trabalho rele digital e microprocessados
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Universidade Federal de So Joo del-Rei
Departamento de Engenharia Eltrica
Rels Digitais
e
Microprocessados
Alunos: Wesley H. Maciel Disciplina: Proteo dos Sistemas Eltricos
So Joo del-Rei, 28 de janeiro de 2014.
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Sumrio 1 parte: Introduo Proteo Digital de Sistemas Eltricos
1. Desenvolvimento Histrico e a Evoluo dos Rels Digitais ................................ 4
2. Benefcios Esperados com o uso da Proteo Digital ............................................ 7
3. Arquitetura do Rel Digital ..................................................................................... 8
4. A Converso Analgico-Digital .............................................................................. 9
4.1. Filtros Anti-Aliasing ........................................................................................... 10
5. Tendncias Modernas na Proteo de Sistemas .................................................. 11
5.1. A Comunicao de Dados e as Fibras pticas .................................................. 11
5.2. O uso dos GPS e dos PMUs ................................................................................ 14
5.3. Aplicao de Tecnologias Intranet ..................................................................... 15
2 parte: Introduo aos Rels Microprocessados
1. Vantagens da proteo digital ............................................................................... 17
2. Limitaes atuais da proteo digital ................................................................... 17
3. Integrao dos sistemas de superviso, controle, automao e proteo ........... 18
4. Hardware dos rels numricos .............................................................................. 19
4.1. Diagrama funcional de blocos ............................................................................ 20
4.2. Principais entradas analgicas e digitais ............................................................ 20
5. Interface A/D ......................................................................................................... 21
5.1. Funes principais ............................................................................................... 21
5.1.1. Circuito bsico ............................................................................................... 21
5.2. Amostragem dos sinais analgicos ..................................................................... 22
5.2.1. Circuito bsico ............................................................................................... 22
6. Multiplexao dos sinais analgicos .................................................................... 23
7. Converso Analgica/Digital (A/D) ...................................................................... 24
7.1. Conversor A/D com emprego de contador ........................................................ 24
7.2. Conversor A/D por aproximao sucessiva ....................................................... 25
8. Sistema de entradas digitais .................................................................................. 26
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8.1. Funes principais ............................................................................................... 26
8.2. Memrias ................................................................................................................ 26
8.2.1. RAM ............................................................................................................... 26
8.2.2. ROM e PROM ............................................................................................... 27
8.2.3. EPROM e EEPROM ..................................................................................... 27
9. Processador (CPU) ................................................................................................. 27
10. Sistema de sadas discretas ................................................................................... 27
11. Portas de comunicao: Portas seriais, Portas paralelas ...................................... 27
12. Sistema de sinalizao da operao ...................................................................... 28
13. Fonte de alimentao ............................................................................................. 28
14. Funes dos rels microprocessados .................................................................... 28
15. Referncias Bibliogrficas .................................................................................... 29
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1 PARTE: INTRODUO PROTEO DIGITAL DE
SISTEMAS ELTRICOS
1. DESENVOLVIMENTO HISTRICO E EVOLUO DOS RELS
DIGITAIS
Os primeiros estudos sobre rels foram feitos em 1830 pelo cientista norte
americano Joseph Henry quando descobriu o fenmeno eletromagntico chamado
induo eletromagntica e a indutncia mtua, porm a descoberta foi atribuda a
Michael Faraday por ter publicado primeiro suas concluses. O IEEE (Institute of
Electrical and Electronic Engineers) define o rel de proteo da seguinte forma: [1]
Um rel cuja funo detectar linhas ou equipamentos defeituosos ou outras
condies anormais em sistemas de potncia, de natureza perigosa e que seja capaz de
iniciar uma ao de controle apropriada.
Os rels de proteo podem ser classificados como: [2]
a) Eletromecnicos: foram os primeiros a serem utilizados em sistemas de
proteo e seu princpio bsico de funcionamento utiliza movimentos mecnicos,
provenientes da atrao eletromagntica ou induo eletromagntica. O rel de atrao
eletromagntica utiliza o mesmo princpio de um eletrom onde uma corrente eltrica
passa em sua bobina produzindo um campo magntico que atrai um mbolo (rel de
mbolo) ou uma alavanca (rel de alavanca) sendo que esses dois tipos de rels operam
instantaneamente. J o rel de induo eletromagntica funciona como um motor
eltrico e consiste basicamente em gerar uma defasagem das componentes de fluxo
magntico que atravessam o gap do rel e o disco de induo. Estas variaes de fluxo
criam correntes induzidas no disco. A interao entre essas correntes geradas e os fluxos
existentes geram foras que fazem o disco girar.
O desenvolvimento histrico dos rels eletromecnicos podem ser
considerados por volta das seguintes datas: [3]
- 1901 sobrecorrente de induo;
- 1908 diferencial;
- 1910 direcional;
- 1921 distncia (tipo impedncia);
- 1937 distncia (tipo MHO).
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b) Estticos: Os rels estticos respondem a uma grandeza de operao por
meio eletrnico ou magntico, onde no existe partes mveis e todos os comandos so
feitos eletronicamente, por isso apresentando algumas vantagens sobre os rels
eletromecnicos como alta velocidade de operao, baixa carga para os transformadores
de corrente, baixa manuteno devido a ausncia de partes mveis, etc. Os rels
estticos, mesmo no possuindo partes mveis geralmente acionam rels auxiliares que
ativam mecanicamente o circuito de abertura do disjuntor. Os primeiros rels estticos
produziam muitas atuaes indevidas pois, como eram eletrnicos, tinha alta
sensibilidade, de forma que um pequeno harmnico ou transitrio, comuns na operao
do sistema, eram suficientes para provocar sua operao, e com isso muitos rels
estticos foram trocados pelos rels eletromecnicos. Esse tipo de rel compreende os
rels de proteo com projetos analgicos e digitais, onde o rel analgico refere-se aos
dispositivos de proteo que utilizam em seus circuitos elementos discretos como
diodos e elementos chaveados e o rel digital ou numrico refere-se aos dispositivos de
proteo que utilizam circuitos integrados e microprocessadores, consistindo em duas
principais partes: hardware e software.
