Disseny i construcció d'un equip per a la monitorització de transformadors

Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 1 Resum El present document recull les etapes i els procediments seguits en la materialitzaci´o d’un prototip per a la monitoritzaci´o de transformadors. Les avaries en transformadors de pot`encia suposen una despesa econ`omica important a les empreses el`ectriques. Les p`erdues de subministrament associades s´on, a m´es a m´es, un problema pel consumidor final. Les actuals estrat`egies de monitoritzaci´o, que aprofiten les noves tecnologies de comunicaci´o, poden ser una soluci´o efica¸c. Per un cant´o, tenir coneixement a temps real de quin ´es l’estat de c`arrega i funcionament ajudar`a als operaris dels centres de control a evitar els danys associats a les sobrec`arregues. Per l’altre, recopilar aquesta informaci´o permetr`a generar historials d’incid`encies que, a llarg termini, serviran per preveure i anticipar-se a les avaries. Els primers cap´ıtols d’aquesta mem`oria introdueixen al lector a la monitoritzaci´o de transformadors de pot`encia: emmarquen la monitoritzaci´o dins del panorama el`ectric actual, en justifiquen la necessitat i exposen les oportunitats que ofereix. Tamb´e descriuen quines magnituds indiquen millor l’estat dels transformadors. Els cap´ıtols posteriors estan dedicats al hardware i el software dissenyats, contru¨ıts i implementats. S’estudiar`a l’electr`onica de la targeta i s’analitzar`a el cos del codi programat. Per acabar, s’analitzaran les conclusions extretes i es far`a una valoraci´o del projecte. En aquesta valoraci´o s’en detallar`a el cost i s’estimar`a l’impacte mediambiental. P`ag. 2 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 3 ´ Index Resum 1 1 Prefaci 15 1.1 Origendelprojecte...................................... 15 1.2 Motivaci´o ........................................... 15 1.2.1 Motivaci´opersonal.................................. 15 2 Introducci´o 17 2.1 Objectiusdelprojecte .................................... 17 2.2 Abastdelprojecte ...................................... 17 3 Conceptes b`asics del transformador 19 3.1 Introducci´o al transformador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.2 Constituci´o .......................................... 19 3.2.1 Parts actives: nucli i debanaments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.2.2 Sistemaderefrigeraci´o................................ 21 3.2.3 Accessoris normals en transformadors de pot`encia . . . . . . . . . . . . . . . . 21 4 La monitoritzaci´o de transformadors 27 4.1 Estatdel’art ......................................... 27 4.1.1 Introducci´o ...................................... 27 4.1.2 La liberalitzaci´o del mercat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.2 La monitoritzaci´o on-line .................................. 28 4.2.1 Introducci´o ...................................... 28 4.2.2 Ressenyahist`orica .................................. 29 4.3 T`ecniquesdediagnosi .................................... 29 4.3.1 M`etodes de detecci´o de fallida t`ermica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4.3.2 M`etodes de detecci´o de fallida per ruptura del diel`ectric . . . . . . . . . . . . . 30 4.3.3 M`etodes de detecci´o de fallida per causes mec`aniques . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.3.4 M`etodes de detecci´o de degradaci´o general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 P`ag. 4 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors 4.4 Par`ametres a monitoritzar d’un transformador de pot`encia . . . . . . . . . . . . . . . . 31 4.4.1 Contingut de gasos dissolts a l’oli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 4.4.2 Humitatal’oli .................................... 31 4.4.3 Desc`arreguesparcials ................................ 32 4.4.4 Temperaturadel’oli................................. 32 4.4.5 Temperatura de les bobines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.4.6 Pressi´o......................................... 33 4.4.7 Tensi´o i corrent de c`arrega . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.4.8 Funcionament de les bombes i/o dels ventiladors . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.4.9 Estat del canviador de preses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.4.10Harm`onics....................................... 34 4.5 IEC 61850 com a eina de comunicacions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 5 Concepci´o del projecte 37 5.1 Objectedelprojecte ..................................... 37 5.2 An`alisidelsdesitjos...................................... 39 5.3 Objectiusdelprojecte .................................... 39 5.4 Planificaci´o .......................................... 41 6 Targeta de monitoritzaci´o 43 6.1 Esquemadelatargeta.................................... 43 6.2 Circuit monitoritzaci´o de tensi´o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 6.2.1 An`alisidelcircuit................................... 45 6.2.2 Divisorresistiu .................................... 46 6.2.3 Circuit actiu de modulaci´o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 6.2.4 FiltrepassabaixRC................................. 49 6.3 Circuit de monitoritzaci´o de corrent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 6.3.1 An`alisidelcircuit................................... 50 6.3.2 Transductor de corrent d’efecte Hall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 6.3.3 FiltrespassabaixRC ................................ 51 6.3.4 Circuit actiu de modulaci´o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 6.4 Componentsisimulaci´o ................................... 52 6.4.1 Components ..................................... 52 6.4.2 Simulaci´o ....................................... 53 6.5 Disseny i construcci´o de la targeta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 5 7Software implementat 59 7.1 Entorn de programaci´o i depuraci´o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 7.2 Cos del software ....................................... 59 7.3 Tria de la freq¨u`encia de mostreig Fs............................ 60 7.4 Resultatsobtinguts...................................... 61 7.4.1 ConversorDAC.................................... 61 7.4.2 C`alcul d’harm`onics per un algoritme basat en la FFT base-2 . . . . . . . . . . 62 8 An`alisi econ`omic i mediambiental 69 8.1 An`alisiecon`omic ....................................... 69 8.2 An`alisimediambiental .................................... 69 Conclusions 71 Agra¨ıments 73 A Limitacions est`atiques i din`amiques dels amplificadors operacionals 75 A.1 Limitacionsest`atiques .................................... 75 A.1.1 Input bias current iInput offset current ...................... 75 A.1.2 Input offset voltage .................................. 77 A.2 Limitacionsdin`amiques ................................... 79 B C`alcul eficient de la DFT basat en l’algoritme de la FFT base-2 81 B.1 Metodologia de “divideix i vencer`as” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 B.2 Codi en llenguatge C dels fitxers AdaptarDFT.c i MyDFTAdaptat.c....................................... 89 C Busos s`erie s´ıncrons 109 C.1 Introducci´o .......................................... 109 C.2 El bus I2C (Inter-Integrated Circuit)............................ 109 C.2.1 Introducci´o ...................................... 109 C.2.2 Caracter´ıstiques ................................... 110 C.3 El protocol I2C........................................ 113 C.3.1 Terminologia ..................................... 113 C.3.2 Descripci´o de funcionament . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 C.3.3 Nivellsl`ogics ..................................... 114 C.3.4 Validesa........................................ 114 C.3.5 Format dels bytes de dades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 C.3.6 Acknowledge (ACK) i Not Acknowledge (NACK)................. 115 C.3.7 Sincronitzaci´o del rellotge i arbitratge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 P`ag. 6 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors C.3.8 Direccionament i operacions d’extensi´o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 C.4 El bus SPI (Serial Peripheral Interface) .......................... 117 C.4.1 Introducci´o ...................................... 117 C.4.2 Caracter´ıstiques ................................... 117 C.5 Mode d’operaci´o b`asic del bus SPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 D Esquemes el`ectrics de la placa 119 D.1 Esquemageneral ....................................... 120 D.2 Connectors d’alimentaci´o i refer`encia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 D.3 Fontsd’alimentaci´o...................................... 122 D.4 Punts de refer`encia a 0V................................... 123 D.5 Connector pel programador del microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 D.6 Circuit de modulaci´o dels senyals de tensi´o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 D.7 Circuit de modulaci´o dels senyals de corrent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 D.8 Connectors pels senyals de tensi´o i corrent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 D.9 Microcontrolador MCF52235-CAL60 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 D.10 Tensi´o de refer`encia pel conversor ADC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 D.11 Circuit de reset delmicrocontrolador............................ 130 D.12 D´ıode LED de watchdog ................................... 131 D.13 D´ıodes LED de prop`osit general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 D.14 Polsadors de prop`osit general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 D.15ConversorDAC........................................ 134 D.16ConnectorpelconversorDAC................................ 135 D.17Rellotgedetempsreal .................................... 136 D.18Sensordetemperatura.................................... 137 D.19Mem`oriaEEPROM...................................... 138 D.20PantallaLCD......................................... 139 D.21 Connector RJ45 per Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 D.22CircuitdeCAN........................................ 141 D.23Potesdesuport........................................ 142 E Valoraci´o econ`omica del projecte 143 E.1 Cost de construcci´o de la targeta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 E.1.1 Cost del material de la targeta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 E.1.2 Costdelam`ad’obra................................. 144 E.1.3 Cost total de construcci´o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 E.2 Cost de disseny i desenvolupament . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 E.2.1 Cost del material inform`atic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 7 E.2.2 Costdepersonal ................................... 145 E.2.3 Cost total de disseny i desenvlupament . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 E.3 Costtotaldelprojecte.................................... 145 F Estudi de l’impacte ambiental 147 F.1 Materialsutilitzats...................................... 147 F.2 Energiaconsumida...................................... 147 F.3 Reciclatge........................................... 147 Bibliografia 148 P`ag. 8 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 9 ´ Index de figures 3.1 Nucli muntat d’un transformador trif`assic de columnes (font: Autovol Electric) . . . . 20 3.2 Xapes magn`etiques (font: Autovolt Electric) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.3 Proc´es de bobinat d’un debanament (font: Shri GuruNanak Electrical Engineering Works) 20 3.4 Transformador trif`asic de 325kV A (font: Hebei Machinery) . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.5 Transformador trif`asic de 35kV A (font: ELSINE Electric) . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.6 Dip`osit d’expansi´o amb assecador d’aire (font: ELSINE Electric) . . . . . . . . . . . . 22 3.7 Rel´e Buchholz (font: Sukrut Electric) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.8 Secci´o d’un rel´e Buchholz (font: Sukrut Electric) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.9 A¨ılladors............................................ 24 3.10 Canviador de preses (font: Shangai Hanson Industrial Co.) . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.11 Transformador trif`assic amb canviador de preses (font: DAIHEN) . . . . . . . . . . . . 25 3.12 Sonda PT100 (font: CORPORACION GIVA S.A.C.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4.1 Resultats de l’estudi realitzat per IMIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.2 A¨ıllaments de paper (font: Shri GuruNanak Electrical Engineering Works) . . . . . . . 32 4.3 Paper a¨ıllant perforat sis vegades (font: Forensic Services) . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.4 Sensors de temperatura de fibra `optica (font: Ferret) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 5.1 Esquema global i funcional de l’equip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 5.2 Connexionat per mesurar tensions fase-terra i corrents de fase . . . . . . . . . . . . . . 40 5.3 Planificaci´odelprojecte ................................... 42 6.1 Esquemadelatargeta.................................... 44 6.2 PCB holder modularpercarrilDIN ............................ 44 6.3 Esquema funcional del circuit de monitoritzaci´o de tensi´o . . . . . . . . . . . . . . . . 45 6.4 Divisorresistiu ........................................ 46 6.5 Divisor resistiu per diferents kv............................... 48 6.6 Circuitactiudemodulaci´o.................................. 49 6.7 FiltrepassabaixRC..................................... 49 6.8 Esquema funcional del circuit de monitoritzaci´o de corrent . . . . . . . . . . . . . . . . 50 P`ag. 16 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 17 Cap´ıtol 2 Introducci´o 2.1 Objectius del projecte Els objectius del projecte s´on: 1. Recopilar articles, publicacions i normatives. 2. Dissenyar i construir un hardware orientat als transductors de mesura i als sistemes de diagnosi per transformadors. 3. Implementar-ne un software de processament de determinades variables d’estat d’un transformador. 4. Elaborar una mem`oria de s´ıntesi. El hardware ha estat dissenyat per tractar la gran majoria de mesures de sensors comuns en la monitoritzaci´o de transformadors. En aquest projecte, per`o, nom´es es far`a el processament de les mesures obtingudes de transformadors d’instrumentaci´o de tensi´o i corrent. En termes generals, l’objectiu del projecte ´es arribar a un punt de partida que permeti a altres companys endinsar-se m´es en aquesta mat`eria. 2.2 Abast del projecte El protip desenvolupat ha de ser capa¸c de: 1. Llegir senyals procedents de transformadors de mesura de tensi´o i de corrent. 2. Calcular el contingut harm`onic d’aquests senyals. 3. Detectar sobretensions i sobrecorrents. 4. Presentar els resultats a trav´es d’una p`agina web. En quant al c`alcul d’harm`onics, aquest no quedar`a subjecte a l’estricte compliment de cap normativa. No obstant aix`o, si que seguir`a les indicacions de la IEC 61000-4 [16]. P`ag. 18 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 19 Cap´ıtol 3 Conceptes b`asics del transformador 3.1 Introducci´o al transformador Un transformador ´es un m`aquina el`ectrica est`atica d’inducci´o magn`etica capa¸c de transferir energia el`ectrica d’un circuit a un altre, utilitzant com a enlla¸c un flux d’inducci´o com´u a tots dos circuits. La necessitat de fer servir transformadors obeeix els seg¨uents motius: •Modificar els factors (tensi´o i corrent) de la pot`encia transmesa, adaptant-los a les condicions m´es favorables requerides. •Mesurar tensi´o i corrent en l´ınies d’alta tensi´o i circuits el`ectrics. •A¨ıllar el circuit d’alimentaci´o del de consum de l’energia, ja sigui per les condicions de la posada terra de cada circuit, o per a¨ıllar el segon de les altes tensions que puguin apar`eixer al primer. 