FRENAGEM REGENERATIVA DO MOTOR DE INDUÇÃO DO VEÍCULO
MAGLEV-COBRA
Marcelo Moraes Benes
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Elétrica da Escola Politécnica, da
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Engenheiro.
Orientadores: Richard Magdalena Stephan
Roberto André Henrique de Oliveira
Rio de Janeiro
Setembro de 2014
FRENAGEM REGENERATIVA DO MOTOR DE INDUÇÃO DO VEÍCULO
MAGLEV-COBRA
Marcelo Moraes Benes
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA
DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS
REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE
ENGENHEIRO ELETRICISTA.
Examinada por:
_________________________________
Prof. Richard Magdalena Stephan, Dr.-Ing.
(Orientador)
__________________________________
Eng. Roberto André Henrique de Oliveira, M.Sc.
(Orientador)
___________________________________
Prof. Antonio Carlos Ferreira, Ph.D.
(Examinador)
__________________________________
Prof. Laércio Simas Mattos, M.Sc.
(Examinador)
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
SETEMBRO DE 2014
i
Benes, Marcelo Moraes
Frenagem Regenerativa do Motor de Indução do Veículo MagLevCobra / Marcelo Moraes Benes – Rio de Janeiro: UFRJ / Escola
Politécnica, 2014
X,57 p.: il.; 29,7cm
Orientadores: Richard Magdalena Stephan
Roberto André Henrique de Oliveira
Projeto de Graduação – UFRJ / Escola Politécnica / Curso de
Engenharia Elétrica, 2014
Referências Bibliográficas: p. 62.
1. Conhecimentos Teóricos. 2. Manual do inversor CFW-11. 3.
Operação do Trem de Levitação Magnética. I. Stephan, Richard
Magdalena. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola
Politécnica, Departamento de Engenharia Elétrica. III. Título
ii
Dedico este trabalho ao meu pai, Milan,
à minha mãe, Denise,
aos meus irmãos, Milan e Bruno,
à minha namorada, Mariana,
e a todos os meus amigos e familiares
iii
Agradecimentos
Agradeço a Deus, por ter me dado forças quando não as encontrava, para vencer
todas as dificuldades.
Agradeço ao professor Richard por ter aceitado me orientar neste trabalho e por
ter contribuído para minha formação.
Agradeço ao meu orientador Roberto pela sua dedicação e contribuição.
Agradeço a todo o pessoal do Laboratório de Máquinas, Elkin, Laércio, Edeval,
Genézio, Ocione, Vina, Hugo, Guilherme, Leonardo, Alan e Ryan.
Agradeço aos meus amigos Pedro, Rodrigo, Daniel, Igor, Tiago e João, por
terem me apoiado nos momentos necessários.
Agradeço à minha namorada Mariana, pela paciência, carinho e motivação
demonstrados ao longo dessa trajetória. Agradeço aos meus tios, primos e madrinha que
me ajudaram de diversas formas.
Agradeço especialmente aos meus pais Denise e Milan, por me fornecerem todo
o suporte necessário na minha formação e pela confiança que sempre depositaram em
mim. Agradeço aos meus irmãos Milan e Bruno, que estarão sempre comigo. Agradeço
à minha falecida avó Inalda, por ter contribuído na formação do meu caráter.
A todos vocês, sou imensamente grato! Muito obrigado!
iv
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte
dos requisitos necessários para a obtenção de grau de Engenheiro Eletricista.
FRENAGEM REGENERATIVA DO MOTOR DE INDUÇÃO DO VEÍCULO
MAGLEV-COBRA
Marcelo Moraes Benes
Setembro/2014
Orientadores: Richard Magdalena Stephan
Roberto André Henrique de Oliveira
Curso: Engenharia Elétrica
O crescimento acelerado das cidades provoca uma demanda importante por
transporte de qualidade. A UFRJ desenvolve o projeto MagLev-Cobra, um veículo de
levitação magnética, contribuindo com soluções sustentáveis.
A tração é fornecida através de um motor linear de indução e se caracteriza por
não emitir poluição, um conhecido obstáculo para a implantação de transportes. Sua
levitação ocorre através da propriedade diamagnética dos supercondutores na presença
do campo magnético produzido por imãs permanentes.
Esse trabalho estuda a regeneração de energia na frenagem do motor,
possibilitando o reaproveitamento de energia para outros fins. Detalhes importantes
sobre a operação do MagLev também serão dissecados, através do estudo de dados
obtidos com testes realizados em laboratório.
Palavras-chave: Regeneração de energia na frenagem, motor linear de indução,
operação do MagLev Cobra
v
Abstract of Undergraduate Project presented to Escola Politécnica/UFRJ as a partial
fulfillment of the requirements for the degree of Engineer.
REGENERATIVE BRAKING OF THE INDUCION MOTOR OF THE MAGLEVCOBRA VEHICLE
Marcelo Moraes Benes
September/2014
Advisor: Richard Magdalena Stephan
Roberto André Henrique de Oliveira
Course: Electrical Engineer
The rapid growth of cities causes a significant demand for transportation quality.
UFRJ develops the MagLev Cobra, a magnetic levitation vehicle, contributing to
sustainable solutions.
The traction is given by a linear induction motor and is characterized by not
issuing pollution, a known deployment obstacle of transport. The levitation occurs
through the diamagnetic property of supercondutors in the magnetic field produced by
permanent magnets.
This work studies the energy regeneration during motor braking, enabling the
reuse of energy for other purposes. Important details about the operation of the MagLev
will also be dissected through the study of data obtained from tests performed in the
laboratory.
Keywords: Regeneration of braking energy, linear induction motor, operating MagLev
Cobra
vi
Lista de figuras
Figura 2.1 – Modelo do circuito equivalente do motor de indução ................................. 4
Figura 2.2 – Modelo protótipo do veículo Maglev Cobra ............................................... 8
Figura 2.3 – Curva torque x velocidade do motor de indução ....................................... 10
Figura 2.4 – Inversão da sequência de fases ................................................................... 10
Figura 2.5 – Circuito do motor de indução equivalente ................................................. 12
Figura 2.6 – Curvas Força x Velocidade com diferentes frequências de operação ........ 15
Figura 2.7 – Circuito equivalente do motor linear de indução considerando efeito de
extremidades ................................................................................................................... 18
Figura 3.1 – IHM e suas funções .................................................................................... 24
Figura 3.2 – Contato normalmente aberto ...................................................................... 26
Figura 3.3 – Contato normalmente fechado ................................................................... 26
Figura 3.4 – Bobina normal ............................................................................................ 27
Figura 3.5 – Bobina negada ............................................................................................ 27
Figura 3.6 – Seta bobina ................................................................................................. 27
Figura 3.7 – Reseta bobina ............................................................................................. 27
Figura 3.8 – Diagrama de blocos do controle V/f escalar .............................................. 28
Figura 3.9 – Programa referente à via plana – sentido frente ......................................... 29
Figura 3.10 – Programa referente à via plana – sentido ré ............................................. 30
Figura 3.11 – Parâmetros do programa do usuário – plano inclinado ............................ 31
Figura 3.12 – Operação de descida – plano inclinado .................................................... 31
Figura 3.13 – Operação de parada na descida – plano inclinado ................................... 32
Figura 3.14 – Operação de subida – plano inclinado ..................................................... 32
Figura 4.1 – Material ferromagnético na via plana ........................................................ 36
Figura 4.2 – Sensores 1 e 2 na via plana, vista de cima ................................................. 36
Figura 4.3 – Veículo na via plana ................................................................................... 39
Figura 4.4 – Veículo no plano inclinado ........................................................................ 39
Figura 4.5 – Plano inclinado com as três inclinações possíveis ..................................... 40
Figura 4.6 – Gráfico
do plano inclinado no Matlab ................................................ 41
Figura 4.7 – Dinâmica do veículo do plano inclinado .................................................... 42
Figura 4.8 – Gráfico
da pista plana no Matlab ........................................................ 42
Figura 4.9 – Dinâmica do veículo da via plana .............................................................. 43
vii
Figura 4.10 – Tensão e corrente na rampa para o caso 6 da Tabela 4.6 ......................... 46
Figura 4.11 – Tensão e corrente no plano para o caso 6 da Tabela 4.7 .......................... 47
Figura 4.12 – Tensão e corrente na rampa para o caso 3 da Tabela 4.6 ......................... 48
Figura 4.13 – Tensão e corrente no plano para o caso 3 da Tabela 4.7 .......................... 48
Figura 4.14 – Tensão e corrente na rampa para o caso 3 da Tabela 4.8 ......................... 49
Figura 4.15 – Tensão e corrente no plano para o caso 3 da Tabela 4.9 .......................... 50
Figura 4.16 – Tensão e corrente na rampa para o caso 7 da Tabela 4.8 ......................... 50
Figura 4.17 – Tensão e corrente no plano para o caso 7 da Tabela 4.9 .......................... 51
Figura 4.18 – Tensão e corrente na rampa para o caso 3 da Tabela 4.10 ....................... 52
Figura 4.19 – Tensão e corrente no plano para o caso 3 da Tabela 4.11 ........................ 53
Figura 4.20 – Tensão e corrente na rampa para o caso 6 da Tabela 4.10 ....................... 53
Figura 4.21 – Tensão e corrente no plano para o caso 6 da Tabela 4.11 ........................ 54
Figura 4.22 – Tensão e corrente na rampa para o caso 8 da Tabela 4.12 ....................... 55
Figura 4.23 – Tensão e corrente no plano para o caso 8 da Tabela 4.13 ........................ 56
Figura 4.24 – Tensão e corrente na rampa para o caso 6 da Tabela 4.12 ....................... 56
Figura 4.25 - Tensão e corrente na rampa para o caso 6 da Tabela 4.13........................ 57
Figura 4.26 – Corrente no link DC no Matlab para o caso 3 da Tabela 4.7 ................... 58
Figura 4.27 – Corrente no link DC no Matlab para o caso 7 da Tabela 4.9 .................. 59
viii
Lista de Tabelas
Tabela 2.1 – Descrição dos elementos do modelo do motor de indução.......................... 5
Tabela 2.2 – Descrição dos elementos do modelo do motor linear de indução ............. 18
Tabela 3.1 – Conexões de controle do CFW-11 ............................................................. 23
Tabela 3.2 – Mapa de memória dos marcadores voláteis ............................................... 25
Tabela 3.3 – Mapa de memória dos Marcadores de Bit do Sistema ímpares ................. 26
Tabela 3.4 – Condições de trigger para o Trace ............................................................. 33
Tabela 3.5 – Sinais possíveis de serem obtidos pelo Trace............................................ 34
Tabela 3.6 – Sinais obtidos nos canais do Trace ............................................................ 34
Tabela 4.1 – Medidas das tensões nos sensores - I......................................................... 36
Tabela 4.2 – Medidas das tensões nos sensores - II ....................................................... 37
Tabela 4.3 – Medidas das tensões nos sensores - III ...................................................... 37
Tabela 4.4 – Ligações das portas no CFW-11 ................................................................ 38
Tabela 4.5 – Massa e inclinação do veículo da rampa ................................................... 40
Tabela 4.6 – Parâmetros calculados para o item 4.5.1 no plano inclinado ..................... 45
Tabela 4.7 – Parâmetros calculados para o item 4.5.1 na via plana ............................... 46
Tabela 4.8 – Parâmetros calculados para o item 4.5.2 no plano inclinado ..................... 49
Tabela 4.9 – Parâmetros calculados para o item 4.5.2 na via plana ............................... 49
Tabela 4.10 – Parâmetros calculados para o item 4.5.3 no plano inclinado ................... 51
Tabela 4.11 – Parâmetros calculados para o item 4.5.3 na via plana ............................. 52
Tabela 4.12 – Parâmetros calculados para o item 4.5.4 no plano inclinado .................. 54
Tabela 4.13 – Parâmetros calculados para o item 4.5.4 na via plana ............................ 55
ix
Sumário
1 - Introdução.................................................................................................................... 1
1.1 - Motivação ......................................................................................................................... 1
1.2 - Objetivo ............................................................................................................................ 1
1.3 - Organização do trabalho ................................................................................................... 2
2 – Conhecimentos teóricos .............................................................................................. 3
2.1 – Motor de indução ............................................................................................................. 3
2.2 – Motor rotativo de indução ................................................................................................ 3
2.2.1 - Rotor .......................................................................................................................... 3
2.2.2 - Estator ........................................................................................................................ 4
2.2.3 – Princípio de funcionamento ...................................................................................... 4
2.3 – Motor de indução linear (MIL) ........................................................................................ 5
2.3.1 – Introdução.................................................................................................................. 5
2.3.2 – Características construtivas ....................................................................................... 5
2.3.3 – Velocidade linear síncrona ........................................................................................ 6
2.4 – Histórico ........................................................................................................................... 6
2.5 – Resumo do Maglev Cobra ................................................................................................ 7
2.6 – Tipos de frenagem ............................................................................................................ 9
2.6.1 – Frenagem por contra-corrente ................................................................................. 10
2.6.2 – Frenagem regenerativa ............................................................................................ 13
2.6.3 – Frenagem por corrente contínua .............................................................................. 16
2.7 – Circuito equivalente para o motor linear de indução ..................................................... 18
2.8 – Equações cinemáticas do movimento do veículo ........................................................... 20
3 – Manual do inversor CFW11 ..................................................................................... 23
3.1 – Conexões de controle ..................................................................................................... 23
3.2 – Interface homem-máquina IHM – CFW11 .................................................................... 24
3.3 – Manual do CLP .............................................................................................................. 24
3.3.1 – Marcadores voláteis (Variáveis) .............................................................................. 25
3.3.2 – Marcadores do sistema ............................................................................................ 25
3.3.3 – Resumo dos blocos de função ................................................................................. 26
3.4 – Modo de controle V/f escalar ......................................................................................... 27
3.4.1 – Manual..................................................................................................................... 27
3.4.2 – Programa do usuário................................................................................................ 28
3.5 – Função Trace .................................................................................................................. 32
3.5.1 – Fonte de trigger para o Trace .................................................................................. 33
x
3.5.2 – Valor de trigger para o Trace .................................................................................. 33
3.5.3 – Condição de trigger para o Trace ............................................................................ 33
3.5.4 – Período de amostragem do Trace ............................................................................ 33
3.5.5 – Pré-trigger do Trace ................................................................................................ 33
3.5.6 – Memória máxima para o Trace ............................................................................... 33
3.5.7 – CH1: Canal 1 do Trace............................................................................................ 33
3.5.8 – CH2: Canal 2 do Trace............................................................................................ 34
3.5.9 – CH3: Canal 3 do Trace............................................................................................ 34
3.5.10 – CH4: Canal 4 do Trace.......................................................................................... 34
3.6 – Função Trend ................................................................................................................. 34
4 – Operação do trem de levitação magnética ................................................................ 35
4.1 – Teste dos sensores e atuadores ....................................................................................... 35
4.1.1 –Informações .............................................................................................................. 35
4.1.2 – Procedimento e resultados ....................................................................................... 36
4.1.3 – Análise dos resultados ............................................................................................. 37
4.2 – Definição das portas das entradas digitais no Cartão de Controle ................................. 37
4.3 – Operação dos veículos .................................................................................................... 38
4.3.1 – Objetivo e montagem .............................................................................................. 38
4.3.1 – Obtenção e validação dos dados.............................................................................. 40
4.3.3 – Material utilizado .................................................................................................... 43
4.3.4 – Parametrização dos inversores no experimento ...................................................... 43
4.4 – Cálculo dos tempos, velocidade, aceleração e desaceleração ....................................... 44
4.4.1 – Plano inclinado ....................................................................................................... 44
4.4.2 – Via plana ................................................................................................................. 44
4.5 – Resultados e análise dos cálculos dos parâmetros.......................................................... 45
4.5.1 –
e
......................................................................... 45
4.5.2 –
e
......................................................................... 48
4.5.3 –
e
............................................................................ 51
4.5.4 –
e
............................................................................ 54
4.6 – Cálculo da energia regenerada ....................................................................................... 57
4.7 – Análise qualitativa da regeneração de energia ............................................................... 59
5 – Conclusão e trabalhos futuros................................................................................... 61
5.1 - Conclusão........................................................................................................................ 61
5.2 – Trabalhos futuros............................................................................................................ 61
Referências Bibliográficas
62
xi
Capítulo 1
Introdução
1.1) Motivação
A notoriedade de uma crescente demanda de transporte público de qualidade nos
principais centros urbanos do Brasil provoca uma necessidade de buscar alternativas. As
grandes cidades continuam sua trajetória de crescimento populacional e o deslocamento
de pessoas vem se tornando uma grande preocupação. Uma importante questão seria
projetar e implementar um veículo com reduzida emissão de gases poluentes quando em
operação, devido à elevada poluição urbana.
A Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), observando esse cenário,
desenvolve o projeto MagLev-Cobra, através do Laboratório de Aplicações de
Supercondutores (LASUP), com parcerias de outras empresas e instituições. O MagLev
pode ser descrito como um trem de levitação magnética, operando através de um motor
de indução linear (MIL) de primário curto. Possui características muito positivas como a
leveza, o fato de não ser poluente e o baixo custo de implantação e manutenção. Além
disso, apresenta um consumo eficiente de energia elétrica, com a possibilidade da
frenagem regenerativa do veículo, que representa a transformação da energia cinética do
movimento em energia elétrica. Essa energia pode ser armazenada em bancos de
baterias, ultracapacitores ou mesmo devolvida para a rede elétrica.
Podem-se mencionar alguns trabalhos desenvolvidos anteriormente no LASUP
[1, 2]. Ambos os artigos se referem à regeneração de energia na frenagem do MagLevCobra. A dissertação de Oliveira, 2013, tratando da análise da operação e do sistema de
frenagem regenerativa do MagLev utilizando o motor de indução linear em um veículo
de pista inclinada [3], também constitui importante fonte de motivação para o
desenvolvimento deste trabalho.
1.2) Objetivo
O objetivo do trabalho se resume a analisar a operação do MagLev-Cobra e a
regeneração de energia na frenagem do motor linear que movimenta o veículo. Essa
frenagem se dará através do inversor eletrônico CFW-11, responsável por variar a
frequência do motor, permitindo o controle de velocidade e a desaceleração do veículo.
Como anteriormente já haviam sido feitos estudos envolvendo o motor de
indução linear em um veículo se movimentando em uma pista inclinada, onde foi
observada uma regeneração de energia muito baixa em relação ao valor desejado, no
presente trabalho, serão feitas medidas utilizando dois veículos. Um deles será
localizado em um plano horizontal e o outro em um plano inclinado. Os veículos devem
se encontrar em sincronização no momento da regeneração. Serão feitas medições com
duas diferentes inclinações no veículo do plano inclinado e duas diferentes massas no
1
veículo do plano. Os resultados serão, em seguida, analisados, na tentativa de obter
maiores valores de regeneração de energia, se comparados com a situação com apenas
um veículo.
1.3) Organização do trabalho
O capítulo 2 trata dos conhecimentos teóricos necessários. Possui diversas
seções relacionadas a motores de indução, histórico de aplicações de motores lineares,
métodos de frenagem elétrica e mecânica utilizados no projeto do MagLev-Cobra, e um
modelo para o circuito equivalente do motor linear levando em consideração o efeito de
extremidades.
O capítulo 3 possui seções contendo uma breve explicação do manual do
inversor eletrônico CFW-11, da WEG, e as funções mais importantes do controlador
lógico programável Soft PLC, contido no inversor.
O capítulo 4 inicia com o passo a passo antes da execução dos experimentos,
com a verificação dos sensores para a associação com suas entradas digitais. A seguir, a
execução, onde será realizada a medição dos sinais desejados quando ambos os veículos
se encontram em movimento. Através dos sinais medidos, cálculos de tempo de
desaceleração e velocidade média são expostos e comentados. Por fim, a regeneração de
energia será apresentada.
O capítulo 5 apresenta as conclusões sobre os cálculos e medidas, sempre
observando a coerência com a teoria apresentada. Os trabalhos futuros, que ainda se
encontram em fase de planejamento, são abordados ao fim do capítulo.
2
Capítulo 2
Conhecimentos teóricos
2.1) Motor de indução
Trata-se de uma máquina elétrica do tipo corrente alternada. Na operação como
motor, converte energia elétrica em mecânica. Há algumas décadas se tornou o motor
mais utilizado na indústria, devido a suas vantagens muito significativas, podendo ser
citados sua simplicidade, sua confiabilidade, seu baixo custo e manutenção mínima. Um
dos fatores mais significativos para sua aplicação se deve à maioria dos sistemas de
distribuição de energia elétrica atualmente serem de corrente alternada. Todas essas
vantagens do motor de indução foram importantes para a disseminação das suas
aplicações [4].
O motor de indução possui rendimento elevado para máxima e média carga. O
mesmo pode ser do tipo rotativo (o mais comum) ou linear (será abordado com maiores
detalhes nesse trabalho). Para entender certos aspectos do motor linear, é necessário
compreender também certas características do rotativo, para em seguida serem
comentadas suas diferenças.
2.2) Motor rotativo de indução trifásico
O motor rotativo de indução trifásico é o mais comum atualmente e utilizado em
diversas aplicações. Nomeado dessa forma por causa do movimento rotativo do rotor,
em decorrência da indução eletromagnética gerada pelo estator, quando este recebe uma
excitação com corrente alternada. Um motor de indução possui velocidade assíncrona,
ou seja, ele pode acelerar até uma velocidade próxima da síncrona, mas nunca atinge
esse valor. O motor de indução pode ser monofásico ou trifásico.
No presente trabalho, será tratado apenas o motor trifásico, visto que o
monofásico não tem uma grande aplicação no caso das máquinas lineares. Neste
trabalho foram utilizados motores lineares trifásicos e que serão amplamente abordadas
no item 2.3.
2.2.1) Rotor
O rotor vem a ser a parte girante do motor. Possui uma composição de chapas
finas de aço magnético em formato de um anel com os enrolamentos colocados na
direção longitudinal. Pode ser classificado em dois tipos [4]:


