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

PEA 2411 Introdução à Automação 28.02.07 prof. Senaga senaga @ pea.usp.br Ramal 5316 Bibliografia: 1) Tutorial: Analog Data Acquisition Technology (moodle) 2) Livro: Signals and Systems - Continuous and Discrete Roque E. Zinn cap. 3, 7, 8, 23 3) Notas de aula Instrumentação Digital para automação de Sistemas Elétricos - medição: medição de grandezas elétricas: V, I, S, P, Q, cosϕ - proteção: redes digitais para proteção de linhas, transformadores, geradores - controle: reguladores de tensão e velocidade em gerador regulação de tensão do gerador excitação - operação conversão digital / analógico MP algoritmo do regulador conversão analógico / Digital sinal analógico interf. local SCADA sinal analógico Vantagens da instrumentação digital (a) recursos de auto-teste (watch-dog) ↳ importante principalmente para proteção (b) recursos de comunicação ↳ permite ajustes / leituras remota / integração com sistema supervisório (c) maior flexibilidade ↳ todas as características são definidas via software funções secundárias implementadas ao lado da função principal estabilidade de longo prazo (f) melhor performance ↳ aplicação de técnicas de processamento digital de sinais IED (Intelligent Electronic Devices) Atualmente os IED são equipamentos multifuncionais Ex. rede de proteção diferencial de linha (GE) (a) função de proteção 87L diferencial de linha 50/51 sobrecorrente de fase 50/51N sobrecorrente de neutro 79 religamento 67/67N sobrecorrente direcional 59/59N sobretensão 27 subtensão 25 check de sincronismo 81 sobre/ subfrequência b) funções de medição V, I, freq, cosϕ, P, Q, energia, Tensão do niv. aux, etc... c) funções de análise Pós-falta - Oscilografia - Registro de eventos - Localização de faltas d) monitoramento - auto teste - monitoramento de disjuntor - monitoramento de circuito trip - monitoramento de tensão aux Hardware Genérico - Equipamento Digital p/ Automação sist. potência 09.03.07 sistema de entrada de dados analógico entrada de dados digital MP Algoritmo Digital saída de dados digital sistema de saída dados analógico IHM local comun, 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 Possível Hardware para sistema de entrada de dados analógicos: blindagem e proteção c/ S filtro analógico S/H MP filtragem amplificação MP codificação sample/hold A/D Blindagem e proteção contra surtos: fornece isolação entre o circuito eletrônico e os cabos de sinal, proporcionando proteção contra os EMF conduzidos pelos cabos de sinais. a) isolação - uso de transformadores auxiliares de tensão e corrente. TC ou SE resistência alta equipamento digital Transformadores de potencial (TP) Tap 115V/5 ão tap divisão capacitiva TP com divisão capacitiva e Transformadores de corrente (TC) 5A 3 b) filtragem: p. ex.: filtro passivo para eliminar RF c) ceifadores: varistores ou descarregadores a gás proteção contra surtos parte variadora área dedicado a proteção alta p pedal 1ª bobina 5 KV varistores à rede digital ou fotocopiado equipamento 52 PVC teste de impulso 35 kV 1,2/50μs 1, x=50μs b) test de influência da alta energia gráfico 50 Hz 40 voltagens 200ms durante 2 seg. Acondicionamento do sinal Consiste em transformar os sinais analógicos em níveis de tensão compatíveis com a faixa de entrada de A/D. Esse acondicionamento e determinado pela relação dos tapos auxiliares e pelas divisores de tensão e aumentos de corrente e pelos amplificadores de ganho programável. entrada de tensão R1, R2 TP ou SE Vc n:1 R1 VS R2 Ve VS = \frac{R1}{R1 + R2} Ve = \frac{R2}{R1 + R2}Ve \frac{R2}{R1} \frac{VS}{Ve} TP \frac{VS}{V} 3 amplificador de ganho R0 VS i = \frac{Ve}{R0} VS= -Rh.i VS = -Rh.\times \frac{Ve}{R0} amplificador programável c/ D/A Ve h2 h3 h4 a1 = aV2 VS = R1 .\times 4 VS = -R1[\times a1 + \frac{a2}{2} + a3 \times \frac{4}{3}] VS = -R\times[a1 \times z^1 + a2 \times z^2 + ...+ a3 \times z^3] Ve \frac{1}{2} VS = -[a0 \times z^0 + a1 \times z^2 + a3 \times 2^3 + ... + a3^n \times 2^{n-1}] \times Ve R, R0, \sum Zn = 0 0< ganho ≤1 em passos intermediários 6 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 f/f_s 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 a) resolução (no de bits - N) b) tempo de conversão c) tensão analógica de entrada monopolar: 0-10 V bipolar: ± 5 V d) 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 VFS a tensão de fundo de escala, cada tensão de fundo de escala, cada código irá apresentar uma faixa de tensão analógica igual a VFS/N Essa faixa de quantização é chamada nível de quantização Q. Q = \frac{V_{FS}}{2^N} (a) Exemplo: conversor A/D monopolar de 3 bits Ue m= \frac{V_x}{Q} = \frac{V_x}{V_{FS}} \cdot 2^N O número binário m na saída do A/D pode ser visto como: O número de níveis de quantização contidos na tensão de entrada (Vx) m = 2^N \cdot \frac{Vx}{VFS} a_1 \cdot 2^{N-1} + a_2 \cdot 2^{N-2} + ... + a_n \frac{V_x}{V_{FS}} = \frac{a_1 \cdot 2^{N-1} + a_2 \cdot 2^{N-2} + ... + a_n \cdot 2^0}{2^N} m* = \frac{V_x}{V_{FS}} = a_1 \cdot 2^{-1} + a_2 \cdot 2^{-2} + ... a_N \cdot 2^{-N} Exemplo: Dado: Conversor A/D de 3 bits, monopolar VFS: 10V Q = \frac{V_{FS}}{2^N} = \frac{10}{2^3} = 1,25 V a) m = 101 \to 1 \cdot 2^2 + 0 \cdot 2^1 + 1 \cdot 2^0 = 5 \frac{V_x}{Q} = 5 \to V_x = 5 \cdot 1,25 = 6,25 V b) m* = 1 \cdot 2^{-1} + 0 \cdot 2^{-2} + 1 \cdot 2^{-3} = 0,625 V \frac{V_x}{V_{FS}} = 0,625 \to V_x = 6,25 V Código 000 001 010 011 100 101 110 111 0 1 2 3 4 V_x V_FS Erro na quantização No conversor ideal existe uma incerteza inerente ao processo de quantização igual a \pm \frac{1}{2} Q x(t) y(t) = x(t) + e(t) O erro de quantização pode ser caracterizado como um ruído de média zero e variância \sigma^2/12 Probabilidade de probabilidade a_2/2 a_2/2 Erro nos conversores reais depende da qualidade do A/D erro de off-set ajustável erro de ganho não ajustável erro de linearidade não ajustável (p) Tipos de conversores A/D 1. tipo contador VFX + |\ | \ | >- | / \ -/ 2 D/A N-bits Contador N-bits .--------. | | | | S R Q~______ Q pino de conversao | Clock A tensao VDA aumenta 2N vezes percorrendo os 2N níveis possíveis, até atingir VFX. Nesse momento a saída do amplificador se torna 0 e ! pinca de conversor a caracteristícas do tipo contador: -conversor barato (simples projeto) -tempo de conversão variável tempo máximo de conversão tconv.max = 2N/pclock Exemplo: N = 12 bits clock = 1 MHz tconv.max = 2^12/10^6 = 4096/10^6 = 4,096 ms bem lento!