I) Primeira gerao (valvulados):
- 1925 comparao direcional/carrier;
- 1930/1940 vrios rels a vlvulas;
- 1948 distncia.
II) Segunda gerao (transistorizados):
-1949 comparao de fase;
- 1954 distncia;
- 1959 sobrecorrente (verso comercial);
- 1961 distncia (verso comercial).
III) Terceira gerao (CIs):
- 1960/1970 vrios rels.
IV) Quarta gerao (microprocessados/numricos):
- 1969 distncia (linhas de transmisso);
- 1972 diferencial de barras e transformadores;
- 1973 diferencial de gerador e integrao das funes de controle e proteo;
- 1980 sobrecorrente de tempo inverso e medies fasoriais para estimao
de estado;
- 1982 localizadores de falta;
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- 1983 fibra tica;
- 1984 registro digital de faltas;
- 1987 proteo adaptativa.
No inicio do desenvolvimento o uso dos rels estticos tornou-se atraente para
funes mais complexas, tais como as funes de distncia e direcional. Porm agregar
caractersticas temporizadas aos rels utilizando componentes eletrnicos discretos se
tornou uma tarefa muito complexa e de alto custo.
Com o desenvolvimento da tecnologia digital, que se deu principalmente a
partir da dcada de 70, e com o consequente avano na rea computacional, o tamanho e
consumo de energia dos computadores (e microprocessadores) diminuram enquanto a
velocidade de processamento aumentou. Essa transformao foi decisiva para
implantao de rels digitais na proteo de sistemas de potncia.
Com a criao dos microprocessadores, cujas caractersticas de atuao so
definidas por meio de uma srie pr-programada de instrues e algoritmos baseados
nas funes desejadas e em medies de tenso e/ou corrente, tornando possvel
atribuir, praticamente, qualquer caracterstica de forma econmica aos rels digitais, que
tambm tem permitido o desenvolvimento de esquemas de proteo mais complexos.
Como mencionado anteriormente os rels digitais ou microprocessados,
consistem de duas principais partes: hardware e software. O tipo de software dita o tipo
de dispositivo e sua funo de proteo (sobrecorrente, diferencial, distncia, etc), sua
parte o algoritmo matemtico (ou numrico) desenvolvido para realizar a funo de
proteo. Esse algoritmo deve ser capaz de processar dados de corrente e tenses para
estimar os parmetros do sistema, tais como valores RMS, medida de impedncia,
frequncia fundamental, correntes diferenciais, etc. Onde os parmetros estimados so
comparados com os parmetros pr configurados e a partir desta comparao o sistema
capaz de perceber se est em condies normais ou em falta (curto-circuito), e
consequentemente, iniciar a ao (trip envio de sinal para o disjuntor comandado
abrir) para isolar a seo com falta.
O hardware ou a parte fsica do rel digital composto de circuitos que
desempenham a funo de condicionar adequadamente os sinais de tenso e corrente
informados pelos transformadores de tenso (TPs) e transformadores de corrente (TCs)
que alimentam os rels.
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2. BENEFCIOS ESPERADOS COM O USO DA PROTEO DIGITAL
Alguns benefcios que se espera dos rels digitais em relao aos rels das
outras geraes so os seguintes: [2, 4]
- baixo custo da tecnologia digital;
- mltiplas funes integradas em um nico rel;
- proporciona melhor interface homem-mquina;
- melhor explorao do potencial das funes de proteo;
- automonitoramento;
- robustez (as caractersticas no mudam com a temperatura, tenso de alimentao ou
envelhecimento);
- pequeno nmero de conexes;
- possibilidade de atualizao constante de verses: mudanas no projeto do rel
implicam na maioria das vezes em modificaes no software;
- capacidade quase ilimitada de comunicao entre rels, alm da possibilidade de
utilizao da tecnologia de comunicao via fibra tica (mais comum);
- flexibilidade funcional: capacidade de realizar outras funes tais como: medies,
controle e superviso;
- capacidade de proteo adaptativa: parmetros de operao podem ser mudados
automaticamente com mudanas nas condies de operao do sistema eltrico;
- maior faixa de ajuste de parmetros;
- comunicao remota interna;
- diagnstico interno de falha;
- medies de grandezas eltricas;
- localizador de distncia de falta;
- registrador de distrbio;
- monitoramento de disjuntor (estado, condio);
- lgica definida pelo usurio;
- funes de proteo de retaguarda (Backup) embarcada;
- compactao, diminuindo os espaos ocupados nos painis de proteo;
-recebimento de sinais advindos de outros rels (bloqueio ou permisso);
-grande flexibilidade de ajuste das funes de proteo em relao ao tempo, facilitando
a coordenao da proteo;
- ajustes diferenciados para defeitos, trifsico, bifsico e monofsicos;
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- utilizao de vrios grupos de ajustes que se adaptam automaticamente a mudanas na
configurao do circuito;
- possibilidade de emular qualquer rel eletromecnico;
No podemos deixar de citar algumas desvantagens dos rels digitais que so:
- vida til reduzida geralmente entre 10 a 15 anos, enquanto os convencionais tem vida
til acima de 30 anos;
- o hardware avana rapidamente, tornando os rels obsoletos;
- interferncias eletromagnticas (melhoras com fibra tica);
- predomnio da linguagem Assembly nos programas, o que limita a intercambialidade
de programas entre diferentes rels.
3. Arquitetura do Rel Digital
De um modo geral os rels digitais apresentam a arquitetura interna dada pela
seguinte figura:
Figura 1 - Arquitetura do rel digital. [2]
Pela figura 1 temos que: [2, 3, 4]
- Transformadores de entrada (mdulo de interface): atenuam as tenses de entrada
a nveis adequados aos microprocessadores (10V), alm de permitir a isolao
galvnica entre os rels de proteo e os sinais dos transformadores de corrente e dos
transformadores de potencial.
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- Filtros analgicos passivos passa baixa: so usados no mdulo de interface com o
objetivo de filtrar rudos no processamento digital dos sinais.
