VEÍCULOS ELÉTRICOS
Primeiro Autor: CLAUDIO ROBERTO DE LIMA
[email protected]; [email protected];
Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Taubaté (UNITAU)
Rua Daniel Danelli, s / n - 12060-440, Taubaté-SP, Brasil
Laboratório de Sistemas de Energia de Otimização, Departamento de Energia, Faculdade de
Engenharia de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista (UNESP)
Av. Ariberto Pereira da Cunha, 333 - 12516-410, Guaratinguetá-SP, Brasil
Resumo. O Sistema Metroferroviário utiliza a energia elétrica para alimentar os motores elétricos das
composições, necessitando de elevada demanda de energia elétrica. Além disso, acrescente-se que
o sistema de tranporte de massa sobre trilhos vem sendo ampliado e a busca de soluções para
otimizar o consumo da energia elétrica. Este trabalho objetiva apresentar uma solução para utilização
da energia elétrica disponibilizada pelos motores no processo de frenagem. O presente artigo aborda
a possibilidade de se utilizar a energia elétrica disponível na frenagem no processo de aceleração de
outros veículos. Para este fim será desenvolvido um sistema de controle e comunicação que
sincronize os instantes de frenagem e aceleração dos veículos. Após apresentação da técnica,
demonstra-se que a energia consumida durante as partidas será reduzida, quando se aproveita a
energia gerada pelos motores nas frenagens. Foram utilizados métodos matemáticos para os
cálculos da energia elétrica consumida e gerada pelos motores elétricos dos veículos. Os resultados
serão obtidos pela análise dos índices, e a partir do modelo de análise desenvolvida. As análises
demonstram que a energia desperdiçada nos bancos de resistores, em forma de calor, é significativa
em relação a energia necessária para alimentação dos veículos.
Palavra-chave: Veículos elétricos, Aproveitamento de energia elétrica, Sistema de controle e
automação, Sincronismo entre aceleração/frenagem de motores, Sistema de sinalização
metroferroviária.
The 4th International Congress on University-Industry Cooperation – Taubate, SP – Brazil – December 5th through 7th, 2012
ISBN 978-85-62326-96-7
1. INTRODUÇÃO
O objetivo geral é apresentar um sistema de controle e de comunicação para sincronismo dos
momentos de frenagem e aceleração dos veículos, de modo que permita se utilizar a energia elétrica
gerada durante as frenagens na aceleração de outros veículos que necessitem de energia elétrica.
Os objetivos específicos são: determinar os parâmetros para cálculo da energia elétrica consumida e
a energia elétrica gerada pelos motores elétricos de indução. A partir dos resultados demonstra-se
que o sistema de frenagem com resistores desperdiça energia.
A pesquisa assume relevância na atualidade devido aos incentivos feitos pelos órgãos
governamentais visando o uso racional da energia.
2. PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
Inicialmente será realizado o cálculo da energia elétrica necessária para alimentação de um sistema
metroferroviário. Partindo-se dos dados de uma determinada simulação elétrica desenvolvida para o
referido sistema, calcula-se a energia gerada pelos motores elétricos quando os trens estão em
processo de frenagem. Com estes resultados será estabelecida uma relação entre a energia
necessária na aceleração e a energia gerada nos processos de frenagem.
A topologia dos sistemas de alimentação elétrica para tração metroferroviária permite a transferência
desta energia gerada para outros fins. Estes sistemas denominados regenerativos necessitam de
sistema de controle para o fluxo da energia entre as composições.
2.1 Cálculo da Energia Elétrica Consumida Pelos Trens em uma determinada configuração.
Cálculo de energia específica consumida pelo trem (eec).
Características técnicas da composição. Trem de 6 carros, 372t de massa, 132m de
comprimento, com alimentação de 1.500 Vcc, 24 motores de tração assíncronos, com
capacidade de transportar 1.800 pessoas.