Rotor tipo gaiola de esquilo: Composto de barras de material condutor
localizado em volta do conjunto de chapas do rotor curto-circuitadas por
anéis metálicos na extremidade.
Rotor bobinado: Composto de enrolamentos distribuídos em torno do
conjunto de chapas do rotor.
3
2.2.2) Estator
Representa a parte fixa e o enrolamento de armadura está localizado nele. Possui
chapas finas de aço magnético ou de aço silício, com o formato de um anel com
ranhuras internas, onde são colocados os enrolamentos. O espaço entre o estator e o
rotor é conhecido como entreferro. A circulação de corrente nos enrolamentos do estator
produz um fluxo magnético girante em torno do entreferro [4].
2.2.3) Princípio de funcionamento
Uma tensão alternada trifásica defasada no tempo é aplicada diretamente nos
enrolamentos do estator, gerando um campo magnético girante. Em seguida, o fluxo
magnético do estator passa pelo entreferro, induzindo uma tensão alternada nos
enrolamentos do rotor, fazendo circular por fim uma corrente alternada no rotor, por
indução. Com isso, produz-se um fluxo magnético no rotor, que tentará se alinhar ao
campo magnético do estator, e isso produz um torque eletromecânico. Os fluxos do
estator e do rotor giram em sincronismo e o torque ocorre devido à diferença de
posições entre eles [4].
O modelo do motor de indução trifásico, com valores por fase e referidos ao
estator, é conhecido conforme na Figura 2.1:
Figura 2.1: Modelo do circuito equivalente do motor de indução
As grandezas físicas contidas no circuito têm suas descrições na Tabela 2.1:
4
Tabela 2.1: Descrição dos elementos do modelo do motor de indução
Símbolo
Descrição
Tensão da fonte
Corrente no estator
Resistência do estator
Indutância de dispersão do estator
Corrente de magnetização
Indutância de magnetização
Corrente no rotor
Resistência do rotor
Indutância de dispersão do rotor
Escorregamento
2.3) Motor de indução linear (MIL)
2.3.1) Introdução
O MIL é equivalente a um motor rotativo do tipo gaiola de esquilo, recortado no
seu eixo radial para, em seguida, ser desenrolado e disposto de forma linear. Possui
simples e robusta construção, tal qual o motor rotativo. Sua geometria pode ser plana
(face simples ou face dupla) ou tubular. O motor linear de indução vem sendo utilizado
no projeto do MagLev-Cobra, se mostrando uma alternativa muito interessante para
aplicações de transportes no mundo.
2.3.2) Características construtivas
O motor linear possui duas partes constituintes, definidas a seguir:
a) Primário
O primário do motor contém os enrolamentos de fase e recebe a alimentação de
energia. Pode ser primário curto ou primário longo, dependendo de sua construção.

