensoO sinal de tenso chega ao conversor A/D com valores entre 0 e 2,232 Vp, com tenso de offset de 2,5 Vcc, como mostra o canal B da figura 31. A tenso de offset resulta em um valor digital de 511, fazendo com que o sinal de tenso oscile sobre este. O valor convertido da tenso pode ento, variar de 54 a 968, para tenses de entrada entre 0 e 150 V, valor eficaz, como demonstra o canal A da figura 31.

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Figura 31 Grfico dos Sinais de Tenso

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c) Converso dos sinais de correnteAs correntes que adentram ao rel passam pelo mesmo processo que o sinal de tenso, com exceo aos valores limites. A faixa de atuao das correntes possibilita valores convertidos, entre 81 a 941, para entrada de corrente entre 0 e 10 A. A figura 32 apresenta o sinal de queda nos resistores, proveniente da corrente, canal A, e o sinal na entrada do conversor A/D, canal B.

Figura 32 Grfico dos Sinais de Corrente

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3.1.5 ProcessamentoCom os valores analgicos tratados, filtrados e convertidos em digitais, eles seguem para serem processados pelo microcontrolador, que responsvel por executar o firmware do rel, armazenado na memria, e assim tomar as decises referentes aos comandos do motor protegido. Microcontrolador um circuito integrado programvel que contm todos os componentes de um computador como: CPU, memria para armazenar programas, memria de trabalho, portas de entrada e sadas para comunicar-se com o mundo exterior; sistemas de controle esto includos em unidades de controle para mquinas, motores, temporizadores, sistemas autnomos de controle, etc. [18] Com o objetivo de resolver problemas com controle de portas de entrada/sada dos microprocessadores, em 1975, nascia o PIC, Controle de Interface Perifrica (Peripheral Interface Controller), que consegue manejar as entradas e sadas com muita facilidade, rapidez e eficincia. [18] Uma das razes do sucesso do PIC base de sua utilizao, ou seja, quando se aprende a trabalhar com um modelo, fica fcil migrar para outros modelos j que todos tm estrutura semelhante. [18] O microcontrolador utilizado neste prottipo o PIC18F452, no somente pelo que j foi mencionado, mas tambm devido s caractersticas de memria, pois o tamanho de memria no pode ser fator limitador para um projeto de rel, e do conversor A/D, que proporciona uma resoluo de 10 bits, pois uma resoluo menor comprometeria a qualidade das medies. Outros fatores decisivos para a escolha deste modelo foram: a quantidade de portas, entradas e sadas; e a quantidade de entradas analgicas. interessante entender que o PIC da famlia 18F, figura 33, combina o mximo desempenho e integrao em facilidades de uso com uma arquitetura de 8 bits. Com at 40 MHz de processamento, o microcontrolador PIC18F tem caractersticas perifricas avanadas, como CAN, USB, Ethetnet, LCD e CTMU. [20]

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As principais caractersticas do PIC18F452 so: Apresenta cinco portas de I/O, sendo Port A, B, C, D e E; Frequncia de operao de 4 a 40 MHz; Apresenta quatro temporizadores/contadores: TIMER0, TIMER1, TIMER2 e TIMER3; Comunicao serial do tipo USART; Modulo conversor A/D com 8 entradas e resoluo de 10 bits; Memria de programa FLASH de 32 Kbytes; Memria de dados (RAM) de 1532 bytes; Memria de dados EEPROM de 256 bytes;

Figura 33 Diagrama de Blocos PIC 18F Fonte: www.microchip.com - Microchip

Diante das caractersticas citadas e da facilidade de comercializao este foi o microcontrolador escolhido.

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3.1.6 Sadas digitaisPara transmitir as decises do microcontrolador para o circuito de controle do motor, so utilizadas sadas digitais que energizam rels auxiliares, internos ao prottipo, que por sua vez, enviam comando ao contator ou disjuntor de alimentao do motor. Est disponvel uma sada para desligar e uma para ligar o motor, alm de uma sada exclusiva para alarme da funo de temperatura, como mostra a figura 34.