Diâmetro de Rodas = 0,820 m;
Bitola do Eixo = 1,600 m;
Aceleração Nominal =0,800 m/s2;
Frenagem Elétrica =0,770 m/s2;
Jerk Máximo =1,000 m/s3;
Velocidade Máxima = 80,000 km/h.
Características dos motores elétricos. Motor Siemens 1TB2010-1GA02 - Motor de Indução
Trifásicos (MIT), tipo assíncrono, em gaiola de esquilo, que a 45km/h apresenta um esforço de
tração de 12kN, portanto uma potência mecânica de 150kW.
Potência do motor em tração = 150 kW;
Quantidade de motores = 24 unidades;
Potência do trem = 3.600 kW;
Massa do trem vazio (41 tonelada x 6 carros) = 246 t;
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Massa dos passageiros = 70 Kg;
Quantidade de passageiros = 1.800 pessoas (W3=8 pass/m²);
Massa total = 372 t;
Velocidade comercial = 35 km/h;
Para uma hora (1h) de operação, tem-se: Distância percorrida = 35 km;
Toneladas(t) x km = 13.020 [t * km];
Fator carga (sem regeneração) = 30%;
Energia específica consumida (potência x tempo) =
Energia específica consumida / toneladas x km =
;
Premissas do cálculo de energia consumida pelos trens. As hipóteses estabelecidas para o
desenvolvimento dos cálculos foram as seguintes:
Foi adotado como 83 Wh/t.km o valor da energia específica para o trem tipo. Este dado foi
calculado previamente, e obtido de uma faixa típica de consumo de (60 - 100) Wh/ t.km para
trens de com 24 motores (Manual de Engenharia Elétrica Volume 3 – Siemens);
O trem típico é o de 6 carros nas condições de carregamento W3=8 pass/m2, que resulta num
peso total do trem de 372 t/trem;
A extensão total da linha é de 10,0 km e para ida e volta é de 2x10,00 km = 20 km;
O funcionamento das instalações foi avaliado em 20h diárias e 27 dias por mês, ou seja, 560
h/mês;
A velocidade comercial foi assumida como sendo de 35 km/ h.
Potência de tração. Tempo de Ciclo é o tempo que o trem percorre a linha ida e volta.
Com base na velocidade comercial adotada (35 km/h) e na extensão da linha ida e volta
(
) é possível avaliar o tempo médio de ciclo:
onde:
s = espaço (em km);
v = velocidade comercial (média) do trem (em km/h ou em km/s);
tp = tempo percorrido (em segundos).
Assim:
Previsão de potências consumida no trecho (PCT). A potência média no trecho é calculada
por:
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Onde:
l = extensão da linha ida e volta = 20,0 [km];
eec = energia específica consumida do trem tipo = 83 [Wh/t km] ou 83*10-3 [kWh/t km];
p = peso do trem = 372 [t/trem];
t = número de trens por hora = [trens/h].
Portanto:
Cálculo do número de trens. O cálculo do número de trens é feito através da expressão:
Define-se headway por intervalo entre trens - tempo medido entre a passagem de dois trens
consecutivos por um mesmo ponto. Pode ser medido também com referência a um mesmo
evento (por exemplo, abertura de portas em uma plataforma).
Sendo:
tempo de ciclo = 2.058 s;
headway = 300s.
Portanto:
Assim:
3.600 s -------------------1 h
2.058 s -------------------x h
Portanto:
0,5717 h ------------------6,86 trens
1 h -------------------------t
Cálculo da potência no trecho (PPT). Para 12 trens/h
Consumo de energia. A energia média consumida (EMC) por trem é.
Onde:
l = extensão da linha ida e volta = 20,0 [km];
eec = energia específica consumida do trem tipo = 83 [Wh/t km] ou 83*10-3 [kWh/t km];
p = peso do trem = 372 [t/trem];
Portanto:
Sendo:
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1 ciclo = 2.058 s = 0,5717 h
O regime de trabalho (RT) de 7 (dias / semana), com 20 (h / dia), ou seja RT= 560 (h / mês). (7
[dias\semana] * 4 (semanas/mês) *20 (h/dia)=560 (h/mês).
