Automação de Sistemas Elétricos - Caderno - Pea2411 Senger - Poli-usp - Engenharia Elétrica

PEA 2411 Introdução à Automação 28.02.07 prof. Senega senega@pea.usp.br Ramal 5316 Bibliografia: 1) Tutorial: Analog Data Acquisition Technology (moodle) 2) Livro: Signals and Systems - Continuous and Discrete Roque E. Zimer cap. 3, 4, 8, 9 3) Notas de aula Instrumentação Digital para automação de Sistemas Elétricos - medição: medição de grandezas elétricas: V, I, S, P, Q, cos \(\varphi\) - proteção: redes digitais para proteção de linhas, transformadores, geradores - controle: reguladores de tensão e velocidade em geradores regulação de tensão do gerador excitatiz ação do sistema conversão sinal analógico MP algoritmo do regulador conversão analógica/ Digital sinal analógico interp. local SCADA sinal analógico Vantagens da instrumentação digital (a) recurso de auto-teste (watch-dog) Importante principalmente para proteção (b) recurso de comunicação permite ajustes/leituras remotas/interação com sistema supervisório (c) maior flexibilidade Todas as características são definidas via software (d) funções secundárias implementadas ao lado da função principal (e) melhor estabilidade de longo prazo (f) melhor performance IED (Intelligent Eletronic Devices) Atualmente os IED são equipamentos multifuncionais Ex: relé de proteção diferencial de linha (GE) (a) funções de proteção 87L diferencial de linha 50/51 sobrecorrente de fase 50/51N sobrecorrente de neutro 77 religamento 67/67N sobrecorrente direcional 59/59N sobretensão 27 subtensão 25 check de sincronismo 81 sobre/subfrequência b) funções de medição V, I, freq, cos \(\varphi\), P, Q, Energia, Tensão do neu. aux, etc c) funções de análise Pós-Falta - Oscilografia - Registro de Eventos - Localização de faltas - monitoramento - auto teste - monitoramento de disjuntor - monitoramento de tensão aux Hardware Genérico - Equipamento Digital p/ Automação desat. digital arquivo digital processamento sinal analógico Comunicações IHIM local comunicação Sistema de entrada de dado analógico Responsável pelas seguintes funções: (a) Blindagem e proteção contra surtos (EMI) (b) Acondicionamento dos sinais (c) Filtragem analógica do sinal d) Digitalização dos sinais Possivel Hardware para sistema de entrada de dados analogicos: Blindagem e protecao EMI Linha analogica S/H Filtracao Multiplicacao MP Sample / hold Amplificacao A/D Blindagem e protecao contra surtos: provem isolacao entre o circuito eletronico e os cabos de sinais, proporcionando protecao contra os EMC conduzidos pelos cabos de sinais. a) isolacao : uso de transformadores auxiliares de tensao e corrente. rede alta tensao seca transforma TC 5A equipamento digital Transformadores de potencial (TP) 13,8kV/115V 4,16kV/115V ferro magnetico TP com divisao capacitivo 13,8kV/115V Transformadores de corrente (TC) b) Filtragem : p. ex.: filtro passivo para eliminar RF c) Ceifadores : varistores ou descarregadores a gas protecao contra surtos 1ª linha: bobina 5 kV saida a rede entrada digital fotocoplador area eletricamente protegida equipamento caixa anal Sa entrada teste de impulso teste de interferencia de alta frequencia 3,614 kHz decremento de 50% de 3 a 6 ciclos 50 pulsos / seg. durante 2 seg. 5 kV 1,2/50 µ s d 1,2 x = 50 µ s amplitude b) Acondicionamento do sinal Consiste em transformar os sinais analogicos em niveis de tensao compativeis com a faixa de entrada do A/D. Esse acondicionamento é determinado pela reducao dos trafos auxiliares, pelos divisores de tensao e aumentos de corrente e pelo amplificador de ganho programavel. entrada de tensao TP do SE VE \ \ \ 1:1 VS VS = \frac {R_1}{R_1 + R_2} VE = \frac {R_1}{(R_1+R_2)/c} VE ganho amplificador de ganho i = \frac{VE} {RO} I VS VE RZ S VS=- RH.i VS= - RH.