Primário longo
A topologia de motor linear de primário longo implica em um secundário curto.
O primário longo exige um controle setorial do enrolamento de fase, tornando grande a
complexidade do processo. Com a necessidade de energizar o trecho em que o
secundário atravessa, se exige um monitoramento da posição do veículo. Esta topologia
dispensa a utilização de coletores de corrente. Em geral, possui uma construção mais
complexa e custosa.

Primário curto
Tipo de construção utilizada no projeto do MagLev-Cobra. Um motor linear de
primário curto possui necessariamente um secundário longo. Nessa construção, os
enrolamentos de fase possuem um comprimento menor, reduzindo seu custo. Seu
5
controle se apresenta mais simples, pois não demanda energização setorial. Escovas
coletoras, baterias, ultracapacitores ou catenárias são responsáveis por conduzir a
corrente ao primário.
b) Secundário
Componente do motor constituído de ferro laminado e barras condutoras curtocircuitadas. Existem o secundário curto e o secundário longo. No projeto do MaglevCobra, ocorre a topologia de secundário longo.
2.3.3) Velocidade linear síncrona
A onda de densidade de fluxo produzida quando o enrolamento do primário
recebe uma corrente trifásica, defasada no tempo, se desloca linearmente e o campo
magnético possui uma velocidade linear síncrona. Essa onda de densidade de fluxo
induz corrente no secundário, e então tem-se uma força de origem eletromagnética
produzida pela interação das correntes no primário e no secundário e do campo viajante
[5].
A velocidade linear síncrona ( ) é obtida quando tem-se conhecimento do passo
polar e da frequência do primário, como visto pela equação:
2.4) Histórico de aplicações de motores lineares
A partir de 1970, estudos do motor linear de indução começaram a ser
destinados com mais intensidade ao desenvolvimento de veículos de alta velocidade
com levitação magnética para o transporte de passageiros. No entanto, bem
anteriormente já vinham sendo registradas as primeiras aplicações do motor linear de
indução, voltadas para transportes. Alguns autores citam Chirgwin como o primeiro a
registrar uma patente, em 1851, com um motor oscilatório alimentando uma locomotiva
com o sistema de manivelas [6].
Uma companhia elétrica, Weaver Jacquard and Electric Shuttle Company, é
citada como possível pioneira, com uma sucessão de eletroímãs alimentados por uma
fonte de corrente contínua, através de um inversor mecânico, produzindo um campo
trafegante deformado [6]. Em 1891, uma empresa ferroviária chamada Portelectric
System, com o objetivo de transporte de bagagens, produziu um campo também
deformado, com o motor síncrono do veículo alimentado com corrente contínua
energizando solenoides na via ferroviária [6].
Uma nova ideia foi proposta por Korda e outros três companheiros de um
sistema de trem. Os secundários eram feitos de material condutor e núcleo magnético,
localizando-se abaixo de cada carro do trem, enquanto os primários ficavam na via [6].
A ideia de frear o trem revertendo o campo viria a ter importantes desdobramentos
alguns anos depois, como a frenagem regenerativa.
6
Outra aplicação ferroviária foi proposta por Zehden, em 1902, o sistema de
tração elétrica consistia em arrastar o trem, tendo primário curto e secundário longo [6].
Posteriormente houve novos experimentos da Westinghouse Electric Corporation para a
marinha norte-americana, como a catapulta de lançamento de aeronaves, conhecida
como Electropult [3]. Esse dispositivo era tracionado por um motor de indução linear,
fazendo acelerar uma carga até grandes velocidades (185km/h). Posteriormente houve
outras aplicações com o motor linear em sistemas de propulsão semelhantes ao
Electropult na área de automóveis.
Durante a década de 1950, houve aplicações do motor linear envolvendo
reatores nucleares, com as bombas eletromagnéticas de metal líquido [6]. Nessa mesma
época, o Professor Eric Laithwaite, da Universidade de Manchester, iniciou pesquisas e
experimentos sobre o motor linear de indução, como o motor conhecido como “rotor
lâmina”. Esse motor possuía enrolamento do primário curto, e conduzia discos de
alumínio através de vias ferroviárias testes construídas em laboratório. Mais tarde foi
utilizado nas locomotivas Gorton [7]. Esse experimento provocou grande interesse para
novas aplicações por parte dos engenheiros e pesquisadores do mundo todo, conforme
registrado no Japão e na França. Em seguida, na década de 1960, foram desenvolvidos
sistemas para simulação de colisões de automóveis [6].
Na atualidade, em operação comercial de trens de levitação magnética, a China
vem utilizando o motor linear para transporte de passageiros desde 2003. O trem de
levitação, com tecnologia alemã Trasnrapid, percorre um trecho de 30km ligando o
aeroporto de Pudong, em Xangai, ao centro da cidade. O Japão também vem operando
seu trem de levitação num trecho de 9km em Nagoya desde 2005: o HSST utiliza um
motor linear para sua tração [3].
No Brasil, o MagLev-Cobra utiliza o motor linear de indução para a sua
propulsão e deve entrar em operação a partir de 2014, tendo como percurso a ligação do
Centro de Tecnologia 1 (CT-1) com o Centro de Tecnologia 2 (CT-2) da UFRJ, através
de uma via elevada de 200m.
2.5) Resumo do MagLev Cobra
Um projeto a ser destacado vem a ser o MagLev-Cobra, o trem de levitação
magnética, desenvolvido na UFRJ pela COPPE e pela Escola Politécnica através do
LASUP, em parceria com outras instituições e empresas. Essas instituições e empresas
contribuem de diferentes formas, como pode ser visto a seguir:







COPPETEC → Gestão
FAPERJ → Financiamento protótipo funcional
BNDES → Financiamento protótipo operacional
SAE → Financiamento e nacionalização
INT → Design do veículo
TECTON ENGENHARIA → Projeto estrutural
HOLOS → Construção do veículo
7







EQUACIONAL → Projeto e construção do motor linear
RECRIAR → Montagens eletromecânicas e eletrônicas
WEG → Equipamentos de eletrônica de potência
WHITE MARTINS → Sistema de abastecimento de nitrogênio líquido
AKZO NOBEL → Tintas para pintura dos tubos e do veículo
INVEPAR → Construção civil – OAS e METRÔ RIO
V&M → Tubos metálicos das vias e estações
O motor é alimentado por um inversor de frequência, um dispositivo capaz de
produzir sinais de amplitude e frequência variáveis a partir de fontes de corrente
contínua. Possui um primário curto e um secundário longo em sua constituição, é
robusto e de simples construção.
O veículo foi concebido visando uma revolução nos transportes coletivos, como
na questão da eficiência energética e da não produção de poluição (não há emissão de
gases poluentes no local de operação). Apresenta-se o mock-up do veículo MagLev na
Figura 2.2:
Figura 2.2: Modelo protótipo do veículo MagLev Cobra
Há também outras vantagens importantes, como o fato de ser um veículo
silencioso e possuir baixos custos de implantação e manutenção, em comparação com o
metrô. Outro ponto importante seria o fato do veículo poder transpor rampas de até 15%
de inclinação, bem mais inclinadas que um trem roda-trilho convencional. A limitação
de inclinação se deve apenas ao conforto dos passageiros. Há também a rapidez de
implantação a leveza do veículo como fatores positivos a serem destacados. A leveza do
veículo se deve à ausência de rodas de aço e truques.
A levitação se baseia na propriedade diamagnética dos supercondutores para
exclusão do campo magnético do interior dos supercondutores [8]. Para
supercondutores do tipo II, tem-se uma exclusão parcial, diminuindo a força de
levitação, mas aumentando a estabilidade da levitação, dispensando assim sistemas de
controle complexos. O advento de novos materiais magnéticos e pastilhas
supercondutoras a partir do final do século XX tornou essa propriedade possível de ser
8
explorada. O resfriamento do supercondutor causa a sua levitação estável, sem
necessidade de atuadores e controladores.
2.6) Tipos de frenagem
A regeneração de energia ocorre durante a aplicação de uma determinada técnica
de frenagem da máquina de indução. Para estabelecer os princípios da regeneração de
energia, deve ser observado o modelo do motor de indução e as equações envolvidas.
A frenagem pode ser elétrica ou mecânica, sendo mostrados a seguir três
métodos de frenagem elétrica de um motor:



Método da frenagem por contra-corrente, através da inversão da
sequência de fases; m
Método da frenagem regenerativa, com a utilização de um inversor
eletrônico, consequentemente fazendo o motor operar como um gerador;
Frenagem por corrente contínua (CC).
Todos os casos se aplicam para máquinas rotativas e lineares. A frenagem tem
como principal objetivo reduzir a velocidade, ou impedir um crescimento muito elevado
da mesma.
O escorregamento , como acontece na máquina rotativa, pode ser obtido a partir
da velocidade síncrona e da velocidade mecânica (também chamada de velocidade
do rotor, no caso da máquina rotativa):
Observando a curva torque x velocidade de um motor de indução, verifica-se
que o mesmo opera como motor quando o torque e a velocidade possuem o mesmo
sentido. Isso ocorre quando
e, por consequência,
. A curva de
torque-velocidade para um motor de indução pode ser vista na Figura 2.3:
9
Figura 2.3: Curva torque x velocidade do motor de indução
Quando o torque e a velocidade possuem sentidos contrários, a máquina opera
como gerador. Isso ocorre quando
e quando
. Em ambos os casos, há a
conversão de energia mecânica em elétrica. Será mostrado que a frenagem por contracorrente acontece no caso em que
, enquanto a frenagem regenerativa ocorre para
.
2.6.1) Frenagem por contra-corrente
A frenagem por contra-corrente tem como princípio a inversão da sequência de
fases, que consiste em trocar uma fase com outra da alimentação trifásica (primário).
Esta inversão pode ser realizada com o uso de contatores eletromecânicos, mas
atualmente, o mais comum, é que essa inversão seja feita dentro dos inversores de
frequência. Quando se faz a inversão da sequência, o campo magnético inverte o seu
sentido de rotação, como pode-se verificar na Figura 2.4:
Figura 2.4: Inversão da sequência de fases
A frenagem por contra-corrente ocorre quando
, enquanto a velocidade
mecânica possui um sentido contrário à velocidade síncrona. Quando as fases são
invertidas, a velocidade síncrona muda de sentido, enquanto a velocidade mecânica
10
permanece no mesmo, pois a máquina continua em movimento, e assim se inicia o
processo da frenagem.
A energia no processo de frenagem por contra-corrente é convertida de mecânica
para elétrica, com a máquina operando como gerador. Essa energia elétrica gerada, no
entanto, não pode ser reaproveitada. Essa situação pode ser verificada nas equações a
seguir, onde se inicia numa situação em que a velocidade mecânica é menor que a
síncrona (nesse momento, ambas possuem o mesmo sentido). Em seguida, as equações
mostram o que ocorre com a mudança na sequência de fases.
Inicialmente:
Logo:
Após a inversão da sequência de fases, considerando a velocidade síncrona após
a inversão,
a nova velocidade mecânica, e o novo escorregamento, seguem as
equações:
Como no numerador haverá um valor negativo entre
e
, dividindo esse
valor pelo denominador, encontra-se um valor maior que 1 e menor que 2 para o
escorregamento, ou seja:
Observando o circuito do modelo do motor de indução (Figura 2.1), tem-se as
duas parcelas envolvendo a resistência rotórica:

: resistência no secundário devido às perdas no cobre.