- Dispositivos Sample and Hold: amostram e retm os sinais das entradas analgicas
em um mesmo instante e disponibilizam os sinais ao multiplexador. Uma mudana na
entrada durante a converso analgico digital (A/D) poderia conduzir a erros.
- O multiplexador: permite que seja usado apenas um conversor A/D, para varias
entradas analgicas.
- O conversor A/D: converte os sinais analgicos em digitais em intervalos definidos
pela taxa de amostragem.
- Mdulo de entrada lgica (sinais de entrada): informa ao processador sobre o
estado atual do sistema, ou seja, posio de chaves, estados de disjuntores, atuao de
outras protees, alarmes.
- O processador: controla o funcionamento do rel, filtrando digitalmente os sinais
para extrao da componente fundamental. Executa tambm toda lgica e clculos de
proteo atravs de um software armazenado na memria ROM. As operaes
intermedirias do algoritmo do rel so armazenadas na memria RAM. Os ajustes dos
parmetros so armazenados no E2PROM (memria de leitura programvel apagvel
eletronicamente).
- O mdulo de sada lgica (sinais de sada): responsvel por atuaes de
disjuntores e alarmes.
- Display: mostra informaes como alarmes ou sadas ativas.
4. A CONVERSO ANALGICO-DIGITAL
Um conversor A/D um dispositivo que converte, por exemplo, a amplitude de
tenso ou corrente em sua entrada em um cdigo binrio representando um valor de
amplitude quantizada mais prximo possvel da amplitude dos sinais de entrada.
Conversores A/D possuem basicamente dois parmetros de configurao: o tempo de
converso ou tempo de amostragem T (perodo de amostragem) controlado atravs de
um relgio (clock) e a quantidade de bits que definem a capacidade de quantizao do
conversor. Esses dois parmetros apresentam um srio paradoxo e definem o
desempenho do conversor: quanto maior o nmero de bits e, portanto maior
detalhamento das amostras, menos tempo o conversor A/D possui disponvel para a
converso. De modo que seja possvel a converso em cada perodo de tempo T os
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conversores A/D possuem um circuito S/H que mantm o sinal de amostragem
constante durante o tempo T.[3]
O processo tpico da converso de uma varivel analgica para digital
mostrado na Figura 2, onde pode-se observar o arranjo S/H (Sample and
Hol/Multiplexadoros).
Figura 2 Unidade Digital de um Rel com arranjo S/H (Sample and Hol/Multiplexadoros). [3]
O subsistema de processamento digital do sinal compreende o hardware e o
software do rel. O hardware consiste em uma central de processamento, memrias e
dispositivos de entrada e sada. O software compreende a parte lgica do rel e o
princpio de operao acrescido de algumas rotinas que possibilitam o seu correto
funcionamento, tais como: rotinas para a manipulao de dados de entrada e sada,
rotinas para a auto checagem do hardware, etc. O software implementado atravs
de alguma linguagem de programao e compilado para o modelo de CPU presente em
seu hardware.
O algoritmo usado varia de acordo com a aplicao do rel. Este trabalho
apresenta o desenvolvimento de um algoritmo baseado na equao diferencial de uma
linha de transmisso.
4.1. FILTROS ANTI-ALIASING
A filtragem anti-aliasing feita geralmente atravs de filtros analgicos
passa-baixa que rejeitam frequncias maiores que a frequncia mxima dos sinais de
entrada. O filtro anti-aliasing evita o fenmeno denominado aliasing, que a
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sobreposio (overlap) dos espectros de frequncia do sinal de entrada. Em outras
palavras, o filtro anti-aliasing limita os sinais analgicos de entrada a uma frequncia
no mximo at a metade da frequncia de amostragem (denominada frequncia de
Nyquist). A Figura 3 ilustra a resposta em frequncia dos quatro tipos de filtros
possveis. Caso no seja feita essa pr-filtragem do sinal, rudos podem aparecer na
forma de sinais com frequncias diferentes das do sinal de entrada, interferindo no
funcionamento correto do rel digital.[3]
Figura 3 - Resposta em frequncia dos tipos bsicos de filtros. [3]
a) passa baixo. b) passa-banda, c) passa alta e d) rejeita banda.
5. TENDNCIAS MODERNAS NA PROTEO DE SISTEMAS
5.1. A COMUNICAO DE DADOS E AS FIBRAS PTICAS
Durante as ltimas dcadas, ocorreu um grande avano dentro da rea de
sistemas de comunicao. A telefonia mvel, a comunicao via satlite e a Internet so
apenas alguns exemplos dessa evoluo. Devido ao rpido aprimoramento, essas
tecnologias sofreram um grande barateamento em seu hardware e software, o que as
tornou acessveis s mais diversas reas, inclusive na proteo e controle de sistemas de
potncia.[2]
A comunicao em sistemas de potncia se divide basicamente em trs
principais reas: comunicao entre subestaes, comunicao dentro da subestao e
comunicao entre a subestao e uma rede externa.
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A comunicao entre subestaes geralmente constituda por sinais de
proteo. A distncia entre subestaes pode variar de alguns quilmetros a centenas de
quilmetros.
Em geral, o meio fsico uma parte fundamental de um sistema de
comunicao. As exigncias para comunicao entre rels em proteo de linhas de
transmisso, so bem mais severas que para a transmisso de dados e voz por exemplo.
Na transmisso de dados ou voz, a perda do canal de comunicao por alguns instantes
pode ser compensada pela retransmisso dos dados perdidos. Porm, isto inaceitvel
para a comunicao entre rels. Durante a falta deve-se garantir o correto envio do sinal,
pois interpretaes incorretas podem causar aberturas indesejadas ou a no abertura do
disjuntor. Os principais meios de comunicao entre subestaes so:
Fio piloto
Os fios piloto so condutores metlicos utilizados pelos rels diferencias de
corrente. Apesar de ser aplicvel em linhas curtas, o custo cresce linearmente com a
distncia, tornando-o invivel para grandes distncias. Por esse motivo, comumente
empregado na distribuio.
