HARDWARE DOS RELÉS NUMÉRICOS 1. CONSIDERAÇÕES INICIAIS Objetivos idênticos ao hardware dos relés convencionais, ou seja, recebem sinais analógicos de tensão, corrente e outros, sinais digitais de contatos e efetuam as ações de controle necessárias através do fechamento de contatos ou disparo de chaves eletrônicas. Relés digitais (numéricos ou microprocessados) possuem características exclusivas devido à alta capacidade de comunicação tais como ajuste automático ou manual, remoto ou local, medições de dados, registro de faltas e outras informações. Manutenção reduzida e confiabilidade aumentando devido às facilidades de auto-monitoramento e autoteste. Grande flexibilidade, uma vez que um hardware básico pode ser utilizado para diversos tipos de relés, havendo diferenças apenas no software. Outros processamentos de dados podem ser incluídos facilmente sem prejudicar as funções de proteção, tais como localização de faltas, registro de eventos, medições de demanda, estimação de temperatura, etc. 1
2. DIAGRAMA FUNCIONAL DE BLOCOS 2
3. PRINCIPAIS COMPONENTES ENTRADAS ANALÓGICAS: sinais analógicos dos transdutores primários de corrente e potencial (TC s e TP s) DIGITAIS: sinais discretos que refletem o estado de disjuntores, sinais provenientes de outros relés, etc. SISTEMA DE ENTRADAS ANALÓGICAS FUNÇÕES PRINCIPAIS (a) isolamento elétrico entre os circuitos de entradas analógicas e os circuitos internos do relé. (b) proteção dos relés contra sobretensões transitórias induzidas nos condutores de entrada por chaveamentos e outros processos transitórios. (c) acondicionamento dos sinais analógicos a níveis adequados para a conversão A/D. (d) filtragem anti-aliasing: limitação dos sinais analógicos a frequências até à metade da frequência de amostragem (denominada frequência de Nyquist). 3
EXEMPLOS: RELÉ DE DISTÂNCIA mede impedância necessário apenas o sinal de 60 Hz filtro anti-aliasing passa baixa com f c = 120 Hz filtro digital para off-sets (componentes dc) f a 240 Hz (4 amostras ou mais por ciclo) na prática f a 480 Hz (8 amostras por ciclo) RELÉ DIFERENCIAL corrente diferencial em 60 Hz restrição de 2 o harmônico necessários sinais de 60 Hz e 120 Hz filtro anti-aliasing passa baixa com f c = 180 Hz f a 360 Hz (6 amostras ou mais por ciclo) na prática f a 720 Hz (12 amostras por ciclo) 4
INTERFACE A/D FUNÇÕES PRINCIPAIS Execução dos processos de amostragem, multiplexação, amplificação e conversão A/D através de um sinal de clock que dita a frequência de amostragem. Para cada sinal amostrado há a conversão do valor instantâneo do sinal analógico em uma palavra digital, que fica disponível para o microprocessador. CIRCUITO BÁSICO AMOSTRAGEM DOS SINAIS ANALÓGICOS (a) Necessidade de sinal de clock: Preservação da fase dos sinais amostrados Necessidade de se manter estável o sinal de entrada do conversor A/D por um certo período de tempo. (b) Amostragem executada por amplificadores S/H Um para cada canal analógico (mais comum) ou um para todos canais analógicos. Em geral são amplificadores de baixo custo. 5
(c) Circuito Básico V in - + S - + V out Capacitor de Retenção Lógica de Controle Saída = Entrada (estado TRACK) Saída = constante (estado HOLD) MULTIPLEXAÇÃO DOS SINAIS ANALÓGICOS (a) Executada por um circuito denominado multiplexador analógico que consiste de um conjunto de chaves analógicas controladas por lógica digital. (b) Disponível no mercado com grande variedade e a baixo custo. (c) Seu uso se justifica pois são mais baratos que os conversores A/D e devido à baixa taxa de amostragem necessária nas funções de proteção (em geral interesse apenas nos sinais de 60 Hz) AMPLIFICAÇÃO PARA AJUSTE DE ESCALA (a) Executada por um circuito denominado amplificador de ganho programável. (b) Permite o casamento do valor do sinal analógico à faixa ótima de operação do conversor A/D. 6
