ACIONAMENTO DO VEÍCULO DE LEVITAÇÃO MAGNÉTICA SUPERCONDUTORA MAGLEV-COBRA. Lívia Corrêa Capistrano

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ACIONAMENTO DO VEÍCULO DE LEVITAÇÃO MAGNÉTICA SUPERCONDUTORA MAGLEV-COBRA

Lívia Corrêa Capistrano

Projeto de Graduação apresentado ao Corpo Docente do Departamento de Engenharia Elétrica da Escola Politécnica da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro Eletricista.

Orientador: Roberto André Henrique de Oliveira

Rio de Janeiro Dezembro de 2016

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Lívia Corrêa Capistrano

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.

Examinado por:

_____________________________________________ Roberto André Henrique de Oliveira, M.Sc. _____________________________________________

Richard Magdalena Stephan, Dr. -Ing. _____________________________________________

Guilherme Camargo, Eng.

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL DEZEMBRO DE 2016

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Capistrano, Lívia Corrêa

Acionamento do Veículo de Levitação Magnética Supercondutora MagLev-Cobra / Lívia Corrêa Capistrano. – Rio de Janeiro: UFRJ/Escola Politécnica, 2016.

XIII, 54 p.: il.; 29,7cm.

Orientador: Roberto André Henrique de Oliveira

Projeto de Graduação – UFRJ/Escola Politécnica/ Departamento de Engenharia Elétrica, 2016.

Referências Bibliográficas: p. 55 – 57.

1. Eletrônica de Potência. 2. MagLev-Cobra. 3. HMI Multidrive. 4. Acionamento do veículo. I. Oliveira, Roberto André Henrique de. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Departamento de Engenharia Elétrica. III. Acionamento do Veículo de Levitação Magnética Supercondutora MagLev-Cobra.

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Agradecimentos

Agradeço a Deus, que por sua infinita misericórdia e compaixão se faz presente mesmo quando não mereço e à Maria, mãe de Deus e minha, por permitir que eu experimente seu colo materno todos os dias.

Aos meus amados pais, Ana Lúcia e Delso, à minha doce avó, Dejanitta, aos meus saudosos avós, Lúcio, Paulina e Dionísio, às minhas tias-mães, Célia e Lígia, à minha amada irmã, Letícia, e ao meu amado noivo, Paulo, toda a minha gratidão. Agradeço a todos vocês por contribuir de forma ímpar para minha formação e por não medir esforços para diminuir o peso dessa jornada sobre meus ombros. Obrigada pelo amor incondicional! Serei eternamente grata a Deus por ter vocês como família, meu maior presente. A vocês, o meu maior amor no mundo.

Meu profundo agradecimento ao professor Richard e ao doutorando Roberto, pelas orientações e pelos ensinamentos.

Agradeço também aos colegas do LABMAQ, Sérgio, Jorge e Barbosa, e LASUP, Vina, Edeval, Renato e Felipe e ao professor João Batista Pinto Neto, do GTA/UFRJ, pelo apoio durante todo o projeto.

E por fim, à equipe da Inovative Automação, Leandro Mansur e Leandro Silva, pelo apoio técnico e pela gentileza.

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Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.

Lívia Corrêa Capistrano Dezembro/2016

Orientador: Roberto André Henrique de Oliveira Co-orientador: Richard Magdalena Stephan Departamento: Engenharia Elétrica

Este trabalho estuda o acionamento do protótipo operacional do veículo de levitação magnética para o transporte urbano denominado MagLev-Cobra. Foram avaliados três perfis de rampa de aceleração e frenagem, para diferentes velocidades e acelerações, considerando os aspectos: conforto, consumo de energia, capacidade de regeneração e força. As principais funções e características da interface HMI300-Multidrive, do controlador lógico programável PLC300 e do conversor CFW-11 da WEG, que representam importantes ferramentas para a operação do MagLev-Cobra, foram detalhadamente estudadas.

Como conclusão, apresenta-se uma proposta de operação para a linha experimental de 200 m de extensão que se encontra no campus da UFRJ.

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Abstract of Graduation Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Electrical Engineer.

DRIVE PROFILE OF THE MAGNETICALLY LEVITATED VEHICLE MAGLEV-COBRA

Lívia Corrêa Capistrano December/2016

Advisor: Roberto André Henrique de Oliveira Joint advisor: Richard Magdalena Stephan Department: Electrical Engineering

This work studies the drive profile of the magnetically levitated vehicle for urban transportation named MagLev-Cobra. Three braking and acceleration ramps for different speeds and accelerations were assessed from the point of view of passenger comfort, energy consumption, regeneration capacity and force. The main features and functions of the human-machine interface HMI300-Multidrive, the programmable logic controller PLC300 and the WEG’s converter, CFW11, were studied in detail.

As a conclusion, an operational proposal for the experimental line located on the UFRJ campus is presented.

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Sumário

Lista de Figuras ... ix

Lista de Tabelas ... xi

Lista de Símbolos ... xii

Lista de Abreviaturas ... xiii

1 Introdução ... 1 1.1. Motivação ... 1 1.2. Objetivos ... 4 1.3. Organização ... 4 2 MagLev-Cobra ... 6 2.1. O veículo ... 6

2.2. Motor do veículo - MIL ... 8

2.3. Frenagem do veículo ... 12

2.4. Acionamento Regenerativo ... 15

2.4.1. Inversor de Saída CFW11-88A ... 16

2.4.2. Conversor regenerativo ... 19

2.5. Linha Experimental ... 19

3 Interface Homem-Máquina Multidrive ... 23

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3.1.1. Introdução à HMI300 ... 24

3.1.2. Implementação em Inversores CFW11 em uma rede RS-485 ... 26

3.2. PLC300 ... 27

3.2.1. Introdução ao PLC300 ... 27

3.2.2. Implementação em Inversores CFW11 em uma rede RS-485 ... 28

3.3. Conclusão ... 29

4 Avaliação do Acionamento ... 30

4.1. Rampa S: consumo e conforto ... 31

4.1.1. Rampa S ... 31

4.1.2. Resultados Experimentais: Consumo e Conforto ... 35

4.2. Regeneração de Energia ... 41

4.2.1. Frenagem Regenerativa ... 41

4.2.2. Resultados Experimentais: Regeneração ... 42

4.3. Força x Frequência de Alimentação ... 47

4.3.1. Força x Frequência ... 48

4.3.2. Resultados Experimentais: Força ... 50

5 Conclusões e Trabalhos Futuros ... 52

5.1. Conclusões ... 52

5.2. Trabalhos Futuros ... 54

Referências Bibliográficas ... 55

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ix

Lista de Figuras

Figura 1 - Frota de Veículos ... 2

Figura 2 – Ranking das 10 capitais brasileiras que mais demandam tempo no deslocamento casa-trabalho-casa ... 2

