RELÉ DIGITAL PARA PROTEÇÃO CONTRA SOBRECORRENTE E

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLNDIA FACULDADE DE ENGENHARIA ELTRICA PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA

REL DIGITAL PARA PROTEO CONTRA SOBRECORRENTE E MONITORAMENTO DA OPERAAO DE MOTORES DE INDUO

LEONARDO COSTA DE PAULA

UBERLNDIA, JULHO DE 2005

UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLNDIA FACULDADE DE ENGENHARIA ELTRICA PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA

REL DIGITAL PARA PROTEO CONTRA SOBRECORRENTE E MONITORAMENTO DA OPERAO DE MOTORES DE INDUO

Dissertao apresentada por Leonardo Costa de Paula Universidade Federal de Uberlndia para a obteno do ttulo de Mestre em Engenharia Eltrica aprovada sem restries em 15/07/2005 pela Banca Examinadora: Prof. Darizon Alves de Andrade, Phd (UFU) Orientador Prof. Edilberto Pereira Teixeira, Dr. (UNIUBE) Prof. Carlos Augusto Bissochi Jr., Dr. (UFU)

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REL DIGITAL PARA PROTEO CONTRA SOBRECORRENTE E MONITORAMENTO DA OPERAO DE MOTORES DE INDUO

LEONARDO COSTA DE PAULA

Dissertao apresentada por Leonardo Costa de Paula Universidade Federal de Uberlndia como parte dos requisitos para obteno do ttulo de Mestre em Engenharia Eltrica.

______________________________ Prof. Darizon Alves de Andrade Phd. Eng. Eltrica Orientador

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DEDICATRIA

Dedico este trabalho aos meus pais e familiares pelos incentivos e por terem estado sempre ao meu lado, dedico ainda aos meus amigos pela ajuda e motivao. Dedico tambm ao meu orientador, Prof. Darizon, que tornou possvel a realizao deste sonho.

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AGRADECIMENTOS

Agradeo ao Prof. Darizon pela confiana, amizade, orientao e grande disposio diante das inmeras dificuldades que surgiram durante esta nossa caminhada. Agradeo aos meus pais por estarem sempre dispostos em me apoiar acreditando mais do que eu que este sonho seria possvel. Aos meus irmos e sobrinho por sempre me motivarem a concluir este trabalho e por acreditarem que este objetivo pessoal seria alcanado. Aos meus amigos e scios Charles e Wagner por me motivarem e ainda por me cobrirem durante as minhas ausncias, facilitando assim a concluso deste mestrado. Aos meus amigos Felipe, Luis Marcelo e Renato pela fora e pela pronta disposio em me ajudar em tudo que foi preciso. Aos meus colegas e amigos do laboratrio pelas ajudas e dicas que sempre facilitaram o desenrolar deste trabalho, por isto serei eternamente grato. Ao SENAI CFP-FAM e UFU pela parceria que facilitou a elaborao do prottipo aqui desenvolvido e principalmente ao Emerson que teve grande participao na confeco do prottipo final. Aos meus grandes amigos que colaboraram para a concluso deste trabalho direta ou indiretamente simplesmente por serem meus verdadeiros amigos.

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RESUMO

Este trabalho apresenta uma soluo para o monitoramento em tempo real das correntes de um motor de induo juntamente com proteo contra sobre correntes, com curva corrente x tempo programvel. A idia principal mostrar um equipamento baseado em tecnologia digital para proteo contra sobrecorrente para motores de induo capaz de substituir com vantagens os rels bimetlicos. A curva tpica de operao de qualquer rel bimetlico pode ser facilmente programada neste dispositivo inteligente inclusive em tempo real e com o motor em funcionamento. O equipamento incorpora uma interface para comunicao em rede que possibilita o acionamento remoto do motor via PC e ainda a monitorao das condies de carga. Com a reprogramao deste rel inteligente, facilmente um mesmo dispositivo pode ser utilizado para controlar motores de diferentes potncias ou carga nominal. Assim pode-se substituir o motor sem haver a necessidade de se substituir o sistema de proteo. O trabalho descreve ainda os detalhes do projeto do equipamento e apresenta resultados experimentais obtidos com um prottipo desenvolvido em laboratrio.

