Exploração Das Potencialidades Do Sistema Degestão De Motor Pbm Da Fanox

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Mestrado em Engenharia Electrotécnica - Energia e Automação Industrial PROTECÇÃO E COMANDO EM SISTEMAS ELÉCTRICOS Exploração das potencialidades do sistema de gestão de motor PBM da FANOX 2011 João Vitor Pereira Ôlas (nº1503) Ricardo Jorge de Loureiro Silva (nº1841) Mestrado em Engenharia Electrotécnica - Energia e Automação Industrial Índice 1. Introdução ................................................................................................................................. 3 2. Módulos utilizados no trabalho .................................................................................................. 4 2.1. Módulo PBM-B11 ............................................................................................................... 4 2.2. Módulo PBM-H1E ............................................................................................................... 5 2.3. Toroidal CT-1/35 ................................................................................................................. 6 2.4. Sensor de temperatura PTCEX 70 ........................................................................................ 6 3. Funcionalidades do controlador ................................................................................................. 7 4. Funções de protecção ...............................................................................................................10 4.1. Ajustes gerais ....................................................................................................................10 4.2. Sobrecarga ........................................................................................................................11 4.3. Desequilíbrio de fases ........................................................................................................13 4.4. Falta de fase ......................................................................................................................14 4.5. Sequência de fases ............................................................................................................14 4.6. Função PTC ........................................................................................................................15 4.7. Função limite de binário máximo .......................................................................................16 4.8. Rotor bloqueado................................................................................................................16 4.9. Sobreintensidade homopolar severa (I0>>)........................................................................17 4.10. Sobreintensidade homopolar (I0>) .................................................................................17 4.11. Sobreintensidade diferencial de terra severa (IG>>) .......................................................18 4.12. Sobreintensidade diferencial de terra (IG>) ....................................................................18 4.13. Subintensidade ..............................................................................................................19 4.14. Monitorização do arranque do motor ............................................................................19 5. Menus do HMI PBM-H...............................................................................................................21 6. Desenvolvimento do Trabalho ...................................................................................................22 7. Conclusões ................................................................................................................................26 8. Bibliografia ................................................................................................................................27 9. Anexos ......................................................................................................................................28 João Vitor Pereira Ôlas (nº1503) Ricardo Jorge de Loureiro Silva (nº1841) 1 Mestrado em Engenharia Electrotécnica - Energia e Automação Industrial Índice de Figuras Figura 1 - Módulo PBM-B ............................................................................................................... 4 Figura 2 - Módulo PBM-H ............................................................................................................... 5 Figura 3 - Toroidal CT-1/35 ............................................................................................................. 6 Figura 4 - Sensor de temperatura PTCEX70 ..................................................................................... 6 Figura 5 – Ecrã de Settings/Neutral do Software PBCom................................................................. 8 Figura 6 – Ecrã de Reports do Software PBCom .............................................................................. 