O consumo mensal de energia (CME) para tração por trem é:
0,60 * 106
Consumo total de energia (CTE). O consumo médio de energia (CME) para tração de 12
trens foi avaliado em:
2.2 Cálculo da Energia Elétrica Gerada Pelos Motores Elétricos dos Trens em uma
Determinada Configuração.
Cálculo de Energia Específica Geradas Pelo Trem (eeg). Configuração do Trem e
Características dos Motores Elétricos foram apresentada no item 2.1.
Segue figura realizada pela Simulação de Marcha da Companhia Paulista de Trens
Metropolitanos - CPTM de São Paulo, em que apresenta os gráficos:
Tempo de percurso (s) verso distancia percorrida (km), conforme apresentado na Figura 1.
Figura 1.
Velocidade (km/h) verso distancia percorrida (km) ), conforme apresentado na Figura 2.
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Figura 2.Corrente elétrica (A) dos motores verso distância percorrida (km), conforme apresentado
na Figura 3.
Figura 3.
Neste gráfico os pontos desenhados em azul, indicam uma corrente elétrica consumida pelo
trem. Os pontos desenhados em vermelho representam uma corrente elétrica gerada no trem,
provocada por um esforço de frenagem. Esta corrente será possível ser transferida para outro
trem que neste momento estiver em processo de aceleração, se o sistema de alimentação
elétrica estiver receptivo.
Esta corrente é enviada de volta ao sistema de alimentação elétrica, através do sistema de freio
regenerativo, que através de sensores (transdutores) de tensão e corrente informam ao sistema
de tração do trem, que chaveia esta corrente elétrica para o sistema de alimentação elétrica
quando o mesmo estiver receptivo. Se o sistema elétrico de alimentação não estiver receptivo, o
Chopper Resistivo do trem consome esta energia elétrica em banco de resistores, convertendo
energia elétrica em energia térmica.
Cálculo da energia elétrica gerada pelos motores elétricos, no momento da frenagem do
trem no trecho simulado, conforme apresentado na Figura 3 e ampliando apresentado na
Figura 4.
2800A
1,26
1,38km
1,32
1,44km
Figura 4.
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IL(corrente elétrica) criada na frenagem:
ILmax= 2.800A;
ILmédia=1.400A;
VL(tensão de alimentação da catenária) = 1.500Vcc.
100s
1,26
1,38km
1,32 1,44km
Distância percorrida pelo trem é de 120m (1,44km – 1,32km= 0,12km = 120m).
Tempo percorrido pelo trem é de 20s (100s-80s=20s) = 0,0056h.
Velocidade média do trem:
Cálculo da Potência Elétrica:
Portanto:
A energia elétrica gerada (EEG) é calculada como:
Cálculo da energia específica gerada (eeg).
Potência gerada: 11,76kWh.
Frenagens por hora (1h):
:
.Portanto um hora teremos 12 frenagens /h
Potência:
;
Para velocidade média de 21,6 km/h, em uma hora (1h), temos: 21,6km;
Massa do trem=372t;
Toneladas(t) x km =
;
Energia específica gerada (potência x tempo) =
;
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Energia específica gerada / toneladas * km =
.
Premissas do Cálculo de Energia Gerada Pelos Trens. As hipóteses assumidas aqui são as
mesmas assumidas no item 2.1. O que difere é em relação à energia específica gerada.
Conforme calculado no item anterior, o valor adotado é de 18 Wh/t.km. Este é o valor típico da
energia específica gerada que poderá ser regenerada para trens de 24 motores em modo de
frenagem.
Potência de Tração Gerada; Cálculo do Tempo de Ciclo
Tempo de Ciclo = 2.058s, conforme calculado no item 2.1.
Previsão de Potências Gerada no Trecho (PGT).A potência média no trecho é dada por:
Portanto:
Cálculo do Número de Trens. Número de Trens por uma hora (1h), conforme estabelecido no
item 2.1.