Ondas portadoras
Utiliza a prpria linha de transmisso como meio de comunicao, sendo a
maneira mais comum para linhas mdias e longas distncias (80 a 500 Km). Os sistemas
OPLAT (Ondas Portadoras em Linhas de Alta Tenso) so largamente utilizados para
transmisso de voz, dados e sinais de proteo.
Os sistemas OPLAT so constitudos pela linha de transmisso, bobinas de
bloqueio, caixas de sintonia e capacitores de acoplamento. As bobinas de bloqueio
devem ser capazes de conduzir a corrente mxima da linha de transmisso, alm de
suportar a corrente mxima de curto circuito. O capacitor de acoplamento deve
apresentar uma capacitncia apropriada para o acoplamento do sinal da portadora ao
circuito de alta tenso e deve ser totalmente isolado para suportar tenses de regime
transitrio. Em relao adio de novos canais, necessria somente a troca de caixas
de sintonias mantendo os capacitores de acoplamento e bobinas de bloqueio.
Como principais vantagens desse sistema podemos citar:
- alta rigidez mecnica das linhas de transmisso;
- as linhas de transmisso e os equipamentos so exclusivos das concessionrias de
transmisso;
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- a manuteno feita exclusivamente dentro das subestaes, evitando custos
adicionais de deslocamento.
Como algumas desvantagens, podemos citar:
- rudos de alta intensidade durante a operao de chaves e disjuntores;
- possuem um custo elevado em seus terminais que, apesar de no ser proporcional a
distncia, se torna invivel financeiramente para distncias curtas.
Micro-ondas
A transmisso de micro-ondas feita com o uso de antenas parablicas e
receptores para transmisso e recepo do sinal. Quando a distncia excede certo valor
permitido, torna-se necessrio o uso de repetidores. Esse meio possui uma limitao e
alcance de apenas 30-80km, o que impossibilita seu uso para grandes distncias.
Fibras ticas
A Fibra tica um meio de comunicao que utiliza a luz (LED ou lasers), para
transmitir informaes. Algumas caractersticas das fibras ticas merecem destaque:
- so pequenas e leves;
- possuem alta largura de banda de passagem, o que permite alta qualidade na
transmisso de informao;
- so 100% dieltricas, no sendo afetadas por descargas atmosfricos ou surtos
indutivos;
- apresentam perdas pequenas e pequeno gasto com manuteno.
Um exemplo comumente encontrado atualmente o OPGW (optical ground
Wire), que so cabos para-raios, que possuem fibras ticas em seu interior. A Figura 4
ilustra esse tipo de equipamento.
Figura 4 Cabo Fibra tica OPGW (optical ground Wire). [2]
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5.2. O USO DOS GPS (GLOBAL POSITIONING SYSTEM) E DOS PMUS
(PHASOR MEASUREMENTS UNITS)
A medio sincronizada de fasores feita atravs de unidades de medio
fasorial ou Phasor Measurement Units (PMU) que so dispositivos capazes de medir os
fasores e as diferenas angulares das tenses e correntes em tempo real. Um fasor um
nmero complexo associado a uma onda senoidal em regime permanente. Porm,
mesmo em situaes onde as formas de onda da senide mudam rapidamente, como por
exemplo, em situaes de faltas, os fasores podem ser utilizados para o estudo do
sistema. Nestas situaes, os rels calculam os fasores baseados em janelas de meio
ciclo ou um ciclo e os valores encontrados geralmente so compatveis com o
significado original de um fasor em regime permanente. Fasores so ferramentas bsicas
usadas para anlise de circuitos em corrente alternada (CA). Estas medies s se
tornaram possvel a partir do uso do GPS (Global Positioning System).[2]
O GPS um sistema de posicionamento, navegao e coordenao de tempo
baseado em satlites que foi desenvolvido pelo departamento de defesa dos Estados
Unidos da Amrica. Os sinais de tempo precisos so to importantes quanto os sinais de
posicionamento. Estes sinais de tempo so utilizados como fonte de sincronismo para
comunicaes globais, redes de distribuio e transmisso e inmeras outras aplicaes.
No caso dos PMUs, o GPS emite um pulso de tempo preciso que usado para amostrar
os sinais de corrente e tenso. A Figura 5 mostra um equipamento GPS utilizado em
uma subestao eltrica.
Figura 5 - GPS usado em SEs e sua vista traseira. [2]
Atualmente, os rels digitais incluem os recursos de medio fasorial
sincronizada. Dessa forma, no mais necessrio dispensar o recurso de medio
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fasorial uma vez que ele est includo no sistema de proteo de linhas sem custo
adicional. Algumas aplicaes dos PMU sero apresentadas a seguir.
Estimador de estados: um procedimento de clculos usado para estimar o
estado da rede que utiliza variveis como injees de fluxos de potncia, injees de
corrente nos ramos e mdulos de tenso nos barramentos. Devido ao tempo de
aquisio de dados e de processamento, a resposta do estimador de estado considerada
praticamente em regime permanente. Essa aplicao utilizada nos centros de controle
das companhias de energia para monitorar o estado do sistema. Considerando a
utilizao dos PMUs, possvel a medio do mdulo e ngulo das tenses nos
barramentos sem a necessidade de clculos, alm da sincronizao dessas grandezas.
Com poucas barras monitoradas por medies fasoriais possvel reduzir o tempo de
clculo e aumentar sua preciso.
Anlise da instabilidade: o mtodo tradicional de anlise de estabilidade
baseado na integrao do sistema de equaes dinmicas do sistema. Mesmo com a
utilizao de vrias simplificaes, o processamento to extensivo que ficou restrito a
estudos off-line. Com a ajuda dos PMUs, possvel monitorar a progresso de um
transitrio em tempo real. Baseado na leitura desses medidores, o sistema de potncia
fornece a trajetria do sistema at o tempo presente. Assim, atravs dos registros das
oscilaes de potncia ser possvel tomar decises de proteo e controle.