Figura 3 – MagLev-Cobra ... 7

Figura 4 - Levitação do criostato sobre o trilho de imãs permanentes ... 8

Figura 5 - Planificação de um motor de indução linear. ... 9

Figura 6 - Alimentação de um MIL de primário longo. ... 10

Figura 7 - Primário e secundário do MIL do MagLev-Cobra ... 10

Figura 8 - Curva força x velocidade com variação da frequência. ... 13

Figura 9 – Esquema simplificado do acionamento regenerativo do MagLev-Cobra. .... 15

Figura 10 – IHM do CFW11-88A destinado para o acionamento do MIL ... 16

Figura 11 - Editor de parâmetros do CFW11 ... 18

Figura 12 - Função Trend do SuperDrive G2 ... 18

Figura 13 – Linha experimental entre os Centros de Tecnologia I e II. ... 20

Figura 14 - Linha Experimental ... 21

Figura 15 - Trilhos de imãs permanentes ... 22

Figura 16 - Desnível da linha de testes ... 22

Figura 17 - Painel de operação da interface HMI300. ... 24

Figura 18 - Redes de comunicação da interface HMI300 ... 26

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x

Figura 20 - Redes de comunicação do PLC300. ... 28

Figura 21 - Trajetória trapezoidal. ... 31

Figura 22 - Rampas de aceleração/desaceleração. ... 32

Figura 23 – Velocidade, aceleração e jerk para uma rampa linear ... 33

Figura 24 – Velocidade, aceleração e jerk para uma rampa em “S” ... 34

Figura 25 - Determinação do ponto de consumo das rampas de aceleração ... 36

Figura 26 – Consumo de Energia até chegar à velocidade nominal da rampa S 0%, em Wh, para uma velocidade de 16 km/h e uma aceleração de 0,3 m/s². ... 37

Figura 27 - Consumo de Energia até chegar à velocidade nominal da rampa S 50%, em Wh, para uma velocidade de 16 km/h e uma aceleração de 0,3 m/s². ... 37

Figura 28 - Consumo de Energia até chegar à velocidade nominal da rampa S 100%, em Wh, para uma velocidade de 16 km/h e uma aceleração de 0,3 m/s². ... 38

Figura 29 - Consumo de Energia até chegar à velocidade nominal das Rampas S ... 38

Figura 30 - Aumento no nível da tensão do barramento CC na frenagem ... 42

Figura 31 - Picos de tensão no barramento CC nos momentos de frenagem do veículo. (Com 𝑣 = 20 km/h e 𝑎 = 0,7 m/s²) ... 43

Figura 32 - Picos de tensão no barramento CC nos momentos de frenagem do veículo. (Com 𝑣 = 12 km/h e 𝑎 = 0,7 m/s²) ... 44

Figura 33 - Falha de sobretensão: 𝑣 = 20 km/h; 𝑎 = 0,3 m/s²; Rampa S 50%. ... 45

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xi

Lista de Tabelas

Tabela 1 - Dados de placa do MIL do MagLev-Cobra. ... 11

Tabela 2 – Características técnicas do MIL do MagLev-Cobra. ... 11

Tabela 3 - Dados de Placa do inversor CFW11 ... 17

Tabela 4 - Dados de Placa do CFW11-105-RB ... 19

Tabela 5 – Consumo de Energia (Wh) até chegar à velocidade de 12 km/h ... 39

Tabela 6 - Consumo de Energia (Wh) até chegar à velocidade de 14 km/h. ... 39

Tabela 7 - Consumo de Energia (Wh) até chegar à velocidade de 16 km/h ... 40

Tabela 10 - Pico no nível de tensão, em Volts, após iniciada a frenagem (𝑣 =12km/h). 46 Tabela 11 - Pico no nível de tensão, em Volts, após iniciada a frenagem (𝑣 =14km/h). 46 Tabela 12 - Pico no nível de tensão, em Volts, após iniciada a frenagem (𝑣 =16km/h). 46 Tabela 13 - Pico no nível de tensão, em Volts, após iniciada a frenagem (𝑣 =18km/h). 47 Tabela 14 - Pico no nível de tensão, em Volts, após iniciada a frenagem (𝑣 =20km/h). 47 Tabela 15 - Tempo médio gasto para veículo atingir 18 km/h. ... 50

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Lista de Símbolos

𝑎 aceleração

𝑓 frequência de alimentação do primário 𝑛 velocidade do motor em rpm

𝑛_𝑛𝑜𝑚 velocidade nominal do motor em rpm 𝑠 escorregamento T período 𝑡_𝑎𝑐 tempo de aceleração 𝑡_𝑑𝑒𝑠 tempo de desaceleração 𝑣 velocidade mecânica em km/h 𝑣0 velocidade inicial 𝑣_𝑓 velocidade final

𝑣_𝑛𝑜𝑚 velocidade nominal do motor em km/h 𝑣_𝑚 velocidade mecânica do motor

𝑣𝑠 velocidade síncrona

∆𝑡 variação do tempo 𝜏 passo polar

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Lista de Abreviaturas

BRT Bus Rapid Transit

CLP Controlador Lógico Programável

CT Centro de Tecnologia

DENATRAN Departamento Nacional de Trânsito

FIRJAN Federação das Indústrias do Rio de Janeiro

GPS Global Positioning System

GTA Grupo de Teleinformática e Automação

HMI Human-Machine Interface

IHM Interface Homem-Máquina

LABMAQ Laboratório de Máquinas Elétricas

LASUP Laboratório de Aplicações de Supercondutores

MIL Motor de Indução Linear

PLC Programmable Logic Controller

VLT Veículo Leve sobre Trilhos

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1

Capítulo 1

Introdução

1.1 Motivação

O aumento do número de veículos nas ruas e a falta de obras de infraestrutura viária capazes de acompanhar este aumento, dentre outros fatores, prejudicam a mobilidade urbana, que se apresenta como um dos maiores desafios das metrópoles de todo o mundo.

Segundo o DENATRAN [1], o número total de carros no Brasil em janeiro de 2016 foi de 49.938.038, um aumento de aproximadamente 44% em relação ao ano de 2010, como mostra o gráfico na Figura 1 (a).

(a) 34.696.707 49.938.038 0 10.000.000 20.000.000 30.000.000 40.000.000 50.000.000 60.000.000 2010 2016 Frota d e ve ícu los Ano

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2

Na cidade do Rio de Janeiro, segunda maior metrópole do Brasil, esse aumento foi de aproximadamente 27,5%, como mostrado na Figura 1 (b).

(b)

Figura 1 - Frota de Veículos: (a) Brasil; (b) Rio de Janeiro.

A cidade do Rio de Janeiro, de acordo com a FIRJAN [2], ocupa a primeira posição no ranking das capitais do Brasil que demandam mais tempo no deslocamento casa-trabalho-casa e fez o trabalhador perder, em média, 2 horas e 21 minutos por dia, em 2012, como mostra a Figura 2.