Geração de Energia. A energia média gerada (EMG) por trem é:
Onde:
l = extensão da linha ida e volta = 20,0 [km];
eec = energia específica consumida do trem tipo = 18 [Wh/t km] ou 18*10-3 [kWh/t km];
p = peso do trem = 372 [t/trem];
Portanto:
Sendo:
1 ciclo = 2.058 s = 0,5717 h
O regime de trabalho (RT) de 7 (dias / semana), com 20 (h / dia), ou seja RT= 560 (h / mês). (7
[dias\semana] * 4 (semanas/mês) *20 (h/dia)=560 (h/mês).
A geração mensal de energia (GME) para tração por trem é:
0,131 * 106
Geração total de energia (GTE). A geração mensal de energia (GME) para tração de 12 trens
foi avaliado em:
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2.3 Relação entre a Energia Elétrica Consumida e a Energia Elétrica Gerada Pelos Motores
Elétricos dos Trens
Calculou-se a energia elétrica necessária para movimentação dos trens por mês.
CTE=7,30 MWh/mês
Foi previamente calculada a energia elétrica gerada pelos motores elétricos dos trens em modo
de frenagem mensalmente.
GTE=1,57 MWh/mês
Portanto a energia passível de regeneração é 21,5% da energia consumida pelos trens em uma
malha ferroviária.
2.4 O Controle para Transferência da Energia Elétrica entre Veículos.
O controle de movimentação dos veículos baseia-se entre a comunicação existente entre os
mesmos e o sistema de sinalização. Esta comunicação é realizada através de comunicação via
rádio e sensores passivos instalados ao longo da via para aferição do quilômetro em que cada
trem está localizado na via. Obtida esta informação o sistema de sinalização autoriza cada trem a
percorrer uma distancia segura, informando a permissão de movimentação até a localização do
próximo trem. Este sistema é conhecido como CBTC, (Controle de Trens Baseado em
Comunicação). O sistema de sinalização convencional baseia-se em circuitos de via (CDV), onde
os trens são detectados em circuitos de +/- 300m. A ocupação destes circuitos de via instalados
nos trilhos pelos eixos dos trens não oferecia oportunidade pontual de localização dos trens
dentro deste CDV, para uma localização pontual dos trens ao logo da via.
A tecnologia de sinalização baseado no CBTC/ATS (Supervisão Automática de Trens) e a
tecnologia de sinalização baseadas em CDV´s, tem-se desenvolvidos dois níveis de controle de
sistemas, sistemas com ATP (Proteção Automática de Trens) e sistemas com ATO (Operação
Automática de Trens), este artigo propõe um terceiro nível de controle de sistema – “Supervisão
Automática de Trens e Fluxo Energia- ATS-FE”.
O novo “Sistema de Controle de Fluxo Energia Elétrica” a ser desenvolvido aborda uma nova
filosofia empregando um sincronismo entre as frenagens e a aceleração dos trens, possibilitando
a transferência sistemática de energia elétrica entre os veículos. Por meio da criação de vários
níveis de desempenho do veículo, se rápido, normal ou lento. O sincronismo entre as
composições atuará em cada trecho de mesma alimentação elétrica, sincronizando quando
possível à frenagem e aceleração de trens.
Cada trem recebe informação via rádio do sistema de sinalização CBTC, que autoriza sua
movimentação até uma posição segura do próximo trem, o sistema sabe a cada instante onde os
trens estão na via, portanto sabe a necessidade de aceleração e frenagem de cada trem. O trem
em vias de aceleração será informado via rádio que deverá aguardar segundos para que ouro
trem em processo de frenagem consiga transferir a energia elétrica dos motores de tração para o
trem que necessita de energia elétrica para aceleração.
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Este processo de controle de aceleração e frenagem de trens influenciará o headway. Deverá
haver um compromisso entre a economia de energia e a disponibilização de oferta de trens a
população.