8 Figura 7 – Menu principal ..............................................................................................................21 Figura 8 - Esquema de ligações utilizando transformador toroidal e sonda PTC .............................22 Figura 9 – Montagem do controlo .................................................................................................22 Figura 10 – Ajustes gerais ..............................................................................................................23 Figura 11 – Ligação directa do motor em estrela ...........................................................................23 Figura 12 – Ajustes gerais ..............................................................................................................24 Figura 13 - Montagem do motor através do relé ...........................................................................24 Figura 14 – Valores medidos .........................................................................................................25 João Vitor Pereira Ôlas (nº1503) Ricardo Jorge de Loureiro Silva (nº1841) 2 Mestrado em Engenharia Electrotécnica - Energia e Automação Industrial 1. INTRODUÇÃO No âmbito da cadeira de Protecção e Comando de Sistemas Eléctricos, o nosso trabalho consistiu em explorar as potencialidades do sistema de gestão de motores PBM1 da FANOX. A protecção de motores é essencial para garantir o bom funcionamento, bom desempenho técnico e económico, bom rendimento e boa durabilidade destes equipamentos. As avarias em motores podem ser eléctricas, mecânicas ou ambientais, sendo que, a maioria resulta de sobreaquecimentos, afectando todo o tipo de componentes do motor. Estas avarias provocam custos, não só devido à sua reparação ou substituição, mas também a paragens de produção. Os defeitos mais usuais nos motores são:  Sobrecargas (por ex: arranques)  Defeitos entre fases ou fase-terra  Defeitos entre espiras  Troca de fases de alimentação  Falta de fase ou subtensões  Desequilíbrios (provocam componentes inversa e homopolar)  Temperatura elevada / ventilação insuficiente  Perda de carga / perda de sincronismo A maior parte dos defeitos nos motores provocam aquecimentos, que por sua vez envelhecem os isolamentos, levando a uma redução da vida útil. Esta é reduzida para metade por cada 10oC acima do limite. Na gestão industrial, o uso das Tecnologias da Informação está a aumentar gradualmente de modo a facilitar a monitorização de processos e a manutenção preventiva. Esta implementação implica um salto tecnológico para a indústria, uma vez que exige a manipulação de uma quantidade cada vez maior de dados, e em tempo real. Para executar estas tecnologias, as indústrias exigem sistemas simples, flexíveis que se adaptam às exigências específicas dos mesmos, como:       Controles simples. Instalação simples. Grande volume de dados Tempo real Custo razoável. Rentabilidade do sistema, compreendida como a manutenção e a monitorização. De referir ainda, que alguns dos termos técnicos utilizados não foram propositadamente traduzidos, uma vez que são do domínio geral, e também porque a maioria dos sistemas utiliza por defeito a língua inglesa. 1 Referência [1] na Bibliografia João Vitor Pereira Ôlas (nº1503) Ricardo Jorge de Loureiro Silva (nº1841) 3 Mestrado em Engenharia Electrotécnica - Energia e Automação Industrial 2. MÓDULOS UTILIZADOS NO TRABALHO O sistema usado neste trabalho (PBM da FANOX) é um controlador de motor e um sistema de protecção equipado com uma comunicação ModBus RTU em tempo real através de uma porta RS485. Assim o fabricante pretende cobrir todas as exigências da manutenção e da monitorização de estruturas industriais com motores. As principais funções e/ou capacidades deste sistema são as seguintes:        Protecções actuais relacionadas do motor Protecção de temperatura Protecções de terra Interrupção de serviço e sinalização Comunicações com sistemas SCADA Relatórios da falha Estatísticas Para o desenvolvimento deste trabalho utilizámos os seguintes módulos:  PBM-B112 (base)  PBM-H1E3 (display)  CT-1/354 (toroidal) O sensor de temperatura PTCEX 70, não foi utilizado porque não estava disponível. 2.1. MÓDULO PBM-B11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Descrição Alimentação 110/230V AC/DC a 50/60Hz Entrada digital Transformador toroidal Sensor PTC Contacto disparo NA – NF Contacto alarme NA – NF RS485 ModBus Botão RESET Ligação RJ45 Leds de alarme Figura 1 - Módulo PBM-B 2 3 4 Referência [2] e [4] da Bibliografia Referência [3] da Bibliografia Referência [5] da Bibliografia João Vitor Pereira Ôlas (nº1503) Ricardo Jorge de Loureiro Silva (nº1841) 4 Mestrado em Engenharia Electrotécnica - Energia e Automação Industrial Leds ON 1 2 3 4 Aceso Piscar Tudo OK ------------------------Sobrecarga / Limite do Binário (Jam) / Subintensidade Rotor bloqueado / Arranque Falha terra homopolar / diferencial Alarme ligação toroidal Sensor PTC Sonda PTC em curto-circuito ou aberta Desequilíbrio / Falha numa fase Sequência de fases 2.2. MÓDULO PBM-H1E Figura 2 - Módulo PBM-H 1 2 3 4 5 ON 1 2 3 4 Descrição Display 2x24 Teclas de navegação Ligação RJ45 Botão OK Botão Cancelar / Sair 6 7 8 9 Leds Aceso Tudo OK Sobrecarga / Limite do Binário (Jam) / Rotor bloqueado / Arranque Falha terra homopolar / diferencial Sensor PTC Desequilíbrio / Falha numa fase Descrição Botão Reset Start Stop Leds de sinalização Piscar ------------------------Subintensidade Alarme ligação toroidal Sonda PTC em curto-circuito ou aberta Sequência de fases João Vitor Pereira Ôlas (nº1503) Ricardo Jorge de Loureiro Silva (nº1841) 5 Mestrado em Engenharia Electrotécnica - Energia e Automação Industrial 2.3. TOROIDAL CT-1/35 Este módulo é um toroidal que calcula a soma vectorial das correntes das 3 fases. Figura 3 - Toroidal CT-1/35 Diametro interno (mm) Código Escalões (mA) 35 41055 25 CT-1/35 2.4. SENSOR DE TEMPERATURA PTCEX 70 Este sensor tem como objectivo medir a temperatura da carcaça metálica do motor. Figura 4 - Sensor de temperatura PTCEX70 Existe também sensor PTC 120 que mede a temperatura nos enrolamentos do motor (seria difícil usa-lo já que os motores disponíveis no DEE-ESTV, são fechados, não contemplando aberturas para o efeito). PTC 120 PTCEX 70 Código 41700 