Figura 2 – Ranking das 10 capitais brasileiras que mais demandam tempo no deslocamento casa-trabalho-casa 1.527.591 1.947.175 500.000 1.000.000 1.500.000 2.000.000 2.500.000 2010 2016 Frota d e ve ícu los Ano 141 132 128 125 122 122 120 120 105 110 115 120 125 130 135 140 145 Rio de Janeiro - RJ São Paulo -SP Salvador -BA Belo Horizonte -MG

Recife PE Curitiba PR Goiânia -GO Manaus -AM T em po Gast o no Deslocam ento (m in) Cidade

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3

Diante de fatos como este, surge a necessidade de mudar os padrões da mobilidade tradicional e buscar, sobretudo, soluções que priorizem questões ambientais, como a emissão de gases poluentes ou o ruído ambiental.

A difusão de transportes sobre trilhos, como: metrôs, trens, bondes modernos, popularmente conhecidos como VLTs, e veículos de levitação magnética (MagLev), surge como alternativa para contribuir com a melhoria da mobilidade urbana.

O MagLev, mais especificamente, representa um modelo de tecnologia sustentável, possuindo muitas vantagens sobre o sistema roda-trilho convencional, como: elevada capacidade de aceleração e desaceleração, elevada capacidade de superar aclives e declives, menor peso, além de ser mais econômico e de manutenção mais simples e barata [3].

O MagLev-Cobra, único veículo de levitação magnética brasileiro, está sendo desenvolvido na Universidade Federal do Rio de Janeiro e, segundo [4], pode ser visto como um componente importante na solução dos problemas de transporte urbano e do consumo consciente de energia elétrica por ser inovador e de baixo impacto ambiental.

Portanto, comparado com outros meios de transporte, o MagLev-Cobra apresenta vantagens relevantes, sendo o seu custo de implantação – cerca de um terço do necessário para se implantar igual distância de um metrô subterrâneo – a principal delas. Além do baixo custo de implantação e de operação, o veículo não emite gases poluentes e opera com um sistema de frenagem regenerativa, capaz de devolver energia à rede elétrica.

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4

1.2 Objetivos

Por se tratar de um transporte de passageiros, a variável “conforto” possui relevância para o MagLev-Cobra e está diretamente relacionada com a suavidade das transições de velocidades do veículo durante o trajeto.

Assim como em [5], que realizou testes para o ajuste de partida do motor linear do protótipo em escala reduzida, este trabalho tem como principal objetivo ajustar o acionamento do protótipo operacional do MagLev-Cobra. Pretende-se avaliar diferentes perfis de rampa de aceleração e desaceleração do veículo, para variadas velocidades e acelerações, e identificar qual o melhor perfil baseado nos aspectos: conforto, consumo de energia, força e, como realizado em [4], capacidade de regeneração de energia.

Outro intuito do trabalho concentra-se em avaliar a implementação de uma Interface Homem-Máquina que possibilite a parametrização e a operação simultânea de vários inversores, facilitando o uso destes em conjunto. Por isso, uma interface multidrive pode ser uma importante ferramenta para futuras operações no MagLev-Cobra.

1.3 Organização

No presente capítulo foram apresentados, em linhas gerais, a motivação e os objetivos para o estudo do MagLev-Cobra.

No capítulo 2, são descritos assuntos relacionados ao veículo e importantes para o desenvolvimento deste trabalho, sendo eles: o veículo em si, o seu motor, a sua frenagem, o acionamento regenerativo e a linha experimental.

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5

O capítulo 3 contém informações relativas a dois equipamentos, HMI300 e PLC300, que permitem ao usuário o acesso simultâneo a vários inversores através de uma única interface homem-máquina.

O capítulo 4 apresentada uma avaliação do acionamento do MagLev-Cobra baseada nos resultados e nas análises de testes realizados no veículo.

No capítulo 5, são apresentadas as conclusões adquiridas no decorrer deste trabalho.

Ao final são apresentadas as referências bibliográficas que ofereceram suporte para o desenvolvimento deste texto.

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Capítulo 2

MagLev-Cobra

O MagLev-Cobra tem capacidade de transportar até 5 passageiros por metro quadrado e futuramente, em percursos mais longos, poderá atingir uma velocidade de até 100 km/h.

O plano diretor da UFRJ para 2020 prevê a instalação de uma via de, aproximadamente, 5 km de extensão para a circulação do MagLev-Cobra na Cidade Universitária, ligando o parque tecnológico à estação do BRT Aroldo Melodia, na Ilha do Fundão.

Atualmente, em sua linha experimental com aproximadamente 200 metros de extensão, o veículo transporta em torno de 100 passageiros, entre alunos, professores, funcionário e visitantes da UFRJ, em duas horas semanais de demonstração, circulando a uma velocidade de 10 km/h ao longo da linha de testes.

2.1. O veículo

Com 6 metros de comprimento, o protótipo possui quatro módulos de 1,5 metro de comprimento. Cada um dos módulos está indicado na Figura 3 e será descrito em seguida.

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7

Figura 3 – MagLev-Cobra

Os módulos 1 e 4 são conhecidos como módulos de extremidade e os módulos 2 e 3 como módulos intermediários.

O módulo 1 possui, basicamente, 1 painel de comando e 1 inversor de frequência, destinado para o controle dos motores de indução lineares, fixados nos módulos 1 e 4. O módulo 4 possui 1 painel de controle e 1 inversor de frequência, que atualmente aciona o sistema de ar condicionado fixado no módulo 3.

As portas do veículo estão instaladas nos módulos 2 e 3, sendo utilizadas, atualmente, apenas as portas do módulo 3.

Por se tratar de um veículo de levitação, as rodas foram substituídas por blocos de aço inoxidável, os criostatos. São eles os responsáveis por fazer o veículo levitar sobre os

1 2

3 4

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8

trilhos de imãs permanentes de Nd-Fe-B a uma altura próxima de 10 mm, como mostra a Figura 4.

Figura 4 - Levitação do criostato sobre o trilho de imãs permanentes

No interior dos 24 criostatos (6 por módulo) que compõem o veículo, estão supercondutores (YBCO) que devem ser refrigerados com nitrogênio líquido a uma temperatura de -196°C.

2.2. Motor do veículo - MIL

Veículos de levitação utilizam motores lineares para sua propulsão. Estes possuem grandes vantagens sobre os motores rotativos devido à ausência de rolamentos mecânicos, acoplamentos e engrenagens, fazendo reduzir o custo com manutenções.

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O motor de indução linear (MIL) pode ser comparado a um motor de indução rotativo com o seu estator e o seu rotor cortados ao longo do seu eixo. Ou seja, o MIL pode ser entendido como um motor de indução rotativo planificado, como mostra a Figura 5.

(a) Motor rotativo (b) “Planificação” do motor

(c) Motor linear

Figura 5 - Planificação de um motor de indução linear. Fonte: [6]

Assim como um motor rotativo, o motor linear tem sua alimentação realizada através de bobinas de fases existentes no primário e seu secundário constituído por ferro laminado e barras de alumínio curto-circuitadas.

Em termos construtivos, existem dois tipos de motor de indução linear: primário curto e primário longo. Cada tipo de motor de indução linear (primário curto ou longo) tem sua peculiaridade que deve ser analisada antes de estabelecer sua aplicação.