Melhoramento no controle de sistemas eltricos de potncia: com a utilizao de
PMUs, de forma que os controles tradicionais podero ser realizados com mais
preciso. Os dados dos PMUs permitem a deteco antecipada de situaes de risco
para o sistema, melhorando a determinao das aes de controle preventivo,
aumentando a margem de segurana do sistema, evitando grandes perdas de carga ou
grandes contingncias, como faltas de longos perodos ou blecautes.
5.3. APLICAO DE TECNOLOGIAS INTRANET
O tipo de comunicao por rede intranet, pode ser visto, como pequenos links
de comunicao entre uma sala em uma subestao (rede local) e uma rede de
comunicao externa, privada ou publica. Esses links possuem normalmente de 1 a 5
km de distncia e se utilizam de fibras ticas para comunicao devido a isolao contra
altas tenses e picos de corrente da mesma, alm de eliminarem o problema de
diferena de potencial entre a subestao e a rede externa. [2]
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Como visto, a comunicao entre a subestao e uma rede externa e dentro da
prpria subestao feita atravs de redes locais. Estas redes geralmente so redes
Intranet,ou seja, redes privadas que utilizam os padres da Internet. A utilizao de
redes Intranet proporciona maior integrao entre as diversas instalaes dentro da
subestao. Esses sistemas possuem maior facilidade de acesso a dados em tempo real
ou histricos, que podem ser acessados por qualquer componente conectado rede.
Outra vantagem a possibilidade de controle e teste remoto dos dispositivos
conectados. Alm disso, o processo de compra e venda de energia tambm facilitado,
uma vez que esto disponveis on-line dados do sistema como histricos de produo,
transaes, preos, etc.
Um problema encontrado na utilizao de redes Intranet estava relacionado ao
fato de cada protocolo de comunicao ser individualizado e proprietrio, o que tornava
impossvel a utilizao direta entre dispositivos de diferentes fabricantes em uma nica
rede. A necessidade de traduo de diferentes protocolos ocasionava tambm gastos
desnecessrios e atraso na comunicao. Os rels digitais mais antigos de uma
subestao, por exemplo, necessitam de mdulos de interface de rede para
comunicao entre o protocolo e a interface fsica, caso contrrio no haver conexo
com a rede local.
A norma IEC 61850 prope a unificao dos protocolos de comunicao entre
os dispositivos ligados a rede, possibilitando interoperabilidade e intercambialidade
entre eles. Essa norma tem sua plataforma baseada em protocolos abertos, garantindo
que os investimentos no sejam em vo e acompanhem o avano da tecnologia. Esta
norma utiliza para comunicao entre equipamentos, mensagens denominadas GOOSE
(generic object oriented substation event) ou Objeto Genrico Orientado pelo Evento de
Subestao. Tais mensagens so baseadas no envio assncrono de variveis binrias,
orientada a eventos e direcionada aplicaes de proteo em subestaes. Os sinais
trafegam ponto-a-ponto em alta velocidade. Este servio usa um esquema de
retransmisso especial para alcanar um alto nvel de confiabilidade que consiste em
repetir a mensagem diversas vezes at que seja recebida uma confirmao.
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2 PARTE: INTRODUO AOS RELS MICROPROCESSADOS
1. VANTAGENS DA PROTEO DIGITAL
A introduo da tecnologia digital na proteo de sistemas eltricos de potncia
trouxe mudanas significativas s atividades de clculos de ajustes de proteo e
anlises de perturbaes tais como ganhos relativos integrao de funes,
compatibilidade e integrao com sistemas digitais de superviso e controle (SDSC),
flexibilidade, automonitoramento, bem como demandas como treinamento
especializado e conhecimento de informtica bsica, banco de dados de rels (BDR)
compatvel com o grande nmero de ajustes, criao de estrutura para aquisio remota
de dados, e at mesmo alterao de filosofias de proteo. [5]
A proteo digital em sistemas eltricos de potncia apresenta as seguintes
vantagens sobre a analgica, que a precedeu [6]:
- o custo dos rels digitais comparvel, e algumas vezes menor, em relao aos
analgicos, com tendncia a manter este decrscimo;
- Os rels digitais tem capacidade de autodiagnstico, o que representa uma maior
confiabilidade em relao aos rels analgicos;
- so totalmente compatveis com a tecnologia digital introduzida nas subestaes;
- tem uma grande flexibilidade funcional, agregando outras funes, tais como medio,
controle e superviso;
- tem capacidade de comunicao com outros equipamentos digitais da subestao e do
sistema;
- podem constituir a base para um sistema de proteo adaptativo, cujos parmetros de
operao modificam-se automaticamente conforme as condies do sistema
2. LIMITAES ATUAIS DA PROTEO DIGITAL
As principais limitaes atuais da proteo digital so:[7]
- Limitaes nas redes de comunicaes atuais diminuindo a capacidade de troca de
informaes entre as unidades digitais. (Melhora com a tecnologia de fibras ticas);
- Mudanas frequentes no hardware dos equipamentos digitais dificultando rotinas de
manuteno;
- Predomnio da linguagem Assembly nos programas, o que limita a transportabilidade
de um programa de rel de uma mquina para outra;
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- vida til reduzida dos rels (10 a 15 anos), enquanto as protees com rels
convencionais (acima de 30 anos);
- o hardware avana rapidamente, tornando os rels obsoletos;
- Dificuldade na adaptao dos rels digitais s condies ambientais e frente a
interferncias eletromagnticas presentes nas subestaes.
3. INTEGRAO DOS SISTEMAS DE SUPERVISO, CONTROLE,
AUTOMAO E PROTEO
Os sistemas digitais de automao (SDA) de subestaes modernas tipicamente
tm uma ou mais conexes para o exterior do sistema. Conexes de comunicaes
comuns incluem centros de operao, escritrios de manuteno e centros de
engenharia. A maioria dos SDAs conecta-se atravs de um sistema SCADA
(Supervisory Control and Data Acquisition) tradicional servindo s necessidades de
operao em tempo real da subestao que controlada atravs dos centros de
operaes por meio de uma rede de comunicao.