41705 Temperatura de funcionamento 1200C 700C ≥ 1330 Ω ≥ 1330 Ω Interno (enrolamentos) Externo (carcaça) Resistência de funcionamento Tipo de montagem João Vitor Pereira Ôlas (nº1503) Ricardo Jorge de Loureiro Silva (nº1841) 6 Mestrado em Engenharia Electrotécnica - Energia e Automação Industrial 3. FUNCIONALIDADES DO CONTROLADOR As principais funções de protecção disponíveis são as seguintes:     Protecção contra sobrecargas (com possibilidade de ligação de um sensor PTC) Protecção contra desequilíbrio de fases, de falta de fase e inversão de fases Protecção de JAM (limite de binário), de rotor bloqueado e sobreintensidades Protecção de terra: sobreintensidade homopolar de tempo definido e de tempo inverso, sobreintensidade diferencial de terra de tempo definido e de tempo inverso Para facilitar a manutenção preventiva, o sistema dispõe de algoritmos de vigilância do equipamento, tanto das ligações externas como do funcionamento interno e de funções de teste para verificar o funcionamento correcto das saídas e dos leds:      Monitorização do transformador toroidal em circuito aberto Curto-circuito do sensor PTC Autodiagnóstico Teste dos leds e das saídas do módulo PBM-B Teste dos leds do módulo de PBM-H Permite realizar também um arranque escalonado dos motores da instalação mediante temporização ajustável de 0 a 3600 S. O sistema fornece as seguintes medidas: corrente nas fases, corrente de neutro homopolar (calculada como uma soma digital das correntes da fase), corrente de terra diferencial (medida com toroidal externo), corrente média das fases, componente directa e inversa, imagem térmica e frequência. São armazenados até quatro relatórios de falha na memória não temporária. Estes relatórios contêm informação sobre a data, as medidas e um subconjunto dos estados do equipamento que são suficientes para determinar a causa do evento (todos os disparos, as entradas e saídas). Toda a informação do equipamento pode ser obtida no PBM-H e no terminal de comunicação RS485, que permite incluir o equipamento como parte de um sistema SCADA usando o protocolo RTU Modbus. O módulo de PBM-H está equipado com cinco leds de sinalização e uma tecla de “reset” para restaurar as saídas e testar os leds. Possui ainda um LCD com duas linhas e vinte colunas e um teclado com seis teclas que podem ser usados para aceder a toda a informação do sistema. A cada led pode ser atribuído um alarme que pode ter dois estados, aceso ou a piscar. O módulo PBM-B pode operar normalmente sem o módulo de PBM-H, que depois de programado via PBM-H ou via comunicação RS485 (usando o software PBCom), fornece a informação através dos seus leds. Não foi possível estabelecer a comunicação entre o PC e o PMB-B, uma vez que não tínhamos disponível o cabo de ligação e adaptador RS232/RS485. Conseguimos construir o cabo de ligação e adquirimos um adaptador, não tendo este último chegado a tempo de efectuarmos testes. João Vitor Pereira Ôlas (nº1503) Ricardo Jorge de Loureiro Silva (nº1841) 7 Mestrado em Engenharia Electrotécnica - Energia e Automação Industrial De seguida estão algumas imagens do software PBCom: Figura 5 – Ecrã de Settings/Neutral do Software PBCom Figura 6 – Ecrã de Reports do Software PBCom Em anexo estão todos os ecrãs do programa, e no CD de Apoio o software de instalação. João Vitor Pereira Ôlas (nº1503) Ricardo Jorge de Loureiro Silva (nº1841) 8 Mestrado em Engenharia Electrotécnica - Energia e Automação Industrial Na tabela seguinte está um resumo de todas as suas potencializadas: Função Descrição PBM-B Protection - Protecções Overload Sobrecarga (classes do disparo 5-10-15-20-25-30-35-40-45) 1 Imbalance Desequilíbrio da fase 1 Phase failure Falha da fase 1 Sequence Sequência de fase 1 PTC Função do PTC (coeficiente de temperatura positivo) 1 Jam Limite de binário 1 Locked rotor Rotor bloqueado 1 I0>> Sobreintensidade homopolar severa 1 I0> Sobreintensidade homopolar 1 IG>> Sobreintensidade diferencial de terra severa (com toroidal externo) 1 IG> Sobreintensidade diferencial de terra (com toroidal externo) 1 I< Subintensidade na fase 1 Tempo de arranque excessivo 1 Measurements - Medidas IA, IB, IC Medida RMS da intensidade de fase com erro de 2% √ I0 Medida RMS da intensidade de terra homopolar com erro de 2% √ IG Medida RMS da intensidade de terra homopolar com erro de 2% √ Imagem térmica √ Frequência √ Corrente da média das três fases √ Corrente sequência directa √ Corrente sequência inversa √ Inputs and Outputs – Entradas e Saídas Entrada Digital 1 Tecla 1 Saídas de Digitas: disparo e alarme 2 Communication - Comunicação Comunicação RS485 (ModBus, RTU 19200) √ Control and signalling – Controlo e Sinalização Arranque temporizado do equipamento √ Leds indicadores do módulo PBM-B 5 Comando de reset da imagem térmica √ Comando de reset das saídas e dos leds √ Monitoring and Recording – Monitorixação e Registo Disparo em tempo real (RTC) √ Monitorização do toroidal √ Circuito aberto e curto-circuito do sensor do PTC √ Relatórios de falha 4 Autodiagnóstico √ Número de arranques √ Máximo começar acima a corrente: √ Intensidade máxima de corrente √ Intensidade máxima de corrente do último arranque √ Falhas de sobrecarga √ Falhas do PTC √ Falhas de JAM (limite máximo de binário) √ Falhas de rotor bloqueado √ Falhas de neutro √ Horas de funcionamento √ João Vitor Pereira Ôlas (nº1503) Ricardo Jorge de Loureiro Silva (nº1841) 9 Mestrado em Engenharia Electrotécnica - Energia e Automação Industrial 4. FUNÇÕES DE PROTECÇÃO Para protegermos um motor temos que fazer várias configurações, que dependerão das características do próprio motor. 