\frac {VE} {RO} ganho amplificador programável c/ D/A VE \ \ \ \ VS I = \frac{VE}{2R} VS=RL.i ir = a11 + \frac{a2i}{2} +...+ a\frac{ai}{2n-1} VS = - R\left [ ai1 + a2i2 +...+ an\frac{an}{2n-1} \right ] \frac{VE}{2} VS= - \left [ a0,1 Z-1 + a2 Z-2 +...+ anZ-n \right ] VE ganho 0<ganho<1 c/ 2 posic intermedios Filtragem analógica normalmente são utilizados filtros passa-baixa, que têm por função compatibilizar o espectro do sinal digitalizado com a frequência de amostragem (filtro anti-aliasing) ideal real fm Fs/2 Digitalização do sinal Essa função consiste em transformar o nível analógico em uma sequência de n bits. Dois circuitos são envolvidos nesse processo: (a) conversor A/D (b) circuito Sample-Hold (S/H) (b) principais parâmetros • resolução (nº de bits - N) • tempo de conversão • tensão analógica de entrada ☐ monopolar: (0 - 10) V ☐ bipolar: ±5 V • erro de linearidade Exemplo: Conversor A/D 12 bits, 12 µs, ±5V, 1 bit menos significativo Quantização: Um conversor ideal de N bits dispõe de 2^N códigos distintos para toda a faixa de entrada do sinal analógico. Sendo V_FS a tensão de fundo de escala, cada código irá apresentar uma faixa de tensão analógica igual a V_FS/N Essa faixa de quantização é chamada nível de quantização Q. Q = V_FS/2^N Exemplo: conversor A/D monopolar de 3 bits V_e a_{0} a_{1} a_{2} m = V_x/Q = V_x/V_FS/2^3 a_n2^{n-1} + a_{n-1}2^{n-2} + ... + a_02^0 O número binário m na saída do A/D pode ser escrito como: • O número de níveis de quantização contidos na tensão de entrada (V_x) m = 2^N V_x/V_FS a_n2^{N-1} + a_{n-1}2^{N-2} + ... + a_02^0 V_x/V_FS = a_1 2^{-1} + a_2 2^{-2} + a_0 2^{-3} m* = a_1 2^{-1} + a_2 2^{-2} + ... + a_N 2^{-N} Exemplo: Dados: Conversor A/D de 3 bits, monopolar V_FS: 10V Q = V_FS/2^N = 10/2^3 = 1,25V a) m = 101 ⟹ 1·2^2 + 0·2^1 + 1·2^0= 5 V_x/Q = 5 ⟹ V_x=5·1,25 = 6,25V b) m* = 1·2^{-1} + 0·2^{-2} + 1·2^{-3} = 0,625V V_x/V_FS = 0,625 ⟹ V_x=6,25V código 111 110 101 100 011 010 001 0 0,125 0,25 0,375 0,5 0,625 0,75 0,875 1 2 3 4 V_x/V_FS Erro na quantização No conversor ideal existe uma incerteza inerente ao processo de quantização igual a ±1/2 Q x(t) Quantização y(t) O erro de quantização pode ser caracterizado como um ruído de média zero e variância σ^2/12 y(t) = x(t) + e(t) Erro nos conversores reais erro de offset erro de ganho erro de linearidade depende da qualidade do A/D ajustável ajustável não ajustável Tipos de conversores A/D 1. tipo contador Vx ___ | | |___| | D/A | N-bits | contador | __N-bits_| | V Clock --> A tensão VDA aumenta 2^N vezes percorrendo os 2^N níveis possíveis, até atingir Vx. Nesse momento a saída do amplificador se torna Q e ele para de converter. Características do tipo contador: - conversor barato (simples projeto) - tempo de conversão variável - tempo máximo de conversão tconv,max = 2^N / fclock Exemplo: N = 12 bits fclock = 1 MHz tconv,max = 2^12 / 10^6 = 4096 / 10^6 = 4.096 ms bem lento!