De um modo geral, o motor de indução linear do tipo primário longo exige uma implementação mais complexa e mais cara. Complexa porque requer que a alimentação do primário do motor aconteça de forma setorizada, como mostra a Figura 6, energizando

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o primário adjacente ao secundário fixado no veículo. E mais cara porque necessita de uma quantidade maior de condutores para a alimentação do motor.

Figura 6 - Alimentação de um MIL de primário longo. Cortesia de R. A. H. Oliveira Contrariamente ao primário longo, o motor de primário curto possui uma implementação mais simples e de custo mais baixo pois não necessita de uma alimentação setorizada. Neste tipo de motor, a corrente chega ao primário por meio de sistemas de transferência de energia induzida, escovas coletoras, baterias, entre outros.

O motor de indução linear utilizado para tracionar o MagLev-Cobra é do tipo primário curto e secundário longo. Desta forma, o primário encontra-se fixado no veículo e o secundário do motor fixado ao longo de toda a via, como mostra a Figura 7.

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11

Desenvolvido exclusivamente para o MagLev-Cobra, o EALP – 1000/6 do fabricante Equacional foi o modelo de MIL escolhido para tracionar o veículo. Este possui um primário de 1,27m e 6 pólos e um secundário de 1,51m por seção.

Os dados de placa e as características técnicas do MIL utilizado no veículo são apresentados nas Tabelas 1 e 2, respectivamente.

Tabela 1 - Dados de placa do MIL do MagLev-Cobra. Fonte: [7]

Descrição do Equipamento

Fabricante Equacional

Modelo EALP – 1000/6

Força 900 N

Potência 10 CV

Tensão Primária 420 V tensão de linha – conexão Y

Corrente Primária 53 A Frequência 25 Hz N° de Pólos 6 Velocidade 7,8 m/s Passo Polar 0,1656 m Classe de Isolação H Proteção IP 23

Tabela 2 – Características técnicas do MIL do MagLev-Cobra. Fonte: [7]

EALP 1000/6

Material do Enrolamento Primário Cobre

Entreferro 10 mm

Fluxo Magnético Longitudinal

Comprimento do Primário 1270 mm

Comprimento do Secundário (secção)

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A velocidade da onda trafegante produzida pelo enrolamento primário de um MIL, também conhecida como velocidade síncrona, pode ser determinada pela Equação 2.1, como demonstra [8].

𝑣𝑠 = 2𝜏

𝑇 = 2𝜏𝑓 (2.1)

Conforme observado, a velocidade de um MIL não depende do número de pólos como em um motor rotativo. Em um motor linear, a velocidade depende apenas do passo polar e da frequência de alimentação. Esta diferença pode ser justificada pelo circuito magnético linear do MIL, que provoca um deslocamento transversal do campo magnético, ao invés do campo girante.

O escorregamento de um MIL pode ser definido como a diferença entre as velocidades síncrona (velocidade da onda eletromagnética) e mecânica do motor em p.u., como mostra a Equação 2.2:

𝑠 = 𝑣𝑠−𝑣𝑚

𝑣𝑠 (2.2)

2.3. Frenagem do veículo

A frenagem do MagLev-Cobra pode ser realizada através dos sistemas mecânico e elétrico. Aciona-se o freio mecânico nas estações, para o embarque e desembarque de passageiros, e em casos de emergência.

A frenagem elétrica, por sua vez, está agregada à frenagem mecânica a fim de reduzir o desgaste das sapatas de freio e suavizar as transições de velocidade do veículo. Existem, basicamente, três tipos de frenagem elétrica aplicados em motores de indução:

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I. Frenagem por contra-corrente - obtida por meio da inversão da sequência de fases que alimentam o motor. Este tipo de frenagem não é aplicável no MagLev-Cobra pois suas instalações não permitem a inversão da sequência de fases do motor do veículo;

II. Frenagem CC - obtida por meio da injeção de corrente contínua nos enrolamentos de fase do motor, promovendo um campo magnético estacionário no entreferro;

III. Frenagem regenerativa ou Frenagem dinâmica - obtida através da redução da frequência de alimentação do motor. Embora apresentem o mesmo princípio de funcionamento, suas características quanto ao seu conversor são distintas. De modo sucinto, a frenagem regenerativa permite devolver energia para rede elétrica ou armazená-la em baterias/capacitores. A frenagem dinâmica, por sua vez, promove a dissipação da energia gerada em banco de resistores.

As curvas de força por velocidade, apresentadas na Figura 8, permitem uma análise elucidativa do processo de regeneração de energia durante a frenagem.

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A Figura 8 ilustra um caso em que, quando o motor opera no ponto 1, a velocidade síncrona 𝑣𝑠 ultrapassa a velocidade desenvolvida pelo motor 𝑣. Neste instante, com base

na Equação 2.2, o escorregamento é positivo e a energia elétrica consumida transforma-se em movimento.

Ao reduzir a frequência de alimentação 𝑓, mantendo constante a relação entre tensão e frequência, o motor passa a operar em uma nova curva de torque por velocidade. O motor, então, tem seu ponto de operação deslocado do ponto 1 para o ponto 2. E, instantes depois, o motor passa a operar no ponto 3, onde atinge a estabilidade.

Segundo [4], o motor opera no ponto 2 devido a inércia mecânica do motor que não permite a variação imediata da velocidade. Neste momento, a energia é regenerada pois a velocidade 𝑣 desenvolvida pelo motor supera a velocidade síncrona 𝑣′_𝑠 da nova curva de operação, tornando o escorregamento da máquina negativo.

Ao iniciar o processo de frenagem do MagLev-Cobra, a frequência de alimentação do motor se reduz até atingir a frequência nula. Desta forma, o motor tem sua velocidade reduzida e a energia gerada durante a parada pode ser recuperada.

O freio CC pode ser acionado em caso de falha do inversor, transferindo a energia de um banco de baterias para os enrolamentos de fase do MIL. A corrente contínua circulante oferece o efeito de frenagem.

O freio mecânico deve ser acionado em emergências, caso falhe um dos métodos de frenagem elétrica e, em operação normal, sempre que se atinge uma estação de modo a permitir o embarque e desembarque seguro de passageiros.

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2.4. Acionamento Regenerativo

Para operar com um sistema de frenagem regenerativa, o MagLev-Cobra utiliza um conversor bidirecional de potência regenerativo, apresentado de forma simplificada na Figura 9.

Um transformador trifásico de 380VCA ligado em estrela, a 60 Hz, energiza o

quadro regenerativo. Nele, o circuito de pré-carga – composto por um banco de resistor em série com uma ponte retificadora de diodos – realiza o carregamento do banco de capacitores até atingir 70% da carga nominal, quando o banco de resistor e a ponte de diodos são desconectados. O circuito de pré-carga tem a importante função de controlar a carga no banco de capacitores, evitando correntes elevadas.