3.2 Constituci´o 3.2.1 Parts actives: nucli i debanaments Essencialment, tot transformador est`a format per un nucli de material magn`etic i uns enrotllaments o debanaments. Aquests elements s´on les parts actives del transformador. El nucli constitueix un circuit magn`etic tancat. A trav´es d’ell s’estableix el camp magn`etic inductor com´u als debanaments. El nucli es construeix amb xapes de ferro de gra orientat (xapes de ferrosilici laminades en fred), generalment amb un gruix de 0,35mm cadascuna. Les xapes estan a¨ıllades entre si per una imprimaci´o superficial qu´ımica, amb un espessor d’uns 0,03mm. Aquesta disposic´o redueix les p`erdues per corrents de Foucault. La Figura 3.1 mostra un nucli trif`assic. La Figura 3.2 mostra amb detall una pila de xapes amb les que es construeix cada branca d’un transformador. En aplicacions en qu`e el rendiment del transformador no ´es un aspecte clau, en la construcci´o del nucli es fa servir xapes de ferro dol¸c o, fins i tot, cossos compactes de compostos artificials de ferrita. El material conductor que es fa servir pels debanaments dep`en de l’aplicaci´o. El cable conductor ha d’estar a¨ıllat per assegurar que el corrent el`ectric circula en la direcci´o del cable. Per transformadors de poca pot`encia, el material emprat ´es fil de coure o d’alumini recobert d’una fina capa de resina sint`etica. Quan la pot`encia ´es major, les espires es construeixen amb tires base rectangular de coure (Figura 3.3) a¨ıllades amb paper impregnat en oli m´es una capa de cel.lulosa premsada. P`ag. 20 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors Figura 3.1: Nucli muntat d’un transformador trif`assic de columnes (font: Autovol Electric) Figura 3.2: Xapes magn`etiques (font: Autovolt Electric) Figura 3.3: Proc´es de bobinat d’un debanament (font: Shri GuruNanak Electrical Engineering Works) Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 21 3.2.2 Sistema de refrigeraci´o En transformadors petits (de pot`encia menor als centenars de kV A) la calor dissipada no ´es excessiva, i aquesta pot ser extreta per convecci´o i radiaci´o naturals. En transformadors majors, el conjunt de les parts actives ´es submergit en oli mineral altament refinat i sec. Aix´ı es millora l’a¨ıllament i es facilita la refrigeraci´o del nucli i dels debanaments. El conjunt queda confinat en un tanc d’acer. La superf´ıcie de les parets ´es llisa en equips petits, i ondulada o amb convector adossats en transformadors majors. Addicionalment es pot fer servir ventiladors d’aire (Figura 3.4) o intercanviadors de calor entre l’oli del tanc i un circuit extern d’aigua. En aquest darrer cas, es requereix l’´us de bombes de circulaci´o per afavorir la transfer`encia de calor. Figura 3.4: Transformador trif`asic de 325kV A (font: Hebei Machinery) 3.2.3 Accessoris normals en transformadors de pot`encia La majoria de transformadors immersos en oli disposen d’un dip`osit d’expansi´o d’oli per facilitar-ne la dilataci´o amb la temperatura. La Figura 3.5 mostra un transformador de 35kV A immers en oli, amb convectors i refrigerat amb aire per convecci´o no for¸cada. S’hi pot identificar f`acilment el dip`osit d’expansi´o, de geometria cil´ındrica. D’una de les bases d’aquest dip`ot neix la xemeneia de seguretat. A la sortida de la xemeneia hi ha una membrana d`ebil, la ruptura de la qual es produeix de manera natural en cas de sobrepressi´o perillosa a l’interior. A l’extrem final hi ha la v`alvula d’obertura amb ressort. La Figura 3.6 mostra amb detall un dip`osit d’expansi´o de l’oli. S’hi observa, en una de les bases, un indicador de nivell. Aquest dip`osit t´e tamb´e un assecador d’aire de gel de s´ılice (en color rosat, confinat en un recipient). Com es comentar`a en el proper cap´ıtol, es necessari extreure la humitat de l’oli perqu`e n’empitjora les propietats com a a¨ıllant. Al tub d’enlla¸c entre el tanc i el dip`osit d’expansi´o normalment s’hi intercala un rel´e Buchholz. El rel´e Buchholz ´es un dispositiu de protecci´o de fallides diel`ectriques. Al seu interior (Figura 3.8) hi ha dues esf`eres m`obils de pl`astic situades en dos plans horitzontals diferents. Entre elles hi ha un interruptor encarregat de fer saltar el senyal d’alarma. El factor detonant que activa aquest interruptor ´es l’acumulaci´o de gas a l’interior del tanc. L’ompliment i el buidatge d’oli es fa a trav´es d’unes claus de pas soldades a les parets del tanc. A la Figura 3.5 es pot observar, a la paret frontal del tanc, una d’aquestes claus. Generalment els P`ag. 22 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors Figura 3.5: Transformador trif`asic de 35kV A (font: ELSINE Electric) Figura 3.6: Dip`osit d’expansi´o amb assecador d’aire (font: ELSINE Electric) transformadors en tenen dues: una situada a prop de la cara superior tanc, que interv´e en l’ompliment d’oli, i l’altre a prop de la base i que permet la recirculaci´o i buidatge. Certs fen`omens que es produeixen a l’interior del transformador, com ara els arcs el`ectrics, generen r`apidament petites quantitats de gas. Aquest gas flueix pel rel´e cap al dip`osit d’expansi´o. Aix`o despla¸ca verticalment i cap amunt l’esfera inferior, activant l’interruptor. L’aparici´o de gasos tamb´e pot estar motivada per factors com les sobretensions, les sobrec`arregues i les altes temperatures. En aquests casos la generaci´o i acumulaci´o de gas, que ´es m´es lenta, tamb´e pot ser detectada pel rel´e Buchholz. Aquestes petites acumulacions s’apleguen, en part, al volum m´es alt del rel´e. Aix`o for¸ca l’esfera superior a baixar i activar l’interruptor. Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 23 Figura 3.7: Rel´e Buchholz (font: Sukrut Electric) Figura 3.8: Secci´o d’un rel´e Buchholz (font: Sukrut Electric) En transformadors de pot`encia, cada debanament est`a connectat a la xarxa exterior a trav´es d’un conductor de coure r´ıgid. Aquest conductor est`a el`ectricament a¨ıllat per un a¨ıllador (Figura 3.9). El material com´u amb el que es fabriquen aquests elements ´es porcellana recoberta d’una fina pel.l´ıcula semiconductora. La paret de la concavitat de l’a¨ıllador pot estar recoberta de paper o pot contenir oli. Per ajustar la relaci´o de transformaci´o a les necessitats del consum, els transformadors de pot`encia acostumen a incorporar un commutador de preses. Aquests equips varien el nombre d’espires que treballen dels debanaments. Hi ha commutadors monof`asics, trif`asics, de maniobra en buit i de maniobra en c`arrega. Si nom´es se’n requereix un, aquest ´es intal.lat al cant´o d’alta tensi´o (el de baix corrent) perqu`e els requeriments el`ectrics s´on menors. La Figura 3.10 mostra un commutador de preses trif`assic de maniobra en c`arrega i que varia el nombre d’espires de primari i secundari. La Figura 3.11 ´es un transformador trif`assic de pot`encia; dels debanaments de cada branca surten uns cables que es connecten a les preses d’un commutador de preses. La temperatura del transformador ´es mesurada amb sensors instal.lats a les parets del tanc. Generalment es fa servir term`ometres de sonda tipus PT100 o PT1000 (Figura 3.12). Tenen una sonda resistiva frabricada de plat´ı, permanentment submergida en l’oli del transformador. La variaci´o de la resistivitat el`ectrica del plat´ı ´es pr`acticament lineal amb la temperatura. A 0◦C, la resist`encia val P`ag. 24 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors Figura 3.9: A¨ılladors Figura 3.10: Canviador de preses (font: Shangai Hanson Industrial Co.) 100Ω en les PT100, i 1000Ω en les PT1000. Per mesurar la pressi´o de l’oli es fa servir un man`ometre instal.lat al tanc. Finalment, uns altres accessoris normals en transformadors de pot`encia s´on les rodes de trasllat local, orientables en dues direccions a 90◦. Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 25 Figura 3.11: Transformador trif`assic amb canviador de preses (font: DAIHEN) Figura 3.12: Sonda PT100 (font: CORPORACION GIVA S.A.C.) P`ag. 32 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors 4.4.3 Desc`arregues parcials La ruptura dil`ectrica ´es una font d’avaries en transformadors. Aquest tipus d’avaria queda englobat dins de les avaries per fallida d’aillament en l’informe d’IMIA. Generalment, abans de la ruptura del diel`ectric, es produeix una activitat de desc`arregues parcials (Partial Dicharge, PD). Aquesta activitat no nom´es envelleix el material a¨ıllant i el deteriora, sin´o que fins i tot pot arribar a perforar-lo completament (Figura 4.3). A m´es a m´es, es generen bombolles d’hidrogen que no sempre poden ser detectades. Per aquest motiu, ´es desitjable monitoritzar aquest par`ametre on-line. Figura 4.2: A¨ıllaments de paper (font: Shri GuruNanak Electrical Engineering Works) Figura 4.3: Paper a¨ıllant perforat sis vegades (font: Forensic Services) El proc´es d’interpretaci´o de la informaci´o de les desc`arregues parcials no ´es senzill ni concloent. No existeix cap regla general que determini la vida del transformador en funci´o l’activitat de desc`arregues parcials. De fet, el qu`e es fa ´es analitzar les mesures de desc`arregues parcials juntament amb altres par`ametres monitoritzats, com ara l’an`alisi del DGOA. 4.4.4 Temperatura de l’oli El hottest spot ´es la temperatura m`axima que s’assoleix en un petit volum interior al transformador. El hottest spot es calcula combinant en un algoritme informaci´o dels seg¨uents par`ametres: temperatura Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 33 del volum superior de l’oli, temperatura ambient, corrent, activitat del sistema de refrigeraci´o actiu, i lectures de temperatura a l’interior de les bobines (si ´es possible) [14]. Aquesta operaci´o no serveix, per`o, per localitzar el hottest spot. La seva ubicaci´o, que probablement sigui a l’interior d’una de les bobines, es pot determinar amb una c`amara termogr`afica. Les lectures de l’oli es realitzen cont´ınuament, ja que permeten estimar l’envelliment del transformador i avaluar el risc d’incendi. 4.4.5 Temperatura de les bobines Existeix una correlaci´o directa entre la temperatura de les bobines i la vida de servei del transformador. Temperatures elevades fan que els materials a¨ıllants envelleixin i aix`o, al seu torn, pot provocar-ne la ruptura diel`ectrica. Els sensors de temperatura de les bobines s´on fibres `optiques. Figura 4.4: Sensors de temperatura de fibra `optica (font: Ferret) 4.4.6 Pressi´o En transformadors refrigerats per oli la pressi´o a l’interior del tanc varia a causa dels gasos que s’hi poden formar. Aquests gasos es poden generar a causa de la degradaci´o natural de l’oli o com a conseq¨u`encia de desc`arregues parcials (essent aquesta ´ultima la causa m´es habitual). L’increment de temperatura no t´e efectes sobre la pressi´o, ja que el dip`osit d’expansi´o contrarresta la dilataci´o t`ermica de l’oli. Els sensors m´es comuns emprats no monitoritzen la pressi´o del tanc sin´o que, s´ımplement, activen un interruptor a partir d’un valor de pressi´o llindar. La sensibilitat d’aquest tipus d’equips ´es molt menor que les dels sensors de desc`arregues parcials. El rel´e Buchholz ´es l’instrument que tradicionalment s’ha fet servir. T´e l’inconvenient que ha de ser instal.lat durant el proc´es de manufactura del transformador. Existeixen, per`o, sensors que es poden ser fixats a la sortida de la v`alvula de seguretat i que comparteixen el principi de funcionament del rel´e Buchholz. 4.4.7 Tensi´o i corrent de c`arrega La c`arrega m`axima dels transformadors est`a limitada per la temperatura m´es alta a la que el transformador (i accessoris) pot estar exposat sense que aix`o redueixi excessivament la seva vida. La monitoritzaci´o on-line cont´ınua de tensi´o i corrent, juntament amb les mesures de temperatura, permet determinar l’efici`encia t`ermica. A m´es a m´es, les lectures de tensi´o i corrent permeten detectar sobrec`arregues, sobretensions, sots de tensi´o, interrupcions de subministrament, harm`onics, etc. P`ag. 34 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors 4.4.8 Funcionament de les bombes i/o dels ventiladors L’avaria m´es habitual en el sistema de refrigeraci´o es produeix a les bombes i els ventiladors. Conv´e, doncs, comprovar peri`odicament si estan actius i quin es el seu punt de treball. Aix`o es duu a terme mesurant-ne els corrents i correlacionant-los amb les mesures de la temperatura de l’oli. A m´es a m´es, les avaries a les bombes causades pel mal funcionament dels rodaments poden ocasionar el despreniment de part´ıcules metal.liques a l’interior del tanc. Aquestes part´ıcules suposen un perill diel`ectric important, ja que minven la capacitat a¨ıllant de l’oli. Actualment existeixen sensors per ultrassons que mesuren el tamany dels rodaments, de manera que poden determinar si hi ha hagut p`erdua de metall en ells. No obstant aix`o, aquests sensors encara no s’apliquen en la monitoritzaci´o de transformadors i la comprovaci´o es realitza off-line. 4.4.9 Estat del canviador de preses Les avaries en el canviador de preses suposen gaireb´e el 41% del total que es produeixen en transformadors de pot`encia [11] [12]. L’origen d’aquestes ´es divers: desalineament dels contactes, sobrec`arregues, exc´es de maniobres, avaries mec`aniques, erosi´o dels contatces, etc. 4.4.10 Harm`onics Els transformadors s´on dissenyats per subministrar la pot`encia requerida minimitzant les p`erdues a la freq¨u`encia fonamental. La distorsi´o harm`onica del corrent, en particular, aix´ı com en la tensi´o contribueixen significativament a l’escalfament del transformador. Hi ha dos grans efectes deguts al contingut harm`onic del corrent que resulten en un escalfament del transformador: •Increment del valor efica¸c i, en conseq¨u`encia, de les p`erdues als conductors. •Increment dels corrents de Foucault. Aquests corrents s´on corrents indu¨ıts que apareixen principalment als debanaments i al nucli, i provoquen un major escalfament. Aquest augment ´es proporcional a l’arrel de la freq¨u`encia [2]. 4.5 IEC 61850 com a eina de comunicacions Les comunicacions sempre han jugat un paper clau en les operacions a temps real en el sector el`ectric. A mesura que les comunicacions digitals van esdevenir una opci´o viable als anys 60, van apar`eixer els primers sistemes autom`atics d’adquisici´o de dades, els quals podien comunicar-se amb altres equips. Aquestes comunicacions es feien per cablejat directe entre dos extrems. Operaven en canals d’ample de banda de baixa freq¨u`encia i, generalment, els protocols emprats eren propietaris. Tot plegat donava als clients una gran feina de configuraci´o i problemes d’interoperabilitat entre dispositius de diferents equips. De fet, van ser les mateixes empreses el`ectriques, ja als 80, qui van comen¸car a demanar una estandaritzaci´o. El que les empreses el`ectriques volen ´es arribar a un model de subestaci´o en el que: •Els diferents dispositius es comuniquin a alta velocitat. •Els dispositius estiguin connectats a la xarxa de l’empresa. •Es garanteixi la comunicaci´o a temps real. Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 35 •La definici´o dels dispositius, les comunicacions, etc., es basin en est`andards. •Es garanteixi la interoperabilitat entre els equips de diferents fabricants. •Hi hagi un servei de File Transfer. •Els equips siguin autoconfigurables. •Es garanteixi la seguretat en les comunicacions. Amb aquests requeriments, l’any 1988 es va desenvolupar la Utility Communication Architecture (UCA), que definia un perfil de protocols, models de dades i de serveis. A arrel d’aquest projecte es va constituir l’IEC Technical Commitee Number 57 (TC57) Working Group 10 (WG10). Del treball d’aquest comit`e va sorgir l’International Standard for Communication Networks and Systems in Substations (IEC 61850). La IEC 61850 [15] ´es un est`andard internacional originalment dissenyat per la integraci´o de dispositius el`ectrics en subestacions. S’ext´en tamb´e a la generaci´o e`olica i la generaci´o distribu¨ıda. La IEC 61850 fa una abstracci´o dels dispositius el`ectrics i defineix uns models d’objecte i un serveis que s´on totalment independents dels protocols de comunicaci´o. Molts dels protocols de comunicaci´o nom´es defineixen com s’ha de transmetre els bytes (com l’I2C o l’SPI), per`o no especifiquen com organitzar la informaci´o dins del missatge. En aquest aspecte, la IEC 61850 ´es ´unic: determina les comunicacions i ordena les dades. La configuraci´o dels dispositius que segueixen la IEC 61850 est`a en un arxiu SCL (Standarized Configuration Language). Aix`o permet que un client d’una aplicaci´o IEC 61850 pugui descarregar-se aquest arxiu i extreure les definicions del dispositiu. Aquesta caracter´ıstica simplifica molt les tasques d’instal.laci´o i configuraci´o. La IEC 61850 realitza una abstracci´o de la realitat. D’un dispositiu f´ısic i real, que t´e una adre¸ca de red, la IEC 61850 defineix un o m´es d’un model Logical Device (LD), que actua com a porta d’enlla¸c entre la informaci´o i la xarxa. L’LD cont´e diferents Logical Node (LN), que s´on agrupacions de dades i serveis. Cada LN est`a relacionat amb alguna funci´o del dispositiu: mesura, automatitzaci´o, protecci´o, supervisi´o, sensors, etc. La nomenclatura seguida per anomenar-los tamb´e est`a relacionada amb aquesta funci´o; per exemple, una unitat de mesura de pot`encia en sistemes trif`assics es designa per MMXU, i un interruptor de ruptura es designa per XCBR. La Taula 4.2, extreta del cap´ıtol 7-420 de l’est`andard, mostra la definici´o de l’LN MPRS. Els LN contenen elements de Data. El nom de cada Data n’identifica la funci´o; per exemple, dins de l’LN XCBR hi ha la variable OpCnt pel nombre d’operacions, i tamb´e la variable Pos per la posici´o. Les Data d’un LN s’organitzen en Common Data Class (CDC), que defineixen el tipus i l’estructura de les dades del LN. Hi ha CDC per la informaci´o d’estat, per les dades mesurades, pel control, etc. Els elements Data estan formats per atributs. A grans trets, els atributs s´on els elements finals que guarden les dades mesurades i les dades d’estat. L’Abstract Communication Service Interface (ACSI) de la IEC 61850 defineix uns serveis (i tamb´e les respostes per aquests serveis) que permeten que els diferents dispositius es comportin de manera id`entica des de la perspectiva de les comunicacions en xarxa. Gr`acies a aquesta abstracci´o, els dispositius es poden comunicar sobre els protocols habituals a les xarxes d’ordinadors de qualsevol empresa. El cap´ıtol 8-1 de l’est`andard defineix el mapping dels objectes i serveis abstractes cap el Manufacturing Message Spcecification (MMS). Es fa servir l’MMS perqu`e ´es el protocol p´ublic que m´es f`acilment suporta la complexa nomeclatura i els serveis de la IEC 61850. Aquest va ser ser el motiu pel qual l’UCA va triar l’MMS l’any 1991, i la ra´o de qu`e s’hagi mantingut. L’MMS ha estat adaptat per c´orrer sobre TCP/IP. La IEC 61850 ´es m´es que un simple protocol per TCP/IP. La IEC 61850 ha estat dissenyada per operar sobre les modernes tecnologies de xarxa, presents i futures. Aquesta caracter´ıstica ´unica t´e un P`ag. 36 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors Table 44 – Pressure measurements, LN (MPRS) MPRS class Data object name Common data class Explanation TM/O/C LNName Shall be inherited from logical-node class (see IEC 61850-7-2) Data System logical node data LN shall inherit all mandatory data from common logical node class M The data from LLN0 may optionally be used O Status information PresSt SPS Pressure alarm status O PresRteSt SPS Pressure rate change alarm status O Settings MaxPres ASG Maximum pressure O MinPres ASG Minimum pressure O MaxPresRte ASG Maximum pressure change rate O Measured values Pres MV Pressure measurement M PresRte MV Rate of pressure change O Taula 4.2: Definci´o de l’LN MPRS segons la IEC 61850 impacte directe i positiu sobre les despeses de disseny, construcci´o, instal.laci´o i operaci´o d’aplicacions per l’automatizaci´o de subestacions. A mode de resum, a continuaci´o es llistar`a els grans avantatges de la IEC 61850: •´ Us d’un model virtualitzat. Proposa uns models virtuals (Logical Device,Logial Node, ACSI,...) que permeten organitzar tota la informaci´o relativa als dispositius i a les comunicacions entre aquests. •Nomenclatura estandaritzada. S’assigna un nom descriptiu a cada element definit. Aix`o permet identificar m´es f`acilment qu`e ´es i d’on prov´e la informaci´o transmesa. •Autodescripci´o dels dispositius. Els clients que es comuniquin amb IEC 61850 poden obtenir la descripci´o de la informaci´o d’un dispositiu a partir d’aquest mateix. •Serveis d’alt nivell. Com ara: GOOSE, GSSE, SMV... •Inclou l’Standarized Configuration Language (SCL). L’SCL ´es el llenguatge per configurar els dispositius d’una subestaci´o el`ectrica. Inclou la representaci´o de les dades, dels serveis associats i les comunicacions. •Disminuci´o de les despeses d’instal.laci´o. La IEC 61850 permet als dispositius intercanviar dades a trav´es d’una LAN. Es redueix el cablejat i el temps d’instal.laci´o. •Disminuci´o de la despesa en transductors. Amb la IEC 61850 ja no cal un transductor particular per cada dispositiu. •Disminuci´o de les despeses d’integraci´o. Els dispositius segons la IEC 61850 utilitzen la mateixa tecnologia de comunciaci´o que la que es fa servir a nivell d’empresa. Aix´ı, un dispositiu pot comunicar informaci´o directament a un ordinador sense necessitat d’instal.lar cap RTU (equips de reconfiguraci´o). Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 37 Cap´ıtol 5 Concepci´o del projecte 5.1 Objecte del projecte L’objectiu del projecte ´es disposar d’un equip de monitoritzaci´o on-line per transformadors, vers`atil i intel.ligent. L’equip no inclou, en si mateix, cap sistema de diagnosi o transductor. La seva funci´o ´es interpretar les mesures d’aquests instruments i informar de l’estat del transformador. Per vers`atil s’entendr`a que el disseny de l’equip no est`a restringit ni a un determinat tipus de transformador, ni a un model d’instrument de mesura concret. De fet, s’ha contemplat la possibilitat de qu`e pugui rebre informaci´o de qualsevol aparell (sigui de mesura o no), sempre i quan s’hi pugui establir un canal de comunicaci´o entre ells: CAN, RS-232, 4..20mA, etc. Per intel. ligent, en canvi, s’entendr`a que l’equip pot gestionar les diferents tasques assignades sense necessitat de supervisi´o. Es descarta, per`o, que pugui actuar sobre cap element d’un transformador o d’una subestaci´o. (interruptors, commutador de preses,...). La Figura 5.1 esquematitza la funcionalitat de l’equip i el flux d’informaci´o. Representat per una hardware, l’equip de monitoritzaci´o recull mesures de determinats par`ametres del transformador, les processa, i envia els resultats a un ordinador. L’equip de monitoritzaci´o on-line ha de ser capa¸c de: 1. Recopilar les mesures dels sistemes de diagnosi i transductors. Peri`odicament i de manera aut`onoma, l’equip llegir`a les mesures d’aquests instruments. L’etapa de recopilaci´o pot implicar activar un conversor ADC, habilitar un bus, realitzar una petici´o a un aparell de mesura, etc. 2. Processar les mesures i interpretar-ne els resultats. El processat engloba les diferents operacions de quantificaci´o (c`alcul d’harm`onics, determinaci´o de m`axim i m´ınim...) i d’agregaci´o, els resultats de les quals generen una imatge virtual de l’estat del transformador. De la seva avaluaci´o i comparaci´o es pot detectar anomalies o avaries en el funcionament. I aix`o, al seu torn, contribueix a allargar la vida del transformador. 3. Comunicar els resultats. L’aparici´o d’anomalies, avaries, la limitada mem`oria de l’equip..., fan que aquest necessiti comunicar-se amb l’exterior. En el present projecte l’equip ´unicament presentar`a els resultats en una p`agina web. P`ag. 38 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors Recopilar informació de les mesures de sistemes de diagnosi i transductors 1 PT100 DGOA TT TC ... Processar les mesures i interpretar-ne els resultats 2 Comunicar els resultats a un equip extern 3 Figura 5.1: Esquema global i funcional de l’equip L’equip implementat ´es un prototip. El seu ´us est`a restringit a assajos en laboratoris, a c`arrec de personal qualificat i sota la seva responsabilitat. Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 39 5.2 An`alisi dels desitjos A continuaci´o es llistar`a les premisses que l’equip de monitoritzaci´o on-line ha de complir. •Seguretat. La seguretat en persones, b´ens i medi ambient s´on objectiu com´u en tot projecte. Assumint, per`o, que l’equip implementat ´es un prototip en desenvolupament, nom´es es garanteix la protecci´o el`ectrica. •Adaptable. El disseny de l’equip est`a orientat als sistemes de diagnosi i transductors habituals en transformadors. Aix´ı s’en garanteix la versatilitat i la possibilitat d’emprar-lo en entorns diferents. •Intel.ligent. L’equip ha d’informar de l’estat del transformador i de les possibles incid`encies. ´ Es necessari, doncs, que tingui intel.lig`encia suficient per gestionar amb autonomia tasques de recopilaci´o i processament. •Industrial. No estan garantides les condicions d’entorn en que es treballar`a. Els components emprats en la materialitzaci´o del prototip s´on d’´us habitual, i les seves caracter´ıstiques i/o propietats estan garantides pel fabricant. •Prec´ıs. Com a primer prototip, s’ha de perseguir una toler`ancia inferior al 5% en tots els c`alculs. •Actual. Aquest concepte afecta, principalment, a les comunicacions de l’equip. Els canals de comunicaci´o que es fan servir es limiten a aquells que, per la seva fiabilitat, han experimentat un major creixement i penetraci´o en la ind´ustria en els darrers anys. •De baix preu. 5.3 Objectius del projecte En quant a les mesures: 1. Mesurar les tensions i els corrents de fase. Les lectures de tensi´o es fan en el debanament secundari de tres transformadors de tensi´o (TT). Els tres debanaments secundaris han d’estar connectats en estrella. El centre de l’estrella es pren com a tensi´o de refer`encia en la mesura de les tensions. Les lectures de corrent es fan al circuit secundari de tres transformadors de corrent (TC), els quals han d’estar galv`anicament a¨ıllats entre ells. La Figura 5.2 planteja una soluci´o per monitoritzar les tensions i els corrents de fase d’un transformador trif`assic. Com s’hi observa, els debanaments primaris i secundaris dels TT estan connectats en estrella i els centres de les estrelles estan connectats directament a terra. La regleta n´umero 3 de l’equip de monitoritzaci´o tamb´e est`a directament connectada a terra; aquesta ´es la tensi´o de refer`encia respecte el qual l’equip mesura les tensions. Les sortides dels transformadors de mesura es connecten directament a unes regletes de l’equip de monitoritzaci´o. 2. Mesurar la tensi´o i el corrent del neutre. La lectura de tensi´o es fa en el debanament secundari d’un TT; el born de refer`encia ha d’estar connectat al centre de l’estrella formada pels secundaris dels altres TT. La lectura de corrent es fa en el circuit secundari d’un TC. Les sortides dels transformadors de mesura es connecten directament a unes regletes de l’equip de monitoritzaci´o. P`ag. 40 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors 24V 1 2 3 5 4 6 7 8 10 11 12 13 14 15 16 9 Figura 5.2: Connexionat per mesurar tensions fase-terra i corrents de fase 3. Mesurar la temperatura de l’equip constru¨ıt. L’equip incorpora un circuit integrat que permetr`a tenir-ne una imatge t`ermica virtual. 4. Habilitar una interf´ıcie per poder mesurar, en un futur, altres par`ametres. La majoria dels sistemes de diagnosi i transductors es comuniquen per algun est`andard: senyals anal`ogics de 4..20mA, senyals binaris, RS-232, RS-485, etc. Al mercat hi ha equips comercials que converteixen aquests est`andards en missatges CAN. En aquest projecte s’ha decidit incorporar a l’equip una interf´ıcie CAN per poder llegir aquests missatges. En quant al processament de les mesures i la interpretaci´o dels resultats: 5. Comprovar, peri`odica i cont´ınuament, que les tensions i els corrents de fase no superen uns valors m`axims preestablerts. Les verificacions de les tensions permetran detectar i enregistrar els instants en que hi hagi un alt risc de desc`arregues parcials. Les dels corrents, en canvi, permetran detectar i enregistrar instants amb un alt risc d’escalfaments locals (i dels efectes conseq¨uents, com ara la formaci´o de gasos). 6. Calcular, peri`odicament, el contingut harm`onic dels senyals de tensi´o i corrent de les tres fases. L’est`andar IEC 61000-4 definex m`etodes de mesura i interpretaci´o dels par`ametres rellevants en el camp de la qualitat el`ectrica de sistemes de pot`encia de 50/60Hz a.c. Els m`etodes descrits per cada par`ametre permeten obtenir resultats fiables i comparables, amb independ`encia de l’instrument emprat i les condicions d’entorn. Per aquest motiu, s’ha volgut mantenir certes pautes de la IEC 61000-4 en el present projecte. Seguint les indicacions de l’est`andard IEC 61000-4, l’equip de monitoritzaci´o de transformadors determinar`a el contingut harm`onic partir d’una finestra d’observaci´o de 10 cicles, aplicant la Transformada de Fourier Discreta (Direct Fourier Transform, DFT). Aquesta operaci´o es far`a a int`ervals de 10 segons. Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 41 L’equip ha de garantir la correcta detecci´o dels harm`onics menors a 150Hz (tercer harm`onic) amb una error inferior al 10%. 7. Generaci´o d’hist`orics. Acabat el c`alcul de les DFT, l’equip guardar`a el quadrat del m`odul dels tres primers harm`onics dels senyals de tensi´o i corrent de cada fase. A continuaci´o es guarad`a l’hora (expressada en hores, minuts i segons). Les incid`encies degudes a sobretensions i sobrecorrents, aix´ı com l’instant de temps (hores, minuts i segons), seran enregistrades immediatament. En quant a la comunciaci´o de resultats: 8. Presentaci´o dels hist`orics en un lloc web. Els hist`orics podran ser consultats a trav´es d’un lloc web. En el present projecte no es planteja utilitzar cap dels altres recursos del protocol TCP/IP. 5.4 Planificaci´o El projecte ha estat organitzat en 10 etapes consecutives: 1. Introducci´o i estat de l’art 2. Concepci´o del projecte 3. Concepci´o de l’equip 4. Disseny de l’equip 5. Construcci´o de l’equip 6. Definici´o de l’algoritme de la FFT 7. Programaci´o de l’equip 8. Verificaci´o 9. Conclusions 10. Redacci´o de la mem`oria i s’ha previst que la seva durada sigui d’11 mesos. La Taula 5.3 recull aquesta planificaci´o. P`ag. 48 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors Amb l’equaci´o (Eq. 6.12) es fa pal`es que: •A 50Hz, l’efecte del condensador sobre el guany |H(jf)|´es menystenible. ´ Es possible, doncs, independitzar la tria dels valors de R1iR2de la tria de C1.R1iR2de manera que el guany a 50Hz sigui: |H(j50)|=1,5 110√2kv=vd,max vi,max (6.13) •A baixes freq¨u`encies, la variaci´o del valor de R1t´e un efecte major sobre |H(jf)|que no pas la variaci´o del valor de R2. Aix´o justifica que R1hagi de ser una resist`encia de gran precisi´o. Segons el tipus de TT, el valor del factor de tensi´o kvpot ser: 1,2 , 1,5o1,9. Per tal que el circuit divisor de tensi´o s’adapti a qualsevol d’aquests kv, s’ha plantejat la seg¨uent soluci´o: R1 R2,a C1 vi(t) vd(t) kv=1,2 kv=1,5 R2,b kv=1,9 R2,c Figura 6.5: Divisor resistiu per diferents kv Variant la posici´o dels dos interruptors es tria la resist`encia R2. Com que C1´es fix, el canvi de resist`encia t´e efectes sobre la freq¨u`encia de −3dB. Efectivament, de l’equaci´o (Eq. 6.4): ∠H(jf) = −arc tg R1R2C12πf R1+R2 u−arc tg R1R2C12πf R1 =−arc tg (R2C12πf) (6.14) Aix´ı: fb=tg (45◦) R2C12π(6.15) 6.2.3 Circuit actiu de modulaci´o El circuit actiu de modulaci´o es composa de: seguidor de tensi´o, sumador i inversor. Connectat a la sortida del divisor resistiu, la seva funci´o ´es sumar 1,5Vavd(t). Aix´ı, suposant que el senyal provinent del TT no t´e component cont´ınua, vd´es centrada entre 0Vi 3V. Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 49 El seguidor de tensi´o, tamb´e anomenat amplificador de guany unitari, consisteix en un amplificador operacional en el que la sortida i l’entrada inversora estan connectades per un conductor. Idealment, la sortida es comporta com una font de tensi´o el voltatge de la qual ´es igual l’aplicat a l’entrada inversora. vd(t) vg(t) R3 R4 R5 +3V vs(t) vf(t) R6 R7 Figura 6.6: Circuit actiu de modulaci´o El corrent a trav´es de l’entrada inversora ´es menystenible. A mode d’exemple, en amplificadors opariconals de prop`osit general aquest corrent ´es inferior als 100nA, i en els de tecnologia JFET i MOSFET ´es de l’ordre les picoamperes [4]. Aquesta caracter´ıstica garanteix que el seguidor de tensi´o no t´e cap efecte sobre el divisor resistiu. El circuit sumador ´es l’encarregat de despla¸car verticalment el senyal provinent del seguidor de tensi´o. La sortida de l’amplificador ´es la suma ponderada de les tensions d’entrada, multiplicada per −1. La ponderaci´o s’estableix amb els ratis entre la resist`encia de realimentaci´o i les resist`encies connectades a l’entrada inversora. L’equaci´o (Eq. 6.16) ´es l’equaci´o caracter´ıstica del sumador ideal. Per tal que aquest circuit nom´es sumi 1,5Vavd(t), cal ajustar els components de manera que R3= 2R5i R4=R5. El circuit inversor permet multiplicar vs(t) per −1, corregint aix´ı la inversi´o (respecte l’eix d’absices) generada en el sumador. L’equaci´o (Eq. 6.17) ´es l’equaci´o caracter´ıstica de l’inversor ideal. Per tal que aquest circuit simplement amplifiqui vs(t) per −1 cal imposar R6=R7. vs(t) = −R5 R4 vg(t) + R5 R3 3(6.16) vf(t) = −R7 R6 vs(t) (6.17) 6.2.4 Filtre passa baix RC R8 C2 vn(t) vo(t) Figura 6.7: Filtre passa baix RC En s`erie al circuit actiu de modulaci´o hi ha el un filtre passa baix RC (Figura 6.7). La seva funci´o ´es minvar el soroll el`ectric que pugui contenir el senyal d’entrada al conversor ADC. P`ag. 50 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors Suposant les condicions inicials nul.les i menystenint el corrent cap al conversor ADC, la funci´o de transfer`encia d’aquest filtre ´es: Hrc(j2πf) = Hrc(jf) = 1 1 + jR8C22πf (6.18) Les expressions del guany i del desfassament s´on: |Hrc(jf)|=1 q1+(R8C22πf)2(6.19) ∠Hrc(jf) = −arc tg (R8C22πf) (6.20) La freq¨u`encia de −3dB ´es: fb=1 R8C22π(6.21) Els valors de les resist`encies i el condensador han estat ajustats per tal que la freq¨u`encia de −3dB sigui de l’odre dels 10kHz. 6.3 Circuit de monitoritzaci´o de corrent 6.3.1 An`alisi del circuit El circuit de monitoritzaci´o de corrent genera un senyal de tensi´o proporcional al corrent provinent del TC, i l’adapta a uns nivells que en permetin la seva digitalitzaci´o i el seu processament. 5 2ka t 3 t -15V +15V vo(t) H ii(t) Figura 6.8: Esquema funcional del circuit de monitoritzaci´o de corrent El circuit est`a ajustat segons: •A 50Hz, la tensi´o de sortida vo(t) ´es una funci´o af´ı del corrent d’entrada: vo(t) = mii(t) + n. •Si el corrent m`axim ´es ii,max = +5√2kaA, la tensi´o m`axima de sortida val vo,max = 3V. •Si el corrent m´ınim ´es ii,min =−5√2kaA, la tensi´o m´ınima de sortida val vo,min = 0V. Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 51 El rang del corrent d’entrada es correlaciona amb el corrent normalitzat del secundari dels TC, que ´es de 5A[1]. El terme ka´es el factor de sobrecorrent, i determina el corrent m`axim que ha de suportar el TC durant un int`erval de temps indicat, sense patir deterioraments ni perdre precisi´o. El factor de corrent kaafecta, doncs, al circuit primari i al secundari per igual. El circuit de monitoritzaci´o de corrent es composa de (vegis Figura 6.8): un transductor de corrent d’efecte Hall, un circuit actiu de modulaci´o i un filtre passa baix RC. 6.3.2 Transductor de corrent d’efecte Hall Aquest dispositiu ´es un circuit integrat que cont´e un sensor d’efecte Hall lineal, i que genera un senyal de tensi´o de sortida vH(t) en funci´o del corrent d’entrada ii(t). Generalment, en absc`encia de ii(t), apareix una tensi´o de offset a la sortida que val la meitat de la tensi´o d’alimentaci´o. Per aqueta aplicaci´o s’ha triat un transductor amb gran sensibilitat, ample de banda de l’ordre dels kHz, tensi´o d’offset estable, i hist`eresi magn`etica pr`acticament nul.la. 6.3.3 Filtres passa baix RC Hi ha dos filtres passa baix RC (Figura 6.9). El primer d’ells, situat a continuaci´o del sensor d’efecte Hall, atenua les altes freq¨u`encies contingudes en el senyal de corrent. El segon, en canvi, est`a situat just abans dels pins del conversor ADC i pal.lia el soroll el`ectric que acumuli el senyal de tensi´o. Les freq¨u`encies de −3dB s´on fb= 10kHz en ambd´os filtres. R1 C1 vi(t) vh(t) (R7) (C2) Figura 6.9: Filtre passa baix RC 6.3.4 Circuit actiu de modulaci´o El circuit actiu de modulaci´o es composa d’un inversor i un sumador (Figura 6.10), i est`a connectat a la sortida del transductor de corrent. El senyal sortint de l’inversor t´e un component altern (de freq¨u`encia fonamental 50Hz) i un de continu (la tensi´o d’offsetdel sensor d’efecte Hall): vh(t) = −vsin(t) + VO,Hall (6.22) P`ag. 52 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors vh(t) R6 R4 R5 +3V vn(t) vf(t) R2 R3 Figura 6.10: Circuit actiu de modulaci´o R6,a R4,a R5 +3V vn(t) vf(t) R6,b R4,b +3V kv=1,2 kv=1,5 Figura 6.11: Circuit sumador per diferents ka El circuit sumador afecta vhsegons: vf(t) = R5 R4 vsin(t) + R5 R4 VO,Hall −R5 R6 3 (6.23) Els valors de R4,R5iR6han estat triats de manera que vfcompleixi les especificacions de l’apartat 6.3.1: R5 R4 5√2kaζ= 1,5 (6.24) R5 R4 VO,Hall −3R5 R6 = 1,5 (6.25) A l’equaci´o (Eq. 6.24), ζrepresenta la sensibilitat del sensor d’efecte Hall. Segons el tipus de TC, el valor del factor de corrent pot ser 1,2 o 1,4. Per tal que el circuit de modulaci´o s’adapti a qualsevol d’aquests ka, s’ha plantejat la seg¨uent soluci´o: 6.4 Components i simulaci´o 6.4.1 Components A continuaci´o s’adjunta dues taules a on es recull els components emprats en els circuits de monitoritzaci´o de tensi´o i corrent. Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 53 Component Valor/Model Toler`ancia R1200kΩ 0,1% R2(kv= 1,2) 1.620Ω 1% R2(kv= 1,5) 1.290Ω 1% R2(kv= 1,9) 1.022Ω 1% R32.000Ω 1% R41.000Ω 1% R51.000Ω 1% R61.000Ω 1% R71.000Ω 1% R81.000Ω 1% C110nF 10% C2100nF 10% Amp. op. OP470 - Taula 6.1: Components del circuit de monitoritzaci´o de tensi´o Component Valor/Model Toler`ancia R1100Ω 1% R21.000Ω 1% R31.000Ω 1% R4(ka= 1,2) 514Ω 1% R4(ka= 1,5) 640Ω 1% R51.000Ω 1% R6(ka= 1,2) 1.027Ω 1% R6(ka= 1,5) 1.460Ω 1% R71.000Ω 1% C1100nF 10% C2100nF 10% Sensor Hall ACS712-20A - Amp. op. AD8672 - Taula 6.2: Components del circuit de monitoritzaci´o de corrent 6.4.2 Simulaci´o Amb l’objectiu de comprovar el seu correcte funcionament, els circuits de monitoritzaci´o de tensi´o i corrent han estat simulats amb PSIM pels diferents valors de resist`encies i condensadors. La Figura 6.12 mostra el circuit de tensi´o simulat. El senyal d’entrada ´es un senyal sinusoidal de corrent altern de 110Vi 50Hz generat per una font de tensi´o. La tensi´o vi(t) resulta de multiplicar aquest senyal pel factor de sobretensi´o (que a 6.12 val 1,9). El gr`afic vi(t)//t mostra el senyal d’entrada per kv= 1,2 (en blau), kv= 1,5 (en vermell) i kv= 1,9 (en groc). El gr`afic vo(t)//t mostra la forma d’ona de vo(t) pels diferents kv(es mant´e el codi de colors). La Figura 6.13 mosra el circuit de corrent simulat. El senyal d’entrada ´es un senyal sinusoidal de corrent altern de 5Ai 50Hz generat per una font de corrent. Aquest senyal de corrent ´es convertit a un de tensi´o, al qual se li aplica la funci´o f(x)=0,1x+ 2,5 per emular el comportament del sensor d’efecte Hall. El gr`afic i(t)//t mostra el senyal d’entrada per ka= 1,2 (en verd) i ka= 1,5 (en taronja). El gr`afic vo(t)//t mostra la forma d’ona de vo(t) pels diferents ka. Els amplificadors operacionals emprats en la simulaci´o s´on ideals. No s’ha considerat els errors deguts a les limitacions est`atiques i din`amiques definits a l’ap`endix A. El motiu d’aquesta decisi´o ´es que, conegudes les especificacions dels amplificadors operacionals reals, ´es pot afirmar que aquests errors seran d’un ordre molt inferior als mV imHz. Per tant, els seus efectes s´on menystenibles. P`ag. 54 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 -350 -250 -150 50 50 150 250 350 t (s) vi(t) (V) 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 t (s) vo(t) (s) 50 1022 10n 200000 1.9 vi(t) 110*1.4142 1000 2000 1000 1000 1000 1000 100n vo(t) 3 k VV Figura 6.12: Simulaci´o del circuit de tensi´o pels diferents kv Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 55 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 -15 -10 -5 0 5 10 15 t (s) i(t) (A) 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 t (s) vo(t) (s) 514 5*1.4142*1.2 50 i(t) A0.1*x+2.5 m 100 100n 1000 100 1027 1000 1000 100n vo(t) 3 V Figura 6.13: Simulaci´o del circuit de corrent pels diferents ka P`ag. 56 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors 6.5 Disseny i construcci´o de la targeta En la realitzaci´o del projecte l’autor ha hagut de dissenyar i construir tres plaques diferents. En primer lloc es va dissenyar la placa CONAMi (Figura 6.14). Els objectius que es perseguien eren dos. Per un cant´o, l’aprententatge del funcionament dels programes OrcAD Capture i OrCAD Layout. Per altra, apendre i con`eixer l’electr`onica necess`aria per integrar el microcontrolador ColdFire MCF52235-CAL60 en targetes de hardware. Figura 6.14: Placa CONAMi La Figura 6.15 mostra la segona targeta realitzada. La seva finalitat era comprovar el correcte funcionament dels circuits de monitoritzaci´o de tensi´o i corrent. Es va muntar sobre una placa de mil forats. Figura 6.15: Placa d’assaig dels circuits de monitoritzaci´o de tensi´o i corrent La targeta ERAVON (Figura 6.16) ´es en si l’objecte d’aquest projecte. Ha estat realitzada en base als esquemes de la CONAMi i als resultats extrets de la placa de mil forats. Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 57 Figura 6.16: Placa ERAVON P`ag. 64 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors Segon senyal: xa(t)=1,5 sin(2π100t)+1,5;Fs= 1920Hz;N= 384 El gr`afic superior de la Figura 7.3 mostra el senyal digitalitzat de xa(t). Aquest senyal segueix una tend`encia sinusoidal, i tamb´e presenta petits defectes als nivells baixos de tensi´o. El gr`afic inferior de la Figura 7.3 mostra el m`odul de |X(k)|pels diferents k. La Taula 7.2 recull el valor d’aquests tres punts. 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 10,000 20,000 30,000 40,000 50,000 60,000 k |X(k)| 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 40 80 120 160 200 240 n x(n) Figura 7.3: Tractament d’una sinusoide de 100Hz, 1,5Vd’amplitud i 1,5Vd’offset;Fs= 1920Hz k X(k)|X(k)| 0 48065 47884,00 20 −339 + j23541 23543,44 364 −339 −j23541 23543,44 Taula 7.2: Valors significatius de la DFT de la sinusoide de 100Hz;Fs= 1920Hz Desfent la DFT a partir d’aquests tres punts: ˆx(n) = 125,17 + 122,62 sin 2π100 1920n(7.14) Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 65 d’on: ˆxa(t)=1,47 + 1,44 sin (2π100t) (7.15) Per aquest cas, ´es possible recuperar el senyal entrant a l’ADC a partir dels resultats de la DFT amb un error del 4%. Tercer senyal: xa(t)=1,5 sin(2π150t)+1,5;Fs= 1920Hz;N= 384 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 40 80 120 160 200 240 n x(n) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 10,000 20,000 30,000 40,000 50,000 60,000 k |X(k)| Figura 7.4: Tractament d’una sinusoide de 150Hz, 1,5Vd’amplitud i 1,5Vd’offset;Fs= 1920Hz k X(k)|X(k)| 0 48421 48421,00 30 519 + j23573 23578,71 354 519 −j23573 23578,71 Taula 7.3: Valors significatius de la DFT de la sinusoide de 150Hz;Fs= 1920Hz Desfent la DFT: ˆx(n) = 126,10 + 122,81 sin 2π150 1920n(7.16) d’on: ˆxa(t)=1,48 + 1,44 sin (2π150t) (7.17) Per aquest cas, ´es possible recuperar el senyal entrant a l’ADC a partir dels resultats de la DFT amb un error del 4%. P`ag. 66 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors Quart senyal: xa(t) = 1,5 sin(2π50t)+1,5;Fs= 8000Hz;N= 1600 El motiu de realitzar aquest darrer assaig ´es comprovar si l’increment de la freq¨u`encia de mostrig millora l’error com`es. 0 200 400 600 800 1,000 1,200 1,400 1,600 0 50,000 100,000 150,000 200,000 250,000 k |X(k)| 0 200 400 600 800 1,000 1,200 1,400 1,600 0 40 80 120 160 200 240 n x(n) Figura 7.5: Tractament d’una sinusoide de 50Hz, 1,5Vd’amplitud i 1,5Vd’offset;Fs= 8000Hz k X(k)|X(k)| 0 202563 202563,00 10 10539 + j99249 99806,99 1590 10539 −j99249 99806,99 Taula 7.4: Valors significatius de la DFT de la sinusoide de 50Hz;Fs= 8000Hz Desfent la DFT: ˆx(n) = 126,60 + 124,76 sin 2π50 1920n(7.18) Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 67 d’on: ˆxa(t)=1,49 + 1,47 sin (2π50t) (7.19) Per aquest cas, ´es possible recuperar el senyal entrant a l’ADC a partir dels resultats de la DFT amb un error del 2%. Haver augmentat la freq¨u`encia de mostreig ha millorat l’error com`es. Aquesta millora, per`o, ´es poc significativa. P`ag. 68 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 69 Cap´ıtol 8 An`alisi econ`omic i mediambiental 8.1 An`alisi econ`omic A l’ap`endix Es’hi ha detallat el cost total invertit en la realitzaci´o del projecte, el valor del qual ´es de 52.087,71e. Les diferents despeses han estat agrupades en dos grups: cost de construcci´o de la targeta i cost de disseny i desenvolupament. El valor del primer ´es de 962,48e, mentre que el del segon ´es de 51.125,23e. Cal fer inc´ıs en que aquests preus no s´on els d’un producte final, sin´o els del desenvolupament d’un prototip. Per tant, no ´es correcte comparar aquest preu amb el d’altres targetes i equips comercials. 