Um sistema digital integrado ou SDA deve atender os seguintes requisitos
bsicos para sua implementao: [7, 8]
- Inteligncia distribuda;
- Protocolo de comunicao aberto (IEC 61850);
- Robustez;
- Critrio de sobredimensionamento da capacidade de processamento em todos os
nveis, para permitir um crescimento funcional e de hardware sem degradao de seu
desempenho;
- Hardware e software devem ser projetados e estruturados utilizando o conceito de
modularidade, de forma a permitir rpidas modificaes e ampliaes;
- Deve ser possvel realizar manutenes ou modificaes com o sistema em servio;
- O sistema deve ser capaz de reinicializar-se rapidamente, independente da interveno
do operador do sistema eltrico, aps uma interrupo ou perda da tenso de
alimentao;
- As funes de proteo e controle devem ser totalmente independentes.
A Integrao dos sistemas de superviso, controle, automao e proteo podem
ser dividas em nveis, como pode ser observado pela figura 6 abaixo.
-
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Figura 6 - Integrao dos sistemas de superviso, controle, automao e proteo
Pela figura temos que:
- Nvel 1: possui as funes de medio, controle, automao, proteo e diagnsticos,
tambm responsvel pelas informaes e comandos de equipamentos e para
equipamentos da Subestao, possui facilidades para comunicao Homem-Mquina,
alm de comunicar-se com o nvel superior;
- Nvel 2: possui funes de suporte aos processadores do Nvel 1, coletando,
processando e armazenando dados, facilidade para comunicao Homem-Mquina,
alm de analisar as sequencias de eventos, por ser em um nvel intermedirio, pode
comunicar com os Nveis 1 e 3;
- Nvel 3: possui aes de controle a nvel de sistema, coletando e processando dados,
analisa a sequencia de eventos e outros, monta registros oscilogrficos, elabora
relatrios e organiza as comunicaes dos Nveis 1 e 2, alm de possuir uma proteo
que se adapta ao programa.
4. HARDWARE DOS RELS NUMRICOS
Os Hardwares dos rels numricos possuem objetivos idnticos ao hardware
dos rels convencionais, ou seja, receber sinais analgicos de tenso, corrente e outros,
sinais digitais de contatos e efetuar aes de controle necessrio, por meio do
fechamento de contatos ou disparo de chaves eletrnicas. Estes rels (numricos ou
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microprocessados) possuem caractersticas exclusivas devido a sua alta capacidade de
comunicao tais como ajuste automtico ou manual, remoto ou local, medies de
dados, registro de faltas e outras informaes. Alm disto, estes hardwares possuem
grande flexibilidade, uma vez que um hardware bsico pode ser utilizado para diversos
yipos de rels, havendo diferenas apenas no software. Sendo assim, eles proporcionam
um nmero reduzido de manutenes e aumento de confiabilidade devido s facilidades
de auto-monitoramento e auto-teste, alm da facilidade na incluso de outros
processamentos sem prejudicar as funes de proteo, tais como localizao de faltas,
registro de eventos, medies de demanda, estimao de temperatura etc.[9]
4.1. DIAGRAMA FUNCIONAL DE BLOCOS
De maneira geral todos os rels digitais apresentam a arquitetura dada pela
figura 7 mostrada abaixo.
Figura 7 - Diagrama funcional de um rel digital
4.2. PRINCIPAIS ENTRADAS ANALGICAS E DIGITAIS
Entradas digitais so sinais discretos que refletem o estado de disjuntores,
provenientes de outros rels etc.
Entradas analgicas so sinais analgicos proveniente de transdutores
primrios de corrente e potencial (TCs e TPs). As entradas analgicas tem por funes
principais:
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- o isolamento eltrico entre os circuitos de entradas analgicas e os circuitos internos
do rel;
- a proteo dos rels contra sobretenses transitrias induzidas nos condutores de
entrada, por chaveamentos e outros processos transitrios;
- o acondicionamento dos sinais analgicos a nveis adequados para a converso A/D;
- a filtragem anti-aliasing, que a limitao dos sinais analgicos a frequncias at a
metade da frequncia de amostragem (denominada frequncia de Nyquist).
Os exemplos de entradas analgicas so:
- Rel de distncia, que mede impedncia, necessrio apenas o sinal de 60 Hz, filtro
anti-aliasing passa baixa com fc = 120 Hz, filtro digital para offsets (componentes DC)
e fa >= 240 Hz, ou seja, 4 amostras ou mais por ciclo, na prtica fa >= 480 Hz, ou seja,
8 amostras por ciclo , para evitar tal efeito;
- Rel diferencial com uma corrente diferencial em 60 Hz e restrio de 2 harmnico
so necessrios sinais de 60 Hz e 120 Hz, filtro anti-aliasing passa baixa com fc = 180
Hz e fa >= 360 Hz, ou seja, 6 amostras ou mais por ciclo, e na prtica fa >= 720 Hz, ou
seja, 12 amostras por ciclo.
5. INTERFACE A/D
A interface A/D composta por circuitos responsveis pelos processos de
amostragem e converso analgica digital dos sinais analgicos. Aps passar pelo
mdulo de entradas analgicas os sinais analgicos passam por um circuito sample and
hold (S/H), so multiplexados por um multiplexador analgico e convertidos para sinais
digitais (converso A/D). O sinal convertido passa por uma filtragem digital de modo
que o sinal seja condicionado antes de ser processado pelo processador do rel.
5.1. FUNES PRINCIPAIS
As principais funes da interface Analgico/Digital (A/D) a execuo dos
processos de amostragem, multiplexao, amplificao e converso A/D atravs de um
sinal de clock que dita a frequncia de amostragem. Para cada sinal amostrado h a
converso do valor instantneo do sinal analgico em uma palavra digital, que fica
disponvel para o microprocessador.
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5.1.1. CIRCUITO BSICO
Pela figura 8 pode-se observar o circuito bsico de uma interface A/D onde,
temos o sistema S/H logo depois das entradas analgicas, e em seguida o sinal
multiplexado e passa pelo amplificador de ajuste de escala, finalmente depois de
convertido pelo conversor A/D o sinal chega a interface A/D.