Já o filtro inserido tem a função de evitar a circulação de correntes de alta frequência, geradas pelos transistores do conversor regenerativo, na rede elétrica.

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Nas seções a seguir, são especificados os inversores de saída (CFW11-88A) e o conversor regenerativo (CFW11-105-RB), ambos fabricados pela WEG, ressaltando as suas funções e características mais relevantes para o desenvolvimento deste trabalho.

2.4.1. Inversor de Saída CFW11-88A

Os inversores de saída, mostrados na Figura 9, estão localizados no interior do MagLev-Cobra (Figura 10) nos módulos 1 e 4 e alimentados com uma tensão de 540 VCC.

Um dos inversores está designado para o controle do MIL, que opera com 420 VCA.

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O CFW11-88A gera tensões trifásicas alternadas para controlar o motor e torna possível a propulsão e frenagem do veículo através de diferentes curvas e tempos de aceleração e desaceleração.

Os dados de placa do CFW11-88A estão apresentados na Tabela 3. Tabela 3 - Dados de Placa do inversor CFW11

Rede Saída Tensão 380-480 VAC/3~ Rede 3~

Corrente (Sobrecarga normal) 88 A 88 A

60s/3s 96,8 A/132 A

Frequência 50/60 Hz 0-300 Hz

O comando, parametrização e monitoração deste equipamento pode ser feito por meio de sua IHM ou através de um software disponibilizado pela WEG, o SuperDrive G2.

Através do software de programação SuperDrive G2, o inversor de frequência pode ter seus parâmetros monitorados e alterados através de um computador. Além disso, o software disponibiliza o monitoramento gráfico de variáveis armazenadas na função Trend do inversor, como mostram as Figura 11 e 12.

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Figura 11 - Editor de parâmetros do CFW11

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2.4.2. Conversor regenerativo

CFW11-105-RB

O CFW11-105-RB é um conversor trifásico CA/CC que tem a capacidade natural

de permitir a devolução da energia à rede no momento da frenagem do motor acionado. Trata-se de um conversor regenerativo que controla o barramento CC, servindo de fonte de tensão para os inversores de saída, e devolve a energia armazenada nos capacitores à rede elétrica.

Os dados de placa do CFW11-105-RB estão apresentados na Tabela 4Tabela 4. Tabela 4 - Dados de Placa do CFW11-105-RB

CFW11-105-RB Entrada CA Tensão de entrada 380 V Tensão no barramento CC 537 V Corrente Nominal 127 A Corrente Contínua 50 kA Frequência 60 Hz

2.5. Linha Experimental

Inaugurada em 01/10/2014 para demonstrar a viabilidade técnica do MagLev-Cobra, a linha experimental está instalada entre dois blocos do Centros de Tecnologia da UFRJ, CT-I e CT-II. A Figura 13 fornece a visão aérea do percurso da linha de testes, que possui aproximadamente 200 metros de comprimento.

(33)

20

Figura 13 – Linha experimental entre os Centros de Tecnologia I e II. Fonte: [9] Trata-se de uma via elevada, com estrutura de tubos metálicos e laje de concreto, ligando duas estações de embarque e desembarque, como mostra a Figura 14.

(34)

21

(b)

(c)

Figura 14 - Linha Experimental: (a) Estação CT-I; (b) Linha de testes; (c) Estação CT-II Ao longo da via elevada estão fixados o secundário do motor de indução linear e os trilhos de imãs, mostrados na Figura 15.

(35)

22

Figura 15 - Trilhos de imãs permanentes

Entre as estações há um desnível de aproximadamente 1,35 metros, fornecendo à via um aclive de aproximadamente 0,8% do CT-I para o CT-II, como ilustra a Figura 16.

(36)

23

Capítulo 3

Interface Homem-Máquina Multidrive

Com a execução do Plano Diretor da UFRJ para 2020, mencionado no capitulo 2, outros inversores serão inseridos no veículo para o acionamento dos motores. Desta forma, a implementação de uma IHM que possibilite comandar, monitorar e parametrizar drives, em conjunto, facilita o uso dos inversores e transmite maior segurança para operá-los de forma sincronizada.

O objetivo inicial deste segmento do trabalho era implementar a interface HMI300-Multidrive, disponível no LabMAQ, em pelo menos dois inversores da família CFW11 de modo a promover um embasamento prático para futuras aplicações no MagLev-Cobra. No entanto, no decorrer dos estudos realizados, verificou-se que a sua implementação depende de um acessório de comunicação, cuja carência inviabilizou a implementação da HMI300.

Deste modo, neste capítulo são apresentadas as funções e características da HMI300-Multidrive, suas vantagens e desvantagens, além de apresentar uma segunda opção, mais completa, para o acionamento de inversores, o PLC300.

(37)

24

3.1. HMI300 - Multidrive

3.1.1. Introdução à HMI300

A interface de operação HMI300 (Figura 17) foi desenvolvida pela WEG; para o comando e monitoramento em conjunto de até 40 inversores das famílias 08, CFW-09, CFW-10 (sendo 5 o número máximo de inversores desta família) e CFW-11.

Figura 17 - Painel de operação da interface HMI300. Fonte: [10]

A HMI300 permite que o usuário visualize simultaneamente as principais informações dos inversores conectados à rede, além de possibilitar o comando de um conjunto de inversores pré-definido.

A HMI300, portanto, facilita o monitoramento de inversores, permitindo a visualização [10]:

(38)

25

 da Referência de Velocidade e da Velocidade Real*_{, em conjunto,}

para cada

grupo de 6 inversores;

 dos parâmetros de Corrente do Motor *_{, Referência de Velocidade, Velocidade}

Real, Status*_{, Sentido de Giro}*_{, Tempo das Rampas de Aceleração e}

Desaceleração*_{, Modo de Operação e Velocidade Máxima}*_{. Para cada inversor}

conectado à rede;

Em termos de acionamento, possibilita [10]:

 Ligar e desligar os inversores individualmente ou em conjunto;

 Alterar o sentido de giro de um inversor específico *_;

 Resetar inversores individualmente ou em conjunto *_;

 Rodar o inversor pela referência Jog *_;

 Programar ações automáticas para quando algum inversor da rede entrar em falha;

 Enviar a Referência de Velocidade para um inversor em modo individual ou para toda uma cascata.

(*)_{Informação ou comando não disponível para a família CFW-10.}

Quanto à sua comunicação, a HMI300-Multidrive dispõe de dois tipos de interface: RS485 e saídas digitais. A interface serial RS485 pode ser utilizada para a comunicação com os inversores das famílias CFW-08, CFW-09 e CFW-11, através do protocolo de rede padronizado Modbus-RTU. As saídas digitais são empregadas para o envio dos comandos para os inversores das famílias CFW-10.

Para a comunicação entre a IHM e um computador, utiliza-se a interface USB. Através dela e fazendo uso do protocolo XModem, o usuário pode transmitir o arquivo

(39)

26

de configuração para a interface, fazendo-a funcionar como mestre da rede RS-485 com protocolos Modbus RTU. A Figura 18 ilustra as redes de comunicação desta interface.