(
): resistência relativa à parcela de energia elétrica convertida em
energia mecânica. Se positiva, a máquina opera como motor. Se
negativa, opera como gerador.
Sabe-se que
. Antes da inversão da sequência de fases, tem-se:
(
)
11
Depois da inversão da sequência de fases, com o valor de entre 1 e 2, essa
parcela muda de sinal, representando a mudança de operação da máquina para gerador,
como mostrado na equação:
(
)
Analisando a resistência equivalente total referente ao rotor, somando as
parcelas
e
(
) encontra-se:
(
)
Por meio dessa equação, sabendo que
, verifica-se que a resistência
equivalente possui valor positivo. A energia elétrica gerada, associada à essa resistência
equivalente, será totalmente dissipada por aquecimento através do Efeito Joule, portanto
não há possibilidade de reaproveitamento de energia.
Pode-se observar o circuito do modelo do motor de indução já com a parcela
⁄ na Figura 2.5:
Figura 2.5: Circuito do motor de indução equivalente
Pode-se calcular a energia dissipada no rotor de um motor de indução durante a
reversão de velocidade. Através do modelo equivalente do motor de indução, tem-se:

: Perdas por aquecimento no rotor, em

: Potência transformada em mecânica, em
(
)
Como essas resistências estão em série (vide Figura 2.1), a corrente circulante
por essas resistências é a mesma, portanto:
12
(
)
A razão entre essas potências será:
Em um sistema apenas com torque de inércia, tem-se:
Dessa forma, a energia de perdas no motor de indução (
de variação de velocidade será [9]:
(
) em qualquer situação
)
∫
(
(
)
)
∫
(
)
∫ (
(
onde é a inércia do sistema e
respectivamente.
e
)
)
(
)
(1)
são as velocidades angulares inicial e final,
No caso de frenagem por contra-corrente, tem-se:
A energia dissipada no rotor será:
Esse valor é igual a quatro vezes a energia cinética armazenada na velocidade
síncrona.
2.6.2) Frenagem regenerativa
13
O método da regeneração de energia ocorre na região da curva torquevelocidade em que
. Isso denota que a velocidade mecânica tem de ser maior que
a velocidade síncrona.
A energia regenerada pode ser utilizada para ser devolvida à rede elétrica ou
então armazenada em um banco de baterias ou de ultracapacitores. Em trens, pode ser
associada à frenagem mecânica para reduzir o desgaste do sistema de freios.
Observando a região do gráfico da máquina (Figura 2.3) onde o escorregamento
é um pouco maior que zero, observa-se que a velocidade mecânica é um pouco menor
que a síncrona. O inversor eletrônico permite diminuir a frequência do primário, e com
isso é possível instantaneamente chegar a um ponto de operação em que a velocidade
síncrona fica um pouco menor que a mecânica. Para mostrar o que ocorre, pode-se
verificar as equações, considerando as condições propostas:
Inicialmente:
Em seguida, quando o inversor de frequência diminui a frequência do primário,
considerando a nova velocidade síncrona, e a nova velocidade mecânica, tem-se as
equações:
O numerador da equação obtida será negativo, e quando se divide esse valor
pelo denominador, tem-se um resultado negativo. Portanto, o escorregamento terá o
valor:
Como a dinâmica do sistema mecânico costuma ser muito mais lenta que a
dinâmica elétrica, a velocidade mecânica não é alterada instantaneamente. Nesse novo
ponto de operação, o torque mecânico é negativo, e a frenagem se inicia. Para continuar
o processo da frenagem, basta reduzir a frequência do primário com o inversor, de tal
forma que a velocidade mecânica continue maior que a síncrona, e o escorregamento,
negativo.
A situação da mudança de frequência de operação no gráfico pode ser vista na
Figura 2.6:
14
Figura 2.6: Curvas Força x Velocidade com diferentes frequências de operação
Analisando agora o circuito do modelo do motor de indução, tem-se os
elementos
e
(
).
Como o escorregamento vem a ser negativo, o elemento
(
) também será
negativo, resultando na equação:
(
)
Portanto, a resistência equivalente negativa implica na máquina operando como
gerador, convertendo energia cinética em elétrica, a exemplo do que ocorria na
frenagem por contra-corrente.
Somando as parcelas
e
(
), fica
⁄ . Como
, tem-se:
Ou seja, a resistência equivalente total do rotor no modelo será negativa e,
portanto, diferente da frenagem por contra-corrente. Nesse caso haverá energia gerada
pela máquina e não totalmente dissipada, e essa energia pode ser utilizada para outros
fins.
O cálculo e a análise da situação de máxima potência a ser regenerada,
desprezando as perdas no estator e o ramo de magnetização, podem ser vistos nas
equações:
15
(
⁄
onde
é a potência do rotor e
Considerando a razão ⁄
)
é a tensão no rotor.
, constante:
(
)
Derivando a potência disponível no rotor (
) em relação à velocidade
síncrona e igualando essa derivada a zero, encontra-se a condição de velocidade para a
condição de máxima transferência de potência do rotor, o que pode ser observado nas
equações:
(
)
Observando as equações, percebe-se que para que a máquina opere com máxima
regeneração de energia, a velocidade síncrona deve ser equivalente à metade da
velocidade mecânica. Quanto mais próximo dessa velocidade o veículo operar, maior
será a energia regenerada.
Além dessa condição, a frenagem de um veículo, como o MagLev-Cobra, deve
considerar condições cinemáticas de operação impostas pelo tempo de frenagem e o
conforto dos passageiros.
Na operação do veículo para este trabalho, foi implementado um controle de
velocidade que permitiu desacelerações menos elevadas, tendo em vista que o projeto
do trem de levitação magnética tem como aplicação o transporte de passageiros.
2.6.3) Frenagem por corrente contínua (CC)
No trem de levitação magnética, o sistema de frenagem elétrica por injeção de
corrente contínua atua em conjunto com a frenagem mecânica. Devido às normas
existentes para veículos de transporte urbano, o mesmo deve operar obrigatoriamente
com algum tipo de frenagem mecânica.
A frenagem por corrente contínua ocorre quando a velocidade de operação do
motor (que deverá ser 5,56m/s, como será visto na seção 2.9) for reduzida para 1/40 do
16
seu valor original (ou seja, quando o veículo estiver quase parando), proporção que
costuma ser aplicada em transportes verticais. Nesse momento, a frequência do motor
será pequena, e o controle aplicará uma corrente contínua. Essa corrente provoca um
torque de equilíbrio, tornando a resultante de forças no motor nula.
A velocidade síncrona imposta durante a frenagem é considerada nula. A
expressão do escorregamento terá valor infinito, conforme calculado na equação:
Portanto, com o escorregamento infinito, a energia regenerada será nula (não
ocorrerá regeneração de energia):
Analisando a energia dissipada no rotor durante a frenagem por corrente
contínua, utilizando a equação obtida no item 2.6.1 na equação (1) para energia de
perdas em qualquer situação de variação de velocidade, tem-se:
(
)
(
)
Como a velocidade síncrona é nula, a energia dissipada resulta na equação:
(
)
(
(
)
)
Sabendo que na frenagem por corrente contínua as velocidades inicias
equivalem à velocidade síncrona antes da frenagem ( ), enquanto a velocidade final
será zero, conforme pode ser visto nas equações:
A energia dissipada no rotor será:
(
)
O valor de energia dissipada no rotor encontrada equivale exatamente à energia
cinética armazenada na velocidade síncrona. Isso comprova, novamente, que nessa
situação não ocorre regeneração de energia.
17
2.7) Circuito equivalente para o motor linear de indução
Um circuito equivalente para o motor linear de indução foi proposto por Duncan
[10]. Esse modelo tem sido importante devido à sua preocupação de se representar os
efeitos de extremidades através de um circuito equivalente. Esses efeitos resultam no
fato que, no movimento do primário, o secundário é continuamente substituído por um
novo material. Este material impede um aumento súbito do fluxo, permitindo apenas um
crescimento gradual da densidade de fluxo no entreferro.
O circuito equivalente referente ao modelo do motor linear de indução, por fase
e com valores referidos ao primário, levando em conta o efeito de extremidades, pode
ser observado na Figura 2.7:
Figura 2.7: Circuito equivalente do MIL considerando efeito de extremidades
Apresenta-se o significado de cada um dos elementos pertencentes ao circuito na
Tabela 2.2:
Tabela 2.2: Descrição dos elementos no modelo do motor linear de indução
Símbolo
Descrição
Resistência do primário
Indutância de dispersão do primário
Resistência do secundário refletida no primário
Indutância de dispersão do secundário refletida no primário
Indutância de magnetização
Frequência síncrona
Frequência do secundário
Indicador do efeito de extremidades no motor linear
Em relação ao modelo do motor de indução rotativo, verifica-se a existência de
uma grandeza , adimensional, presente nos elementos do ramo de magnetização do
circuito. Através de uma rápida análise nas equações posteriores, pode-se observar seu
significado e sua influência.
Dada a constante de tempo
:
18
(
Sendo
será:
)
a velocidade do primário, a distância percorrida pelo primário no tempo
O tempo para o motor atravessar um ponto no trilho, sendo
motor, será:
o comprimento do
A grandeza , adimensional, representa a razão entre as constantes
visto na equação:
(
e
como
)
Nota-se que a grandeza depende do valor da velocidade . Na velocidade
zero, tende a ser infinitamente aumentado. Observando o ramo de magnetização do
circuito, a resistência equivalente tende a zero, enquanto a indutância equivalente tende
ao valor de
, conforme indicado nas equações. Nesse caso, não ocorre influência do
efeito de extremidades no motor, não há perda de potência e nem diminuição do campo
magnético no entreferro. O modelo ainda se assemelharia ao do motor rotativo, devido à
não-influência dos efeitos de extremidades.
(
)
(
)
Com o crescimento da velocidade, diminui. Se a velocidade tende ao infinito,
tende a zero, aumentando a resistência do ramo de magnetização até o seu valor
máximo, enquanto a indutância tenderá a zero, conforme visto nas equações. Haverá
perdas elevadas devido ao valor máximo da resistência no ramo de magnetização, e
queda na magnetização devido ao valor nulo de indutância. Ou seja, quanto maior a
velocidade, mais significativo será o efeito de extremidades.
(
)
19
(
)
Dependendo do material do secundário e das dimensões do motor,
velocidade constante, representada pela equação:
(
será uma
)
Analisando as potências envolvidas no modelo, a potência eletromagnética total
desenvolvida pelo motor (
) e a potência do ramo de magnetização ( ) são dadas
nas equações:
(
)
Tem-se, então, um modelo consistente para o motor linear de indução com a
existência dos efeitos de extremidades, que conforme observado serão relevantes apenas
quando o motor se encontrar em velocidades elevadas.
2.8) Equações cinemáticas do movimento do veículo
A modelagem do trem roda-trilho convencional se apresenta bastante complexa,
tendo de se considerar forças de resistência devido à curvatura do percurso, forças de
arrasto aerodinâmico e forças de resistência oriundas da diferença de alinhamento entre
os eixos dos vagões.
Já o trem de levitação magnética para transporte urbano de baixa velocidade
pode desconsiderar esses fatores devido aos seus aspectos construtivos, resultando numa
modelagem matemática bem mais simples.
Inicialmente considera-se o deslocamento do veículo contendo rampa de
aceleração, velocidade nominal e rampa de desaceleração. Através de uma análise
cinemática para corpos com aceleração constante do movimento linear, pode-se
encontrar diversas equações, relativas ao tempo de aceleração ( ), tempo de
desaceleração ( ), tempo de velocidade nominal ( ), considerando certa aceleração
( ), desaceleração ( ) e velocidade nominal (
).
20
As distâncias percorridas na trajetória de aceleração (
velocidade nominal ( ) são:
), desaceleração (
)e
Considerando velocidade ( ) nula na equação abaixo, a aceleração é obtida em
função da velocidade inicial ( ) e do tempo ( ).
→
| |
Em seguida, aplicando na equação da posição, onde
inicial, encontra-se:
(
(
a posição
)
(
Supondo um intervalo de tempo
é a posição e
)
obtém-se:
)
Por fim, a aceleração em função da posição e da velocidade inicial fica:
Vem sendo construída uma linha de testes na UFRJ para a operação do MagLev
Cobra. O valor estipulado para o tempo total do percurso é de 40s, possui uma
21
distância do percurso total
inclinação de 0.89% [3].
de 200m, velocidade nominal
de 5.56m/s e
22
Capítulo 3
Manual do inversor CFW-11
Com o intuito de investigar o potencial de regeneração de energia do MagLevCobra, optou-se por utilizar dois primários do motor linear operando simultaneamente.
Um dos primários acoplado a um módulo do veículo e operando em uma pista plana de
doze metros de comprimento, e o outro acoplado a uma plataforma experimental
operando sobre uma rampa de seis metros. O inversor utilizado na aplicação da
operação de dois veículos (módulo e plataforma) em movimento, em diferentes
percursos ao mesmo tempo, será o CFW11. Aqui são colocadas as informações
necessárias para a configuração das funções e parâmetros mais relevantes no
procedimento experimental.
3.1) Conexões de controle
Alguns conceitos como as conexões de controle, tais quais as entradas e saídas
analógicas e digitais, estão contidos no manual, e essas conexões devem ser feitas no
conector XC1 do Cartão Eletrônico de Controle CC11. Será dada maior ênfase às
entradas digitais, amplamente utilizadas na prática.
O inversor CFW11 dispões de seis portas para entradas digitais no cartão de
controle. É possível verificar o estado das entradas digitais através de parâmetros da
Interface Homem-Máquina (IHM). Algumas dessas seis possuem funções préprogramadas, que podem ou não ser mantidas pelo usuário. Através das entradas podese implementar acionamentos típicos utilizando botoeiras a dois fios, com o uso da
função “Gira-Pára”, por exemplo. As funções e conexões de controle são apresentadas
na Tabela 3.1:
Tabela 3.1: Conexões de controle do CFW-11
23
3.2) Interface Homem-Máquina IHM – CFW11
Com a IHM pode-se fazer o comando do inversor, a visualização e o ajuste de
todos os parâmetros. Sua forma de navegação é semelhante à de telefones celulares,
com opção de acesso sequencial aos parâmetros, ou então através de grupos pelo Menu
(Figura 3.1):
Figura 3.1: IHM e suas funções
Quando energiza-se o inversor, o display vai para o modo monitoração. As
informações contidas incluem velocidade do motor, corrente, frequência de saída,
indicação do modo e do status do inversor, sentido de giro, hora e menu. Através do
IHM, pode-se monitorar e ajustar todos os parâmetros do inversor.
3.3) Manual do CLP
O CFW-11 possui um Controlador Lógico Programável (CLP) servindo aos
interesses do usuário. Algumas versões possuem o PLC-11 e outras, o Soft PLC. Em
relação ao manual, não há diferenças significativas, portanto será visto o manual do Soft
PLC.
O Soft PLC é um recurso com a funcionalidade de um controlador lógico
programável, permitindo que aplicativos, chamados de programas do usuário, sejam
implementados pelo usuário do CFW11.
As características mais relevantes do Soft PLC são:
24