4.1. AJUSTES GERAIS Os ajustes gerais do sistema são os seguintes: VALORES POR DESCRIÇÃO MÍNIMO MÁXIMO ESCALÕES UNIDADES IB - Corrente do motor Relação da transformação da fase Frequência Factor da corrente de arranque Tempo de arranque do motor Sequência de fases do motor Temporização de início 0,8 6 0,01 A 0,8 1 2000 1 - 1 - - 50HZ/60HZ/VAR HZ 50 1 8 0,01 XIB 1,5 1 200 1 S 60 - - ABC/ACB - ABC 0 3600 1 S 0 DEFEITO O primeiro ajuste é a intensidade de corrente estipulada (nominal) do motor, que é referida como IB. Para proteger o motor, a corrente IB, deve ser ajustada com o mesmo valor que está na sua chapa de características. No caso de um motor com corrente estipulada abaixo do valor de ajuste mínimo (0,8A) do relé, devemos, através no furo do relé, passar “n” voltas dos condutores de fase. Desta forma o ajuste de IB será n x In, (sendo In o mesmo valor que está na sua chapa de características do motor). Para o caso de um motor com corrente estipulada acima do valor de ajuste máximo (6A) do relé, devemos usar transformadores de corrente. Assim o valor de ajuste de IB será In dividido pela relação de transformação do transformador de corrente da fase. A corrente e o tempo de arranque motor são ajustados por forma a estabelecer os seus limites. É necessário seleccionar um valor entre 1 e 200 segundo para o tempo de arranque. Em caso de querermos desactivar esta monitorização, é possível, sob a responsabilidade do utilizador, seleccionando o valor zero. Sendo recomendável manter esta monitorização para evitar os danos inesperados no motor. O ajuste de sequência de fases motor é usado para verificar se o cabo está ligado em concordância com os ajustes do sistema, enquanto que o de temporização de início é usado para realizar um arranque escalonado dos motores de uma instalação. João Vitor Pereira Ôlas (nº1503) Ricardo Jorge de Loureiro Silva (nº1841) 10 Mestrado em Engenharia Electrotécnica - Energia e Automação Industrial 4.2. SOBRECARGA Os ajustes desta função são os seguintes: DESCRIÇÃO MÍNIMO MÁXIMO ESCALÕES UNIDADES VALORES POR DEFEITO Activação da função - - SIM/NÃO - SIM Gama de ajuste 1 2 0,01 IB 1,15 Classe de disparo - - 5,10,15,20,25,30,35,40,45 - 5 Ventilação mecânica independente - - SIM/NÃO - NÃO 20 95 1 % 80 Alarme É usado um modelo matemático baseado num modelo físico para simular a condição térmica do motor. Este modelo resulta da combinação de duas imagens térmicas: uma imagem do aquecimento e uma imagem do arrefecimento. A imagem do aquecimento representa a condição térmica dos enrolamentos do estator e do rotor, e a imagem do arrefecimento representa a condição térmica do embalamento do motor. As imagens do aquecimento e do arrefecimento servem para definir os limites para que o motor opere em segurança. A imagem térmica é uma medida das condições de aquecimento do motor. Ao contrário de um relé da sobrecarga, o tempo de actuação não conta a partir da falha, mas sim, de forma continua determinado pela condição térmica do motor. O tempo de disparo depende da classe de disparo seleccionada, da corrente que circula e da condição térmica precedente do motor. As curvas referentes às classes de disparo referidas anteriormente, encontram-se no manual em anexo. A imagem térmica é calculada com base na seguinte equação: = 100 × × 1− + × O tempo de disparo é dado pela equação: onde: − = ζ× × 100 −1 I - corrente máxima das três fases It - corrente de classe de disparo ζ - constante térmica. θ’0 - condição térmica inicial João Vitor Pereira Ôlas (nº1503) Ricardo Jorge de Loureiro Silva (nº1841) 11 Mestrado em Engenharia Electrotécnica - Energia e Automação Industrial A precisão do tempo de disparo é 5% do tempo teórico. O algoritmo usa a corrente do máximo das correntes das fases. Se a corrente máxima é 15% superior ao IB ajustado, aplica-se a imagem do aquecimento. Se a corrente máxima é 15% inferior ao IB ajustado, aplica-se a imagem do arrefecimento. A função da sobrecarga dispara quando a imagem térmica alcança um valor de 100%. Este valor é alcançado quando o tempo da corrente que circula é igual à ajustada na função térmica (It). Estabelece-se um nível de ajuste da imagem térmica para gerar um alarme. Se um disparo ocorrer, a função de sobrecarga será restaurada quando a imagem térmica cair abaixo do nível de alarme ajustado. A constante térmica tem os seguintes valores: ζ aquecimento = 37 x classe de disparo ζ arrefecimento = 90 x classe de disparo No caso de existir uma ventilação mecânica independente: ζ arrefecimento = (90 x classe de disparo) / 4 João Vitor Pereira Ôlas (nº1503) Ricardo Jorge de Loureiro Silva (nº1841) 12 Mestrado em Engenharia Electrotécnica - Energia e Automação Industrial 4.3. DESEQUILÍBRIO DE FASES Os ajustes desta função são os seguintes: MÍNIMO MÁXIMO ACTIVAÇÃO DA FUNÇÃO - - SIM/NÃO - SIM % DO DESEQUILÍBRIO 5 30 1 % 30 TEMPO DA ACTUAÇÃO MOTOR EM ARRANQUE 0,02 20 0,001 S 0,6 0,02 20 0,001 S 5 TEMPO DA ACTUAÇÃO MOTOR EM FUNCIONAMENTO NORMAL ESCALÕES UNIDADES VALORES POR DESCRIÇÃO DEFEITO A função do desequilíbrio é aplicada no sistema trifásico composto pelas correntes trifásicas (IA, IB, IC). A corrente média dos três valores é tomada como referência. A função fica activa se a corrente média é 10% superior à corrente IB ajustada do motor e torna-se inactiva se a corrente média for 8% inferior. A partir da corrente média, estabelece-se um gama de funcionamento correcto, cujo limite superior e inferior vem dado em % de desequilíbrio ajustado e a histerese de 5% é considerada na reposição. Os limites de activação e de reposição do desequilíbrio são determinados da seguinte forma, a partir da % do desequilíbrio ajustado (valor d1%): Activação do limite superior Imédio x (100 + d1)% Reposição do limite superior Imédio x (100 + d1– 5)% Activação do mais baixo limite Imédio x (100 - d1)% Reposição do mais baixo limite Imédio x (100 - d1+ 5)% Os critérios são aplicados às três fases. Se uma corrente da fase é maior do que o limite superior ou menos do que o limite inferior, a função activa-se. Uma vez activada, se a intensidade dessa fase estiver abaixo do limite de reposição superior ou acima do limite de reposição inferior, a função será reposta imediatamente. O disparo desta função pode ser temporizado com tempos diferentes: um aplica-se quando o motor está a arrancar e o outro quando o motor está em funcionamento normal. Desta forma pode-se detectar falta de fase no arranque do motor e realizar um disparo rápido. João Vitor Pereira Ôlas (nº1503) Ricardo Jorge de Loureiro Silva (nº1841) 13 Mestrado em Engenharia Electrotécnica - Energia e Automação Industrial 4.4. FALTA DE FASE Os ajustes desta função são os seguintes: VALORES POR DESCRIÇÃO MÍNIMO MÁXIMO ESCALÕES UNIDADES ACTIVAÇÃO DA FUNÇÃO - - SIM/NÃO - SIM % DESEQUILÍBRIO 10 100 1 % 30 TEMPO 0,02 20 0,001 S 5 DEFEITO Esta função aplica-se para um sistema trifásico composto pelas correntes trifásicas (IA, IB, IC). A corrente média dos três valores é tomada como referência. A função fica activa se a corrente média for 10% superior à corrente IB ajustada do motor e torna-se inoperante se a corrente média for 8% inferior. A partir da corrente média, estabelece-se um limite inferior que é dado pela % do desequilíbrio ajustado e é considerada histerese de 5% na reposição. Os limites da reposição e da activação da falha da fase são determinados como segue, baseado nas % do desequilíbrio ajustado (valor d2%): Activação do limite superior Imédio x (100 – d2)% Reposição do limite superior Imédio x (100 – d2+ 5)% Os critérios são aplicados às três fases. Se uma corrente da fase é maior do que o limite superior ou menor do que o limite inferior, a função activa-se. Uma vez activada, se a intensidade dessa fase estiver abaixo do limite de reposição superior ou acima do limite de reposição inferior, a função será reposta imediatamente. Há somente um tempo de funcionamento, seja quando o motor está a arrancar ou quando o motor está em funcionamento normal 4.5. SEQUÊNCIA DE FASES Os ajustes desta função são os seguintes: VALORES POR DESCRIÇÃO MÍNIMO MÁXIMO ESCALÕES UNIDADES ACTIVAÇÃO DA FUNÇÃO - - SIM/NÃO - NÃO TEMPO 0,02 2 0,001 S 0,02 DEFEITO A função é activada quando a sequência de fases detectada não é concordante com o ajuste efectuado (ABC/ACB). O algoritmo da detecção da função da sequência de fases é baseado na determinação da sequência positiva e negativa da componente fundamental das correntes. João Vitor Pereira Ôlas (nº1503) Ricardo Jorge de Loureiro Silva (nº1841) 14 Mestrado em Engenharia Electrotécnica - Energia e Automação Industrial A função fica activa se a sequência positiva ou a sequência negativa da corrente forem superiores a 10% do IB ajustado e torna-se inoperante se a sequência positiva ou a sequência negativa da corrente forem inferiores a 8%. 4.6. FUNÇÃO PTC Os sensores do PTC fornecem o controlo exacto da temperatura que o motor é sujeito nos vários pontos de sua estrutura. A operação do sensor está baseada num aumento extremamente rápido da sua resistência, uma vez que o seu próprio limite de temperatura foi alcançado. Esta protecção é usada nos casos nos seguintes casos:      Motores com frequências elevadas de arranque/paragem. Motor a funcionar a velocidades inferiores à gama para o qual foi projectado. Quando o ar para o seu arrefecimento for insuficiente. Em operações intermitentes e/ou na travagem constante. Altas temperaturas do ar. O curto-circuito e circuito aberto do sensor do PTC activam o contacto do alarme. Quando a temperatura excessiva é detectada activa o contacto de disparo. Os limites desta protecção não podem ser ajustados. São predefinidos como está na tabela seguinte: RESISTÊNCIA DE ACTIVAÇÃO TEMPERATURA EXCESSIVA RESISTÊNCIA DE REPOSIÇÃO > 3600 Ω < < 1800 Ω CURTO-CIRCUITO < 20 Ω > > CIRCUITO ABERTO >4000 Ω < < 3900 Ω 30 Ω Esta função, por defeito não está activada e o tempo do disparo é de 500ms. Os sensores do PTC usados têm uma corrente do máximo de 1mA e uma tensão máxima de 2,3V. Máxima resistência em frio < 1500 Ω Mínima resistência em frio > 50 Ω Existe também sensor PTC 120 que mede a temperatura nos enrolamentos do motor (seria difícil usa-lo já que os motores disponíveis no DEE-ESTV, são fechados, não contemplando aberturas para o efeito). João Vitor Pereira Ôlas (nº1503) Ricardo Jorge de Loureiro Silva (nº1841) 15 Mestrado em Engenharia Electrotécnica - Energia e Automação Industrial 4.7. FUNÇÃO LIMITE DE BINÁRIO MÁXIMO Considera-se que o motor está a trabalhar em condições de limite de binário máximo quando o binário resistente do motor é muito próximo do binário máximo que o motor pode fornecer, por este motivo a velocidade de rotação do motor está a baixar. Esta função está inactiva durante o arranque do motor. Quando o arranque termina a função fica activa sempre que tenha sido autorizada (activada) pelo utilizador. Os ajustes desta função são os seguintes: DESCRIÇÃO MÍNIMO MÁXIMO ESCALÕES UNIDADES VALORES POR DEFEITO ACTIVAÇÃO DA FUNÇÃO - - SIM/NÃO - NÃO GAMA DE AJUSTE 1 3,5 0,01 IB 2,5 TEMPO DA ACTUAÇÃO 0,02 50 0,001 S 10 O tempo da actuação é independente da corrente de funcionamento que flui através do equipamento, de modo que, se a corrente da fase exceder o valor ajustado durante o tempo préestabelecido, a função da protecção é activada (dispara ao fim do tempo ajustado). É desactivada quando o valor da corrente da fase desce para valores de 95% da regulação. 