Figura 18 - Redes de comunicação da interface HMI300

A HMI300, apesar de acionar e monitorar os inversores, não realiza as parametrizações dos drives, que devem ser feitas nas suas respectivas IHMs. Portanto, a utilização deste equipamento não substitui as interfaces dos inversores, instituindo uma desvantagem.

3.1.2. Implementação em Inversores

CFW11 em uma rede RS-485

Para o acionamento do CFW11 através da HMI300-Multidrive, faz-se necessário a aquisição do módulo de comunicação RS-485-01 que permite a comunicação do inversor de frequência em uma rede RS-485 com protocolos ModBus-RTU.

(40)

27

O acessório de comunicação RS-485-01, cujo valor comercial estava em torno de R$ 600,00 em outubro de 2016, deve ser inserido em cada inversor conectado à rede.

3.2. PLC300

3.2.1. Introdução ao PLC300

Ainda mais completo que a interface HMI300-Multidrive, o controlador lógico

programável PLC300 (Figura 19) concentra as funções de IHM e CLP. O PLC300 foi

[11] desenvolvido para atender a necessidade de interface com o usuário em painéis e máquinas e fornecer um CLP completo e expansível, rápido e com diversas portas de comunicação, possibilitando que o produto seja mestre de redes CANopen (rede CAN) e/ou Modbus RTU (rede RS-485) além de Modbus TCP (rede Ethernet), como mostra a

Figura 20.

(41)

28

Figura 20 - Redes de comunicação do PLC300. Fonte: [12]

O PLC300 pode ser programado, via USB, Ethernet ou Serial RS232 e RS485, em linguagem ladder por meio do software WPS, que permite ainda: a montagem gráfica das telas, a configuração do equipamento e dos alarmes, entre outros.

3.2.2. Implementação em Inversores

CFW11 em uma rede RS-485

Assim como no caso da implementação da interface HMI300 – Multidrive, para o acionamento do CFW11 através do PLC300, em uma rede RS-485 com protocolos ModBus-RTU, faz-se necessário a aquisição do módulo de comunicação RS-485-01. Caso o inversor esteja em uma rede CANopen, entretanto, deve-se adquirir o acessório CAN-01 ou PLC11.

(42)

29

3.3. Conclusão

Para a operação do inversor de frequência CFW11 através da interface serial RS485 com protocolos ModBus-RTU, faz-se necessário a aquisição do acessório para comunicação RS-485-01. Esta aquisição deve ser realizada, portanto, tanto para a implementação da interface HMI300 quanto para a implementação do controlador lógico programável PLC300.

A HMI300-Multidrive possibilita o acionamento e monitoramento de inversores em conjunto, mas não permite que o usuário parametrize os drives, caracterizando uma desvantagem, uma vez que, a utilização deste equipamento não substitui as interfaces dos inversores.

O controlador lógico programável PLC300, entretanto, concentra as funções de IHM e CLP, permitindo que o usuário parametrize, acione e monitore inversores em um único painel.

(43)

30

Capítulo 4

Avaliação do Acionamento

Atualmente, o MagLev-Cobra opera na linha experimental a uma velocidade de 10 km/h, mas o intuito é que, no futuro próximo, o veículo circule a uma velocidade maior. Por isso, cinco diferentes velocidades superiores à atual foram testadas: 12 km/h, 14 km/h, 16 km/h, 18 km/h e 20 km/h.

Os testes contaram ainda com a análise de três perfis de rampa de aceleração e desaceleração do MIL e variados tempos de aceleração/desaceleração, buscando agregar o conforto, o menor consumo, a eficiência e a regeneração do veículo em cada viagem.

Com o computador conectado ao inversor de frequência que aciona o MIL, foram monitoradas, através da função Trend do software SuperDrive G2, a tensão do barramento CC, a corrente e a frequência do motor. A análise dos dados obtidos tem como base três vertentes, a saber:

I. Consumo de energia em cada perfil de rampa; II. Regeneração de energia do veículo;

(44)

31

4.1. Rampa S: consumo e conforto

Por possibilitar maior suavidade nas transições de velocidade, a rampa em “S” deve ser estudada. Nesta seção, são apresentados a definição e um comparativo entre os três perfis de rampa S (0%, 50% e 100%) nas perspectivas: consumo e conforto.

4.1.1. Rampa S

Em trabalhos anteriores, como em [4], foram realizados testes em que um motor de indução linear foi acelerado até uma determinada velocidade constante e, em seguida, desacelerado até a velocidade nula, conforme mostra a Figura 21.

Seguindo a mesma metodologia dos testes realizados em [4], o MIL do MagLev-Cobra foi acelerado até uma velocidade constante e, em seguida, desacelerado até a velocidade nula. Entretanto, nestes testes foi proposta uma melhora para o desempenho do motor e suavização na operação do veículo. Três perfis da rampa de aceleração/desaceleração foram impostos ao motor através da parametrização do inversor de frequência: Rampa S 0%, Rampa S 50% e Rampa S 100%, conforme ilustrado na Figura 22.

(45)

32

Figura 22 - Rampas de aceleração/desaceleração. Fonte: [13]

O perfil da rampa de aceleração e desaceleração faz parte das inúmeras vantagens inerentes do acionamento de máquinas elétricas oferecidas pelo inversor de frequência que controla o MIL do MagLev-Cobra, o CFW11.

O CFW11 possui, basicamente, dois tipos de rampas, a saber: I. Rampa Linear ou Rampa S 0%:

Rampa mais simples e, segundo [15], indicada para cargas com pouca inércia. Nos instantes das transições velocidade nula-rampa e rampa-velocidade final, o sistema acoplado ao motor recebe impulso que produz vibrações nos equipamentos conectados ao motor.

A Figura 23 mostra as curvas de velocidade, aceleração e jerk, quando uma carga é acionada por uma rampa do tipo S 0%. O jerk mede a taxa de variação da aceleração, ou seja, trata-se da derivada da aceleração, e seu uso é bastante comum na busca pelo conforto nos movimentos.

(46)

33

Figura 23 – Velocidade, aceleração e jerk para uma rampa linear Na rampa S 0% não há continuidade do jerk no início e final do movimento. Deste modo, não se pode garantir um movimento suave nas extremidades. II. Rampa em “S”:

A rampa em “S”, no entanto, permite uma transição de velocidade mais suave devido ao seu perfil não-linear.

A Figura 24 mostra as curvas de velocidade, aceleração e jerk, quando uma carga e acionada por uma rampa em “S”. O perfil do jerk neste tipo de rampa permite que as transições de velocidade ocorram de forma mais suave e, consequentemente, mais agradável ao usuário. Por isso, utiliza-se este tipo de rampa para acelerar/desacelerar cargas que necessitem de partidas/paradas suaves.

(47)

34

Figura 24 – Velocidade, aceleração e jerk para uma rampa em “S” O ajuste do perfil de rampa de aceleração/desaceleração pode ser feito através do parâmetro de programação P0104 do inversor de frequência CFW11.