Programação em linguagem Ladder, utilizando o software WLP;
Acesso a todos os parâmetros e I/O’s do CFW-11;
Blocos do CLP, Matemáticos e de Controle;
Transferência e monitoração on-line do software aplicativo através da
entrada USB;
Essas são as características mais relevantes no que diz respeito à necessidade
deste trabalho, excluindo outros detalhes mais técnicos e que fogem do objetivo
principal do trabalho.
Algumas definições importantes contidas no manual serão brevemente
explicadas a seguir.
3.3.1) Marcadores Voláteis (Variáveis)
Consistem em variáveis que podem ser utilizadas pelo usuário para executar as
lógicas do aplicativo. Podem ser Marcadores de Bit (1 bit), Marcadores de Word (16
bits) ou Marcadores de Float (32 bits). Pode-se verificar na Tabela 3.2 o seu mapa de
memória:
Tabela 3.2: Mapa de memória dos Marcadores Voláteis
3.3.2) Marcadores de sistema
Consistem em variáveis especiais, permitindo ao usuário monitorar e alterar
dados do inversor, disponíveis ou não, nos parâmetros. Podem ser Marcadores de Bit do
Sistema (1 bit) ou Marcadores de Word do Sistema (16 bits). Observa-se o mapa de
memória dos marcadores de bit na tabela 3.3.
25
Tabela 3.3: Mapa de memória dos Marcadores de Bit do Sistema ímpares
3.3.3) Resumo dos blocos de função
Os blocos de função mais relevantes para a nossa prática são contatos e bobinas,
portanto segue uma rápida explicação sobre suas funções.
a) Contatos
Carregam para a pilha o conteúdo de um dado programado (0 ou 1), que pode
ser do tipo: Marcador de Bit, Entrada ou Saída Digital, Parâmetro do usuário ou
Marcador de Bit do Sistema (leitura). São verificados os principais tipos de contatos nas
Figuras 3.2 e 3.3:
Figura 3.2: Contato normalmente aberto
Figura 3.3: Contato normalmente fechado
26
b) Bobinas
Salvam o conteúdo da pilha no dado programado (0 ou 1), que pode ser do tipo:
Marcador de Bit, Saída Digital, Parâmetro do Usuário ou Marcador de Bit do Sistema
(escrita). As bobinas utilizadas no programa do usuário podem ser vistas nas Figuras
3.4, 3.5, 3.6 e 3.7:
Figura 3.4: Bobina normal
Figura 3.5: Bobina negada
Figura 3.6: Seta Bobina
Figura 3.7: Reseta Bobina
3.4) Modo de controle V/f escalar
3.4.1) Manual
Existem diversos modos de controle possíveis de serem utilizados pelo inversor
CFW-11. Serão abordados nesse item o modo V/f de controle escalar, pela sua
simplicidade. Modo mais simples de controle por tensão/frequência imposta, trata-se de
um controle baseado em uma curva relacionando a frequência e a tensão de saída. O
inversor funciona como fonte de tensão gerando valores de frequência e tensão de
acordo com a curva desejada. Através da curva V/f ajustável, torna-se possível o ajuste,
para motores padrão 50Hz, 60Hz ou especiais.
A necessidade de poucas modificações em relação ao ajuste padrão de fábrica e
a colocação rápida em funcionamento tornam-se importantes vantagens do controle V/f
escalar. Suas principais aplicações são:

Acionamento de vários motores com o mesmo inversor
27


Corrente nominal do motor é menor que 1/3 da corrente nominal do
inversor
Para propósito de testes, liga-se o inversor sem motor ou com um motor
pequeno sem carga
Pode-se observar o diagrama de blocos do controle na Figura 3.8:
Figura 3.8: Diagrama de blocos do controle V/f escalar
3.4.2) Programa do usuário
O programa do usuário, implementado em linguagem Ladder, foi desenvolvido
no software WLP (WEG Ladder Programmer). O programa tinha o objetivo de definir a
trajetória de cada veículo, incluindo o período de desaceleração, contando com os
sensores. Como são dois veículos, dois programas foram implementados, um para cada.
O percurso da via plana, controlado pelo Soft PLC, possuía um acionamento por
botão e iniciava a frenagem através do sensor. O programa pode ser mostrado nas
Figuras 3.9 e 3.10:
28
Figura 3.9: Programa referente à via plana – Sentido frente
29
Figura 3.10: Programa referente à via plana – Sentido ré
O programa do usuário referente ao plano inclinado, controlado pelo PLC 11,
também era acionado por um botão, e desacelerava durante a descida através de um
sensor. Pode-se observar o programa nas Figuras 3.11, 3.12, 3.13 e 3.14:
30
Figura 3.11: Parâmetros do programa do usuário – plano inclinado
Figura 3.12: Operação de descida – plano inclinado
31
Figura 3.13: Operação de parada na descida - plano inclinado
Figura 3.14: Operação de subida – plano inclinado
3.5) Função Trace
A Função Trace vem a ser utilizada para registrar variáveis de interesse
envolvendo o CFW-11, tais como corrente, tensão e velocidade, quando ocorre um
determinado evento no sistema. Esse evento é conhecido como “trigger” ou disparo, por
desencadear o processo de armazenamento de dados. Essas variáveis podem ser
visualizadas em forma de gráficos pelo software SuperDrive G2 em um computador
conectado via USB com o CFW-11.
32
Existem alguns parâmetros relacionados ao Trace que tiveram de ser observados
para a coleta dos dados na operação, vistos a seguir:
3.5.1) Fonte de trigger para o Trace (P550)
Seleciona a variável utilizada como fonte de trigger para o trace. Na operação, a
fonte escolhida foi a corrente no motor.
3.5.2) Valor de trigger para o Trace (P551)
Define o valor para comparação com a variável selecionada no item anterior. Na
prática, a porcentagem foi definida como 5%.
3.5.3) Condição de trigger para o Trace (P552)
Consiste na condição para iniciar a aquisição dos sinais. Verificamos na Tabela
3.4 as opções disponíveis. A condição escolhida na prática foi P550>P551.
Tabela 3.4: Condições de trigger para o Trace
3.5.4) Período de amostragem do Trace (P553)
Define o período de amostragem (tempo entre dois pontos de amostra) como um
múltiplo de 200µs. O período escolhido oscilou entre 20 e 35.
3.5.5) Pré-trigger do Trace (P554)
Percentual de dados a serem registrados antes do evento da ocorrência do
trigger. O percentual escolhido foi de 2%.
3.5.6) Memória máxima para o Trace (P559)
Define a quantidade de memória que o usuário deseja reservar para pontos da
Função Trace. A faixa de ajuste, de 0 a 100%, corresponde a solicitar reserva de 0 a
15KB para a Função Trace. O percentual escolhido foi de 100%.
3.5.7) CH1: Canal 1 do Trace (P561)
Variável a ser armazenada no canal 1 da Função Trace. O sinal escolhido foi a
frequência do motor.
Veja na Tabela 3.5 os sinais possíveis de serem armazenados nos 4 canais do
Trace:
33
Tabela 3.5: Sinais possíveis de serem obtidos pelo Trace
3.5.8) CH2: Canal 2 do Trace (P562)
Variável a ser armazenada no canal 2 da Função Trace. O sinal escolhido foi a
“Tensão de Saída”.
3.5.9) CH3: Canal 3 do Trace (P563)
Variável a ser armazenada no canal 3 da Função Trace. O sinal escolhido foi a
“Corrente no Motor”.
3.5.10) CH4: Canal 4 do Trace (P564)
Variável a ser armazenada no canal 4 da Função Trace. O sinal escolhido foi a
“Tensão no Barramento CC”.
Na Tabela 3.6 são observados os canais e seus respectivos sinais a serem
armazenados neste trabalho:
Tabela 3.6: Sinais obtidos nos canais do Trace
Canal
1
2
3
4
Sinal
Frequência do motor
Tensão de saída
Corrente do motor
Tensão no Barramento CC
3.6) Função Trend
Assim como o Trace, o Trend também possui uma função de monitorar
determinadas variáveis de interesse do usuário. No entanto, o Trend não armazena os
dados, servindo apenas para o usuário que desejar um rápido monitoramento de sinais.
O Trend não possui parâmetros a serem selecionados, e até por essa estrutura de
parametrização mais simples, possui sua importância quando o usuário ainda se
encontra no estágio de observação de seus sinais de interesse. Também possui quatro
canais disponíveis.
34
Capítulo 4
Operação do trem de levitação magnética
4.1) Teste dos sensores e atuadores
4.1.1) Informações
Foi necessário realizar a identificação entre os sensores instalados no inversor
conectado ao veículo da pista plana, com as suas respectivas entradas digitais no Cartão
Eletrônico de Controle CC11 do CFW-11. Os sensores são do tipo indutivo, que atuam
quando reconhecem a proximidade de material ferromagnético. Nessa prática, foram
utilizadas peças de ferro (figura 4.1).
Haverá um motor linear em cada pista: uma plana, e outra inclinada. Na pista
plana, os sensores serão os responsáveis por iniciar a frenagem do veículo, ao encontrar
peças de ferro dispostas ao longo da pista. A ideia é que os dois veículos devem
alcançar os respectivos pontos de frenagem ao mesmo tempo, tornando necessário
posicionar o sensor da pista inclinada alinhado com as peças de ferro colocadas na pista
plana.
Haviam dois sensores indutivos instalados no veículo da pista plana, e cada um
realizaria uma função específica no programa do usuário do PLC. Foi realizado um teste
com o intuito de saber quais eram as entradas conectadas aos sensores. A importância
desse teste também consiste em definir as entradas digitais (também chamadas de
bornes) utilizadas e o componente instalado em cada uma delas. Outro motivo
importante é prevenir o problema das possíveis mudanças de posição das peças
metálicas.
Observando o Cartão Eletrônico de Controle, são verificadas as entradas 17 e 18
como aquelas em que estavam conectados os dois sensores. Uma informação importante
é que os sensores atuam em tensão baixa, ou seja, quando encontram o atuador, passam
a ter em seus terminais uma tensão mais baixa. Os sensores não devem estar alinhados
para que não sejam acionados simultaneamente no programa do usuário descrito na
seção 3.4.2.
Pode-se verificar uma peça metálica (atuador) composta de material
ferromagnético, utilizada para acionar os sensores indutivos (Figura 4.1), e um esboço
da via plana (Figura 4.2), contendo os dois sensores, que serão chamados de 1 e 2, bem
como o sentido da pista que será utilizado no experimento:
35
Figura 4.1: Material ferromagnético na via plana
Figura 4.2: Sensores 1 e 2 no veículo da via plana, vistos de cima
4.1.2) Procedimentos e resultados
O instrumento utilizado para medir a tensão entre os terminais de cada sensor,
no momento em que ele atua, foi o voltímetro. A referência será a entrada 11 (tabela
3.1), o ponto comum do Cartão Eletrônico de Controle. Para tal, basta posicionar o
veículo em três posições:
a) Veículo posicionado de tal forma que nenhum dos sensores estejam
próximos do atuador.
As medidas encontradas para as tensões nos terminais dos sensores são
mostradas na Tabela 4.1. Esse teste permite observar a medida da tensão que se
encontra nos terminais dos sensores quando eles não estão atuando.
Tabela 4.1: Medidas das tensões nos sensores - I
Terminais
17-11
18-11
Medida (V)
24,96
25,04
36
b) Veículo posicionado com o sensor 1 próximo ao atuador
As medidas das tensões nos terminais dos sensores nessa situação podem ser
vistas na Tabela 4.2. Pode ser percebido que o sensor do terminal 17 atuou, pois sua
tensão possui baixo valor.
Tabela 4.2: Medidas das tensões nos sensores - II
Terminais
17-11
18-11
Medida (V)
1,478
25,04
c) Veículo posicionado com o sensor 2 próximo ao atuador
Os valores de tensão medidos para essa posição do veículo podem ser vistos na
Tabela 4.3. Dessa vez, apenas o sensor do terminal 18 atuou, por isso o valor reduzido
de tensão.
Tabela 4.3: Medidas das tensões nos sensores - III
Terminais
17-11
18-11
Medida (V)
24,96
1,537
4.1.3) Análise dos resultados
Conclui-se que a entrada digital 17 corresponde ao sensor 1, enquanto o sensor 2
está ligado à entrada digital 18.
Através dessa informação, pode ser especificada a função de cada um dos
sensores, no programa do usuário do CLP. O veículo da pista plana fará o percurso
partindo do início do trajeto da figura (sentido fim do trajeto). O sensor 1 deve iniciar a
frenagem do veículo quando ele se movimentar no sentido início do trajeto. O sensor 2
deve desacelerar o veículo quando este se movimentar no sentido fim do trajeto.
Como o sentido do veículo a ser utilizado durante o procedimento experimental
será aquele mostrado na Figura 4.2, será necessário que o atuador 2 esteja colocado
sempre na posição correta.
4.2) Definição das portas das entradas digitais do Cartão de Controle
Conforme observado no item 3.1, existem seis portas (bornes) disponíveis para
entradas digitais no Conetor XC1 do Cartão Eletrônico de Controle. Destas seis, apenas
quatro foram utilizadas.
São percebidas duas entradas digitais conectadas a sensores. As outras duas
destinam-se a botões de ligar para acionar o movimento do veículo da pista plana.
37
Como há dois sentidos na pista, serão colocados dois botões para acionamentos em
ambos os sentidos. A tabela mostra os bornes e suas respectivas ligações de interesse:
Tabela 4.4: Ligações das portas no CFW-11
Borne
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Função
Ponto Comum
Ground
Vcc
Sem função
Botão liga no sentido fim do trajeto
Botão liga no sentido início do trajeto
Sensor da frenagem no sentido início do trajeto
Sensor da frenagem no sentido fim do trajeto
Sem função
Sem função
4.3) Operação dos veículos
4.3.1) Objetivo e montagem
O objetivo é fazer uma análise da operação do MagLev Cobra. Isso será feito
através da medida dos sinais relativos ao funcionamento de dois motores lineares de
indução movimentando dois veículos. O ponto de interesse é a verificação da
regeneração de energia obtida, além de outras grandezas físicas significativas.
A fonte de alimentação elétrica do veículo é a subestação situada no Bloco I do
Centro de Tecnologia. Desta subestação parte uma rede trifásica. A alimentação
trifásica energiza o conversor bidirecional WEG. A saída do conversor está conectada a
um barramento de corrente contínua de 545V. A partir do barramento CC a energia é
transferida aos veículos (Módulo do MagLev e plataforma) através de escovas coletoras.
Em cada veículo está presente um inversor CFW-11 responsável pela redução da
frequência de alimentação para que os motores iniciem sua frenagem regenerativa, em
conjunto com a frenagem mecânica, reduzindo a velocidade dos veículos até sua parada.
A via do plano inclinado possui comprimento de 6m, enquanto o comprimento
da via plana é de 12m. No entanto, como os veículos supostamente iniciam sua
frenagem no mesmo instante, será considerado o percurso da via plana com um
comprimento de 6m, distância percorrida até o encontro com o sensor e o início da
frenagem.
Analisando o inversor CFW-11 instalado no motor do veículo da pista plana,
constatamos que o CLP instalado no mesmo é o Soft PLC. O programa do usuário nos
permite alterar parâmetros como tempo de desaceleração e velocidade, o que será feito
para se verificar os sinais de interesse em diferentes condições e suas consequências na
regeneração de energia. A massa do veículo se manteve constante durante todo o
experimento. A massa do plano e a inclinação “ ” são dadas a seguir:
38


Observa-se o veículo na via plana na Figura 4.3.
Figura 4.3: Veículo na via plana
O inversor instalado no motor do plano inclinado possuía o PLC 11 instalado,
com alguns parâmetros também a serem alterados em relação ao Soft PLC. Pode-se
verificar o veículo no plano inclinado na Figura 4.4.
Figura 4.4: Veículo no plano inclinado
39
No veículo da rampa, foram parametrizados, pelo inversor, sua velocidade,
aceleração e desaceleração. Através da alteração da massa do veículo e da inclinação da
rampa, serão feitas novas parametrizações, resultando em quatro etapas de medições,
indicadas na Tabela 4.5:
Tabela 4.5: Massa e inclinação do veículo da rampa
Massa do veículo da rampa (kg)
450
825
450
825
Inclinação da rampa
12,5%
12,5%
15%
15%
A massa foi alterada com incremento de 25kg, até que se alcançasse a massa
desejada. A inclinação da pista foi variada através de um guincho. A rampa pode ser
vista na Figura 4.5, com as três possibilidades de inclinação possíveis. No caso da
figura, a pista está com a inclinação mais alta possível, de 15%. Lembrando que nesta
prática, não foram realizadas medidas com a inclinação mais baixa, de 10%, por já
haver uma quantidade suficiente de dados.
Figura 4.5: Plano inclinado com as três inclinações possíveis
4.3.2) Obtenção e validação de dados
Os dados foram obtidos na Função Trace do SuperDrive G2, como citado no
item 3.5 do trabalho. Em quatro canais, serão medidos valores de frequência do motor,
tensão de saída, corrente no motor e tensão no link (malha intermediária), durante todo
o percurso de ambos os veículos, e em cada um deles. Esses dados são gerados em
formato DAT. Posteriormente, os mesmos são transferidos para o software Microsoft
40
Excel, para finalmente serem armazenados no Matlab, onde serão realizadas as
operações necessárias.
A corrente na malha intermediária será obtida através de um osciloscópio, com
um de seus canais ligados diretamente na malha. A forma de obtenção da corrente no
link DC será tratada na seção 4.6.
Sempre que forem realizadas as medidas, deve-se verificar o gráfico de
(frequência do motor x tempo, no canal 1), no qual serão encontradas figuras em forma
de trapézio, também conhecidos como trapézios de frequência. No caso do veículo da
pista inclinada, pode-se verificar um exemplo no gráfico
na Figura 4.6, já
convertido para o Matlab.
2.5
2
f(Hz)
1.5
1
0.5
0
0
2
4
Figura 4.6: Gráfico
6
8
t(s)
10
12
14
16
do plano inclinado no Matlab
Verifica-se a existência de dois trapézios na figura. Para validar os dados, é
necessário sempre verificar o gráfico
para ter certeza de que há pelo menos dois
trapézios completos. A explicação para essa necessidade pode ser encontrada ao ser
analisada a relação do gráfico com a trajetória do veículo. O primeiro trapézio se
relaciona com a subida do veículo na rampa. Já o segundo trapézio, tem relação com a
descida do veículo. Sua desaceleração começa a partir do momento em que a frequência
começa a decair, momento esse em que o sensor é acionado. A dinâmica do veículo do
plano inclinado pode ser vista na Figura 4.7:
41
Figura 4.7: Dinâmica do veículo do plano inclinado
No caso da pista plana, os gráficos
possuem forma de um único trapézio, um
pouco diferente do verificado no plano inclinado, pois a trajetória é distinta. O veículo
da pista plana inicia seu percurso no instante em que o veículo do plano inclinado
começa sua desaceleração. A partir desse momento, os veículos operam
simultaneamente.
Portanto, o veículo do plano se movimenta em apenas um único sentido. Possui
um tempo de aceleração, em seguida adquire velocidade constante e depois inicia a
desaceleração ao encontrar o sensor, freando até sua parada. O gráfico
pode ser
visto na Figura 4.8.
3.5
3
2.5
f(Hz)
2
1.5
1
0.5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
t(s)
Figura 4.8: Gráfico
da pista plana no Matlab
42
A dinâmica do veículo na via plana pode ser observada na Figura 4.9.
Figura 4.9: Dinâmica do veículo da via plana
4.3.3) Material utilizado