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ABSTRACTThis work describes a micro controlled-based device for over current protection and online monitoring of induction motor operation, able to replace with some advantages the traditional over current thermal relays. It allows real time monitoring of induction machine currents and over current protection, with programmable current x time characteristic. The typical current x time thermal relay curve can be easily programmed in this device and both the curve and setting points of operation can be altered online with the motor in operation. The device has a network communication interface for remote control and operation monitoring in a remote PC. Due to the programmable characteristic, the hardware can be used for different ranges of motor sizes and rated powers. The work shows details of design and programming, and presents experimental results obtained with a prototype developed in laboratory.

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SumrioRESUMO .............................................................................................................................. v ABSTRACT ........................................................................................................................... vi Sumrio ............................................................................................................................... vii Lista de Figuras ..................................................................................................................... x Lista de Tabelas ................................................................................................................... xii Lista de Abreviaturas .......................................................................................................... xiii Captulo 1 - Introduo .......................................................................................................... 1 1.1 Motivaes ............................................................................................................. 1 1.2 Objetivos ................................................................................................................ 3 1.3 O Estado da Arte..................................................................................................... 4 1.4 Contribuies.......................................................................................................... 7 1.5 Disposio do trabalho ............................................................................................ 7 Captulo 2 - Mquinas Eltricas Trifsicas ........................................................................... 10 2.1 O motor de induo trifsico ................................................................................. 10 2.1.1 Aspectos construtivos................................................................................ 10 2.1.2 Campo magntico girante.......................................................................... 13 2.1.3 Princpio de funcionamento do motor de induo ...................................... 19 2.1.4 Partida do motor de induo...................................................................... 21 2.2 Corrente de partida e corrente nominal de um motor ............................................. 23 2.3 Mtodos de proteo contra sobrecarga ................................................................. 25 2.4 Proposta de soluo para o problema de sobrecarga .............................................. 27

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Captulo 3 - Microcontroladores........................................................................................... 29 3.1 Noes de eletrnica analgica ............................................................................. 29 3.1.1 Noes de circuitos com resistores ............................................................ 30 3.1.2 Noes de circuitos com diodos ................................................................ 31 3.1.3 Noes de circuitos com transistores ......................................................... 32 3.2 Noes sobre eletrnica digital.............................................................................. 33 3.2.1 Flip-Flop, estrutura de memria digital ..................................................... 33 3.2.2 Conversor analgico digital....................................................................... 35 3.3 Microcontroladores ............................................................................................... 40 3.3.1 Microcontrolador PIC16F876A................................................................. 41 Captulo 4 - Projeto do Equipamento (Hardware e Firmware) ............................................. 44 4.1 Modelagem por Diagrama de Blocos..................................................................... 44 4.1.1 Unidade central de processamento............................................................. 45 4.1.2 Mdulo de memria no voltil................................................................. 46 4.1.3 Entradas dos canais analgicos para o ADC .............................................. 47 4.1.4 Interface serial para comunicao com o PC.............................................. 48 4.1.5 Interface local de sada de dados (display)................................................. 50 4.1.6 Interface local de entrada de dados (teclado) ............................................. 51 4.1.7 Sadas TTL para os acionamentos ............................................................. 52 4.2 Hardware proposto ............................................................................................... 52 4.3 Firmware proposto................................................................................................ 56 4.3.1 O programa principal do firmware ............................................................ 57 4.3.2 Mdulo de controle do LCD (display) ....................................................... 61viii

4.3.3 Mdulo de controle do teclado .................................................................. 63 4.3.4 Mdulo de controle do relgio .............................................