Motores de corrente alternada (CA)

A corrente alternada foi criada por Nikola Tesla quando foi contratado por J. Westinghouse para fazer uma linha de transmissão ente Niágara e Bufalo, pois quando transmitida em corrente contínua, perde-se energia por efeito joule, ou seja, o aquecimento dos fios.

A maneira encontrada por Tesla para solucionar este problema foi aumentar muito a tensão e diminuir intensidade da corrente, sendo assim a corrente elétrica alterna de direção constantemente, sendo chamada assim de corrente alternada.

Sendo assim, a tensão vem até nossas casas em altas tensões, necessitando de um tranformador de tensão quando esta chega até os consumidores.

Um dos motores de corrente alternada é o de indução trifásico (MIT). Esse motor é o mais usado para aplicações que exigem grande velocidade, torque e potência, alem de ser um motor forte e barato. Tem a desvantagem de ser muito pesado e ocupar muito espaço.

Criado por Nikolas Tesla, esse motor tem a distribuição das bobinas defasadas de 120° e quando submetida a tensão alternada nos seus enrolamentos produzirá um campo magnético variante no tempo, e isto produzirá um campo magnético que vai girar proporcionalmente a rede trifásica (GARCIA, 2003).

Quando o rotor bobinado no centro for submetido a uma variação do campo magnético com o passar do tempo, então, pela Lei de Lenz, surge no rotor uma tensão induzida alternada que fará o campo magnético no rotor se orientar de acordo com o campo girante produzido no estator, girando no mesmo sentido e com a mesma velocidade do campo girante estatório. Ao se colocarmos um eixo nesse rotor tem-se a transformação de energia elétrica em mecânica (DIAS, 2006). Na Figura 67 apresenta- se um esquema de como é um MIT e as flechas azuis representam os vetores do campo magnético.

Fonte: Wikipédia (S.D.)

Figura 67 – ilustração esquemática do motor MIT

Existem diversos tipos de motores elétricos, porém, aqui foram apresentados os princípios básicos dos tipos mais importantes. A análise de outro tipo de motor CA torna-se necessário aqui, pois vêm sendo muito utilizado em motores elétricos cujo gerador de energia elétrica é uma CaC.

Este motor chama-se motor síncrono de imãs permanentes e é muito parecido com o motor de indução, pois tem um estator com bobinas igualmente espaçadas geometricamente com a diferença de que no rotor não existem bobinas, e sim imãs permanentes. O uso dos imãs torna o motor muito mais eficiente e como o motor não possui escovas tem baixo índice de interferência magnética (EMI). Com essa configuração esse motor que vem cada vez mais dominando o mercado de automóveis, tração, robótica e tecnologia espacial. Atinge altas velocidades, apresenta altos torques e uma de suas notórias qualidades é o fato de ser relativamente menor e ocupar menor espaço. Chama-se motor síncrono, pois o rotor acompanha sincronizadamente o campo do estator (MENDONÇA, 2008). Na Figura 68 ilustra-se o gráfico do binário aplicado por esse motor em função de sua velocidade.

Fonte: Mendonça (2008)

Figura 68 – binário do motor síncrono de ímãs permanentes

A configuração das bobinas no estator determina o número de pólos magnéticos que se formam. Estes podem ser 2(norte e sul), 4, 6, 8 pólos. Na Figura 69 estão esquematizados os mais comuns. Na Figura 70 apresenta-se um esquema de um motor síncrono de imãs permanentes com 6 pólos.

Fonte: Garcia (2003)

Fonte: Vnevoa (S.D.)

Figura 70 – motor de ímãs permanentes com 6 pólos

Concluí-se que para a utilização em um veículo elétrico o motor a ser usado é um motor síncrono com ímãs permanentes de CA pois apresenta as vantagens de ter bom binário mecânico, maior potência específica, maior rendimento energético, já que seu rotor não é bobinado, não perdendo elevado calor para o meio, possui maior longevidade que um motor comutado pois não há desgaste das escovas, possui baixo indice de interferência magnética e não existe o dano no comutador devido a abrasão a que é submetido.

