Desenvolvimento e implementação do sistema de controle para um gerador de pulsos de corrente para ensaios com Dispositivos de Proteção contra Surtos

Resumo

Segundo a  ABNT NBR 5410 (ABNT, 2004), os Dispositivos de Proteção contra Surtos (DPS) são componentes essenciais para a proteção de instalações elétricas e equipamentos contra sobretensões transitórias, como as provocadas por descargas atmosféricas. Com o objetivo de avaliar a eficácia desses dispositivos, a Universidade de Pernambuco (UPE), em parceria com a empresa CLAMPER S.A., vem desenvolvendo diversos projetos voltados à realização de ensaios em equipamentos eletroeletrônicos submetidos a surtos de alta tensão. Entre os equipamentos avaliados destacam-se modems ópticos, lâmpadas LED, geladeiras, televisores, disjuntores e inversores solares. Os resultados indicam que a utilização de DPS pode aumentar significativamente a vida útil desses dispositivos quando expostos a descargas. Para a realização desses testes, é necessário o uso de um gerador de surtos capaz de simular descargas atmosféricas conforme os parâmetros estabelecidos pela norma IEC 61643-11 (2021), que define, por exemplo, as formas de onda de corrente típicas (como 8/20 μs e 10/350 μs), baseadas no tempo de subida e de decaimento do pulso. Neste contexto, o presente trabalho apresenta o desenvolvimento e a implementação de um sistema de controle para operação de um gerador de surtos, capaz de simular descargas atmosféricas, como parte de um projeto de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D) realizado no Instituto de Inovação Tecnológica da UPE (IIT/UPE). Para reproduzir as ondas de corrente, o laboratório dispõe de um gerador de corrente composto por um transformador, que devido à indução eletromagnética gerada entre os enrolamentos do primário e secundário, a tensão AC aplicada na entrada  produz uma tensão elevada na saída, proporcional ao número de espiras nos enrolamentos. A tensão no secundário do transformador passa por um diodo que retifica o sinal alternado em uma tensão contínua que, por sua vez, pode carregar dois bancos de capacitores que são responsáveis por armazenar a energia e definir qual forma de onda será usada no experimento (8/20 μs ou 10/350 μs). Em paralelo com os capacitores, existem duas semi esferas condutoras que, ao se aproximarem uma da outra, são capazes de simular uma descarga atmosférica, descarregando a tensão armazenada no banco de capacitores e rompendo a rigidez dielétrica do ar. O sistema de controle desenvolvido é responsável por controlar o carregamento dos bancos de capacitores, definir a polaridade dos pulsos, permitir ao usuário a escolha da forma de onda a ser aplicada, acionar válvulas pneumáticas e mecanismos de segurança, como um botão de emergência. O controle é realizado por uma plataforma de desenvolvimento de sistemas embarcados, microcontrolada, Arduino Mega, integrada a relés, transformador (220 V para 127 V), fontes de tensões contínuas, sensores, um autotransformador para controle da tensão AC no primário e contatores para acionamento da carga. O painel de controle inclui chaves seletoras, indicadores luminosos, voltímetros AC/DC e botões de operação, permitindo a escolha entre modo manual ou digital. No modo digital, o sistema se comunica com um computador via USB e é operado através de uma interface desenvolvida no Node-RED, que permite o monitoramento da tensão de carregamento dos capacitores de forma gráfica, utilizando divisores de tensão e sensores conectados ao Arduino. O sistema foi implementado com sucesso e calibrado conforme os requisitos da norma IEC. Atualmente o sistema de controle desenvolvido está sendo utilizado no comando do gerador de pulsos, em ensaios experimentais com DPS e outros dispositivos eletroeletrônicos, contribuindo tanto para a geração de conhecimento acadêmico por meio de artigos científicos com resultados inovadores, quanto para o desenvolvimento de soluções técnicas em parceria com empresas do setor, e desenvolvimento de novos produtos.