2 inversores eletrônicos WEG modelo CFW-11
2 computadores com os softwares SuperGDrive e WLP
1 Osciloscópio
Fios para conexão
Interruptores para acionamentos no CLP
4.3.4) Parametrização dos inversores no experimento
A trajetória do veículo da rampa inicia com a subida na mesma. Quando chega
ao topo, inicia sua descida, ao mesmo tempo em que o veículo do plano começa seu
trajeto. Ambos desaceleram a partir do mesmo instante, até pararem totalmente.
O inversor do plano inclinado tem seus parâmetros de velocidade, aceleração e
desaceleração na descida estabelecidos ao início do experimento. Uma massa e
inclinação também são fixadas. Paralelamente, o inversor do plano terá seus parâmetros
de tempo de desaceleração e velocidade variados no inversor a cada medição.
Após uma tomada de dados, o veículo da rampa tem sua massa e/ou inclinação
alteradas. Por consequência, seus parâmetros de velocidade, aceleração e desaceleração
serão também alterados, para que se tenha uma nova tomada de dados. Em paralelo, o
inversor da via plana tem seus parâmetros variados a cada medição, conforme
anteriormente. Após os veículos operarem simultaneamente e tomados os dados, repetese o processo, para as quatro combinações de massa e inclinação do veículo da rampa,
citadas na Tabela 4.5.
Os dados de tempo de aceleração, tempo de desaceleração e velocidade média
(referentes à descida, quando no motor da rampa) serão calculados a partir dos dados
obtidos. No item 4.4 há a descrição dos cálculos, e em 4.5 são mostrados os resultados e
sua análise.
43
4.4) Cálculo do tempo de aceleração, tempo de desaceleração e
velocidade
4.4.1) Plano inclinado
Os valores a serem calculados a partir dos dados obtidos serão oriundos dos
gráficos de
de cada conjunto de dados. Esses valores serão:
a) Tempo de aceleração na descida ( )
b) Tempo de desaceleração na descida ( )
c) Velocidade média na descida ( )
O tempo de aceleração na descida pode ser obtido ao se observar a região de
aceleração no segundo trapézio, onde obtém-se os instantes de tempo inicial e final.
Então, basta calcular a diferença entre o instante de tempo final e o inicial.


Tempo inicial: instante em que a frequência sai do valor zero.
Tempo final: instante em que a frequência atingir o valor onde a mesma
passa a ser constante.
O tempo de desaceleração na descida ao se observar a região de desaceleração
no segundo trapézio, obtendo os instantes de tempo inicial e final. Logo, calcula-se a
diferença entre o instante de tempo final e o inicial.


Tempo inicial: instante em que a frequência começa a decair.
Tempo final: instante em que a frequência atingir o valor zero, no fim do
decaimento.
A velocidade média na descida será obtida através do segundo trapézio do
gráfico. Corresponde à razão entre a distância percorrida pelo veículo na descida (6
metros) representando o comprimento da pista, e o tempo que o veículo leva para descer
até o fim da via. Pode-se verificar como os instantes de tempo inicial e final:


Tempo inicial ( ): instante em que a frequência atinge um valor maior
que zero, no início do trapézio.
Tempo final ( ): instante em que a frequência atinge o valor zero, no fim
do trapézio.
A equação da velocidade média pode ser observada a seguir.
(
)
4.4.2) Via plana
Os valores a serem calculados a partir dos dados obtidos referentes à via plana
serão:
44
a)
b)
c)
Tempo de aceleração ( )
Tempo de desaceleração ( )
Velocidade média ( )
Os valores serão análogos ao item 4.4.1. O gráfico
será utilizado para o
cálculo das grandezas citadas. Como há um único trapézio de frequência nos dados do
motor da via plana, este trapézio será aquele utilizado para os cálculos.
4.5) Resultados e análise dos cálculos dos parâmetros
4.5.1)
e
Através das equações mostradas na seção 4.4, foram calculados os parâmetros
citados para ambas as pistas. Os resultados são mostrados nas Tabelas 4.6 e 4.7.
Lembrando que as tabelas estão relacionadas; o caso 1 de ambas as tabelas se refere à
mesma situação, em pistas distintas, assim como o caso 2, e assim por diante.
Primeiramente, os dados da Tabela 4.6 mostram aproximadamente os mesmos
valores em cada linha de medição. Isso se explica devido ao veículo da rampa não ter
tido seus parâmetros alterados no inversor. O veículo do plano sofreu alterações a cada
medição, portanto serão observados os seus dados, da Tabela 4.7.
De forma que seja obtida a condição de maior regeneração de energia possível,
dentre os parâmetros mostrados, serão analisadas as situações onde o parâmetro
velocidade for o maior e o menor da Tabela 4.7. O motivo será a verificação da relação
entre a velocidade e a energia cinética. Para analisar a quantidade de energia
regenerada, deve-se verificar a tensão máxima no link DC obtida nos gráficos. Quanto
maior a tensão, maior a regeneração. A maior energia regenerada não necessariamente
será aquela com a maior velocidade. Conforme foi verificado na seção 2.6.2, o ponto de
máxima potência regenerada ocorre quando a velocidade síncrona assume a metade do
valor da velocidade mecânica. Dessa forma, o perfil da velocidade de desaceleração
desempenha um papel importante no processo de regeneração da energia.
Tabela 4.6: Parâmetros calculados para o item 4.5.1 no plano inclinado
Casos
1
2
3
4
5
6
7
(s)
0,450
0,450
0,450
0,450
0,450
0,450
0,450
(s)
0,450
0,450
0,450
0,450
0,450
0,450
0,450
(m/s)
1,37
1,36
1,37
1,36
1,37
1,37
1,37
45
Tabela 4.7: Parâmetros calculados para o item 4.5.1 na via plana
Casos
1
2
3
4
5
6
7
(s)
0,666
0,428
0,433
0,864
0,561
0,564
0,692
(s)
1,32
1,72
2,56
1,72
2,24
3,35
2,75
(m/s)
1,06
1,05
1,20
1,11
1,04
0,871
1,02
Foram armazenados os dados no Matlab, em seguida foram plotados os gráficos
para ambas as pistas, contendo a corrente eficaz CA no motor em relação ao tempo, e a
tensão na malha intermediária (link DC) em relação ao tempo para alguns dos casos
mostrados na tabela. Os casos mostrados serão o de menor e o de maior velocidade da
tabela da pista plana.
O tempo inicial do gráfico da pista inclinada será o começo da descida, indo até
o fim da mesma. Já na pista plana, será mostrado o gráfico de toda a trajetória, até sua
parada. Como o veículo do plano se localizava em uma via de maior comprimento, sua
trajetória durou mais tempo, bem como a sua frenagem. Outra observação é que a
medida da tensão na malha intermediária da rampa e do plano foi feita em dois
computadores diferentes, por isso há uma pequena diferença de valores em um mesmo
instante de tempo.
Podem ser observados nas Figuras 4.10 e 4.11 os gráficos da rampa e do plano
para a menor velocidade do veículo do plano (caso 6):
46
Figura 4.10: Tensão e corrente na rampa para o caso 6 da Tabela 4.6
Figura 4.11: Tensão e corrente no plano para o caso 6 da Tabela 4.7
Identifica-se a região de desaceleração como aquela em que a tensão no link DC
tem um aumento substancial, ao mesmo tempo em que a corrente no motor tem uma
queda significativa, e ambos atingem seus valores de máximo e mínimo,
respectivamente. Essa região pode ser vista bem claramente em ambos os gráficos.
A corrente eficaz CA do gráfico da rampa não se inicia em zero, pois o veículo
já havia realizado a subida. Sua corrente cai até o valor mostrado no começo do gráfico
(fim da subida), e a corrente volta a subir no início da descida.
47
O valor máximo encontrado para a tensão na malha intermediária foi de 534,3V,
podendo ser visto no gráfico do plano, que teve uma frenagem mais demorada.
A seguir observa-se os gráficos para a maior velocidade do veículo do plano
(caso 3, Figuras 4.12 e 4.13).
Figura 4.12: Tensão e corrente na rampa para o caso 3 da Tabela 4.6
Figura 4.13: Tensão e corrente no plano para o caso 3 da Tabela 4.7
A maior tensão no link DC obtida foi de 536,6V. Comparativamente, maior que
na situação de velocidade mais baixa. Portanto, de acordo com a proporcionalidade
entre velocidade e energia cinética.
48
4.5.2)
e
Seguem os dados calculados nas Tabelas 4.8 e 4.9:
Tabela 4.8: Parâmetros calculados para o item 4.5.2 para o plano inclinado
Casos
1
2
3
4
5
6
7
8
(s)
0,670
0,670
0,670
0,670
0,660
0,660
0,660
0,670
(s)
0,670
0,670
0,670
0,670
0,670
0,670
0,660
0,670
(m/s)
1,98
1,97
1,97
1,96
1,97
1,97
1,96
1,97
Tabela 4.9: Parâmetros calculados para o item 4.5.2 para a via plana
Casos
1
2
3
4
5
6
7
8
(s)
0,432
0,433
0,429
0,563
0,560
0,562
0,691
0,692
(s)
0,861
1,72
2,31
1,12
2,24
3,35
1,38
2,76
(m/s)
1,19
1,02
0,880
1,31
1,05
0,887
1,34
1,02
Dados os valores, serão observados os gráficos para a menor e a maior
velocidade da tabela 4.9. As Figuras 4.14 e 4.15 mostram os gráficos da rampa e do
plano para a menor velocidade (caso 3).
49
Figura 4.14: Tensão e corrente na rampa para o caso 3 da Tabela 4.8
Figura 4.15: Tensão e corrente no plano para o caso 3 da Tabela 4.9
Observando a região de desaceleração dos gráficos, a maior tensão no link DC
encontrada foi de 547,1V.
As Figuras 4.16 e 4.17 mostram os gráficos de tensão na malha intermediária e
corrente eficaz CA no motor, referentes à maior velocidade (caso 7).
50
Figura 4.16: Tensão e corrente na rampa para o caso 7 da Tabela 4.8
Figura 4.17: Tensão e corrente na rampa para o caso 7 da Tabela 4.9
Através dos gráficos, verificou-se a maior tensão no link DC com o valor de
536,7V. Dessa vez, o caso de menor velocidade mostrou uma tensão no link mais
elevada. Isso se deve, provavelmente, ao perfil de desaceleração da medida, que
favoreceu a possibilidade de uma maior regeneração para o caso 3.
4.5.3)
e
Seguem os dados calculados nas Tabelas 4.10 e 4.11:
51
Tabela 4.10: Parâmetros calculados para o item 4.5.3 no plano inclinado
Casos
1
2
3
4
5
6
7
(s)
0,770
0,780
0,780
0,780
0,770
0,770
0,780
(s)
0,260
0,270
0,270
0,260
0,260
0,270
0,270
(m/s)
1,82
1,81
1,83
1,83
1,82
1,82
1,81
Tabela 4.11: Parâmetros calculados para o item 4.5.3 na via plana
Casos
1
2
3
4
5
6
7
(s)
0,432
0,432
0,432
0,564
0,560
0,692
0,692
(s)
0,860
1,72
2,58
1,12
2,24
1,38
2,76
(m/s)
1,23
1,03
0,907
1,37
1,07
1,38
1,04
São mostrados os gráficos de corrente e tensão referentes à menor velocidade da
tabela 4.11 (caso 3) nas Figuras 4.18 e 4.19.
Figura 4.18: Tensão e corrente na rampa para o caso 3 da Tabela 4.10
52
Figura 4.19: Tensão e corrente no plano para o caso 3 da Tabela 4.11
Ao verificar o valor da tensão máxima no link DC durante a desaceleração,
encontrou-se o valor de 543,9V.
Os gráficos para a maior velocidade (caso 6) podem ser observados nas Figuras
4.20 e 4.21.
Figura 4.20: Tensão e corrente na rampa para o caso 6 da Tabela 4.10
53
Figura 4.21: Tensão e corrente no plano para o caso 6 da Tabela 4.11
Na região de desaceleração, pelos gráficos, foi encontrado o valor máximo de
tensão no link DC de 547,6V. Conforme o esperado, a maior velocidade adquirida
coincidiu com o caso de maior tensão na malha intermediária.
4.5.4)
e
Seguem os dados calculados nas Tabelas 4.12 e 4.13:
Tabela 4.12: Parâmetros calculados para o item 4.5.4 no plano inclinado
Casos
1
2
3
4
5
6
7
8
(s)
0,660
0,660
0,670
0,670
0,670
0,660
0,660
0,670
(s)
0,670
0,670
0,670
0,670
0,670
0,670
0,670
0,660
(m/s)
2,06
2,06
2,06
2,06
2,07
2,06
2,06
2,06
54
Tabela 4.13: Parâmetros calculados para o item 4.5.4 na via plana
Casos
1
2
3
4
5
6
7
8
(s)
0,429
0,429
0,389
0,564
0,564
0,691
0,692
0,692
(s)
0,857
1,71
2,32
2,24
3,35
1,38
2,76
4,14
(m/s)
1,25
1,03
1,01
1,07
0,894
1,38
1,04
0,844
Os gráficos de corrente no motor e tensão no link DC obtidos para a menor
velocidade da tabela 4.13 (caso 8) são mostrados nas Figuras 4.22 e 4.23:
Figura 4.22: Tensão e corrente na rampa para o caso 8 da Tabela 4.12
55
Figura 4.23: Tensão e corrente no plano para o caso 8 da Tabela 4.13
Encontra-se na região de desaceleração dos gráficos a maior tensão no link DC
com o valor de 549,4V.
Para a maior velocidade (caso 6), tem-se os gráficos de tensão e corrente nas
Figuras 4.24 e 4.25:
Figura 4.24: Tensão e corrente na rampa para o caso 6 da Tabela 4.12
56
Figura 4.25: Tensão e corrente no plano para o caso 6 da Tabela 4.13
Através da região de desaceleração nos gráficos, a maior tensão na malha
intermediária encontrada foi de 530,1V.
Dessa vez, o caso de menor velocidade teve a maior tensão máxima. Novamente,
o perfil da desaceleração para a situação de menor velocidade teve influência para a
elevada tensão medida.
Percebe-se que a tensão de link DC mais elevada ocorreu nesta seção, na
situação de maior massa e maior inclinação. A massa possui proporcionalidade com a
energia cinética, assim como a maior inclinação favorece à obtenção de maiores
velocidades para o veículo da rampa, provocando também uma contribuição no aumento
de regeneração.
Sobre as velocidades adquiridas no veículo da rampa, verifica-se que a maior
delas dentre todas as tabelas mostradas no item 4.5 possui o valor de 2,06m/s, obtida
com uma massa de 825kg, em uma inclinação de 15%. Esta inclinação está prevista
como possível de ser implementada no projeto do MagLev-Cobra, conforme foi
apresentado no item 2.5. Essa velocidade ainda está distante da velocidade nominal
prevista para este trem de levitação magnética (5,56m/s). Portanto, mesmo com uma
elevada inclinação para favorecer um aumento de velocidade, as velocidades adquiridas
ainda estão bem distantes do valor nominal, devido ao pequeno comprimento das pistas.
4.6) Cálculo da energia regenerada
Durante a realização da execução, concomitantemente foi realizada a medida do
sinal da corrente na malha intermediária (link DC) em cada uma das parametrizações
utilizadas. Esses dados foram colhidos através do osciloscópio, com uma ponteira de
corrente conectada com a malha. Em conjunto com a medida da tensão da malha
57
intermediária obtida nos canais do Trace, poderá ser calculada a energia regenerada
integrando-se o produto desses dois sinais.
Há de se ressaltar que havia um momento certo para que fosse feita a medição
dessa corrente. Devido à limitação do osciloscópio, não havia como armazenar os dados
de todo o movimento dos veículos, que durava entre 20 e 30 segundos. A medição era
realizada através de uma conexão USB com um pen-drive, apertando o botão salvar do
osciloscópio em um dado momento.
O momento desejado era o da frenagem regenerativa, quando a corrente fosse
negativa, para que fosse possível calcular a quantidade de energia regenerada em cada
medição.
De posse dos dados da corrente da malha intermediária, no formato de Excel,
torna-se necessário realizar a conversão dos dados para o Matlab, para que se tenha uma
ideia precisa do comportamento da corrente. Através de uma rotina, é possível converter
os dados para o Matlab. A Figura 4.26 mostra o gráfico da corrente da malha
intermediária em relação ao tempo, para a massa de 450kg e inclinação de 12,5% para o
veículo da rampa. A parametrização escolhida foi o caso 3 da tabela 4.7 (maior
velocidade):
10
9
Corrente no link DC (A)
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Tempo (s)
1.4
1.6
1.8
2
Figura 4.26: Corrente no link DC no Matlab para o caso 3 da Tabela 4.7
Observando o gráfico e os dados obtidos, verifica-se que o momento da
frenagem acontece quando a corrente no link começa a decair, iniciando
aproximadamente em 0,50s, para terminar em 0,90s, quando a corrente torna a se elevar.
No entanto, percebe-se que não há um intervalo em que a corrente torna-se de fato
negativa, o que caracterizaria a mudança de sentido da corrente no motor, e
consequentemente, a operação da máquina como gerador.
Uma observação importante sobre o tempo de desaceleração: o caso 3, conforme
nas Tabelas 4.6 e 4.7, o veículo da rampa teve um tempo de desaceleração de 0,45s e o
58
veículo do plano, de 2,56s. Pode-se dizer que enquanto ambos estão freando
concomitantemente, a corrente no link DC diminui. Mas a frenagem do veículo do
plano termina um pouco depois, até pelo fato de sua pista ter um maior comprimento.
Plotando os gráficos com os dados envolvendo as demais parametrizações, para
a mesma inclinação e mesma massa do veículo da rampa citada, conclui-se que em
nenhuma delas existe um intervalo em que a corrente seja negativa.
Observando agora os casos em que
,
. Na
parametrização do caso 7 da tabela 4.9 (maior velocidade), obtém-se o gráfico na Figura
4.27.
16
14
Corrente no link DC (A)
12
10
8
6
4
2
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Tempo (s)
1.4
1.6
1.8
2
Figura 4.27: Corrente no link DC para o caso 7 da tabela 4.9
Verificando a frenagem, o intervalo de tempo está aproximadamente entre 0,90s
e 1,30s. A corrente não possui valores negativos, logo não há operação como gerador,
para caracterizar a regeneração de energia.
Observando todos os demais casos de diferente massa e inclinação, não ocorre
intervalo de corrente negativa, portanto não é possível calcular numericamente a
regeneração de energia na frenagem. O objetivo então passa a ser realizar uma análise
qualitativa, e não quantitativa, explicando por que não ocorre a regeneração da energia,
e onde haveria possibilidade de maior reaproveitamento da mesma.
4.7) Análise qualitativa da regeneração de energia
Uma análise torna-se necessária para explicar a razão de não ter ocorrido a
regeneração de energia na frenagem dos veículos. Tem-se uma base teórica que
comprova a regeneração na frenagem de um motor de indução quando é alterada a
frequência do mesmo gradativamente, com o auxílio de um inversor eletrônico. Na
prática, foram utilizados dois veículos com motor linear de indução se movimentando
em pistas diferentes, ligados ao barramento de corrente contínua pelos inversores.
59
O motivo mais importante para a baixa regeneração seria o pequeno
comprimento das vias. Isso limitou as velocidades que poderiam ser alcançadas pelos
veículos, o que possibilitaria maiores valores de tensão na malha intermediária. Mesmo
assim, foi possível verificar que casos com maiores velocidades e maiores massas
apresentaram melhores resultados de regeneração de energia através da elevação da
tensão na malha intermediária.
60
Capítulo 5
Conclusão e trabalhos futuros
5.1) Conclusão
O trabalho permitiu um conhecimento maior da operação do MagLev-Cobra e de
toda a teoria fundamentada no motor linear de indução.
Houve uma tentativa anterior de obter regeneração de energia utilizando apenas
um veículo, no caso, o veículo da rampa. Como não houve sucesso devido às limitações
físicas, decidiu-se pelo sincronismo entre dois veículos em pistas diferentes, que é o
foco deste trabalho.
A regeneração de energia não pôde ser alcançada, devido ao pequeno
comprimento das vias. Apesar das limitações físicas, foi possível verificar maiores
valores de tensão na malha intermediária em operações com velocidades mais elevadas.
As parametrizações utilizadas nos testes não permitiram regeneração de energia, porém
forneceram importantes orientações, como por exemplo observar sempre o perfil de
desaceleração empregado. A regeneração também se mostrou mais efetiva quando a
operação ocorria com massa do veículo mais elevada, bem como a inclinação.
O controle implementado envolvia utilizar os maiores tempos de desaceleração
possíveis devido às aplicações do motor linear de indução com transporte de
passageiros. Esse controle implementado possui uma faixa de operação coincidente com
o controle de velocidade ótimo, em que a velocidade síncrona seria a metade do valor da
velocidade mecânica. Essa região em comum entre as técnicas de controle permitiu
encontrar as possíveis situações de maior regeneração de energia.
5.2) Trabalhos futuros
A análise da operação do motor linear não pôde ser executada com mais precisão
devido às limitações físicas, como o pequeno comprimento das vias. Para o segundo
semestre de 2014, está prevista a conclusão da via de 200m, onde serão realizados testes
com o motor operando em velocidades mais elevadas, incluindo a velocidade nominal.
Quando o veículo entrar em operação, o transporte de passageiros permitirá avaliar o
comportamento do motor com cargas variáveis.
Uma possibilidade interessante seria implementar o controle de velocidade
ótimo para que se tenha a maior quantidade de energia regenerada quanto possível.
Alguns possíveis destinos a serem estudados para essa energia seriam para
armazenamento em banco de baterias, ultracapacitores, partida do próximo veículo em
sincronia com a desaceleração do anterior, dentre outras.
61
Referências Bibliográficas
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Levitated Vehicle for Urban Transportation”, Energy Efficiency in Motor Driven
Systems (EEMODS), 2013
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Vehicle”, Brazilian Power Eletronics Conference (COBEP), 2014
[3] OLIVEIRA, R. A. H. Sistema de Frenagem Regenerativa com Motor de Indução
Linear do Veículo Maglev-Cobra. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do
Rio de Janeiro, Agosto 2012.
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introdução à eletrônica de potência. Bookman, 2006.
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da Máquina de Indução Linear. Tese de Doutorado, Universidade Federal do Rio
Grande do Sul, Dezembro 2012.
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Operation”, IEEE Spectrum, pp. 72-80, February 1971.
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high speed transport systems”, Proc. IEEE, Vol. 116, No. 5, May 1969
[8] MOON, F. C. Superconducting Levitation – Applications to Bearings and Magnetic
Trasnportation. John Wiley and Sons, Inc., 1993. ISBN: 0-471-55925-3
[9] STEPHAN, R. M. Acionamento, Comando e Controle de Máquinas Elétricas.
Editora Ciência Moderna, Rio de Janeiro, 2013
[10] DUNCAN, J. “Linear induction motor-equivalent-circuit model”, Electric power
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1994
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Press, 2010.
62