Quando comparado ao motor de CC sem escovas ele é melhor, pois possui maior binário e ao se comparar com um motor de indução torna-se preferível, pois é bem menor e ocupa menos espaço além de o rotor não ser bobinado como no de indução.

Seguindo a lógica de raciocinio, após ter visto qual o melhor motor para um carro elétrico, será realizada uma análise das outras partes que compõem esse sistema composto pela CaC, que produz energia elétrica, pelas baterias que vão armazenar essa energia (pois a utilização da mesma não é constante ao longo do tempo), e pelos

conversores que irão transformar a corrente contínua que sai das baterias em corrente alternada para alimentar o motor síncrono de ímãs permanentes.

Para fins de análise será tomado, como base, um carro que utiliza esse mesmo motor, que foi deduzido aqui ser o melhor para aplicações automotivas elétricas. Esse carro é o FCX Clarity da montadora Honda. Ele também é um carro movido a CaC do tipo PEM já citado em capítulos anteriores.

Esse carro utiliza uma bateria que armazena a energia vinda da CaC de íons de lítio de 288 V. Portanto o arranjo das CaCs deve ser tal que somados os potenciais de totas as células deve alimentar essa bateria de 288V.

Para o cálculo do potencial teórico que cada CaC do tipo PEM apresenta, seja n o número de mols de elétrons que atravessam o motor elétrico vindo da célula de combustível. No ânodo da célula acontece a seguinte reação:

H2 ↔ 2H +

+ 2e

portanto: n=2. Seja ∆G o trabalho útil máximo, calculado em tópicos precedentes:

∆G = 237 kJ/mol (CNTP). Seja F a constante de Faraday:

F = 96,341 kJ/mol.V

Seja Ecel a tensão teórica liberada em cada célula de combustível do tipo PEM dada pela equação 7:

Ecel = ∆G/n.F (11) Ecel = (237 kJ/mol)./[2(96,341 kJ/mol.V).] ≈ 1,23 V

Esse é o valor de tensão obtida em cada CaC do tipo PEM considerando as perdas calculáveis, ou seja, considerando a segunda lei da termodinâmica. Porém, em funcionamento, esse valor fica em torno de 0,7 V (FERRIGOLO, 2009).

Para o cálculo do número de células (NP) necessárias para que se atinja um potencial de 288V, considerando um potencial prático de 0,7 V por célula, obtém-se:

NP = 288/0,7 ≈ 411 células

Deve-se imaginar aqui que toda a energia gerada pela CaC para abastecer as baterias é gasta sendo necessário assim, de todas essas CaC configuradas em série para

abastecer a bateria. Ao olhar esse número de CaC necessárias para isso tem-se a idéia de que é inviável, pois ficaria muito grande o sistema formado por estas células, porém cada CaC é muito pequeno e os sistema montado fica bem compacto. Um esquema da montagem em série de inúmeras CaC é apresentado na Figura 71.

Fonte: Wendt; Gotz; Linardi (2000)

Figura 71 – ilustração da forma a ser montada as CaCs

Sendo: 1- Placa Bipolar 2- Cátodo 3- Moldura do cátodo 4- Eletrólito 5- Moldura do ânodo 6- Ânodo

Na Figura 72 ilustra-se o espaço gasto para armazenar todas as centenas de CaCs do FCX Clarity responsável por gerar toda energia elétrica demandada pelo veículo, também chamado simplesmente de pilha de células combustível.

Fonte: Honda (S.D.)

Figura 72 – pilha de células de combustível do FCX Clarity

Surge nesse ponto a necessidade de explicar a função e a maneira de como as baterias de carros com motor de combustão interna funcionam para posteriormente fazer-se uma analogia. Quando o veículo está em movimento, as baterias apenas recebem energia elétrica, ou seja, elas são recarregadas. Se o carro, quando em movimento, precisa de energia elétrica para alimentar qualquer circuito elétrico, essa energia vem do alternador. O alternador é responsável por recarregar a bateria e enviar energia para o carro.