Figura 8 Circuito Bsico para uma Interface A/D
5.2. AMOSTRAGEM DOS SINAIS ANALGICOS
Para a amostragem dos sinais analgicos necessrio o sinal de clock para a
conservao da fase dos sinais amostrados e pela necessidade de se manter estvel o
sinal de entrada do conversor A/D por um certo perodo de tempo. A amostragem dos
sinais analgicos executada por amplificadores S/H, sendo, um para cada canal
analgico ou um para todos os canais analgicos, que em geral so amplificadores de
baixo custo.
5.2.1. CIRCUITO BSICO
O circuito bsico para uma amostragem de sinais analgicos constitudo por
dois amplificadores operacionais em cascata e em suas configuraes do tipo buffer,
sendo colocada uma chave para controle lgico na interligao dos dois componentes,
juntamente com um capacitor de reteno em paralelo com a chave. Neste circuito
temos que o sinal de entrada igual ao sinal de sada no modo track e a sada
constante em seu modo hold, como pode-se observar na figura 4.
O modo track est em operao sempre que a chave do S/H estiver fechada,
nesta condio o S/H comporta-se como um amplificador comum, onde a velocidade do
amplificador vai depender, principalmente, do capacitor de hold. Este capacitor
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colocado como carga do amplificador do primeiro estgio insere mais um polo no
amplificador e desta forma piora a sua resposta em frequncia. Neste momento tambm
so importantes todas as caractersticas de frequncia dos AMPOPs, tais como: offset;
no linearidade; ganho; settling time; largura de banda (resistncia da chave); slew
rate.[10]
O modo hold est em operao sempre que a chave do S/H estiver aberta.
Nesta condio o S/H comporta-se como uma fonte DC. Os erros associados a este
estado esto ligados ao capacitor que deve reter cargas mantendo constante a tenso de
sada do amplificador. Os principais problemas associados com este modo so o
decaimento que corresponde a perda de carga no capacitor devido fuga ou circuitos a
ele ligados (R de fuga do capacitor, corrente de polarizao do operacional de sada e
resistncia da chave diferente de infinito); o feed through que uma perda causada
pela capacitncia espria entre os dois lados da chave; e a absoro do dieltrico (deve-
se redistribuio das cargas no capacitor aps ter sofrido trocas rpidas de tenso. Isto
provoca uma variao da tenso sobre o capacitor).
Figura 9 Circuito Bsico para amostragem dos sinais analgicos
6. MULTIPLEXAO DOS SINAIS ANALGICOS
A multiplexao executada por um circuito denominado multiplexador
analgico que consiste de um conjunto de chaves analgicas controladas por lgica
digital.
O multiplexador permite que seja usado apenas um conversor analgico digital
(A/D) para vrias entradas analgicas. As entradas analgicas so conectadas uma a
uma pelo multiplexador ao A/D. [11]
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O seu uso se justifica pois so mais baratos que os conversores A/D e esto
disponveis no mercado com grande variedade e baixo custo. So usados tambm,
devido a exigncia da baixa taxa de amostragem necessria nas funes de proteo, em
geral interesse apenas nos sinais de 60 Hz.
7. CONVERSO ANALGICA/DIGITAL (A/D)
Um conversor A/D um dispositivo que converte, por exemplo, a amplitude de
tenso ou corrente de sua entrada em um cdigo binrio representando um valor de
amplitude quantizada o mais prximo possvel da amplitude dos sinais de entrada. Os
conversores A/D possuem basicamente dois parmetros de configurao: o tempo de
converso ou tempo de amostragem T (perodo de amostragem) controlado atravs de
um relgio (clock) e a quantidade de bits que definem a capacidade de quantizao do
conversor. Esses dois parmetros apresentam um srio paradoxo e definem o
desempenho do conversor: quanto maior o nmero de bits e, portanto maior
detalhamento das amostras, menos tempo o conversor A/D possui disponvel para a
converso. O sinal filtrado, amostrado, selecionado e escalado rapidamente
transformado pelo conversor A/D em um nmero que pode ser lido pelo
microprocessador.
7.1. CONVERSOR A/D COM EMPREGO DE CONTADOR
O conversor A/D com emprego de contador o mais simples e o menos usado
dos mtodos de converso A/D devido sua baixa velocidade, consiste em um
conversor D/A ligado a um contador, quando algum comando inicia a contagem do
contador, o sinal do contador aplicado ao D/A que vai tendo um sinal em sua sada
analgica proporcional a entrada, e quando a sada analgica se compara ao sinal
analgico que se deseja medir, dado o comando de fim de contagem o que define o
equivalente digital ao sinal analgico. No caso mais desfavorvel (entrada analgica
mxima) o contador tem que alcanar a contagem mxima.
Tabela 1 Tempo de converso de um Conversor A/D com emprego de contador [9]
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Figura 10 Diagrama Funcional de um Conversor A/D com emprego de contador [9]
7.2. CONVERSOR A/D POR APROXIMAO SUCESSIVA
Este conversor o mtodo mais utilizado na converso A/D. A sada de um
conversor D/A comanda a entrada de inverso de um comparador atravs de um sistema
operacional, que inicialmente acionado o bit mais significativo, se ele estiver abaixo
do nvel do nvel do sinal analgico desejado, ele setado como 1, caso contrrio, ele
setado como 0. Depois feita a comparao para o segundo bit mais significativo e
assim por diante. Para um conversor de 8 bits, sero necessrias no mximo oito
comparaes.
A principal vantagem deste mtodo de aproximao sucessiva a velocidade
de convergncia.Quando o sinal for muito grande, so necessrios n pulsos de relgio
para produzir a resoluo de n bits do sinal analgico.
Figura 11 - Diagrama Funcional de um Conversor A/D por aproximao sucessiva [9]
Conversores de 8 bits so baratos e utilizados em rels de sobrecorrente;
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Conversores de 12 bits so os mais aplicados em proteo, pois so
relativamente baratos ( US$ 40,00) e oferecem boa preciso, com tempos
mdios de 25 s;
Conversores de 16 bits so os mais caros e utilizados quando se requer maior
preciso (medio).