Além deste parâmetro, outros três precisam ser ajustados: velocidade final (parâmetro P0121), tempo de aceleração (parâmetro P0100) e tempo de desaceleração (parâmetro P0101).

A velocidade configurada deve ser fornecida em rpm e pode ser obtida através da velocidade em km/h desejada, como mostra a Equação 4.1.

𝑛 = 𝑛𝑛𝑜𝑚∗𝑣

𝑣𝑛𝑜𝑚 (4.1)

A velocidade nominal, em rpm e em km/h, pode ser determinada por meio dos dados nominais do MIL apresentados na seção 2.2, como mostram as Equações 4.2 e 4.3.

𝑛𝑛𝑜𝑚= 120.𝑓

𝑃 = 120∗25

(48)

35

𝑣_𝑛𝑜𝑚 _{= 7,8 𝑚 𝑠}_{⁄ ≈ 28,08 𝑘𝑚 ℎ}⁄ (4.3) Os tempos médios de aceleração e desaceleração, no entanto, podem ser obtidos através da equação da aceleração média, como mostra a Equação 4.4:

𝑎_{𝑚é𝑑𝑖𝑎} = |𝑣− 𝑣0|

∆𝑡 (4.4)

∆𝑡 = 𝑡_𝑎𝑐 = 𝑡_𝑑𝑒𝑠 = |𝑣 − 𝑣0| 𝑎_{𝑚é𝑑𝑖𝑎}

Para determinar os tempos de aceleração e desaceleração, foram adotadas quatro diferentes acelerações médias: 0,3 m/s², 0,7 m/s², 1,0 m/s² e 1,2 m/s².

4.1.2. Resultados Experimentais:

Consumo e Conforto

O consumo de cada perfil foi verificado no gráfico de Energia (Wh), no ponto correspondente à referência de velocidade indicada pelo inversor. A Figura 25 ilustra como foi determinado o ponto de consumo da rampa de aceleração.

(49)

36

Figura 25 - Determinação do ponto de consumo das rampas de aceleração

A análise do consumo dos perfis de rampa S considera apenas a rampa de aceleração nas viagens CT-I → CT-II, trajeto que mais consome energia devido ao aclive da via.

As Figuras 26, 27 e 28 apresentam o consumo de energia nas rampas S 0%, 50% e 100%, respectivamente, para uma velocidade de 16 km/h. Pode-se observar que o consumo da rampa S 0% supera o consumo das demais.

(50)

37

Figura 26 – Consumo de Energia até chegar à velocidade nominal da rampa S 0%, em Wh, para uma velocidade de 16 km/h e uma aceleração de 0,3 m/s².

Figura 27 - Consumo de Energia até chegar à velocidade nominal da rampa S 50%, em Wh, para uma velocidade de 16 km/h e uma aceleração de 0,3 m/s².

(51)

38

Figura 28 - Consumo de Energia até chegar à velocidade nominal da rampa S 100%, em Wh, para uma velocidade de 16 km/h e uma aceleração de 0,3 m/s².

Em todos os casos analisados, o consumo de uma rampa S 0% foi, em média, 12% maior em relação a rampa de menor consumo e, de modo geral, as rampas S 50% e 100% possuem gastos similares, como mostra a Figura 29.

(52)

39

Os testes mostraram também que o consumo cresce quando a velocidade aumenta, como esperado, pois o acréscimo da velocidade gera um aumento na corrente demandada pelo motor.

As Tabelas 5, 6, 7, 8 e 9, dispostas por velocidades, apresentam com detalhes o consumo dos três perfis de rampa de aceleração até o ponto de velocidade constante, para cada uma das quatro acelerações analisadas. Apresentam também o percentual de aumento do consumo do maior valor registrado em relação ao menor, para todos os casos. Tabela 5 – Consumo de Energia (Wh) até chegar à velocidade de 12 km/h da Rampa S.

Aceleração Média

(m/s²)

Consumo Rampa S (Wh) Aumento (%)

Menor x Maior Consumo 0 % 50 % 100 % 0,3 38,8 36,9 35,3 9,9 0,7 16,2 15,1 14,5 11,7 1,0 11,0 10,7 9,9 11,1 1,2 9,6 9,1 8,7 10,3

Tabela 6 - Consumo de Energia (Wh) até chegar à velocidade de 14 km/h da Rampa S.

(m/s²)

(53)

40

(m/s²)

(54)

41

Do ponto de vista do conforto, percepções apontaram como ideal a rampa S 50%, que apresentou mais suavidade comparada a rampa S 0% e melhor resposta, para a condição de frenagem, comparada a rampa S 100%.

4.2. Regeneração de Energia

O sistema de frenagem regenerativa permite que o MagLev-Cobra forneça energia à rede elétrica, convertendo a energia cinética – proveniente da sua desaceleração – em energia elétrica, reduzindo o seu consumo.

Por se tratar de uma tecnologia auspiciosa, o sistema de regeneração do MagLev-Cobra deve ser observado.

4.2.1. Frenagem Regenerativa

Como mencionado na seção 2.3, a frenagem regenerativa, pode ser obtida através da redução da frequência de alimentação do motor e possui como principal vantagem a recuperação da energia gerada durante o processo de parada.

No SuperDrive G2, a regeneração de energia pode ser observada através do aumento simultâneo dos níveis da tensão do barramento CC e da corrente do motor após acionada a frenagem.

Na prática, ocorre um aumento do nível da tensão do barramento CC e um decaimento, simultâneo, do nível da corrente do motor, que inverte o seu sentido. Esta inversão de sentido não pode ser mostrada no software pois a leitura é realizada em módulo.

(55)

42

4.2.2. Resultados Experimentais:

Regeneração

Em cada viagem realizada durante os testes experimentais, foi verificado o nível da tensão na malha intermediária no momento da frenagem do veículo, como mostra a Figura 30.

Figura 30 - Aumento no nível da tensão do barramento CC na frenagem

Foi constatado que o nível do pico de tensão no barramento CC é maior quando o MagLev-Cobra faz o trajeto da estação CT-II para o CT-I, ou seja, quando há declive. Isto era esperado, uma vez que, o desnível da via neste sentido faz com que o veículo adquira mais velocidade. Desta forma, quando iniciado o processo de frenagem, a velocidade na descida é maior que a velocidade atingida pelo veículo na subida.

A Figura 31 mostra o comportamento da tensão nos momentos da frenagem do MagLev-Cobra.

(56)

43

Figura 31 - Picos de tensão no barramento CC nos momentos de frenagem do veículo. (Com 𝑣 = 20 km/h e 𝑎 = 0,7 m/s²)

Neste caso, a tensão do barramento CC, no momento da frenagem e com o veículo em declive, foi aproximadamente 3% superior à tensão CC de pico gerada com o veículo em aclive.