8.2 An`alisi mediambiental Donada la naturalesa del projece, no resulta rellevant una avaluaci´o de l’impacte ambiental. En cas que es planteg´es la seva producci´o en s`erie caldria estudiar l’impacte ambiental degut a la seva fabricaci´o. Aquestes consideracions estan recollides a l’ap`endix F. Tots els components electr`onics utilitzats compleixen la normativa RoHS (Restriction of the use of certain Hazardous Substances). Si s’en realitz´es la comercialitzaci´o, seria necessari tamb´e una an`alisi pel compliment del Reial Decret 208/2005 sobre aparells el`ectrics i electr`onics i la gesti´o dels seus residus [17]. P`ag. 70 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 71 Conclusions Acabat el projecte es pot concloure que els resultats obtinguts s´on satisfactoris. La targeta ´es capa¸c de monitoritzar i processar senyals de tensi´o i corrent i presentar els resultats en una p`agina web. L’algoritme de la DFT desenvolupat permet caracteritzar senyals sinusoidals de 50Hz, 100Hz i 150Hz amb un error inferior al 5%. Aquest algoritme ´es eficient, vers`atil i independent de la plataforma de treball i execuci´o. El conjunt conforma una targeta de monitoritzaci´o flexible, polivalent i de baix cost. A m´es a m´es, aquesta targeta pot servir com a demo board per aquells que vulguin iniciar-se en la programaci´o d’equips embedded. A partir d’aquest projecte, la l´ınia de treball m´es immediata ha d’anar encaminada a la programaci´o del bus CAN. En un futur, caldria incorporar a l’electr`onica de la targeta un conversor DAC diferent i una mem`oria RAM externa. Seria tamb´e interessant disposar d’un stack TCP/IP amb FTP. P`ag. 72 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 73 Agra¨ıments Agraeixo a en Josep Rafecas i Sabat´e i a en Pau Lloret i Gallego el seu suport, la seva orientaci´o i disposici´o, i l’haver-me ensenyat els valors que han d’acompanyar a un bon enginyer. Agraeixo al Dr. Antoni Sudri`a i Andreu i al Centre d’Innovaci´o Tecnol`ogica en Convertidors Est`atics i Accionaments (CITCEA-UPC) la filosofia de confiar en els alumnes per treballar en projectes d’investigaci´o i desenvolupament. Agraeixo a en Daniel Bernardino P´erez la seva ajuda. Dani, moltes gr`acies per sempre haver tingut el m`obil enc`es i el xat obert, i per haver at`es els meus dubtes a qualsevol hora del dia. Agraeixo a en Carlos Larrosa Garreta tots els caf`es i tots els moments de riure quan treball`avem a l’EUETIB. Agraeixo tamb´e tots els moments de diversi´o viscuts amb vosaltres els meus amics: Anna, Anneta, Bryce, David de les muntanyes, Gemma, Jordi Pr´ıncipe, Benoit, Andrea, Marc, Chus, ´ Alex, Maria... (i els que queden). Finalment, les meves millors paraules per la meva fam´ılia. Us dono les gr`acies per haver-me educat, per haver-me encoratjat, i perqu`e sempre sereu al meu costat. P`ag. 80 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors fbft fb fb/10 10fb a0 0º 45º 90º ∡a(jf) (deg) |a(jf)| (dB) ft Figura A.4: Resposta t´ıpica de lla¸c obert d’un amplificador internament compensat a(jf) M v1 v2 vo Figura A.5: Diagrama de blocs com´u als circuits inversor, sumador i seguidor de tensi´o De l’equaci´o (Eq. A.21), la freq¨u`encia de −3dB en lla¸c tancat ´es: fB=fba0Mfb(A.22) fB50Hz (A.23) Aix´ı doncs, les variacions del guany als circuits inversor, sumador i seguidor de tensi´o s´on pr`acticament menystenibles i, per tant, els senyals de baixa freq¨u`encia no pateixen cap atenuaci´o. La limitaci´o deguda a l’Slew-Rate tampoc no causar`a cap distorsi´o al senyal. L’Slew-Rate ´es el pendent m`axim del senyal de sortida que un amplificador operacional pot generar. El seu efecte es nota en senyals d’alta freq¨u`encia i/o en senyals de gran magnitud. Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 81 Ap`endix B C`alcul eficient de la DFT basat en l’algoritme de la FFT base-2 B.1 Metodologia de “divideix i vencer`as” Els algoritmes computacionalment eficients de c`alcul de la DFT segueixen l’estrat`egia del “divideix i vencer`as”. El m`etode ´es descomposar una DFT de N punts en DFTs m´es petites. El conjunt d’algoritmes que es basen en aquest m`etode rep el nom d’algoritmes per la transformada r`apida de Fourier (FFT, Fast Fourier Transform). Els algoritmes FFT s´on nom´es aplicables quan el nombre de punts de dades N´es compost: N=LM . Particularment, el m`etode ´es molt eficient quan N=rv. Quan es compleixi que r= 2, es parlar`a d’algoritmes per la FFT base-2, que s´on amb difer`encia els m´es emptrats. En aquesta secci´o es descriu el cas particular N= 2a·b , b ≥2 . Aquest cas diversifica el nombre de mostres amb el que calcular la DFT. Per contra, a mesura que baugmenta, l’algoritme perd efici`encia. Es considera el c`alcul de la DFT d’una seq¨u`encia x(n) de N= 2a·bpunts (amb b≥2): X(k) = N−1 X n=0 x(n)e−(j2π/N)kn k= 0,1, . . . , N −1 (B.1) Per comoditat es far`a ´us de la notaci´o WN=e−j2π/N . Substituint aquesta expressi´o a la darrera equaci´o: X(k) = N−1 X n=0 x(n)Wkn Nk= 0,1, . . . , N −1 (B.2) P`ag. 82 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors Com que N ´es m´ultiple enter de 2, x(n) es pot separar en dues seq¨u`encies de longitud N/2 i que corresponguin, respectivament, a les mostres parells i a les senars: X(k) = N−1 X n=0 x(n)Wkn Nk= 0,1, . . . , N −1 = N−1 X n=0 n parell x(n)Wkn N+ N−1 X n=0 n senar x(n)Wkn N =   2m=n n= 0 →m= 0 n=N→m=N/2   = N/2−1 X m=0 x(2m)Wk2m N+ N/2−1 X m=0 x(2m+ 1)Wk(2m+1) N = N/2−1 X m=0 f1(m)Wk2m N+Wk N N/2−1 X m=0 f2(m)Wk2m N(B.3) com que W2 N= (WN)2=e−j2π/N 2=WN/2 X(k) = N/2−1 X m=0 f1(m)Wk2m N+Wk N N/2−1 X m=0 f2(m)Wk2m N= = N/2−1 X m=0 x(2m)Wkm N/2+Wk N N/2−1 X m=0 x(2m+ 1)Wkm N/2 = N/2−1 X m=0 f1(m)Wkm N/2+Wk N N/2−1 X m=0 f2(m)Wkm N/2 =F1(k) + Wk NF2(k)k= 0,1, . . . , N −1 (B.4) Per k= 0,1,...,N 2−1, les funcions F1(k) i F2(k) s´on les DFTs de f1(m) i f2(m). Per la resta de valors k=N 2,N 2+ 1, . . . , N −1 es compleix que: Wk N/2=nk=˜ k+N/2 ; ˜ k∈ {0,1, . . . , N/2−1}o =W˜ k+N/2 N/2 =e −j2π N/2˜ k+N/2 =e−j2π˜ k N/2e−j2πN/2 N/2 =−e−j2π˜ k N/2 =−W˜ k N/2(B.5) Aix´ı, l’equaci´o (Eq. B.4) es pot expressar com: X(k) = F1(k) + Wk NF2(k)k= 0,1,...,N 2−1 (B.6) Xk+N 2=F1(k)−Wk NF2(k)k= 0,1,...,N 2−1 (B.7) Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 83 El c`alcul directe de la DFT de x(n) per l’equaci´o (Eq. B.1) requereix N2multiplicacions complexes. Amb les simplificacions. En canvi, si el c`alcul es fa per (Eq. B.6) i (Eq. B.7), nom´es es realitzen N2/2 + N/2 multiplicacions complexes. Per un nombre de mostres Ngran, aix`o suposa reduir les multiplicacions, aproximadament, a la meitat. x(N−1) DFT de N/2 punts x(5) x(3) x(1) x(N−2) DFT de N/2 punts x(4) x(2) x(0) Combinar DFTs de N/2 punts F2(N/2−1) F2(2) F2(1) F2(0) F1(N/2−1) F1(2) F1(1) F1(0) X(0) X(1) X(2) X(N−1) . . . . . . . . . . . . . . . Figura B.1: Resoluci´o amb un ´unic delmat per dos La funci´o F1(k) ´es la DFT de la seq¨u`encia f1(m). Si la longitud de f1(m) fos un m´ultiple enter de 2, aleshores el c`alcul de F1(k) es podria agilitzar seguint el mateix m`etode que per X(k). F1(k) = N/2−1 X m=0 f1(m)Wkm Nk= 0,1, . . . , N/2−1 = N/2−1 X m=0 m parell f1(m)Wkm N/2+ N/2−1 X m=0 m senar f1(m)Wkm N/2 =   2l=m m= 0 →l= 0 m=N/2→l=N/4   = N/4−1 X l=0 f1(2l)Wk2l N/2+ N/4−1 X l=0 f1(2l+ 1)Wk(2l+1) N/2 = N/4−1 X l=0 f1(2l)Wkl N/4+Wk N/2 N/4−1 X l=0 f1(2l+ 1)Wkl N/4 = N/4−1 X l=0 g1(l)Wkl N/2+Wk N/2 N/4−1 X l=0 g2(l)Wkl N/2 =G1(k) + Wkl N/2G2(k) (B.8) P`ag. 84 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors An`alogament per F2(k): F2(k) = N/2−1 X m=0 f2(m)Wkm Nk= 0,1, . . . , N/2−1 = N/2−1 X m=0 m parell f2(m)Wkm N/2+ N/2−1 X m=0 m senar f2(m)Wkm N/2 =. . . = N/4−1 X l=0 ˆg1(l)Wkl N/2+Wk N/2 N/4−1 X l=0 ˆg2(l)Wkl N/2 =ˆ G1(k) + Wkl N/2ˆ G2(k) (B.9) Per k= 0,1,...,N 4−1, les funcions G1(k), G2(k), ˆ G1(k) i ˆ G2(k) s´on les DFTs de g1(m), g2(m), ˆg1(m) i ˆg2(m). Per la resta de valors k=N 4,N 4+ 1,...,N 4−1 es compleix que: Wk N/4=nk=˜ k+N/4 ; ˜ k∈ {0,1, . . . , N/4−1}o =W˜ k+N/4 N/4 =−W˜ k N/4(B.10) Aix´ı, es pot expressar F1(k) i F2(k) com: F1(k) = G1(k) + Wk N/2G2(k) F1(k+N/4) = G1(k)−Wk N/2G2(k)k= 0,1, . . . , N/4−1 (B.11) F2(k) = ˆ G1(k) + Wk N/2ˆ G2(k) F2(k+N/4) = ˆ G1(k)−Wk N/2ˆ G2(k)k= 0,1, . . . , N/4−1 (B.12) SiaB.1 s’hagu´es fet a les mostres un segon delmat per dos, la resoluci´o del c`alcul de la DFT seguiria un proc´es tal com B.2. Per un nombre de mostres N= 2a·bamb b≥2, aquest m`etode es podria aplicar avegades. Aix`o equival a dir que es farien 2aDFTs de bvalors, i 1 + 2 + 4 + ···+a−1 combinacions. Les mostres de x(n) que intervindrien en el c`alcul de cada DFT s´on: {x(n), x(n+ 2a), x(n+ 2 ·2a), x(n+ 3 ·2a), . . . }n∈ {0,1,2,...,2a−1} Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 85 x(N−1) x(11) x(7) x(3) x(N−3) x(9) x(5) x(1) x(N−2) x(10) x(6) x(2) x(N−4) x(8) x(4) x(0) . . . . . . . . . . . . DFT de N/4 punts DFT de N/4 punts DFT de N/4 punts DFT de N/4 punts ˆ G2(N/4−1) ˆ G2(2) ˆ G2(1) ˆ G2(0) ˆ G1(N/4−1) ˆ G1(2) ˆ G1(1) ˆ G1(0) G2(N/4−1) G2(2) G2(1) G2(0) G1(N/4−1) G1(2) G1(1) G1(0) . . . . . . . . . . . . Combinar DFTs de N/4 punts Combinar DFTs de N/4 punts F2(N/2−1) F2(2) F2(1) F2(0) F1(N/2−1) F1(2) F1(1) F1(0) . . . . . . Combinar DFTs de N/2 punts X(N−1) X(2) X(1) X(0) . . . Figura B.2: Resoluci´o amb dos delmats per dos P`ag. 86 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors La dificultat en l’aplicaci´o de l’algoritme de la FFT rau en saber en quin ´es ordre s’ha de calcular les DFTs. La figura anterior ´es un exemple fet per un nombre de mostres N= 22·bamb b≥2 en el qual els passos han estat: 1r) C`alcul de G1(k) = DF Tx(0), x(4), x(8), . . . , x(N−4) 2n) C`alcul de G2(k) = DF Tx(2), x(6), x(10), . . . , x(N−2) 3r) C`alcul de ˆ G1(k) = DFTx(1), x(5), x(9), . . . , x(N−3) 4t) C`alcul de ˆ G2(k) = DFTx(3), x(7), x(11), . . . , x(N−1) Per determinar l’ordre a seguir nom´es cal expressar els ´ındexos n={0,1,2,...,2a−1}en binari, i invertir la posici´o dels bits. Vegis els seg¨uents exemples: a= 2 (m1m0)→(m0m1) Ordre n=0 (00) →(00) 1r n=1 (01) →(10) 3r n=2 (10) →(01) 2n n=3 (11) →(11) 4t Taula B.1: Ordre en l’algoritme de la FFT per a= 2 a= 3 (m2m1m0)→(m0m1m2) Ordre n=0 (000) →(000) 1r n=1 (001) →(100) 5e n=2 (010) →(010) 3r n=3 (011) →(110) 7e n=4 (100) →(001) 2n n=5 (101) →(101) 6e n=6 (110) →(011) 4t n=7 (111) →(111) 8e Taula B.2: Ordre en l’algoritme de la FFT per a= 3 A la pr`actica el que es pot fer ´es guardar aquest ordre en una taula T ind[ ] de 2avalors. A la primera casella es guardaria l’´ındex na partir del qual es fa la primera DFT, a la segona l’´ındex nde la segona DFT, etc. Aix´ı mateix, tamb´e es podria disposar d’una taula T xn[ ] de longitud Nper guardar x(n) = {x(0), x(1), x(2), . . . , x(N−1)}, i d’una taula T xr[ ] de longitud Npels resultats de cadascuna de les DFTs. Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 87 El c`alcul de les DFTs seguiria el seg¨uent proc´es •Llegir de primera casella de T ind[ ] el primer ´ındex n •Calcular la DFT de {x(n), x(n+ 2a), x(n+ 2 ·2a), x(n+ 3 ·2a), . . . } •Guardar els resultats a les primeres bcaselles de T xr[ ] •Llegir la segona casella de T ind[ ] per trobar el segon ´ındex n •Calcular la DFT de {x(n), x(n+ 2a), x(n+ 2 ·2a), x(n+ 3 ·2a), . . . } •Guardar els resultats a les seg¨uents bcaselles de T xr[ ] . . . •Llegir la darrera casella de T ind[ ] •Calcular la DFT de {x(n), x(n+ 2a), x(n+ 2 ·2a), x(n+ 3 ·2a), . . . } •Guardar els resultats a les ´ultimes bcaselles de T xr[ ] La figura B.3 esquematitza en un diagrama de blocs els passos que cal seguir per calcular les DFT. P`ag. 88 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors Inici ? i= 0 ? n=T ind[i] ? k= 0 ? Gi(k) = DFT `x(n), x(n+ 2a), x(n+ 2 ·2a), x(n+ 3 ·2a), . . . ´ x(n) = T xn[n] x(n+ 2a) = T xn[n+ 2a] x(n+ 2 ·2a) = T xn[n+ 2 ·2a] x(n+ 3 ·2a) = T xn[n+ 3 ·2a] . . . ? T xr[j]=Gi(k) ? k=k+ 1 j=j+ 1 ? k > N/4−1 k≤N/4−1  i=i+ 1 ?  i≤4−1 i > 4−1 Fi Figura B.3: Diagrama de blocs del c`alcul de les DFT Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 89 B.2 Codi en llenguatge C dels fitxers AdaptarDFT.c i MyDFTAdaptat.c Un aspecte clau en aquest projecte ha estat la programaci´o de l’algoritme de la FFT per N= 2a·b pel microcontrolador MCF52235. Aquest xip no ´es capa¸c de realitzar funcions trigonom`etriques, ni treballar amb expressions exponencials, ni gestionar nombres complexes. Aquests tres ´ıtems, per`o, apareixen cont´ınuament en la resoluci´o de la FFT. De l’estudi de les equacions plantejades a la secci´o anterior ´es f`acil adonar-se de que, conegut el nombre de mostres N, es pot determinar tots els angles que intervenen tant en el proc´es de c`alcul de les DFT com en les posteriors combinacions de les DFT. Per tant, ´es factible tabular el cosinus i el sinus d’aquests angles i que el programa accedeixi a aquests valors a cada torn. Per tal d’estalviar mem`oria RAM del xip, aquests valors han estat multiplicats per un nombre major que 100 i que sigui una pot`encia de 2; se n’han eliminat els decimals, i els resultats han estat guardats en taules d’enters. El funcionament del programa AdaptarDFT.c ´es, introdu¨ıts els valors N,a,bi de la resoluci´o, genera el fitxer MyDFTAdaptat.c. Aquest ´ultim cont´e el codi de l’algoritme de la FFT per N= 2a·b, amb les tabulacions dels cosinus i dels sinus de tots els angles que hi intervinguin. El programa AdaptarDFT.c ´es executable en un ordinador, i fa la FFT de la funci´o definida per ASSAIG. A continuaci´o s’adjunta el codi de AdaptarDFT.c: #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <float.h> #include <math.h> #define A 7 #define B 3 #define N_MAX 384 #define AMP 1.5 #define PI 3.1416 #define FS 1920 #define ASSAIG (int)floor(((AMP*sin(2*PI*50/FS*n)+1.5)/3*4095)/16) #define COMETES 0x22 #define TANTX100 0x25 #define BARRA 0x5C #define RESOLUCIO 512 void EscriureCapsaleres(FILE *p); void EscriureSenyalAssaig(FILE *p); void EscriureTaulaOrdre(FILE *p); void EscriureTaulaCosinusDFT(FILE *p); void EscriureTaulaSinusDFT(FILE *p); void EscriureTaulaCosinusCombinacio(FILE *p,int n,int N); void EscriureTaulaSinusCombinacio(FILE *p,int n,int N); float Arrodonir(float a); void EscriureIniciCos(FILE *p); void EscriureDefinicioDeVariables(FILE *p); void EscriureCalculDFT(FILE *p); void EscriureCombinacio(FILE *p); void EscriureFiCos(FILE *p); int SimetriaBits(short s); P`ag. 96 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors void EscriureTaulaSinusCombinacio(FILE *p,int n,int N){ int k=0; int m=0; float valor=0; fprintf(p,"\n"); fprintf(p,"//Taula del sinus dels angles emprats en la combinacio %d\n",n); fprintf(p,"const int t_sinus_combinacio%d[%d]={\n",n,N); while(k<N){ m=0; while((m<10)&&(k<N)){ valor=Arrodonir(sin(0-2*PI/(2*N)*k)*RESOLUCIO); if(k!=N-1){ fprintf(p," %d,",(int)valor); } else if(k==N-1){ fprintf(p," %d\n",(int)valor); fprintf(p,"};"); } m++; k++; } fprintf(p,"\n"); } } float Arrodonir(float a){ float superior=ceil(a); float inferior=floor(a); if(a+0.5>=superior){ return superior; } else if(a+0.5<superior){ return inferior; } } Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 97 int SimetriaBits(short s){ int t[16]; int ordre=0; int aux=1; int pos=15; while(pos>=0){ if ((s&aux)==aux){ t[pos]=1; ordre=ordre+pow(2,pos); } else{ t[pos]=0; } aux=aux*2; pos--; } return ordre; } void EscriureIniciCos(FILE *p){ fprintf(p,"\n"); fprintf(p,"//*****************************************************\n"); fprintf(p,"//Inici de l’algoritme de la FFT per N=2^A*B\n"); fprintf(p,"//*****************************************************\n"); fprintf(p,"\n"); fprintf(p,"int main(void){\n"); fprintf(p,"\n"); } P`ag. 98 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors void EscriureDefinicioDeVariables(FILE *p){ int num_mostra=0; fprintf(p,"int t_DFT_re[N_MAX];\n"); fprintf(p,"int t_DFT_im[N_MAX];\n"); fprintf(p,"\n"); fprintf(p,"int index_t_ordre=0;\n"); fprintf(p,"int index_t_DFT=0;\n"); fprintf(p,"int index_t_cosDFT=0;\n"); fprintf(p,"int index_t_sinDFT=0;\n"); fprintf(p,"\n"); fprintf(p,"int aux1_re=0;\n"); fprintf(p,"int aux1_im=0;\n"); fprintf(p,"int aux2_re=0;\n"); fprintf(p,"int aux2_im=0;\n"); fprintf(p,"\n"); fprintf(p,"int g1_re=0;\n"); fprintf(p,"int g1_im=0;\n"); fprintf(p,"int g2_re=0;\n"); fprintf(p,"int g2_im=0;\n"); fprintf(p,"\n"); fprintf(p,"int k=0;\n"); fprintf(p,"int salt=B;\n"); fprintf(p,"int num_combinacio=1;\n"); fprintf(p,"int N_combinacio=B;\n"); fprintf(p,"\n"); while(num_mostra<B){ fprintf(p,"int xn%d;\n",num_mostra); num_mostra++; } fprintf(p,"\n"); } Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 99 void EscriureCalculDFT(FILE *p){ int index_t_ordre=0; int index_t_DFT=0; int index_t_cosDFT=0; int num_mostra=0; int salt; int k=0; fprintf(p,"//Inici del c~ A lcul de les DFT\n"); fprintf(p,"while(index_t_ordre<N_A){\n"); fprintf(p,"\n"); while(num_mostra<B){ salt=pow(2,A)*num_mostra; fprintf(p,"xn%d=t_xn[t_ordre[index_t_ordre]+%d];\n",num_mostra,salt); num_mostra++; } fprintf(p,"\n"); fprintf(p,"k=0;\n"); fprintf(p,"\n"); fprintf(p,"index_t_cosDFT=0;\n"); fprintf(p,"index_t_sinDFT=0;\n"); fprintf(p,"\n"); fprintf(p,"while(k<B){\n"); fprintf(p,"\n"); fprintf(p,"t_DFT_re[index_t_DFT]=("); num_mostra=0; while(num_mostra<B){ if(num_mostra!