Figura 34 Rels de Sada

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3.1.7 Entrada digitalAlm das sadas, o sistema possui uma entrada digital responsvel pela sinalizao de motor ligado/desligado, que passa pelo opto acoplador OK1, mostrado na figura 35, antes de adentrar ao microcontrolador. Esta entrada deve ser proveniente de um contato tipo seco do elemento de controle do motor, com o objetivo de monitorar o seu estado, ligado/desligado.

Figura 35 Entrada Digital

3.1.8 SinalizaoCom o objetivo de agilizar a tomada de deciso do operador aps uma perturbao, existem sinalizaes, no painel frontal do rel, que atravs de leds indicam o estado do mesmo: ligado e sem falha interna; indica a condio do motor: ligado/desligado; alm de indicaes das funes de proteo atuadas. Tambm est disposto no frontal do rel um dispositivo para reconhecimento de falha, ou seja, para resetar os leds acesos e tambm testar se algum led est danificado. A figura 36 mostra o circuito de sinalizao e dispositivo de reconhecimento.

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Figura 36 Circuito de Sinalizao e Reconhecimento

3.1.9 Interface com o SoftwareO prottipo disponibiliza uma sada para comunicao com o terminal remoto. A interface serial EIA-232, mais conhecida como RS-232, conecta o rel a um computador que contm o software de superviso e parametrizao. Para possibilitar a comunicao do microcontrolador atravs da interface EIA-232 utiliza-se um circuito integrado MAX232, como ilustra a figura 37.

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Figura 37 Circuito de Comunicao

3.1.10 Oscilador para Medio de FrequnciaA medio da frequncia possvel devido a um gerador de onda quadrada, qual utiliza amplificador operacional, que a partir da senide do sinal de tenso, funciona como um oscilador, demonstrado na figura 38. Esse sinal, mostrado na figura 39, ligado a uma entrada digital do microcontrolador que monitora a frequncia do sinal.

Figura 38 Circuito Oscilador para Medio da Frequncia

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Figura 39 Sinal de Onda Quadrada para Medio da Frequncia

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3.1.11 Circuito Somador para Medio da Corrente ResidualUm circuito com trs resistores, figura 40, realiza a soma dos sinais de corrente, sinais j filtrados e tratados. O resultado dessa soma, sada do circuito, ligado a uma entrada analgica do PIC, que mede ento a corrente residual do sistema. Quando o sistema est equilibrado, o sinal resultante deste circuito somente a tenso de offset, 2,5 Vcc, mas quando surge uma diferena entre as correntes, seja angular ou de amplitude, surge tambm um sinal sobre a tenso de offset. Este circuito responsvel por subsidiar o microcontrolador nas funes de desbalano de fase (ANSI 46) e perda de fase.

Figura 40 Circuito Somador para Medio da Corrente Residual

3.1.12 Detector de Falha InternaUma das vantagens dos rels digitais sobre os eletromecnicos o autodiagnstico, ou seja, o rel percebe se h algum defeito internamente e sinaliza ao usurio. Este prottipo consegue supervisionar as condies da alimentao externa, 24 Vcc e monitora se o microcontrolador est ligado. Um circuito com uma porta AND capta amostra da alimentao externa e de uma sada digital do microcontrolador, figura 41, e se ambas estiverem normais, a sada do circuito acende o led de Rel OK, sinalizando que o rel est funcionando corretamente.

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Figura 41 Circuito Detector de Falha Interna

3.1.13 Fontes de AlimentaoCom base em sugestes da norma NBR 11770 a grandeza de alimentao auxiliar do prottipo deve ser com tenso de 24 Vcc. Essa alimentao por sua vez energiza os circuitos do sensor de temperatura, sadas digitais, entrada digital, oscilador para medio da frequncia, fonte de 5 Vcc de alimentao do circuito de comunicao (MAX232) e uma fonte de 5 Vcc responsvel por alimentar o microcontrolador, os circuitos de aquisio e filtro das entradas analgicas, como mostra a figura 42.