CONVERSÃO ANALÓGICA/DIGITAL (A/D) (a) O sinal filtrado, amostrado, selecionado e escalado é rapidamente transformado no conversor A/D em um número que pode ser lido pelo microprocessador. (b) Conversor A/D com emprego de contador É o mais simples e o menos usado dos métodos de conversão A/D devido à sua baixa velocidade. Consiste em um conversor D/A ligado a um contador. Um comando inicia a contagem do contador. O sinal do contador é aplicado ao D/A que vai tendo um sinal em sua saída analógica proporcional a entrada. Quando a saída analógica se compara ao sinal analógico que se deseja medir, é dado o comando de fim de contagem o que define o equivalente digital ao sinal analógico. No caso mais desfavorável (entrada analógica máxima) o contador tem que alcançar a contagem máxima. Número de bits do conversor Tempo de Conversão (períodos de clock) 8 2 8-1 = 255 12 2 12-1 = 4095 V IN + - V OUT CONVERSOR D/A de 8 BITS CONTADOR de 8 BITS CONT CLK D0 - D7 INICIO DE CONVERSÃO FIM DE CONVERSÃO 7
(c) Conversor A/D por aproximação sucessiva É o método mais utilizado na conversão A/D. A saída de um conversor D/A comanda a entrada de inversão de um comparador através de um operacional. É inicialmente acionando o bit mais significativo. Se ele estiver abaixo do nível do nível do sinal analógico desejado, ele é setado como 1, caso contrário, como 0. Depois é feita a comparação para o segundo bit mais significativo e assim por diante. Para um conversor de 8 bits, serão necessárias no máximo oito comparações. A principal vantagem deste método de aproximação sucessiva é a velocidade de convergência. Quando muito, são necessários n pulsos de relógio para produzir resolução de n bits do sinal analógico. V IN + - CONTROLE INÍCIO DE CONVERSÃO CLK FIM DE CONVERSÃO MSB LSB V OUT CONVERSOR D/A de 8 BITS REGISTRADOR RAS REGISTRADOR BUFFER D0-D7 (d) Notas Importantes Conversores de 8 bits: baratos e utilizados em relés de sobrecorrente. Conversores de 12 bits: os mais aplicados em proteção, pois são relativamente baratos ( US$ 40,00) e oferecem boa precisão, com tempos médios de 25 µs. Conversores de 16 bits: mais caros e utilizados quando se requer maior precisão (medição). 8
SISTEMA DE ENTRADAS DIGITAIS FUNÇÕES PRINCIPAIS (a) acondicionamento dos sinais discretos para aplicação ao processador. (b) isolamento elétrico entre os circuitos de entradas digitais e os circuitos internos do relé. (c) proteção dos relés contra sobretensões transitórias induzidas nos condutores de entrada por chaveamentos e outros processos transitórios no primário ou secundário. MEMÓRIAS (a) RAM : necessária como buffer para armazenamento temporário dos valores de entrada, para acumular resultados intermediários dos programas de proteção e para armazenar dados a serem guardados posteriormente na memória não volátil. (b) ROM e PROM: utilizadas para armazenagem permanen-te de programas do relé digital. Via de regra estes programas são executados diretamente da ROM (ou EPROM) ou através de uma memória RAM previamente carregada com o programa original. (c) EPROM e EEPROM : utilizadas para armazenagem dos parâmetros de ajustes do relé ou outros dados vitais que não são modificados com grande frequência. 9
PROCESSADOR (CPU) (a) executa os programas de proteção, o controle de diversas funções de tempo e realiza tarefas de autodiagnóstico e de comunicação com os periféricos. (b) são utilizados os mais diversos tipos de microprocessadores, desde os mais simples tipo single-chip, passando pelos de oito bits, indo até os de dezesseis e trinta e dois bits. SISTEMA DE SAÍDAS DISCRETAS (a) processa a informação de uma porta de saída 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 saída. PORTAS DE COMUNICAÇÃO (a) PORTAS SERIAIS: permitem a troca de informações remotas ou locais para tarefas de ajustes dos valores dos parâmetros, leitura de registros de faltas, de dados de ajustes e outras. (b) PORTAS PARALELAS: permitem o intercâmbio de informações em tempo real. SISTEMA DE SINALIZAÇÃO DA OPERAÇÃO (a) executa a função de sinalização visual ou auditiva da operação do relé através de conjunto de leds e alarmes. FONTE DE ALIMENTAÇÃO (a) fonte de tensão independente, geralmente do tipo comutada, que pode ser ligada às baterias da subestação. Produz tensões dc necessárias aos circuitos do microprocessador (valores típicos de 5V e +15 V). 10