4.8. ROTOR BLOQUEADO Esta função detecta o rotor bloqueado. Durante o arranque do motor não está activa. Quando o arranque termina a função fica activa sempre que tenha sido autorizada (activada) pelo utilizador. Os ajustes desta função são os seguintes: DESCRIÇÃO MÍNIMO MÁXIMO ESCALÕES UNIDADES VALORES POR DEFEITO ACTIVAÇÃO DA FUNÇÃO - - SIM/NÃO - NÃO GAMA DE AJUSTE 3,5 6 0,01 IB 3,5 TEMPO DA ACTUAÇÃO 1 30 0,001 S 5 O tempo da actuação é independente da corrente de funcionamento que flui através do equipamento, de modo que, se a corrente da fase exceder o valor ajustado durante o tempo préestabelecido, a função da protecção é activada (dispara ao fim do tempo ajustado). É desactivada quando o valor da corrente da fase desce para valores de 95% da regulação. João Vitor Pereira Ôlas (nº1503) Ricardo Jorge de Loureiro Silva (nº1841) 16 Mestrado em Engenharia Electrotécnica - Energia e Automação Industrial 4.9. SOBREINTENSIDADE HOMOPOLAR SEVERA (I0>>) Esta função de protecção pode ser ajustada usando três parâmetros: DESCRIÇÃO MÍNIMO MÁXIMO ESCALÕES UNIDADES VALORES POR DEFEITO ACTIVAÇÃO DA FUNÇÃO - - SIM/NÃO - NÃO GAMA DE AJUSTE 0,1 1 0,01 IB 0,1 TEMPO DA ACTUAÇÃO 0,02 5 0,001 S 1 O tempo da actuação é independente da corrente de funcionamento que flui através do equipamento, de modo que, se a corrente do neutro (I0) exceder o valor ajustado durante o tempo pré-estabelecido, a função é activada (dispara ao fim do tempo ajustado). A função é desactivada quando o valor médio do neutro é inferior a 95% do valor ajustado. 4.10. SOBREINTENSIDADE HOMOPOLAR (I0>) Esta função de protecção pode ser ajustada usando cinco parâmetros: DESCRIÇÃO MÍNIMO MÁXIMO ESCALÕES UNIDADES VALORES POR DEFEITO ACTIVAÇÃO DA FUNÇÃO - - SIM/NÃO - NÃO CURVA - - (1*) - TEMPO INVERSO ATRASO 0,05 1,25 0,01 - 1,25 GAMA DE AJUSTE 0,1 1 0,01 IB 1,00 TEMPO DA ACTUAÇÃO 0,02 5 0,001 S 0,2 (1*) tempo inverso, muito inverso, extremamente inverso, tempo definido. Se a opção tempo definido for seleccionada para o ajuste da curva, o equipamento comporta-se como uma unidade de sobrecarga instantânea. Neste caso, o tempo de funcionamento da unidade é ajustado usando o parâmetro de tempo actuação. Se uma curva (inversa, muito inversa ou extremamente inversa) for seleccionada para o ajuste, o tempo de funcionamento depende da curva, e do atraso ajustado. Se o equipamento está programado:   com tempo definido, a função será activada a 100% do valor do ajuste, e será desactivada a 95%. em função da curva, a função será activada a 110% do valor do ajuste, e será desactivada a 100%. A reposição é instantânea em ambos os casos. João Vitor Pereira Ôlas (nº1503) Ricardo Jorge de Loureiro Silva (nº1841) 17 Mestrado em Engenharia Electrotécnica - Energia e Automação Industrial A precisão do tempo da actuação é ±5% ou ±30ms (o maior dos dois), sobre o tempo de actuação teórico. As curvas usadas são baseadas na Norma IEC255-45, e são descritas no manual do equipamento em anexo. 4.11. SOBREINTENSIDADE DIFERENCIAL DE TERRA SEVERA (IG>>) Esta função de protecção, usando um transformador toroidal externo, pode ser ajustada usando três parâmetros: DESCRIÇÃO MÍNIMO MÁXIMO ESCALÕES UNIDADES VALORES POR DEFEITO ACTIVAÇÃO DA FUNÇÃO - - SIM/NÃO - NÃO GAMA DE AJUSTE 100 15000 1 mA 100 TEMPO DA ACTUAÇÃO 0,02 5 0,001 S 0,2 O tempo da actuação é totalmente independente da corrente de funcionamento que flui através do equipamento, de modo que, se a corrente de fuga à terra (IG) exceder o valor ajustado durante o tempo pré-estabelecido a função é activada (dispara ao fim do tempo ajustado). A função é desactivada quando o valor médio do neutro é inferior a 95% do valor ajustado. 4.12. SOBREINTENSIDADE DIFERENCIAL DE TERRA (IG>) Esta função de protecção, usando um transformador toroidal externo, pode ser ajustada usando três parâmetros: DESCRIÇÃO MÍNIMO MÁXIMO ESCALÕES UNIDADES VALORES POR DEFEITO ACTIVAÇÃO DA FUNÇÃO - - SIM/NÃO - NÃO CURVA - - (1*) - TEMPO INVERSO ATRASO 0,05 1,25 0,01 - 1,25 GAMA DE AJUSTE 100 450 1 mA 100 0,02 5 0,001 S TEMPO DA ACTUAÇÃO (1*) tempo inverso, muito inverso, extremamente inverso, tempo definido. 0,2 Se a opção tempo definido for seleccionada para o ajuste da curva, o equipamento comporta-se como uma unidade sobrecarga instantânea. Neste caso, o tempo de funcionamento da unidade é ajustado usando o parâmetro de tempo actuação. Se uma curva (inversa, muito inversa ou extremamente inversa) for seleccionada para o ajuste, o tempo de funcionamento depende da curva, e do atraso ajustado 5 Referência [6] da Bibliografia João Vitor Pereira Ôlas (nº1503) Ricardo Jorge de Loureiro Silva (nº1841) 18 Mestrado em Engenharia Electrotécnica - Energia e Automação Industrial Se o equipamento está programado:   com tempo definido, a função será activada a 100% do valor do ajuste, e será desactivada a 95%. em função da curva, a função será activada a 110% do valor do ajuste, e será desactivada a 100%. A reposição é instantânea em ambos os casos, sendo a precisão do tempo da actuação ±5% ou ±30ms (o maior dos dois), sobre o tempo de actuação teórico. As curvas usadas são baseadas na Norma IEC255-4, e são descritas no manual do equipamento em anexo. 