Figura 42 Fonte de Alimentao do Microcontrolador

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3.2 FirmwareNeste prottipo o firmware se restringe ao programa armazenado no microcontrolador, PIC. A programao foi realizada utilizando-se a linguagem C. A linguagem C nasceu na Bell Labs, diviso da AT&T, a famosa companhia americana de telecomunicaes que tambm desenvolveu o sistema operacional Unix. A linguagem C foi desenvolvida em 1969 por Dennis Ritchie, a partir da linguagem B de Ken Thompson. Seu propsito era gerar uma linguagem de alto nvel, em oposio linguagem de mquina (Assembly), conhecida como de baixo nvel. O C uma linguagem para uso geral, ou seja, desenvolvimento dos mais diversos tipos de aplicao. Tem como caractersticas a modularidade, portabilidade, recursos de baixo e alto nvel, gerao de cdigo eficiente, confiabilidade, regularidade, alm de conter um nmero pequeno de comandos. [18] A linguagem C utiliza a filosofia de programao estruturada, ou seja, os programas so divididos em mdulos ou estruturas independentes entre si e com o objetivo de realizar determinada tarefa. A programao estruturada permite uma construo mais simples e clara do software de aplicao, o que permite a construo de programas e aplicaes muito mais complexas. Outro aspecto da linguagem C sua eficincia no jargo dos compiladores, que a medida do grau de inteligncia com que o compilador traduz um programa C para o cdigo de mquina. Quanto menor e mais rpido o cdigo gerado maior ser a eficincia da linguagem e do compilador. [17] O algoritmo desenvolvido e armazenado no microcontrolador realiza vrios processos, sendo alguns atravs de interrupes. O fluxograma da figura 43 apresenta de forma simplificada a disposio de cada processo no programa principal.

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Figura 43 Fluxograma do Programa Principal

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Quando o rel ligado, consequentemente o microcontrolador tambm, e nesse instante realizado o carregamento de todos os parmetros do rel, os valores armazenados na memria EEPROM so transferidos para as variveis de programa. O processo responsvel por esta ao o L EEPROM. Dentre os vrios processos, alguns tm como objetivo mensurar as entradas do PIC, entradas analgicas e a entrada digital proveniente do circuito oscilador para medio de frequncia. Para que o firmware funcione corretamente necessrio que os processos responsveis pelas funes de proteo conheam os valores reais das grandezas monitoradas. Para isso os resultados, digitais, dos conversores A/D so amostrados e, com base nessas amostras so calculados os valores aproximados reais das grandezas monitoradas do motor protegido. A frequncia com que esses sinais so amostrados determinada pelas interrupes. A interrupo timer 0 responsvel por interromper o programa principal a cada 166,67 s para amostrar o sinal de frequncia, sendo assim, so realizadas 100 amostras por ciclo, de 60 Hz. Para obteno de uma preciso aceitvel, somente aps dois ciclos de amostragem acontece o clculo do valor real da frequncia referente entrada do rel, ou seja, frequncia da rede a qual o motor est ligado. A interrupo timer 1 determina a frequncia de amostragem dos seis canais analgicos referentes s entradas de tenso, temperatura e correntes. A frequncia de amostragem de 16 amostras por ciclo, ou seja, uma amostra, por canal, a cada 1,04 s. Ao fim de 1 ciclo habilitado o processo de clculo. O processo responsvel pelos clculos proporciona o valor eficaz das grandezas eltricas: tenso e correntes, como mostra a equao abaixo.

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A equao abaixo demonstra o clculo do valor mdio da grandeza temperatura.

Diante dos resultados obtidos atravs dos clculos, as funes de proteo tm condies de processar suas lgicas. Alm das interrupes envolvidas no processo de clculo, utilizada ainda a interrupo timer 3, que responsvel pela temporizao das funes de proteo e est configurada com um overflow de 1 ms, proporcionando uma resoluo de igual valor para os tempos de atuao das funes. Os temp