=B-1){ fprintf(p,"xn%d*t_cosDFT[index_t_cosDFT+%d]+",num_mostra,num_mostra); } else if(num_mostra==B-1){ fprintf(p,"xn%d*t_cosDFT[index_t_cosDFT+%d])/%d;\n",num_mostra,num_mostra, RESOLUCIO); } num_mostra++; } fprintf(p,"\n"); P`ag. 100 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors fprintf(p,"t_DFT_im[index_t_DFT]=("); num_mostra=0; while(num_mostra<B){ if(num_mostra!=B-1){ fprintf(p,"xn%d*t_sinDFT[index_t_sinDFT+%d]+",num_mostra,num_mostra); } else if(num_mostra==B-1){ fprintf(p,"xn%d*t_sinDFT[index_t_sinDFT+%d])/%d;\n",num_mostra, num_mostra,RESOLUCIO); } num_mostra++; } fprintf(p,"printf(%cX(%cd) = %cd %cd %cn%c,index_t_DFT,t_DFT_re[index_t_DFT], t_DFT_im[index_t_DFT]);\n",COMETES,TANTX100,TANTX100,TANTX100,BARRA,COMETES); fprintf(p,"index_t_cosDFT=index_t_cosDFT+B;\n"); fprintf(p,"index_t_sinDFT=index_t_sinDFT+B;\n"); fprintf(p,"index_t_DFT++;\n"); fprintf(p,"k++;\n"); fprintf(p,"\n"); fprintf(p,"}\n"); fprintf(p,"\n"); fprintf(p,"index_t_ordre++;\n"); fprintf(p,"\n"); fprintf(p,"}\n"); } Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 101 void EscriureCombinacio(FILE *p){ int num_combinacio=1; int k=0; int salt=B; fprintf(p,"//Inici de les combinacions\n"); fprintf(p,"while(num_combinacio<=A){\n"); fprintf(p,"\n"); fprintf(p,"index_t_DFT=0;\n"); fprintf(p,"\n"); fprintf(p,"while(index_t_DFT<(N_MAX-N_combinacio)){\n"); fprintf(p,"\n"); fprintf(p,"k=0;\n"); fprintf(p,"\n"); fprintf(p,"while(k<N_combinacio){\n"); fprintf(p,"aux1_re=t_DFT_re[index_t_DFT+k];\n"); fprintf(p,"aux1_im=t_DFT_im[index_t_DFT+k];\n"); fprintf(p,"aux2_re=t_DFT_re[index_t_DFT+k+salt];\n"); fprintf(p,"aux2_im=t_DFT_im[index_t_DFT+k+salt];\n"); fprintf(p,"g1_re=aux1_re;\n"); fprintf(p,"g1_im=aux1_im;\n"); fprintf(p,"\n"); fprintf(p,"switch(num_combinacio)\n"); fprintf(p,"{\n"); num_combinacio=7; P`ag. 102 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors while(num_combinacio>=1){ fprintf(p,"case %d:\n",num_combinacio); fprintf(p,"g2_re=aux2_re*t_cosinus_combinacio%d[k]/%daux2_im*t_sinus_combinacio%d[k]/%d;\n",num_combinacio,RESOLUCIO, num_combinacio,RESOLUCIO); fprintf(p,"g2_im=aux2_im*t_cosinus_combinacio%d[k]/%d+ aux2_re*t_sinus_combinacio%d[k]/%d;\n",num_combinacio,RESOLUCIO, num_combinacio,RESOLUCIO); fprintf(p,"break;\n"); num_combinacio--; } fprintf(p,"}\n"); fprintf(p,"\n"); fprintf(p,"t_DFT_re[index_t_DFT+k]=g1_re+g2_re;\n"); fprintf(p,"t_DFT_im[index_t_DFT+k]=g1_im+g2_im;\n"); fprintf(p,"t_DFT_re[index_t_DFT+k+salt]=g1_re-g2_re;\n"); fprintf(p,"t_DFT_im[index_t_DFT+k+salt]=g1_im-g2_im;\n"); fprintf(p,"\n"); fprintf(p,"k++;\n"); fprintf(p,"\n"); fprintf(p,"}\n"); fprintf(p,"\n"); fprintf(p,"index_t_DFT=index_t_DFT+2*N_combinacio;\n"); fprintf(p,"}\n"); fprintf(p,"\n"); fprintf(p,"salt=2*salt;\n"); fprintf(p,"N_combinacio=2*N_combinacio;\n"); fprintf(p,"num_combinacio++;\n"); fprintf(p,"\n"); fprintf(p,"}\n"); } Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 103 void EscriureFiCos(FILE *p){ fprintf(p,"\n"); fprintf(p,"return 0;\n"); fprintf(p,"\n"); fprintf(p,"}"); } Si s’execut´es Adaptar.c amb les definicions d’entrada s’obtindria el seg¨uent codi MyDFTAdaptat.c: #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <float.h> #include <math.h> #define A 7 #define B 3 #define N_MAX 384 #define N_A 128 #define AMP 1.500000 //Senyal d’entrada x(n) const int t_xn[N_MAX] = { 127, 148, 169, 188, 205, 221, 234, 244, 251, 255, 255, 252, 246, 236, 224, 209, 191, 173, 152, 132, 111, 90, 71, 53, 37, 23, 13, 5, 1, 0, ... 50, 67, 86, 107 }; //Taula d’ordre t_ordre const int t_ordre[128] = { 0, 64, 32, 96, 16, 80, 48, 112, 8, 72, 40, 104, 24, 88, 56, 120, 4, 68, 36, 100, 20, 84, 52, 116, 12, 76, 44, 108, 28, 92, 60, 124, 2, 66, 34, 98, 18, 82, 50, 114, 10, 74, 42, 106, 26, 90, 58, 122, 6, 70, 38, 102, 22, 86, 54, 118, 14, 78, 46, 110, 30, 94, 62, 126, 1, 65, 33, 97, 17, 81, 49, 113, 9, 73, 41, 105, 25, 89, 57, 121, 5, 69, 37, 101, 21, 85, 53, 117, 13, 77, 45, 109, 29, 93, 61, 125, 3, 67, 35, 99, 19, 83, 51, 115, 11, 75, 43, 107, 27, 91, 59, 123, 7, 71, 39, 103, 23, 87, 55, 119, 15, 79, 47, 111, 31, 95, 63,127 }; //Taula del cosinus dels angles emprats en el calcul de les DFT const int t_cosDFT[9]={ 512, 512, 512, 512, -256, -256, 512, -256, -256 }; //Taula del sinus dels angles emprats en el c~ A lcul de les DFT const int t_sinDFT[9]={ 0, 0, 0, 0, -443, 443, 0, 443, -443 }; //Taula del cosinus dels angles emprats en la combinacio 1 const int t_cosinus_combinacio1[3]={ 512, 256, -256 }; P`ag. 104 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors //Taula del sinus dels angles emprats en la combinacio 1 const int t_sinus_combinacio1[3]={ 0, -443, -443 }; //Taula del cosinus dels angles emprats en la combinacio 2 const int t_cosinus_combinacio2[6]={ 512, 443, 256, 0, -256, -443 }; //Taula del sinus dels angles emprats en la combinacio 2 const int t_sinus_combinacio2[6]={ 0, -256, -443, -512, -443, -256 }; //Taula del cosinus dels angles emprats en la combinacio 3 const int t_cosinus_combinacio3[12]={ 512, 495, 443, 362, 256, 133, 0, -133, -256, -362, -443, -495 }; //Taula del sinus dels angles emprats en la combinacio 3 const int t_sinus_combinacio3[12]={ 0, -133, -256, -362, -443, -495, -512, -495, -443, -362, -256, -133 }; //Taula del cosinus dels angles emprats en la combinacio 4 const int t_cosinus_combinacio4[24]={ 512, 508, 495, 473, 443, 406, 362, 312, 256, 196, 133, 67, 0, -67, -133, -196, -256, -312, -362, -406, -443, -473, -495, -508 }; //Taula del sinus dels angles emprats en la combinacio 4 const int t_sinus_combinacio4[24]={ 0, -67, -133, -196, -256, -312, -362, -406, -443, -473, -495, -508, -512, -508, -495, -473, -443, -406, -362, -312, -256, -196, -133, -67 }; //Taula del cosinus dels angles emprats en la combinacio 5 const int t_cosinus_combinacio5[48]={ 512, 511, 508, 502, 495, 485, 473, 459, 443, 426, 406, 385, 362, 338, 312, 284, 256, 226, 196, 165, ... -443, -459, -473, -485, -495, -502, -508, -511 }; //Taula del sinus dels angles emprats en la combinacio 5 const int t_sinus_combinacio5[48]={ 0, -33, -67, -100, -133, -165, -196, -226, -256, -284, -312, -338, -362, -385, -406, -426, -443, -459, -473, -485, ... -256, -226, -196, -165, -133, -100, -67, -33 }; Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 105 //Taula del cosinus dels angles emprats en la combinacio 6 const int t_cosinus_combinacio6[96]={ 512, 512, 511, 510, 508, 505, 502, 499, 495, 490, 485, 479, 473, 466, 459, 452, 443, 435, 426, 416, ... -502, -505, -508, -510, -511, -512 }; //Taula del sinus dels angles emprats en la combinacio 6 const int t_sinus_combinacio6[96]={ 0, -17, -33, -50, -67, -83, -100, -116, -133, -149, -165, -180, -196, -211, -226, -241, -256, -270, -284, -298, ... -100, -83, -67, -50, -33, -17 }; //Taula del cosinus dels angles emprats en la combinacio 7 const int t_cosinus_combinacio7[192]={ 512, 512, 512, 511, 511, 510, 510, 509, 508, 506, 505, 504, 502, 500, 499, 497, 495, 492, 490, 487, ... -512, -512 }; //Taula del sinus dels angles emprats en la combinacio 7 const int t_sinus_combinacio7[192]={ 0, -8, -17, -25, -33, -42, -50, -59, -67, -75, -83, -92, -100, -108, -116, -124, -133, -141, -149, -157, ... -17, -8 }; //***************************************************** //Inici de l’algoritme de la FFT per N=2^A*B //***************************************************** int main(void){ int t_DFT_re[N_MAX]; int t_DFT_im[N_MAX]; int index_t_ordre=0; int index_t_DFT=0; int index_t_cosDFT=0; int index_t_sinDFT=0; int aux1_re=0; int aux1_im=0; int aux2_re=0; int aux2_im=0; int g1_re=0; int g1_im=0; int g2_re=0; int g2_im=0; P`ag. 112 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors 5FN8231.8 October 28, 2008 Timing Diagrams Bus Timing tSU:STO STOP Condition Set-up Time From SCL rising edge crossing 70% of VDD, to SDA rising edge crossing 30% of VDD. 600 ns tHD:STO STOP Condition Hold Time for Read or Volatile Only Write From SDA rising edge to SCL falling edge. Both crossing 70% of VDD. 600 ns tDH Output Data Hold Time From SCL falling edge crossing 30% of VDD, until SDA enters the 30% to 70% of VDD window. 0 ns Cpin SDA and SCL Pin Capacitance 10 pF 13 tWC Non-volatile Write Cycle Time 12 20 ms 10 tRSDA and SCL Rise Time From 30% to 70% of VDD 20 + 0.1xCb 300 ns 11, 13 tFSDA and SCL Fall Time From 70% to 30% of VDD 20 +0.1xCb 300 ns 11, 13 Cb Capacitive Loading of SDA or SCL Total on-chip and off-chip 10 400 pF 11, 13 RPU SDA and SCL Bus Pull-up Resistor Off-chip Maximum is determined by tRand tF. For Cb = 400pF, max is about 2kΩ~2.5kΩ. For Cb = 40pF, max is about 15kΩ~20kΩ 1 kΩ 11, 13 NOTES: 3. IRQ/FOUT Inactive. 4. VIL = VDD x 0.1, VIH = VDD x 0.9, fSCL = 400kHz 5. VDD > VBAT +VBATHYS 6. Bit BSW = 0 (Standard Mode), ATR = 00h, VBAT ≥1.8V 7. Specified at +25°C. 8. In order to ensure proper timekeeping, the VDD SRspecification must be followed. 9. Parameter is not 100% tested. 10. tWC is the minimum cycle time to be allowed for any non-volatile Write by the user, it is the time from valid STOP condition at the end of Write sequence of a serial interface Write operation, to the end of the self-timed internal non-volatile write cycle. 11. These are I2C specific parameters and are not directly tested, however they are used during device testing to validate device specification. 12. Parameters with MIN and/or MAX limits are 100% tested at +25°C, unless otherwise specified. Temperature limits established by characterization and are not production tested. 13. Limits should be considered typical and are not production tested. AC Electrical Specifications (Continued) SYMBOL PARAMETER TEST CONDITIONS MIN (Note 12) TYP MAX (Note 12) UNITS NOTES tSU:STO tDH tHIGH tSU:STA tHD:STA tHD:DAT tSU:DAT SCL SDA (INPUT TIMING) SDA (OUTPUT TIMING) tFtLOW tBUF tAA tRtHD:STO ISL12026, ISL12026A Figura C.3: Caracter´ıstiques de l’ISL12026 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 113 C.3 El protocol I2C C.3.1 Terminologia Terme Descripci´o Transmissor Dispositiu que envia informaci´o a trav´es del bus. Receptor Dispositiu que rep la informaci´o. Mestre Inicia i finalitza la comunicaci´o, i genera el senyal de rellotge. Esclau Dispositiu amb qui el mestre es comunica. Escriptura Comunicaci´o mestre-esclau en la que el mestre ´es transmissor i l’esclau ´es receptor. Lectura Comunicaci´o mestre-esclau en la que el mestre ´es receptor i l’esclau ´es transmissor. Arbitratge Procediment que assegura que, en cas de que m´es d’un mestre intentin controlar el bus, nom´es un ho aconsegueixi. En aquest cas, el mestre guanyador ser`a qui transmeti el missatge. Els altres hauran d’esperar que la comunicaci´o finalitzi. Sincronitzaci´o Procediment per sincronitzar el senyal de rellotge entre dos o m´es dispositius. Taula C.1: Definici´o de la terminologia del bus I2C Es diu que un mestre controla el bus I2C quan ´es capa¸c de canviar el nivell l`ogic de les l´ınies SDA i SCL. En aquesta situaci´o, es diu que el bus est`a ocupat. C.3.2 Descripci´o de funcionament Una comunicaci´o est`andard es composa de cinc etapes: sensat del bus, generaci´o del senyal START, transmissi´o de l’adre¸ca de l’esclau, transmissi´o de la informaci´o, gerenci´o del senyal STOP (vegis Figura C.4). 1. Sensat del bus Abans d’iniciar una comunicaci´o, el mestre ha de comprovar si el bus est`a lliure. . 2. Generaci´o del senyal START Quan no hi ha cap mestre que controli el bus, l’SDA i l’SCL estan sempre a nivell l`ogic alt. Per iniciar una comunicaci´o el mestre ha de generar un senyal START, el qual consisteix en una transici´o de nivell alt a nivell baix a la l´ınia SDA mentre SCL est`a a nivell alt. 3. Transmissi´o de l’adre¸ca de l’esclau L’adre¸ca ´es enviada dins d’un byte al principi de la trama. Serveix per cridar l’esclau i indicar el tipus de transmissi´o que es far`a. El bit m´es significatiu de la direcci´o de l’esclau ´es el primer a ser enviat, essent el darrer bit el qui indica el sentit de la transmissi´o: 1 ´es per lectura i 0 per escriptura. Aquest darrer bit s’identifica com R/W. L’esclau l’adre¸ca del qual coincideix amb l’enviada pel master posa SDA a nivell baix en el nov`e pols de rellotge. D’aix`o se’n diu retornar un bit d’acknowledge. Cada dispositiu ha de tenir una adre¸ca ´unica. El mestre no pot transmetre la seva pr`opia adre¸ca (no es pot ser mestre i esclau a la vegada). P`ag. 114 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors S 1 – 7 8 9 1 – 7 8 9 1 – 7 8 9 P STOPSTART DACKACKACKR/W SDA SCL ADREÇA DADES DADES Figura C.4: Comunicaci´o est`andard per I2C. 4. Transmissi´o de la informaci´o Si algun dels esclaus retorna el bit d’acknowledge es procedeix a la transmissi´o de la informaci´o. Aquesta transmissi´o, tant si ´es d’escriptura com de lectura, es fa byte a byte. El dispositiu receptor ha de retornar un bit d’acknowledge despr´es de cada byte. 5. Generaci´o del senyal STOP Generant el senyal d’STOP, el mestre finalitza la comunicaci´o i allibera el bus. El senyal STOP es defineix com una transici´o a la l´ınia SDA de nivell baix a nivell alt mentre SCL est`a a nivell alt. C.3.3 Nivells l`ogics Generalment, les tensions inferiors a 0,3VDD s´on considerades com anivell l`ogic baix, mentre que les superiors a 0,7VDD s´on considerades com a nivell l`ogic alt. C.3.4 Validesa Cada bit transm`es a trav´es de l’SDA ha de romandre estable durant el semiper´ıode alt d’un pols de rellotge. L’SDA nom´es pot canviar durant els semiper´ıodes baixos de l’SCL. Vegis la Figura C.5. SDA SCL es permet el canvi d'estat SDA roman estable Figura C.5: Transmissi´o d’un bit. C.3.5 Format dels bytes de dades La informaci´o ´es transmesa byte a byte. De cada byte, l’ordre en que s’envien els bits ´es de m´es significatiu (MSB) a menys significatiu (LSB). Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 115 En I2C, el mestre ´es qui inicia i finalitza el proc´es. El tempo de la comunicaci´o, el ritme de transmissi´o dels bytes, ´es marcat per l’esclau. Un cop rebut un paquet de 8 bits, l’esclau retorna el bit d’acknowledge i, a continuaci´o, posa l’SCL a nivell baix de tensi´o. L’esclau mat´e la l´ınia en aquest estat mentre processa la informaci´o que ha rebut. Un cop ha acabat, allibera l’SCL. C.3.6 Acknowledge (ACK) i Not Acknowledge (NACK) El retorn del bit d’acknowledge es produeix despr´es de cada byte. L’acknowledge permet al receptor indicar al transmissor que l’enviament del byte ha estat correcte, i que pot enviar-ne un de nou. Tots els polsos del rellotge, incloent-hi el nov`e, s´on generats pel mestre. Transcorregut el vuit`e pols de rellotge, el mestre allibera la l´ınia SDA. Aleshores, l’esclau baixa l’SDA a nivell baix de tensi´o. L’esclau mant´e la l´ınia en aquest estat durant el nov`e pols de rellotge. Si es d´ona el cas que l’SDA roman a nivell alt durant el nov`e pols, aleshores el mestre ha de procedir d’alguna de les seg¨uentes maneres: o b´e genera un senyal d’STOP per abortar la tramsissi´o, o b´e repeteix l’START per comen¸car-ne una de nova. Aquest cas es coneix com a senyal de not acknowledge. Hi ha cinc situacions en que pot oc´orrer un NACK: 1. L’adre¸ca de cap esclau coincideix amb l’enviada pel mestre. 