4.13. SUBINTENSIDADE A função subintensidade é usada para detectar se a corrente de funcionamento do motor é menor que a esperada, o que pode acontecer por vários motivos: o o o funcionamento do motor sem carga falha da transmissão, nenhuma bomba em vazio,… A função subintensidade não está activa durante o arranque do motor. Os ajustes desta função são os seguintes: DESCRIÇÃO MÍNIMO MÁXIMO ESCALÕES UNIDADES VALORES POR DEFEITO ACTIVAÇÃO DA FUNÇÃO - - SIM/NÃO - NÃO GAMA DE AJUSTE 0,3 1 0,01 IB 0,5 TEMPO DA ACTUAÇÃO 0,02 200 0,001 S 1 A função é activada a 100% do valor ajustado e é reposta a 105%. A reposição é instantânea. A exactidão do tempo da actuação é igual ao tempo ajustado, mais um máximo de 30ms. 4.14. MONITORIZAÇÃO DO ARRANQUE DO MOTOR Os ajustes em relação à monitorização do arranque do motor fazem parte dos ajustes gerais, e são os seguintes: DESCRIÇÃO MÍNIMO MÁXIMO ESCALÕES UNIDADES VALORES POR DEFEITO ACTIVAÇÃO DA FUNÇÃO - - SIM/NÃO - NÃO 1 8 0,01 IB 1,5 1 200 0,001 S 60 FACTOR DA CORRENTE DE ARRANQUE TEMPO DE ARRANQUE DO MOTOR João Vitor Pereira Ôlas (nº1503) Ricardo Jorge de Loureiro Silva (nº1841) 19 Mestrado em Engenharia Electrotécnica - Energia e Automação Industrial O seguinte esquema de funcionamento descreve a operação desta função: Considera-se que o motor está em standby (repouso), quando a corrente média é menor que 8% do IB ajustado. Quando a corrente média for maior de 10% da corrente ajustada, o equipamento começa a monitorizar o arranque, “primeira etapa do motor”. Depois da “primeira etapa do motor”, quando a corrente média é superior à corrente de arranque do motor, começa a “segunda etapa do motor”. De seguida, quando a corrente média é menor que 95% do valor ajustado começa a etapa “motor em funcionamento”. Na “primeira etapa do motor” e na “segunda etapa do motor” monitoriza-se o tempo de arranque. Se os valores forem superiores aos ajustados, inicia-se a etapa “arranque prolongado”. Existem dois bits de estados associados à monitorização do motor: um para o motor em funcionamento e outro para o tempo de arranque excessivo. Quanto ao arranque do motor podemos observar as seguintes estatísticas:       Número de arranques Intensidade máxima de arranque Intensidade máxima do último arranque Intensidade média do último arranque Tempo de arranque medido (“segunda etapa do motor”) Número de horas de funcionamento (“motor em funcionamento”) João Vitor Pereira Ôlas (nº1503) Ricardo Jorge de Loureiro Silva (nº1841) 20 Mestrado em Engenharia Electrotécnica - Energia e Automação Industrial 5. MENUS DO HMI PBM-H Na figura seguinte está o menu principal do relé. No menu ESTADOS (“STATES”), podemos ver quais as protecções que estão ou não ligadas. No menu MEDIDAS (“MEASURES”), podemos ver as medidas instantâneas das grandezas. No menu DEFINIÇÕES (“SETTINGS”), podemos definir as grandezas nominais, activar ou desactivar protecções definindo as suas configurações. No menu COMANDO (“COMMAND”), podemos fazer o “reset” das estatísticas, do tempo de funcionamento e da imagem térmica. No menu CONFIGURAÇÃO (“CONFIGURATION”), podemos configurar os “Leds”. Figura 7 – Menu principal No menu RELATÓRIOS (“REPORTS”), podemos visualizar os registos dos últimos 4 eventos, com os respectivos registos de grandezas. No menu ESTATISTICAS (“STATISTICS”), podemos visualizar o número de operações, a corrente máxima de arranque, a última corrente máxima de arranque, corrente média de arranque, o tempo de arranque, etc. No menu DATA E TEMPO (“DATA-TIME”), podemos visualizar e configurar a data e hora do relé. No menu PALAVRA-CHAVE (“PASSWORD”), podemos configurar uma nova palavra-chave do relé. Nota: Alguns dos submenus são de grande complexidade (tamanho), pelo que, não estão aqui descritos, podendo ser consultados no manual do relé (no CD em anexo). João Vitor Pereira Ôlas (nº1503) Ricardo Jorge de Loureiro Silva (nº1841) 21 Mestrado em Engenharia Electrotécnica - Energia e Automação Industrial 6. DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO O 1º passo foi realizar a assemblagem de todos os componentes seguindo o esquema eléctrico fornecido pelo fabricante. Figura 8 - Esquema de ligações utilizando transformador toroidal e sonda PTC Figura 9 – Montagem do controlo João Vitor Pereira Ôlas (nº1503) Ricardo Jorge de Loureiro Silva (nº1841) 22 Mestrado em Engenharia Electrotécnica - Energia e Automação Industrial Utilizamos um motor trifásico assíncrono, conforme figura seguinte. Figura 10 – Ajustes gerais Antes de ligar o motor ao controlador, colocámo-lo a funcionar em vazio ligado em estrela, para registarmos o valor de corrente absorvida, já que iríamos trabalhar com o motor sem carga. Figura 11 – Ligação directa do motor em estrela De seguida configurámos os Ajustes gerais de acordo com os valores anteriormente registados, e alimentámos o motor através do relé. João Vitor Pereira Ôlas (nº1503) Ricardo Jorge de Loureiro Silva (nº1841) 23 Mestrado em Engenharia Electrotécnica - Energia e Automação Industrial Figura 12 – Ajustes gerais Figura 13 - Montagem do motor através do relé Nos primeiros ensaios, o sistema disparava ao fim de alguns segundos. De forma a averiguar qual a origem do problema, desligámos quase todas as protecções e alarmes do sistema conseguindo colocar em funcionamento o motor apenas com as protecções de sobrecargas e curto-circuitos. João Vitor Pereira Ôlas (nº1503) Ricardo Jorge de Loureiro Silva (nº1841) 24 Mestrado em Engenharia Electrotécnica - Energia e Automação Industrial Registámos os seguintes valores. IA, IB, IC – correntes das fases I0 – corrente homopolar IG – corrente diferencial de terra Iavg – corrente média das fases I1 – corrente directa (sequencia positiva) I2 – corrente inversa (sequencia negativa) Figura 14 – Valores medidos Não simulámos todos defeitos possíveis, devido a dificuldades técnicas de simulação em laboratório. Contudo, realizando as configurações necessárias no relé, conseguimos simular os seguintes:     Falta de fase Desequilíbrio de fases Sobreintensidade homopolar Sobreintensidade diferencial de terra, com o transformador