8. SISTEMA DE ENTRADAS DIGITAIS
Entradas digitais so aquelas que recebem sinais discretos, ou seja, sinais que
s possuem dois valores que so denominados de nvel alto, representado pelo
algarismo 1, e nvel baixo, representado pelo algarismo 0. Em outras palavras, um sinal
discreto pode ser representado por um interruptor que s oferece as opes ligado (nvel
alto) ou desligado (nvel baixo). [12]
8.1. FUNES PRINCIPAIS
As principais funes de um sistema de entradas digitais so:
acondicionamento dos sinais discretos para aplicao ao processador;
isolamento eltrico entre os circuitos de entradas digitais e os circuitos internos
do rel;
proteo dos rels contra sobretenses transitrias induzidas nos condutores de
entrada por chaveamentos e outros processos transitrios no primrio ou
secundrio.
8.2. MEMRIAS
Memrias so definidas como, dispositivos eletrnicos responsveis pelo
armazenamento de informaes e instrues utilizadas pelo processador. Nos sistemas
de entradas digitais dos rels microprocessados podemos citar as seguintes memrias:
RAM, ROM e PROM, EPROM e EEPROM.
8.2.1. RAM
a memria utilizada como um buffer para armazenamento temporrio dos
valores de entrada, para acumular resultados intermedirios dos programas de proteo
e para armazenar dados a serem guardados posteriormente na memria no voltil.
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8.2.2. ROM E PROM
So utilizadas para para armazenagem permanente de programas do rel
digital. Via de regra estes programas so executados diretamente da ROM (ou EPROM)
ou atravs de uma memria RAM previamente carregada com o programa original. Os
programas so instalados pelos fabricantes e somente modificados por eles.
8.2.3. EPROM E EEPROM
So utilizadas para armazenagem dos parmetros de ajustes do rel ou outros
dados vitais que no so modificados com grande frequncia.
9. PROCESSADOR (CPU)
Os processadores so encarregados de executarem os algoritmos de proteo,
controlar diversas funes temporizadas e realizar tarefas de autodiagnstico e
comunicao com os perifricos. So utilizados os mais diversos tipos de
microprocessadores, desde os mais simples tipo single-chip, passando pelos de oito bits,
indo at os de dezesseis e trinta e dois bits.
10. SISTEMA DE SADAS DISCRETAS
So responsveis por processar a informao de uma porta de sada paralela do
processador, que pode consistir de uma palavra digital em que cada bit pode ser
utilizado para definir um estado de uma porta de sada.
11. PORTAS DE COMUNICAO: PORTAS SERIAIS, PORTAS
PARALELAS
As portas de sadas seriais permitem o intercmbio de informaes locais
(display e painel do rel) e remota (Centro de Controle/Operao) para tarefas de ajustes
dos valores dos parmetros, leitura de registros de faltas, de dados de ajustes e outras.
As portas de sadas paralelas so principalmente utilizadas para o intercmbio de
informaes em tempo real.
Ambas as portas permitem troca de informaes entre os rels.
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12. SISTEMA DE SINALIZAO DA OPERAO
Realiza a funo de sinalizao da operao do rel (bandeirola) e de seu
estado funcional mediante dispositivos de sinalizao visual ou auditiva da visveis no
painel do rel atravs de conjunto de leds e alarmes.
13. FONTE DE ALIMENTAO
A fonte de alimentao dos rels microprocessados possuem tenso
independente, geralmente do tipo comutada, que pode ser ligada s baterias da
subestao. Elas produzem tenses contnuas dc necessrias aos circuitos do
microprocessador (valores tpicos de 5V e +15 V).
14. FUNES DOS RELS MICROPROCESSADOS
Os rels microprocessados proporcionam melhorias tcnicas e economias no
custo sob vrios aspectos. Uma das melhorias o uso de lgica programvel para
reduzir e simplificar a fiao. Os rels tambm fornecem proteo para faltas na barra,
falha de disjuntor e deteco do rompimento de fusvel no lado de alta do
transformador, sem nenhum ou com um custo mnimo adicional. Os rels tm funes
de medio que reduzem ou eliminam a necessidade de medidores e transdutores no
painel e fornecem informaes de eventos remotos e da localizao da falta para ajudar
os operadores no restabelecimento do servio de eletricidade. Finalmente, os rels
microprocessados reduzem os custos de manuteno fornecendo a funo de auto-teste
e uma alta confiabilidade. [13]
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29
15. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS
[1].Wikipdia. Rel. Wikipdia. Disponivel em: .
Acesso em: 8 jan. 2014;
[2].Goes, A.R.G. Modernizao da Proteo de Sistemas Eltricos de Potencia. 2013.
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[3].Leo, F.B. Proteo de Sistemas Eltricos de Potencia. Ebah. Disponvel em:
. Acesso em: 10 jan. 2014;
[4].Silva, M.G.M. Avaliao de Desempenho de Rels de Proteo Digitais. 2012. 114
f. Universidade Federal do Rio de Janeiro;
[5].Junior, G.J.R. Impacto da proteo digital nas atividades de clculos de ajustes e
anlise de perturbaes. STPC. Disponvel em:
. Acesso em: 10 jan.
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[6].H. J. A. Ferrer, Introduccion a los Relevadores Y Sistemas Digitales de Proteccion
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Society e IEEE Seo Sul Brasil. Captulo de Potncia. Substation Commitee. Escolas
de Engenharia, Universidade Mackenzie, So Paulo, Fev. 2006;
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. Acesso em: 10 jan. 2014;
[10].UFRJ. Instrumentao e tcnicas de medidas: Conversores AD e DA. PEB-UFRJ.
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Acesso em: 10 jan. 2014;
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de Baixo Custo. 2007. Universidade de So Paulo;
[12].Silva, G.P. PLC Controladores lgicos programveis. IFSUL. Disponvel em:
.
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Acesso em: 11 jan. 2014;
[13].Zimmerman, K. Aplicaes de Rels Microprocessados na Distribuio. SELINC.
Disponvel em: . Acesso em: 11 jan.
2014.