frenagem regenerativa do motor de...

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

i


MAGLEV-COBRA


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

ii

Benes, Marcelo Moraes

Frenagem Regenerativa do Motor de Indução do Veículo MagLev-

Cobra / Marcelo Moraes Benes – Rio de Janeiro: UFRJ / Escola

Politécnica, 2014

X,57 p.: il.; 29,7cm



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

iii

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

iv

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!

v

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte

dos requisitos necessários para a obtenção de grau de Engenheiro Eletricista.


MAGLEV-COBRA


Setembro/2014



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

vi

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 MAGLEV-

COBRA VEHICLE


September/2014

Advisor: Richard Magdalena Stephan


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

vii

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

viii

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 4.18 – 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 4.25 - 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

ix

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

x

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

xi

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

1

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 MagLev-

Cobra. 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

2

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.

3

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.

4

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:

5

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

6

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 curto-

circuitadas. Existem o secundário curto e o secundário longo. No projeto do Maglev-

Cobra, 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.

7

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

8

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

9

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:

10

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 contra-

corrente 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

11

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:

(

)

12

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:

13

(

)

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 ( ) em qualquer situação

de variação de velocidade será [9]:

∫ ( )

( )

∫

( )

( )

∫ ( )

( )

(

) (1)

onde é a inércia do sistema e e são as velocidades angulares inicial e final,

respectivamente.

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

14

O método da regeneração de energia ocorre na região da curva torque-

velocidade 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:

15

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:

16

⁄

(

)

onde é a potência do rotor e é a tensão no rotor.

Considerando a razão ⁄ , 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

17

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.

18

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 :

19

( )

Sendo a velocidade do primário, a distância percorrida pelo primário no tempo

será:

O tempo para o motor atravessar um ponto no trilho, sendo o comprimento do

motor, será:

A grandeza , adimensional, representa a razão entre as constantes e como

visto na equação:

( )

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.

(

)

20

(

)

Dependendo do material do secundário e das dimensões do motor, será uma

velocidade constante, representada pela equação:

( )

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 ( ).

21

As distâncias percorridas na trajetória de aceleração ( ), desaceleração ( ) e

velocidade nominal ( ) são:

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 é a posição e a posição

inicial, encontra-se:

(

)

( )

Supondo um intervalo de tempo 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

22

distância do percurso total de 200m, velocidade nominal de 5.56m/s e

inclinação de 0.89% [3].

23

Capítulo 3

Manual do inversor CFW-11

Com o intuito de investigar o potencial de regeneração de energia do MagLev-

Cobra, 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 pré-

programadas, que podem ou não ser mantidas pelo usuário. Através das entradas pode-

se 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

24

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:

25

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.

26

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

27

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

28

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:

29

Figura 3.9: Programa referente à via plana – Sentido frente

30

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:

31

Figura 3.11: Parâmetros do programa do usuário – plano inclinado

Figura 3.12: Operação de descida – plano inclinado

32

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.

33

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:

34

Tabela 3.5: Sinais possíveis de serem obtidos pelo Trace



“Tensão de Saída”.



“Corrente no Motor”.



“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 Sinal

1 Frequência do motor

2 Tensão de saída

3 Corrente do motor

4 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.

35

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:

36

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 Medida (V)

17-11 24,96

18-11 25,04

37

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


17-11 1,478

18-11 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


17-11 24,96

18-11 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.

38

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 Função

11 Ponto Comum

12 Ground

13 Vcc

14 Sem função

15 Botão liga no sentido fim do trajeto

16 Botão liga no sentido início do trajeto

17 Sensor da frenagem no sentido início do trajeto

18 Sensor da frenagem no sentido fim do trajeto

19 Sem função

20 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:

39

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

40

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) Inclinação da rampa

450 12,5%

825 12,5%

450 15%

825 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

41

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.

Figura 4.6: Gráfico 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:

0 2 4 6 8 10 12 14 160

0.5

1

1.5

2

2.5

t(s)

f(H

z)

42

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.

Figura 4.8: Gráfico da pista plana no Matlab

0 1 2 3 4 5 6 70

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

t(s)

f(H

z)

43

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, repete-

se 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.

44

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:

45

a) Tempo de aceleração ( )

b) Tempo de desaceleração ( )

c) 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 (s) (s) (m/s)

1 0,450 0,450 1,37

2 0,450 0,450 1,36

3 0,450 0,450 1,37

4 0,450 0,450 1,36

5 0,450 0,450 1,37

6 0,450 0,450 1,37

7 0,450 0,450 1,37

46

Tabela 4.7: Parâmetros calculados para o item 4.5.1 na via plana

Casos (s) (s) (m/s)

1 0,666 1,32 1,06

2 0,428 1,72 1,05

3 0,433 2,56 1,20

4 0,864 1,72 1,11

5 0,561 2,24 1,04

6 0,564 3,35 0,871

7 0,692 2,75 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):

47

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.

48

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).



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.

49

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 (s) (s) (m/s)

1 0,670 0,670 1,98

2 0,670 0,670 1,97

3 0,670 0,670 1,97

4 0,670 0,670 1,96

5 0,660 0,670 1,97

6 0,660 0,670 1,97

7 0,660 0,660 1,96

8 0,670 0,670 1,97

Tabela 4.9: Parâmetros calculados para o item 4.5.2 para a via plana

Casos (s) (s) (m/s)

1 0,432 0,861 1,19

2 0,433 1,72 1,02

3 0,429 2,31 0,880

4 0,563 1,12 1,31

5 0,560 2,24 1,05

6 0,562 3,35 0,887

7 0,691 1,38 1,34

8 0,692 2,76 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).

50



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).

51



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


52


Casos (s) (s) (m/s)

1 0,770 0,260 1,82

2 0,780 0,270 1,81

3 0,780 0,270 1,83

4 0,780 0,260 1,83

5 0,770 0,260 1,82

6 0,770 0,270 1,82

7 0,780 0,270 1,81


Casos (s) (s) (m/s)

1 0,432 0,860 1,23

2 0,432 1,72 1,03

3 0,432 2,58 0,907

4 0,564 1,12 1,37

5 0,560 2,24 1,07

6 0,692 1,38 1,38

7 0,692 2,76 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.


53


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.


54


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



Casos (s) (s) (m/s)

1 0,660 0,670 2,06

2 0,660 0,670 2,06

3 0,670 0,670 2,06

4 0,670 0,670 2,06

5 0,670 0,670 2,07

6 0,660 0,670 2,06

7 0,660 0,670 2,06

8 0,670 0,660 2,06

55


Casos (s) (s) (m/s)

1 0,429 0,857 1,25

2 0,429 1,71 1,03

3 0,389 2,32 1,01

4 0,564 2,24 1,07

5 0,564 3,35 0,894

6 0,691 1,38 1,38

7 0,692 2,76 1,04

8 0,692 4,14 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:


56


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:


57


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

58

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):

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

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Tempo (s)

Corr

ente

no lin

k D

C (

A)

59

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.

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.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20

2

4

6

8

10

12

14

16

Tempo (s)

Corr

ente

no lin

k D

C (

A)

60

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.

61

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.

62

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