2. El receptor no pot rebre cap byte perqu`e est`a ocupat amb una altra tasca. 3. El receptor no ´es capa¸c de processar el byte que ha rebut. 4. El receptor no pot rebre cap m´es byte (un exemple d’aquest cas podria ser una mem`oria externa que ha quedat plena). 5. Un mestre receptor ha d’indicar a un esclau receptor que la comunicaci´o ha acabat. C.3.7 Sincronitzaci´o del rellotge i arbitratge La sincronitzaci´o del rellotge i l’arbitratge fan ref`encia a la part del protocol dedicada al cas en que m´es d’un mestre intenten, quasi simult`aniament, controlar el bus. Existeix un mecanisme mitjan¸cant el qual nom´es un d’ells n’obt´e el control. Aquest mecanisme ´es senzill i aprofita les caracter´ıstiques el`ectriques de les sortides dels dispositius. Quan es d´ona aquesta situaci´o, els diferents mestres intenten imposar el seu senyal de rellotge a la l´ınia SCL. Les sortides en drenador obert realitzen l’operaci´o AND amb aquests senyals de rellotge (vegis Figura C.6). El resultat d’aquesta operaci´o es coneix com a sincronitzaci´o del rellotge, i ´es necessari per poder fer l’arbitratge. La funci´o de l’arbitratge ´es determinar quin dels mestres completa la transmissi´o. L’arbitratge es fa bit a bit. Al final de cada pols de rellotge, els mestres comproven si el nivell l`ogic de l’SDA coincideix amb el qu`e ha enviat. Els mestres que detecten un error en la comprovaci´o saben que han perdut el control del bus i es retiren. La Figura C.7 il.lustra aquest proc´es. An`alogament a la sincronitzaci´o del rellotge, SDA ´es el resultat d’una operaci´o AND dels senyals DATA1 i DATA2. P`ag. 116 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors SCL = AND(CLK1,CLK2) CLK1 CLK2 Figura C.6: Sincronitzaci´o dels rellotges CLK1 i CLK2. DATA1 1 DATA 2 SDA SCL S el mestre 1 perd el control DATA1 = SDA el mestre 1 perd el control DATA1 = SDA Figura C.7: Proc´es d’arbitratge amb dos mestres C.3.8 Direccionament i operacions d’extensi´o El format de direccionament reserva 7-bit per direccionar els dispositius connectats al bus. De les 27= 128 adreces possibles, n’hi ha de reservades per operacions especials del bus i possibles ampliacions de funcionalitat. La Taula C.2 llista aquestes adre¸ces reservades. Adre¸ca bit R/W Descripci´o 0000000 0 Crida general 0000000 1 Byte d’START 0000001 X Adre¸ca CBUS 0000010 X Reservat per nous formats de bus 0000011 X Reservat per futures possibilitats 00001XX X Mode High-Speed 11111XX X Reservat per futures possibilitats 11110XX X Direccionament de 10 bit Taula C.2: Adreces reservades D’un mateix bus I2Cen poden penjar dispositius amb adreces de 7-bit o 10-bit indistintament. Les transaccions de 10-bit s´on totalment transparents a les de 7-bit, gr`acies a qu`e s’implementen aprofitant l’exist`encia de direccions de 7-bit reservades. Aix´ı, al primer byte a posteriori de l’START, el mestre emet un byte d’adre¸ca que correspon amb una de les reservades (11110XX) i el bit de R/W en mode escriptura. A continuaci´o, despr´es del bit d’acknowledge, el mestre emet un segon byte. L’adre¸ca es composa dels dos bits menys significatius del primer byte m´es els 8 del segon. Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 117 R/W A1 A2 AA/A 1 1 1 1 0 X X 0 S DATA PDATA ADREÇA ESCLAU 1r BYTE ADREÇA ESCLAU 2n BYTE (escriptura) Figura C.8: Crida a un esclau receptor amb una adre¸ca de 10-bit Tal i com s’observa a la Figura C.9, el proc´es de lectura ´es m´es complex. Els dos primers bytes transmesos s´on id`entics a la transacci´o d’escriptura. Al tercer byte cal repetir l’adre¸ca 11110XX i afegir el bit R/W en mode lectura. R/W A1 A3 DATA DATAA2 R/W 1 1 1 1 0 X X 0 1 1 1 1 0 X X 1 A ADREÇA ESCLAU 1r BYTE ADREÇA ESCLAU 2n BYTE (escriptura) SADREÇA ESCLAU 1r BYTE Sr (lectura) (repetició de l'START) P Figura C.9: Crida a un esclau receptor amb una adre¸ca de 10-bit C.4 El bus SPI (Serial Peripheral Interface) C.4.1 Introducci´o El bus SPI, tamb´e conegut com bus de 4 fils, ´es un altre est`andar de comunicacions per connectar de manera s´ıncrona dispositius perif`erics s`erie. Va ser desenvolupat per Motorola, actualment Freescale. Generalment ´es adequat per aplicacions on l’intercanvi d’informaci´o consisteix en un flux continu de dades, com ara conversors ADC, mem`ories, sensors... A difer`encia de l’RS-232 o el CAN, est`a pensat per dist`ancies molt m´es curtes. C.4.2 Caracter´ıstiques Les principals caracter´ıstiques de l’SPI s´on: •Els dispositius comunicants mantenen rols mestre/esclau. •Quan dos dispositius estan connectats per SPI la comunicaci´o ´es full-duplex. •De les quatre l´ınies, dues s´on pel flux de dades (per transmetre i rebre), una altre pel rellotge i la darrera per sel.leccionar el perif`eric. •Es un protocol flexible, ja que tant el tamany de la trama de bits com el significat d’aquests pot ser definit per l’usuari. •Cada dispositiu connectat al bus necessita el seu propi senyal de sel.lecci´o. •´ Es m´es r`apid que l’I2C i consumeix menys. •La implementaci´o hardware ´es molt simple, ja que no ´es necessari cap mecanisme d’arbitratge. C.5 Mode d’operaci´o b`asic del bus SPI El mode d’operaci´o es basa en l’exist`encia d’un ´unic mestre, mentre que la resta de dispositius connectats (un o m´es) tenen el paper d’esclau. El mestre estableix les condicions de funcionament, fixant la freq¨u`encia del senyal de rellotge, la seva polaritat i la seva fase respecte el senyal de dades. P`ag. 118 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors Una vegada feta la configuraci´o, ha de sel.leccionar l’esclau amb el que es vol comunicar, activant el senyal de sel.lecci´o corresponent. En aquestes circumst`ancies, ha d’iniciar el proc´es de transmissi´o o recepci´o de cada paraula. Aquest intercanvi d’informaci´o s’efectua al ritme i la velocitat marcada pel rellotge, i continua fins que no hi ha m´es paraules per transmetre. Quan el proc´es ha finalitzat completament, el mestre deixa de generar el senyal de rellotge i inhibeix el senyal de sel.lecci´o de l’esclau. Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 119 Ap`endix D Esquemes el`ectrics de la placa A les p`agines seg¨uents s’adjunta els esquemes el`ectrics dels m`oduls que composen la placa constru¨ıda. P`ag. 120 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors D.1 Esquema general 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 D D C C B B A A I_11 I_12 I_21 I_22 I_31 I_32 I_41 I_42 DAC_A DAC_B DAC_C DAC_D DAC_E DAC_F DAC_G DAC_H U_11 U_21 U_31 U_41 VRH VDDA VSSA VRL ALLPST TCLK/PSTCLK TDI/DSI TDO/DSO TMS/BKPT /TRST/DSCLK /RSTI ACTLED LNKLED PHY_TXP PHY_RXN PHY_TXN PHY_RXP SYNCA/CANTX SYNCB/CANRX /RSTO CS_EEPROM QSPI_MISO QSPI_CLK QSPI_SIMO QSPI_SIMO QSPI_CLK CS_DAC SDA SCL SDA SCL SDA SCL /RSTI VRH VDDA VSSA VRL AN7 AN6 AN5 AN4 AN3 AN2 AN1 AN0 PHY_TXP PHY_TXN PHY_RXP PHY_RXN SDA SCL QSPI_CLK CS_LCD CS_EEPROM QSPI_SIMO SYNCA/CANTX QSPI_MISO SYNCB/CANRX ALLPST TCLK/PSTCLK TDI/DSI /RSTO TDO/DSO TMS/BKPT /TRST/DSCLK ACTLED LNKLED AN7 AN6 AN5 AN4 AN3 AN2 AN1 AN0 CS_DAC /IRQ7 /IRQ1 /IRQ3 /IRQ2 /IRQ1 /IRQ2 /IRQ3 /IRQ4 /IRQ4 PGP[0] /RSTI PGP[7] PGP[1] PGP[2] PGP[3] PGP[4] PGP[5] PGP[6] PTA[0] PTA[1] PTA[0] PTA[1] PGP[0] PGP[1] PGP[2] PGP[3] PGP[4] PGP[5] PGP[6] PGP[7] PTC[0] PTC[0] PTC[1] PTC[1] /IRQ7 Title Size Document Number Rev Date: Sheet of General 03 Éravon A3 1 22Tuesday, October 20, 2009 Title Size Document Number Rev Date: Sheet of General 03 Éravon A3 1 22Tuesday, October 20, 2009 Title Size Document Number Rev Date: Sheet of General 03 Éravon A3 1 22Tuesday, October 20, 2009 Adreces: 1010111 1101111 Adreça: 0011000 Adreça: 0100000 Díodes LED de propòsit general +3.3Vdc 0Vdc_D SDA SCL /INT BDM TCLK/PSTCLK TDI/DSI TDO/DSO TMS/BKPT /TRST/DSCLK ALLPST /RSTI+3.3Vdc 0Vdc_D Polsadors Polsador 1 Polsador 2 Polsador 3 Polsador 4 +3.3Vdc 0Vdc_D Monitorització de corrent +15Vdc -15Vdc I_11 I_12 I_21 I_22 I_31 I_32 I_41 I_42 V_I1 V_I2 V_I3 V_I4 +3.3Vdc +5Vdc 0Vdc_A 0Vdc_AO_11 +3Vdc_ref_C -3Vdc_AO 0Vdc_AO_13 0Vdc_AO_14 0Vdc_AO_17 0Vdc_AO_19 Reset +3.3Vdc 0Vdc_D /RSTI Connectors alimentació +24Vdc 0Vdc_A 0V 0V_Massa Sensor de temperatura +3.3Vdc 0Vdc_D SDA SCL Event DAC +3.3Vdc 0Vdc_D QSPI_DIN QSPI_CLK CS_DAC Vout_A Vout_B Vout_C Vout_D Vout_E Vout_F Vout_G Vout_H +3Vdc_DAC Connectors senyals de potència U_R1 U_S1 U_T1 U_N1 I_R1 I_R2 I_S1 I_S2 I_T1 I_T2 I_N1 I_N2 EEPROM +3.3Vdc 0Vdc_D QSPI_DOUT QSPI_CLK QSPI_DIN CS_EEPROM MCF52235 AN7 AN6 AN5 AN4 AN3 AN2 AN1 AN0 +3.3Vdc 0Vdc_D TCLK/PSTCLK TDI/DSI TDO/DSO TMS/BKPT /TRST/DSCLK ALLPST /RSTI VRH VDDA VSSA VRL ACTLED LNKLED SYNCA/CANTX SYNCB/CANRX /RSTO PHY_TXP PHY_TXN PHY_RXP PHY_RXN SDA SCL QSPI_DOUT QSPI_CLK QSPI_DIN QSPI_CS1 QSPI_CS0 QSPI_CS2 /IRQ1 /IRQ2 /IRQ3 /IRQ4 PGP[0] PGP[1] PGP[2] PGP[3] PGP[4] PGP[5] PGP[6] PGP[7] PTA[0] PTA[1] PTC[0] PTC[1] /IRQ7 Font ±15Vdc, +5Vdc, +3Vdc +24Vdc +3.3Vdc 0Vdc_A +15Vdc -15Vdc +5Vdc Monitorització de tensió U_11 U_21 U_31 V_U1 V_U2 V_U3 +15Vdc 0V -15Vdc U_41 V_U4 +3.3Vdc +3Vdc_DAC 0Vdc_A +3Vdc_ref_T +3Vdc_ref_C 0Vdc_AO_20 0Vdc_AO_22 0Vdc_AO_23 0Vdc_AO_24 LCD +5Vdc 0Vdc_D E RS DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 Ethernet +3.3Vdc 0Vdc_D ACTLED LNKLED PHY_TXP PHY_TXN PHY_RXP PHY_RXN Referència analògica +3.3Vdc 0Vdc_A VDDA VRH VSSA VRL Connectors DAC Vout_A Vout_B Vout_C Vout_D Vout_E Vout_F Vout_G Vout_H 0Vdc_D Led W atchdog +3.3Vdc 0Vdc_D PTC[0] Potes 0V_Massa RTC +3.3Vdc 0Vdc_D SDA SCL V_BAT CAN SYNCA/CANTX SYNCB/CANRX /RSTO +3.3Vdc 0Vdc_D +24Vdc Connexions dels punts a 0V 0V 0Vdc_A 0Vdc_D 0V_Massa Figura D.1: Esquema general Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 121 D.2 Connectors d’alimentaci´o i refer`encia 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 D D C C B B A A TP+24Vdc TP+5Vdc TP+3Vdc TP-15Vdc TP+15Vdc +24Vdc +24Vdc +3.3Vdc +5Vdc +24Vdc 0Vdc_A 0Vdc_A 0Vdc_A 0Vdc_A 0Vdc_A 0Vdc_A 0Vdc_A 0Vdc_A 0Vdc_A +24Vdc 0Vdc_A +15Vdc -15Vdc Title Size Document Number Rev Date: Sheet of Font ±15Vdc, +5Vdc, +3Vdc 03 Éravon A3 12 22Tuesday, October 20, 2009 Title Size Document Number Rev Date: Sheet of Font ±15Vdc, +5Vdc, +3Vdc 03 Éravon A3 12 22Tuesday, October 20, 2009 Title Size Document Number Rev Date: Sheet of Font ±15Vdc, +5Vdc, +3Vdc 03 Éravon A3 12 22Tuesday, October 20, 2009 Lluminositat relativa ~0.5 Lluminositat relativa ~0.5 Per aquests díodes LED, si es volgués una lluminositat relativa de ~0,5, caldria unes resistències de 1290ohm que dissiparien una potència de 0,129W!! Posant-les de 2700ohm, la lluminsoitat és ~0,25 i la potència dissipada és de 0,085W. Font ±15Vdc Font +5Vdc Font +3Vdc Condensador de desacoblament C11 C0471 100uF CAPMP7343X200N KEMET C11 C0471 100uF CAPMP7343X200N KEMET R22 10k R22 10k R24 2k7 R24 2k7 TP13 Test point TP13 Test point 1 R20 0R R20 0R VR1 TES1-2423 VR1 TES1-2423 Vcc 3 GND 1-Vout 9 Common 7 +Vout 12 NC 18 C9 C0471 100uF CAPMP7343X200N KEMET C9 C0471 100uF CAPMP7343X200N KEMET C7 C0027 100nF CAPC2012M muRata C7 C0027 100nF CAPC2012M muRata R28 330R R28 330R U7 LM2594 - 5.0V U7 LM2594 - 5.0V Output 8 +Vin 7 GND 6 ON/OFF 5Feedback 4 NONE 3 NONE 2 NONE 1 TP2TP2 1 DS10 GREEN_SMD DS10 GREEN_SMD DS11 GREEN_SMD DS11 GREEN_SMD DS9 GREEN_SMD DS9 GREEN_SMD TP4 Test point TP4 Test point 1 D1 MBRS130LT3G D1 MBRS130LT3G DS12 GREEN_SMD DS12 GREEN_SMD C10 C0470 47uF CAPMP7343X200N KEMET C10 C0470 47uF CAPMP7343X200N KEMET TP1TP1 1 TP3 Test point TP3 Test point 1 R21 0R R21 0R L5 150uH L5 150uH L4 150uH L4 150uH D2 MBRS130LT3G D2 MBRS130LT3G DS13 GREEN_SMD DS13 GREEN_SMD R23 2k7 R23 2k7 R25 0R R25 0R R27 0R R27 0R U8 LM2594 - 3.3V U8 LM2594 - 3.3V Output 8 +Vin 7 GND 6 ON/OFF 5Feedback 4 NONE 3 NONE 2 NONE 1 R26 560R R26 560R C8 C0470 47uF CAPMP7343X200N KEMET C8 C0470 47uF CAPMP7343X200N KEMET Figura D.2: Connectors d’alimentaci´o i refer`enica P`ag. 128 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors D.9 Microcontrolador MCF52235-CAL60 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 D D C C B B A A /IRQ-1 /IRQ-2 /IRQ-3 /IRQ-7 /IRQ-4 /IRQ-1 /IRQ-2 /IRQ-3 /IRQ-4 /IRQ-5 /IRQ-6 /IRQ-7 /IRQ-6 /IRQ-5 AN0 AN1 AN2 AN3 AN4 AN5 AN6 AN7 /RSTI VRH VDDA VSSA VRL ACTLED LNKLED /RSTO QSPI_CLK QSPI_DIN SYNCA/CANTX SYNCB/CANRX PHY_TXP PHY_TXN PHY_RXP PHY_RXN +3.3Vdc ALLPST +3.3Vdc SDA SCL QSPI_DOUT QSPI_CS1 QSPI_CS0 TCLK/PSTCLK TDI/DSI TDO/DSO /TRST/DSCLK TMS/BKPT QSPI_CS2 +3.3Vdc +3.3Vdc 0Vdc_D 0Vdc_D 0Vdc_D 0Vdc_D 0Vdc_D 0Vdc_D 0Vdc_D 0Vdc_D 0Vdc_D 0Vdc_D 0Vdc_D 0Vdc_D PGP[0] PGP[1] PGP[2] PGP[3] PGP[4] PGP[5] PGP[6] PGP[7] PTA[0] PTA[1] PTC[0] PTC[1] /IRQ1 /IRQ2 /IRQ3 /IRQ4 /IRQ7 Title Size Document Number Rev Date: Sheet of MCF52235 03 Éravon A2 14 22Tuesday, October 20, 2009 Title Size Document Number Rev Date: Sheet of MCF52235 03 Éravon A2 14 22Tuesday, October 20, 2009 Title Size Document Number Rev Date: Sheet of MCF52235 03 Éravon A2 14 22Tuesday, October 20, 2009 R52 10kR52 10k C22 100nF C22 100nF R35 1kR35 1k R49 1kR49 1k R38 4k7 R38 4k7 C17 100nFC17 100nF R42 1kR42 1k C16 100nFC16 100nF Y1 CRYSTAL25Mhz Y1 CRYSTAL25Mhz U9 MCF52235 U9 MCF52235 TCLK/PSTCLK/CLKOUT 1 TMS/BKPT 2 RCON/EZPCS 3 TDI/DSI 4 TDO/DSO 5 TRST/DSCLK 6 ALLPST 7 DTIN0/DTOUT0/PWM0/PTC[0] 8 DTIN1/DTOUT1/PWM2/PTC[1] 9 IRQ8/PGP[0] 10 IRQ9/PGP[1] 11 DDATA3/PDD[7] 12 DDATA2/PDD[6] 13 VDDX1 14 VSSX1 15 DDATA1/PDD[5] 16 DDATA0/PDD[4] 17 JTAG_EN 18 IRQ6/FEC_RXER/PNQ[6] 19 IRQ5/FEC_RXD[1]/PNQ[5] 20 DTIN2/DTOUT2/PWM4/PTC[2] 21 DTIN3/DTOUT3/PWM[6]/PCT[3] 22 URST1/SYNCB/TXD2/PUB[2] 23 UCTS1/SYNCA/RXD2/PUB[3] 24 URST0/CANTX/FEC_RXDV/PUA[2] 25 UCTS0/CANRX/FEC_RXCLK/PUA[3] 26 SYNCB/CANRX/FEC_MDC/PAS[2] 27 SYNCA/CANTX/FEC_MDIO/PAS[3] 28 IRQ10/PGP[2] 29 URXD0/FEC_RXD[0]/PUA[1] 30 UTXD0/FEC_CRS/PUA[0] 31 URXD1/FEC_TXD[0]/PUB[1] 32 UTXD1/FEC_COL/PUB[0] 33 QSPI_DIN/EZPD/CANRX/RXD1/PQS[1] 34 QSPI_DOUT/EZPQ/CANTX/TXD1/PQS[0] 35 QSPI_CLK/EZPCK/SCL/RTS1/PQS[2] 36 QSPI_CS0/SDA/CTS1/PQS[3] 37 QSPI_CS1/PQS[4] 38 QSPI_CS2/PQS[5] 39 QSPI_CS3/SYNCA/SYNCB/PQS[6] 40 IRQ4/PNQ[4] 41 VSSX2 42 VDDX2 43 RSTI 44 VDDPLL 45 RSTO 46 VSSPLL 47 EXTAL 48 XTAL 49 TEST 50 TXLED/PLD[6] 51 RXLED/PLD[5] 52 IRQ3/REC_RXD[2]/PNQ[3] 53 IRQ2/FEC_RXD[3]/PNQ[2] 54 IRQ1/SYNCA/PWM1/PNQ[1] 55 IRQ7/PNQ[7] 56 IRQ11/PGP[3] 57 COLLED/PLD[4] 58 DUPLED/PLD[3] 59 URST2/PUC[2] 60 UCTS2/PUC[3] 61 URXD2/PUC[1] 62 UTXD2/PUC[30] 63 VSS2 64 VDD2 65 PHY_RBIAS 66 PHY_VSSA 67 PHY_VDDA 68 PHY_VDDTX 69 PHY_TXP 70 PHY_TXN 71 PHY_VSSTX 72 PHY_RXP 73 PHY_RXN 74 PHY_VDDRX 75 PHY_VSSRX 76 PST0/PDD[0] 77 PST1/PDD[1] 78 PST2/PDD[2] 79 PST3/PDD[3] 80 SPDLED/PLD[2] 81 VDDR 82 LNKED/PLD[1] 83 ACTLED/PLD[0] 84 AN4/PAN[4] 85 AN5/PAN[5] 86 AN6/PAN[6] 87 AN7/PAN[7] 88 AN3/PAN[3] 89 AN2/PAN[2] 90 AN1/PAN[1] 91 AN0/PAN[0] 92 VDDA 93 VRH 94 VRL 95 VSSA 96 IRQ12/PGP[4] 97 IRQ13/PGP[5] 98 PWM1/PTD[0] 99 PWM3/PTD[1] 100 VSS1 101 VDD1 102 PWM5/PTD[2] 103 PWM7/PTD[3] 104 IRQ14/PGP[6] 105 IRQ15/PGP[7] 106 GPT3/FEC_TXD[3]/PWM7/PTA[3] 107 GPT2/FEC_TXD[2]/PWM5/PTA[2] 108 GPT1/FEC_TXD[1]/PWM3/PTA[1] 109 GPT0/FEC_TXER/PWM1/PTA[0] 110 SCL/CANTX/TXD2/PAS[0] 111 SDA/CANRX/RXD2/PAS[1] 112 C14 100nFC14 100nF C15 100nFC15 100nF R40 4k7 R40 4k7 C20 1nF C20 1nF R44 1kR44 1k R41 4k7 R41 4k7 C24 C0002 15pF CAPC2012M Epcos C24 C0002 15pF CAPC2012M Epcos C19 220nF C19 220nF R36 10M R36 10M R43 10kR43 10k C21 100nF C21 100nF C26 100nF C26 100nF R47 10kR47 10kR46 1kR46 1k R45 10kR45 10k C27 100nF C27 100nF R50 10kR50 10k R39 4k7 R39 4k7 C25 100nF C25 100nF C18 100nF C18 100nF C28 100nF C28 100nF R34 1kR34 1k C23 C0002 15pF CAPC2012M Epcos C23 C0002 