Quando o carro se encontra desligado quem fornece energia para os circuitos elétricos caso seja solicitado é a bateria. Esta energia deve existir em quantidade suficiente para acionar o motor de partida, caso contrário não ocorre o funcionamento do motor (TOGUCHI, 2008).

No caso de veículos movidos a CaCs, a bateria tem um papel muito importante pois como se trata de um veículo com motor elétrico as baterias devem ter ótima densidade energética uma vez que armazenarão toda a energia elétrica gerada pelas CaCs e também pelas regenerações de energia possíveis, além de terem que descarregar rapidamente mediante a necessidade de energia do veículo.

A corrente elétrica contínua proveniente das CaCs será armazenada em baterias de íons de lítio, pois elas tem maior possibilidade de aceitar maiores níveis de picos de potência associado com a freagem regenerativa, são mais eficientes, podem ser descarregadas a grandes taxas. Essas baterias de íons de lítio, no que se refere a veículos híbridos e elétricos, são muito mais vantajosas do que as baterias de chumbo- ácido que demanda bastante espaço e peso, pois necessitava-se de um grande conjunto de baterias para suportar altas densidades de energia, além de não ser adequada para carregamento rápido, não satisfazendo assim a necessidade de se armazenar energia vindo de uma freada, por exemplo (TOGUCHI, 2008).

A implementação dessa bateria de íons de lítio pode proporcionar ao veículo uma rápida descarga não sendo assim necessário a presença, ou a presença de muitos, capacitores e supercapacitores para descarregar energia rapidamente. Na Figura 73 ilustra-se o conjunto de baterias usado no FCX Clarity.

A corrente de carga nos super capacitores, caso exista, não deve exceder um valor limite pré estabelecido para que ele não absorva grande parte da energia que deve circular entre a bateria e o restante do sistema elétrico que demanda energia (MENDONÇA, 2008).

Fonte: Honda (S.D.)

Figura 73 – conjunto de baterias do FCX Clarity

Após analisar a bateria do veículo se faz necessário a implementação de um conversor, que irá transformar a CC que provém das baterias em CA que será usada para mover o motor elétrico. Como o intuito é a economia energética, a melhor opção é a instalação de um conversor bidirecional situado entre o motor e as baterias, pois é desejado gerar energia ao se frear o veículo, ou seja, regenerar parte da energia. Desse modo necessita-se transformar de CA vindo do motor em CC para alimentar as baterias.

Considerando baterias, supercapacitores e regeneradores de energia a CaC não precisa ser dimensionada para a potência de pico do automóvel, deve ser projetada para uma potência média, desse modo a CaC será menor, mais compacta e, portanto, mais viável financeiramente.

Para coordenar o trabalho das CaCs, das baterias, dos supercapacitores é necessário um conversor eletrônico de múltiplas entradas (MIPEC, Multiple Input Power Electronic Converter). Ele realiza a interconexão desses vários dispositivos ao inversor bidirecional de corrente.

Para assegurar que o motor elétrico receberá energia da maneira correta e para controlar a alocação de energia disponível de maneira a não estragar e aumentar a vida útil da CaCs, baterias e supercapacitores existe um dispositivo chamado de sistema supervisório (TESSMER, 2009).

Na Figura 74 apresenta-se um esboço para melhor intendimento da configuração interligando CaC, baterias (BT), supercapacitores (SC), MIPEC, sistema supervisório, inversor de corrente e motor elétrico. Na Figura 75 ilustra-se um esboço de como seria a estrutura básica do veículo analisado nessa pesquisa.

Fonte: Tessmer (2009)

Fonte: adaptado de Honda (S.D.)

Figura 75 – estruturação do veículo em análise

4 COMPARAÇÃO DO GASTO ENERGÉTICO ENTRE CIDADES