Toda autorização de movimentação de trens será realizada por meio de comandos e indicações
observando através de uma analise de segurança dos sistemas que compõem o processo de
controle de movimentação dos trens. O sincronismo proposto atuará dentro dos critérios de
segurança impostos pela análise de segurança, e, portanto não afetará os níveis de segurança
do sistema.
3. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
O sincronismo entre a frenagem e a aceleração de trens poderá representar uma economia na
energia elétrica necessária para o sistema de transporte sobre trilhos, esta possibilidade de
implementação de controle entre os sistemas de sinalização e sistemas de alimentação elétrica
poderá tornar um sistema consumidor em sistema parcialmente autossustentável, contribuindo para a
conservação de energia.
Uma discussão a ser realizada recai sobre a análise de segurança na movimentação dos trens. O
sincronismo proposto não deve afetar a segurança do tráfego dos trens. O intervalo dos trens não
deverá ser prejudicado para se conseguir o sincronismo, porém em horários de vale o intervalo de
trens pode ser alterado sem comprometer a operação.
4. CONCLUSÕES
Foi verificado através dos modelos matemáticos que os resultados obtidos que o consumo e geração
de energia elétrica dos motores de um sistema metroferroviário dever ser controlado para haver um
sincronismo entre a aceleração e frenagem dos trens. Uma solução viável para se obter a melhor
eficiência energética na utilização da energia elétrica em sistemas de transporte de massa é a
apresentada neste artigo.
O sincronismo entre aceleração e frenagem pode ser aplicado sem restrições em horários de vale
onde o intervalo entre trens não comprometer a operação dos trens.
Uma preocupação a ser avaliada recai sobre a análise de segurança da movimentação dos trens,
onde é estabelecido o perfil de movimentação dos trens, e que deve ser majoritária sobre o
sincronismo de frenagem e aceleração. Sanado este problema o sincronismo não afetará a análise de
segurança e, portanto poderá ser realizado sem que submeta o sistema de transporte alguma
condição insegura.
Agradecimentos
Agradeço a minha família, Silene, Júlia e Bruno.
Agradeço aos meus pais, José Roberto e Elenice Maria.
Agradeço ao sogro, Guido e sogra, Alayde.
Agradeço as minhas irmãs. Renata e Fernanda e seus maridos e filhos.
Agradeço ao Eng. Wilson Ribeiro pela atenção desprendida.
Agradeço ao meu orientador, Prof. Dr. Luiz Octávio Mattos dos Reis e ao Prof. Dr. Wendell Lamas.
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Agradeço aos professores da UNITAU, Prof. João Bosco, Prof. Wilton, Prof. Bizarria, Prof. Abud, Prof.
Prado e Professora Marta.
Agradeço a atenção em todos os momentos da Sra. Helena (secretaria da UNITAU).
Agradeço a todos que de uma maneira ou outro me ajudaram a realizar este sonho.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Pires. C. L., Nabeta, S. I., Cardoso, J. R. (2005). Simulação de Composição Ferroviária Acionada
por Motores de Indução e Inversores de Tensão. Revista Controle & Automação, vol.16, no.1,
Jan.,Fev. e Março, p. 1 – 12.
[2] Mohan, N., T. Undeland and W. P. Robbins (1995). Power electronics converters, applications and
design. 2.ed. New York: John Wiley & Sons.
[3] Plette, D. L. and A. B. Plunkett (1977). Inverter-induction motor drive for transit cars. IEEE
Transactions on Industry Applications, v. IA-13, n. 1, p. 26-37.
[4] Langsdorf, A. S. (1981). Sec.8-21: The asynchronous or induction generator. Theory of alternating
current machinery, p. 354-362 New Delhi: Tata McGraw-Hill.
[5] Electrical Engineering Handbook – Heiden / Siemens pag 576 Electric Traction.
[6] Standard Handbook for Electrical Engineers – Fink / Beatty pag 12 – 14 Reliability.
[7] Tração Elétirca – Prof. Wagner Warneck Martins
[8] Circuitos de Via - Dr. William Robinson.
[9] Manual de Engenharia Elétrica – Siemens - Vol.3 – Tração Elétrica.
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