15pF CAPC2012M Epcos R48 4k7 R48 4k7 R51 1kR51 1k R37 0R R37 0R Figura D.9: Microcontrolador MCF52235 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 129 D.10 Tensi´o de refer`encia pel conversor ADC 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 D D C C B B A A VDDA VRH VSSA VRL +3.3Vdc 0Vdc_A Title Size Document Number Rev Date: Sheet of Referència analògica 03 Éravon A 19 22Monday, March 23, 2009 Title Size Document Number Rev Date: Sheet of Referència analògica 03 Éravon A 19 22Monday, March 23, 2009 Title Size Document Number Rev Date: Sheet of Referència analògica 03 Éravon A 19 22Monday, March 23, 2009 Referència analògica del conversor AD del uC R182 2R7 R182 2R7 R181 0R R181 0R R183 0R R183 0R C73 C0029 1uF CAPC2012M muRata C73 C0029 1uF CAPC2012M muRata C74 C0027 100nF CAPC2012M muRata C74 C0027 100nF CAPC2012M muRata U26 LM4040 - 3.0V U26 LM4040 - 3.0V IN 1 OUT 2GND 3 L15 1,0uH L15 1,0uH Figura D.10: Tensi´o de refer`encia pel conversor anal`ogic-digital P`ag. 130 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors D.11 Circuit de reset del microcontrolador 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 D D C C B B A A /RSTI +3.3Vdc +3.3Vdc +3.3Vdc 0Vdc_D 0Vdc_D 0Vdc_D Title Size Document Number Rev Date: Sheet of Circuit de Reset 03 Éravon A 20 22Monday, March 23, 2009 Title Size Document Number Rev Date: Sheet of Circuit de Reset 03 Éravon A 20 22Monday, March 23, 2009 Title Size Document Number Rev Date: Sheet of Circuit de Reset 03 Éravon A 20 22Monday, March 23, 2009 Circcuit de Reset del uC Condensador de desacoblament U27 LM3722IM5-3.08 U27 LM3722IM5-3.08 GND 1 GND 2VCC 5 RESET 3MR 4 R184 4k7 R184 4k7 C75 C0027 100nF CAPC2012M muRata C75 C0027 100nF CAPC2012M muRata S5 PB PCB 6x6 S5 PB PCB 6x6 Figura D.11: Circuit de reset del microcontrolador Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 131 D.12 D´ıode LED de watchdog 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 D D C C B B A A PTC[0] 0Vdc_D +3.3Vdc Title Size Document Number Rev Date: Sheet of Led Watchdog 03 Éravon A 1 1Monday, March 23, 2009 Title Size Document Number Rev Date: Sheet of Led Watchdog 03 Éravon A 1 1Monday, March 23, 2009 Title Size Document Number Rev Date: Sheet of Led Watchdog 03 Éravon A 1 1Monday, March 23, 2009 Led Watchdog DS14 GREEN_SMD DS14 GREEN_SMD R185 220R R185 220R R186 330R R186 330R Q1 BC849B Q1 BC849B 1 32 Figura D.12: D´ıode LED de watchdog P`ag. 132 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors D.13 D´ıodes LED de prop`osit general 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 D D C C B B A A +3.3Vdc SDA SCL +3.3Vdc +3.3Vdc +3.3Vdc 0Vdc_D 0Vdc_D 0Vdc_D 0Vdc_D 0Vdc_D 0Vdc_D 0Vdc_D 0Vdc_D 0Vdc_D 0Vdc_D 0Vdc_D +3.3Vdc /INT OUT_6 OUT_5 OUT_4 OUT_3 OUT_2 OUT_1 OUT_0 OUT_7 OUT_6 OUT_5 OUT_4 OUT_3 OUT_2 OUT_1 OUT_0 OUT_7 Title Size Document Number Rev Date: Sheet of Díodes LED de propòsit general 03 Éravon A3 9 22Tuesday, October 20, 2009 Title Size Document Number Rev Date: Sheet of Díodes LED de propòsit general 03 Éravon A3 9 22Tuesday, October 20, 2009 Title Size Document Number Rev Date: Sheet of Díodes LED de propòsit general 03 Éravon A3 9 22Tuesday, October 20, 2009 Driver + buffer Matriu de díodes LED Condensadors de desacoblament DS7 GREEN_SMD DS7 GREEN_SMD U5 74LVC541AD U5 74LVC541AD VCC 20 GND 10 A0 2 A1 3 A2 4 A3 5 A4 6 A5 7 A6 8 A7 9Y7 11 Y6 12 Y5 13 Y4 14 Y3 15 Y2 16 Y1 17 Y0 18 OE1 1 OE2 19 DS6 GREEN_SMD DS6 GREEN_SMD R12 330R R12 330R R5 10k R5 10k DS5 GREEN_SMD DS5 GREEN_SMD DS2 GREEN_SMD DS2 GREEN_SMD DS1 GREEN_SMD DS1 GREEN_SMD R13 330R R13 330R R7 330R R7 330R RN2 10K RN2 10K 1 2 3 4 5 6 7 8 R6 330R R6 330R R9 330R R9 330R R10 330R R10 330R RN1 10K RN1 10K 1 2 3 4 5 6 7 8 DS4 GREEN_SMD DS4 GREEN_SMD R11 330R R11 330R DS3 GREEN_SMD DS3 GREEN_SMD R8 330R R8 330R C3 C0027 100nF CAPC2012M muRata C3 C0027 100nF CAPC2012M muRata U4 PCF8575C U4 PCF8575C INT 1 A1 2A2 3 PO0 4 PO1 5 PO2 6 PO3 7 PO4 8 PO5 9 PO6 10 PO7 11 GND 12 P10 13 P11 14 P12 15 P13 16 P14 17 P15 18 P16 19 P17 20 A0 21 SCL 22 SDA 23 VCC 24 C4 C0027 100nF CAPC2012M muRata C4 C0027 100nF CAPC2012M muRata DS8 GREEN_SMD DS8 GREEN_SMD R4 10k R4 10k Figura D.13: D´ıodes LED de prop`osit general Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 133 D.14 Polsadors de prop`osit general 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 D D C C B B A A Polsador 3 Polsador 4 Polsador 2 Polsador 1 +3.3Vdc 0Vdc_D 0Vdc_D 0Vdc_D 0Vdc_D 0Vdc_D Title Size Document Number Rev Date: Sheet of Polsadors 03 Éravon A 17 22Monday, March 30, 2009 Title Size Document Number Rev Date: Sheet of Polsadors 03 Éravon A 17 22Monday, March 30, 2009 Title Size Document Number Rev Date: Sheet of Polsadors 03 Éravon A 17 22Monday, March 30, 2009 Polsadors S4 PB PCB 6x6 S4 PB PCB 6x6 C71 C0027 100nF CAPC2012M muRata C71 C0027 100nF CAPC2012M muRata C72 C0027 100nF CAPC2012M muRata C72 C0027 100nF CAPC2012M muRata S3 PB PCB 6x6 S3 PB PCB 6x6 S1 PB PCB 6x6 S1 PB PCB 6x6 C69 C0027 100nF CAPC2012M muRata C69 C0027 100nF CAPC2012M muRata S2 PB PCB 6x6 S2 PB PCB 6x6 C70 C0027 100nF CAPC2012M muRata C70 C0027 100nF CAPC2012M muRata RN5 10K RN5 10K 1 2 3 45 6 7 8 Figura D.14: Polsadors de prop`osit general P`ag. 134 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors D.15 Conversor DAC 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 D D C C B B A A +3.3Vdc QSPI_DIN QSPI_CLK CS_DAC Vout_H Vout_A Vout_B Vout_C Vout_D Vout_E Vout_F Vout_G +3.3Vdc +3Vdc_DAC 0Vdc_D 0Vdc_D Title Size Document Number Rev Date: Sheet of DAC 03 Éravon A4 8 22Tuesday, October 20, 2009 Title Size Document Number Rev Date: Sheet of DAC 03 Éravon A4 8 22Tuesday, October 20, 2009 Title Size Document Number Rev Date: Sheet of DAC 03 Éravon A4 8 22Tuesday, October 20, 2009 DAC Condensador de desacoblament U3 AD5308 U3 AD5308 LDAC 1SYNC 2 VDD 3 VOUT_A 4 VOUT_B 5 VOUT_C 6 VOUT_D 7 VREF_ABCD 8 VREF_EFGH 9 VOUT_E 10 VOUT_F 11 VOUT_G 12 VOUT_H 13 GND 14 DIN 15 SCLK 16 C2 C0027 100nF CAPC2012M muRata C2 C0027 100nF CAPC2012M muRata Figura D.15: Conversor digital-anal`ogic Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 135 D.16 Connector pel conversor DAC 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 D D C C B B A A 0Vdc_D 0Vdc_D Vout_A Vout_B Vout_C Vout_D Vout_H Vout_G Vout_F Vout_E Title Size Document Number Rev Date: Sheet of Connectors DAC 03 Éravon A4 5 22Tuesday, October 20, 2009 Title Size Document Number Rev Date: Sheet of Connectors DAC 03 Éravon A4 5 22Tuesday, October 20, 2009 Title Size Document Number Rev Date: Sheet of Connectors DAC 03 Éravon A4 5 22Tuesday, October 20, 2009 Connectors DAC J5 Header 8_5.08/180 J5 Header 8_5.08/180 1 2 3 4 5 6 7 8 J4 Header 8_5.08/180 J4 Header 8_5.08/180 1 2 3 4 5 6 7 8 Figura D.16: Connector pel conversor digital-anal`ogic P`ag. 136 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors D.17 Rellotge de temps real 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 D D C C B B A A SDA SCL +3.3Vdc +3.3Vdc 0Vdc_D 0Vdc_D 0Vdc_D V_BAT V_BAT +3.3Vdc Title Size Document Number Rev Date: Sheet of RTC 03 Éravon A 21 22Tuesday, October 20, 2009 Title Size Document Number Rev Date: Sheet of RTC 03 Éravon A 21 22Tuesday, October 20, 2009 Title Size Document Number Rev Date: Sheet of RTC 03 Éravon A 21 22Tuesday, October 20, 2009 Rellotge Condensador de desacoblament Batería de botó R187 10k R187 10k R188 10k R188 10k BT1 C0341 BATTERY PILA DE BOTO 20MM RENATA BT1 C0341 BATTERY PILA DE BOTO 20MM RENATA Y2 CRYSTAL 32kHz MC-306 Y2 CRYSTAL 32kHz MC-306 1 1 NC 2NC 3 44 C76 C0027 100nF CAPC2012M muRata C76 C0027 100nF CAPC2012M muRata U28 ISL12026 U28 ISL12026 X1 1 X2 2 IRQ/Fout 3 GND 4SCA 5 SCL 6 VBAT 7 VDD 8 Figura D.17: Rellotge de temps real Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 137 D.18 Sensor de temperatura 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 D D C C B B A A SDA SCL Event +3.3Vdc +3.3Vdc 0Vdc_D 0Vdc_D 0Vdc_D 0Vdc_D 0Vdc_D +3.3Vdc Title Size Document Number Rev Date: Sheet of Sensor de temperatura 03 Éravon A 22 22Tuesday, October 20, 2009 Title Size Document Number Rev Date: Sheet of Sensor de temperatura 03 Éravon A 22 22Tuesday, October 20, 2009 Title Size Document Number Rev Date: Sheet of Sensor de temperatura 03 Éravon A 22 22Tuesday, October 20, 2009 Sensor de temperatura Condensador de desacoblament R190 10k R190 10k C77 C0027 100nF CAPC2012M muRata C77 C0027 100nF CAPC2012M muRata R189 10k R189 10k U29 MCP9805 U29 MCP9805 A0 1 A1 2 A2 3 GND 4 VDD 8 EVENT 7 SCK 6 SDA 5 Figura D.18: Sensor de temperatura P`ag. 144 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors (Continuaci´o) Component Fabricant Refer`encia Quant. Preu e u Connector femella 2 vies 5,08mm LMI L45510211000 8 0,17 Connector mascle 4 vies 5,08mm LMI L44520401000 1 0,71 Connector femella 4 vies 5,08mm LMI L45510411000 1 0,34 Connector mascle 8 vies 5,08mm LMI L44520801000 2 1,41 Connector femella 8 vies 5,08mm LMI L45510811000 2 0,66 Components varis (resist`encies, condensadors...) - - - 36,28 Circuit impr`es (10 unitats) - - - 300,00 COST DEL MATERIAL DE LA TARGETA: 530,48e Taula E.1: Cost total del material de la targeta E.1.2 Cost de la m`a d’obra Concepte Quant.Preu e h M`a d’obra 24h 18,00 COST DE M` A D’OBRA: 432,00e Taula E.2: Cost de la m`a d’obra E.1.3 Cost total de construcci´o Concepte Cost (e) Cost del material de la placa 530,48 Cost de m`a d’obra 432,00 COST TOTAL DE CONSTRUCCI´ O: 962,48e Taula E.3: Cost total de construcci´o E.2 Cost de disseny i desenvolupament Al cost de construcci´o cal afegir el cost de disseny i desenvolupament, el qual engloba els recursos emprats i el temps dedicat. E.2.1 Cost del material inform`atic Concepte Fabricant Refer`encia Preu (e) PC de sobretaula (CPU, pantalla, impressora,...) - - 1.200,00 Debugger + CodeWarrior Freescale M52235EVB 335,23 Orcad Cadopia Orcad V10 1.800,00 Matlab Matlab Matlab 1.800,00 COST DEL MATERIAL INFORM` ATIC: 5.135,23e Taula E.4: Cost del material inform`atic Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 145 E.2.2 Cost de personal Concepte Quant.Preu e h Disseny 1.330h 18,00 Desenvolupament 1.085h 18,00 Redacci´o 140h 18,00 COST DE M` A D’OBRA: 45.990,00e Taula E.5: Cost de personal E.2.3 Cost total de disseny i desenvlupament Concepte Cost (e) Cost del material inform`atic 5.135,23 Cost de personal 45.990,00 COST TOTAL DE DISSENY I DESENV.: 51.125,23e Taula E.6: Cost total de disseny i desenvolupament E.3 Cost total del projecte Per acabar es recull el cost total del projecte: Concepte Cost (e) Cost total de construcci´o 962,48 Cost total de disseny i desenvolupament 51.125,23 COST TOTAL DE CONSTRUCCI´ O: 52.087,71e Taula E.7: Cost total del projecte P`ag. 146 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 147 Ap`endix F Estudi de l’impacte ambiental F.1 Materials utilitzats Tots els components emprats en la construcci´o de l’equip compleixen la directiva RoHS. La RoHS (Restriction of Hazardous Substances Directive) ´es una directiva europea que restringeix la utlitzaci´o de 6 materials perillosos en la fabricaci´o d’equips el`ectrics i electr`onics. En vigor des del dia 1 de juliol de 2006, prohibeix superar unes concentracions m`aximes de les seg¨uents subst`ancies: plom (Pb), mercuri (Hg), cadmi (Cd), crom hexavalent (Cr6+), bifenil polibromat (PBB) i polibromdifenil ´eter (PBDE). F.2 Energia consumida Tota l’energia consumida en la realitzaci´o del projecte ha estat el`ectrica, i s’ha obtingut de la xarxa. Per b´e que el consum no ha estat elevat, no cal plantejar l’impacte produ¨ıt en la generaci´o d’aquesta energia. F.3 Reciclatge La directiva 2002/96/EC de Residus d’Aparells Electr`onics i El`ectrics [18] contempla la recuperaci´o d’aquesta mena d’equips. T´e per objectiu reduir-ne la quantitat de rebuig i la perillositat dels components, fomentar la reutilitzaci´o dels aparells, valoritzar-ne el residus i determinar una gesti´o adequada. Estableix un seguit de normes aplicables a la fabricaci´o del producte i a la correcta gesti´o ambiental quan passi a ser un residu. Aquesta directiva va entrar en vigor el 13 d’agost de 2005 a trav´es de l’R.D. 208/2005 [17]. P`ag. 148 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors P`ag. 149 Bibliografia [1] FELIPE C ´ ORCOLES L´ OPEZ, JOAQUIM PEDRA DUR´ A N, MIQUEL SALICHS VIVANCOS. Transformadores. Barcelona, p. 169. Edicions UPC, 2004. 45,51 [2] ROGER C. DUGAN, MAKR F. MCGRANAGHAN, SURYA SANTOSO, H. WAYNE BEATY. Electrical Power Systems Quality. New York, p. 1-5. McGraw-Hill, 2003 34 [3] MANUEL CORT´ ES CHERTA JUAN CORRALES MART´ IN, ALFONSO ENSE˜ NAT BAD´ IA. Teor ˜ Aa general de m´aquinas el´ectricas. Madrid. Universidad Nacional de Educaci´on a Distancia, 1991. [4] SERGIO FRANCO. Design with operational amplifiers and analog integrated circuits. New York. Mc Graw Hill, 2002. 49,79 [5] WILLIAM H. BARTLEY. Analysis of Transformer Failures. International Association of Engineering Insurers. 36thAnnual Conference - Stockholm, 2003 27 [6] IMIA Working Group. Oil-insulated power transformers. The significance of maintenance and automation in preventing transformers damages. If’s Risk Management Journal. 2007. p. 13-15. 27 [7] MICHAEL F. BARNES. Qualitrol Sentry Transformer Monitoring System. Monitors and Condition Assessment Equipment (Digest No. 1996/186). IEEE Colloquium on, December 1996. 28, 29 [8] BRIAN D. SPARLING, JAQUES AUBIN. Power Transformer Life Extension Through Better Monitoring. Document de GE Energy. 27 [9] DHINGRA ARVIND, SINGH KHUSHDEEP, KUMAR DEEPAK. Condition Monitoring of Power Transformer: A Review. Transmission and Distribution Conference and Exposition, Abril 2008. 29 [10] V. SOKOLOV, Z. BERLER, V. RASHKES. Effective Methods of assessment of insulation system conditions in power transformers. Electrical Insulation Conference and Electrical Manufacturing & Coil Winding Conference, 1999. [11] C. BENGTSSON. Status and Trends in Transformer Monitoring. IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 11, No. 3, July 1996. 28,30,34 [12] CIGRE Workin Grou 05. An International Survey on Failures in Large Power Transformers in Service. Electra, Vol. 88, May 1983. 34 [13] DONALD CHU, ANDRE LUX. On-Line Monioring of Power Transformers and Components: A Review of Key Parameters. Electrical Insulation Conference and Electrical Manufacturing & Coil Winding Conference. 1999. 31 [14] M. K. DOMUN. Condition Monitoring of Power Transformers by Oil Analysis Techniques. Science, Education and Technology Division Colloquium on Condition Monitoring and Remanent Life Assessment in Power Transformers. IEEE Colloquium, March 1994. 33 P`ag. 150 Disseny i construcci´o d’un equip per a la monitoritzaci´o de transformadors [15] IEC 61850 International Standard - Communication Networs and Systems in Substations.35 [16] IEC 61000-4-7 International Standard - Testing and measurement techniques.17,59 [17] MINISTERIO DE LA PRESIDENCIA. REAL DECRETO 208/2005, de 25 de febrero, sobre aparatos el´ectricos y electr´onicos y la gesti´on de sus residuos. Madrid, Espanya: Ministerio de la presidencia, 26 de febrer de 2005, BOE n.49. 69,147 [18] EUROPEAN PARLIAMENT. Directive 2002/96/EC of The European Parliament and of the Council on waste electrical and electronic equipment (WEEE). Brussel.les, B`elgica. Parlament Europeu i Consell de la Uni´o Europea, 27 de gener de 2003. 147 [19] INSTITUT D’ESTUDIS CATALANS. Diccionari de la llengua catalana. [http://dlc.iec.cat/] [20] GENERALITAT DE CATALUNYA. OPTIMOT, CONSULTES LING¨ U´ ISTIQUES. [http://www.optimot.gencat.cat/] [21] UNIVERSITAT POLIT` ECNICA DE CATALUNYA. SERVEI DE LLENG¨ UES I TERMINOLOGIA. Fitxer Ling¨u´ıstic. [http://www2.upc.edu/slt/fl]