toroidal externo Quanto ao defeito de falta de fase, desligámos um dos condutores de fase, tendo a protecção actuado, sinalizando-o com o led 4 do PMB-B aceso. Quanto ao defeito de desequilíbrio de fases, em vez do motor, usámos uma caixa de cargas resistivas ligadas em triângulo, com diferentes cargas em cada fase. A protecção actuou, sinalizando o defeito com o led 4 do PMB-B aceso. Quanto ao defeito sobreintensidade homopolar, colocámos uma carga resistiva em série na entrada de uma das fases, desequilibrando desta forma as tensões. Como resposta apareceu uma corrente homopolar. A protecção actuou, sinalizando o defeito com o led 3 do PMB-B aceso. Quanto ao defeito de sobreintensidade diferencial de terra, ligámos uma carga resistiva entre uma fase do motor e o neutro, simulando assim uma fuga. A protecção actuou, sinalizando o defeito com o led 3 do PMB-B aceso. João Vitor Pereira Ôlas (nº1503) Ricardo Jorge de Loureiro Silva (nº1841) 25 Mestrado em Engenharia Electrotécnica - Energia e Automação Industrial 7. CONCLUSÕES No culminar deste trabalho, há conclusões importantes a destacar, não só referentes à investigação teórica como também ao nosso trabalho prático. Numa fase inicial, fizemos um estudo de quais os principais e mais usuais defeitos nos motores, tendo verificado que a maior parte deles provocam efeitos nada desejáveis, tais como, aquecimento e destruição/envelhecimento dos isolamentos e por consequência uma redução da sua vida útil. Uma vez que o PBM é bastante recente, conseguimos através de contactos com alguns responsáveis6 da Fanox, averiguar quais as suas potencialidades e também qual a utilização que poderá ser feita a nível industrial. Com a ajuda do Manual do PBM identificámos os módulos que podem ser ligados ao módulo PBM-B e montámos a respectiva placa de controlo. De referir que inicialmente só tínhamos disponível o módulo PBM-H, o que nos atrasou um pouco os ensaios no laboratório, pois faltava o módulo toroidal. De seguida, e antes de ligar esta placa de controlo ao motor, estudámos o funcionamento do PBM-B, caracterizando as principais funções de protecção disponíveis bem como as funções de manutenção preventiva que o sistema possui. Numa fase mais avançada do nosso trabalho, e já com o toroidal montado na placa, tentámos construir o cabo de ligação ao PC, uma vez que o PBM-B possui uma porta RS485. Chegámos inclusive a adquirir um conversor RS485/RS232, mas devido ao tempo não chegámos a fazer os testes de ligação. Também não foi essencial para o trabalho, uma vez que efectuamos todas as configurações e ajustes necessários via PBM-H, o que nos deu um pouco mais de trabalho do que se fossem feitas através do PC com o software PBCom. No desenvolvimento prático do trabalho, ligámos o motor através do PBM-B e fizemos vários ensaios de modo a testar algumas das protecções disponíveis. Realizamos com sucesso, os testes com protecção contra sobrecarga e curto-circuito, falta de fase, desequilíbrio de fases, sobreintensidade homopolar e sobreintensidade diferencial de terra. Em todos estes ensaios, o controlador sinalizou o respectivo com os leds de “dois estados” que tem disponíveis. Também conseguimos no módulo PBM-H, visualizar todos os valores medidos para as diversas grandezas onde se inclui as correntes por fase, a corrente homopolar e diferencial, a corrente média, as componentes directa e inversa. Acreditamos que atingimos com sucesso os objectivos propostos para este trabalho, reconhecendo que queríamos ter explorado outras vertentes deste trabalho, o que ficará para uma próxima oportunidade. 6 Oier Peral (Dpto. Aplicacion) - [email protected] David Castillo (T&D Sales Manager/Director Ventas T&D) - [email protected] João Vitor Pereira Ôlas (nº1503) Ricardo Jorge de Loureiro Silva (nº1841) 26 Mestrado em Engenharia Electrotécnica - Energia e Automação Industrial 8. BIBLIOGRAFIA [1] Fanox Electronic. (s.d.). Motor management system protection relay PBM. Obtido em Outubro de 2010, de http://www.fanox.com/index.php?option=com_content&task=view&id=224&Itemid=358 [2] Fanox Electronics. (s.d.). Motor Management System PBM-B Instructions. Obtido em Outubro de 2010, de http://www.fanox.com/index.php?option=com_docman&task=doc_download&gid=320&Itemid=168 [3] Fanox Electronics. (s.d.). Motor Management System PBM-H Instructions. Obtido em Outubro de 2010, de http://www.fanox.com/index.php?option=com_docman&task=doc_download&gid=321&Itemid=168 [4] Fanox Electronic. (s.d.). Motor Management System PBM Rev2. Obtido em Outubro de 2010, de http://www.fanox.com/index.php?option=com_docman&task=doc_download&gid=307&Itemid=168 [5] [6] Fanox Electronics. (s.d.). Toroidal transformers CT-1. Obtido em Outubro de 2010, de http://www.fanox.com/index.php?option=com_docman&task=doc_download&gid=295&Itemid=168 IEC. (Julho de 2004). IEC 61000-4-4. Obtido em Dezembro de 2010, http://webstore.iec.ch/servlet/GetPreview?id=32598&path=info_iec61000-4-4{ed2.0}b.pdf de [7] Paulo Moisés Almeida da Costa. (2010). Módulo 1 ‐ Introdução. Apontamentos da Disciplina Protecção e Comando de Sistemas Eléctricos - MEE ESTGV. [8] Paulo Moisés Almeida da Costa. (2010). Módulo 3 - Vol.1 - Relés de Protecção. Apontamentos da Disciplina Protecção e Comando de Sistemas Eléctricos - MEE ESTGV. [9] Paulo Moisés Almeida da Costa. (2010). Módulo 6 - Protecção de Motores. Apontamentos da Disciplina Protecção e Comando de Sistemas Eléctricos - MEE ESTGV. João Vitor Pereira Ôlas (nº1503) Ricardo Jorge de Loureiro Silva (nº1841) 27 Mestrado em Engenharia Electrotécnica - Energia e Automação Industrial 9. ANEXOS João Vitor Pereira Ôlas (nº1503) Ricardo Jorge de Loureiro Silva (nº1841) 28