Foi possível notar também que a tensão do barramento CC atinge maiores níveis quando o veículo opera em velocidades mais elevadas. A Figura 32 mostra os níveis de tensão do barramento CC obtidos nas mesmas condições de operação do caso apresentado na Figura 31, exceto pela velocidade (12 km/h).

(57)

44

Figura 32 - Picos de tensão no barramento CC nos momentos de frenagem do veículo. (Com 𝑣 = 12 km/h e 𝑎 = 0,7 m/s²)

Comparando os dois casos, Figura 31 e Figura 32, verifica-se que os níveis de tensão atingidos pelo caso de menor velocidade foi aproximadamente 3,4% menor que os níveis atingidos pelo caso de maior velocidade. Este fato pode ser atribuído à elevação da energia cinética que também pode ser convertida em energia elétrica durante a frenagem.

Durante a realização dos testes, ocorreram falhas de sobretensão no barramento CC, indicadas pelo inversor CFW11-88A, que podem ter duas possíveis causas, segundo [16]:

1. Inércia da carga acionada muito alta; 2. Desaceleração muito rápida.

(58)

45

Os casos de falha de sobretensão ocorreram quando o veículo operava com uma velocidade de 20 km/h e uma desaceleração de 0,3 m/s², no trajeto CTII→CTI. Em um deles, a tensão do barramento CC atingiu 807 V, como mostra a Figura 33.

Figura 33 - Falha de sobretensão: 𝑣 = 20 km/h; 𝑎 = 0,3 m/s²; Rampa S 50%. As Tabelas 10, 11, 12, 13 e 14 mostram os valores de pico do barramento CC, após acionada a frenagem, nas diferentes etapas dos testes realizados. As tabelas apresentam também o nível da tensão CC ao iniciar o trajeto de ida e volta (CT-I→CT-II e CT-II→CT-I). Desta forma, os casos em que a tensão contínua no momento da frenagem possui valor superior ao valor do barramento CC podem ser observados.

(59)

46

Tabela 10 - Pico no nível de tensão, em Volts, após iniciada a frenagem (𝑣 = 12 km/h).

Aceleração Média (m/s²) Nível de Tensão (V) Tensão no Barramento CC (V) CTI→CTII CTII→CTI 0 % 50 % 100 % 0 % 50 % 100 % 0,3 543 543 543 546 545 544 555 0,7 539 539 539 542 538 539 556 1,0 536 538 539 538 537 541 555 1,2 537 538 538 540 539 539 556

Aceleração Média (m/s²) Nível de Tensão (V) Tensão no Barramento CC (V) CTI→CTII CTII→CTI 0 % 50 % 100 % 0 % 50 % 100 % 0,3 547 545 546 548 549 547 558 0,7 547 544 544 548 548 545 558 1,0 543 534 534 546 536 536 555 1,2 536 532 533 536 537 537 550

Aceleração Média (m/s²) Nível de Tensão (V) Tensão no Barramento CC (V) CTI→CTII CTII→CTI 0 % 50 % 100 % 0 % 50 % 100 % 0,3 541 542 542 561 559 557 555 0,7 544 545 543 546 552 556 556 1,0 547 549 549 555 552 551 560 1,2 547 547 547 551 551 556 560

(60)

47

Aceleração Média (m/s²) Nível de Tensão (V) Tensão no Barramento CC (V) CTI→CTII CTII→CTI 0 % 50 % 100 % 0 % 50 % 100 % 0,3 539 539 541 550 544 547 550 0,7 541 541 542 546 575 563 550 1,0 541 542 549 556 551 580 550 1,2 545 547 541 555 554 569 549

Aceleração Média (m/s²) Nível de Tensão (V) Tensão no Barramento CC (V) CTI→CTII CTII→CTI 0 % 50 % 100 % 0 % 50 % 100 % 0,3 539 542 544 552 553 552 550 0,7 546 545 541 561 568 550 550 1,0 550 548 544 616 607 587 555 1,2 554 547 546 568 564 588 555

4.3. Força x Frequência de Alimentação

Além da suavidade da transição de velocidade, existe outro fator essencial para um transporte atraente, a agilidade. Por isso, foram aplicadas diversas acelerações para mensurar a capacidade da força de tração do sistema.

(61)

48

4.3.1. Força x Frequência

Nos motores acionados por inversores de frequência, os tempos de aceleração e desaceleração estão limitados à sua capacidade de desenvolver uma velocidade mecânica de rotação que acompanhe a variação da frequência imposta pelo inversor.

Para compreender melhor o comportamento do torque de um motor de indução ao ser acionado por um inversor de frequência, três situações são apresentadas na Figura 34. A Figura 34 (a) mostra o conjunto de curvas “força x velocidade” para diferentes frequências de operação. Neste caso apresentado, a diferença entre a velocidade síncrona e a velocidade de rotação do motor foi mantida constante e o torque disponível pelo motor também se mantém.

(62)

49

(b)

Figura 34 - Força disponibilizada pelo motor acionado por inversor de frequência A Figura 34 (b), por sua vez, sugere pelo menos outros dois casos possíveis: uma variação de f para f′ e outra de f para f′′. Quando um motor destinado a operar em uma frequência f tem sua frequência de alimentação alterada para f′, seu ponto de operação migra instantaneamente do ponto 1 para o ponto 2. Neste caso, o torque disponibilizado pelo motor corresponde ao torque máximo da nova curva de operação e o motor consegue acompanhar a variação da frequência de alimentação.

Entretanto, quando um motor destinado a operar em uma frequência 𝑓 tem sua frequência de alimentação alterada de forma brusca para 𝑓′′, seu ponto de operação salta do ponto 1 para o ponto 3. Neste caso analisado, o ponto de operação 3 corresponde à uma região à esquerda do torque máximo da nova curva de operação, 𝑓′′. Nesta região o motor acompanha mais lentamente a variação da frequência de alimentação, devido seu alto escorregamento, disponibilizando torque insuficiente para garantir a alteração solicitada.

(63)

50

Portanto, quando um motor for acionado por um inversor de frequência, deve-se analisar o projeto de operação do motor de forma a adequar o seu ponto de operação na curva torque por velocidade.

4.3.2. Resultados Experimentais: Força

Ao analisar quatro diferentes acelerações (0,3 m/s², 0,7 m/s², 1,0 m/s² e 1,2 m/s²), verifica-se a capacidade do motor em atender às diversas variações de frequência.

Para certificar que o torque disponibilizado pelo motor será suficiente para garantir a variação da frequência, verifica-se a capacidade do motor em fornecer a velocidade requerida no tempo determinado. Para esta análise foram utilizados dados de tempo e velocidade do veículo obtidos pelo GTA/UFRJ, que trabalha com o posicionamento por GPS. Estes dados mostram a real velocidade do MagLev-Cobra e não a velocidade indicada pelo inversor (baseada na frequência de alimentação imposta ao motor).

Através destes dados, foi possível verificar o tempo médio gasto para que o veículo atinja a velocidade determinada. A Tabela 15 mostra o tempo médio que o MagLev-Cobra levou para atingir a velocidade de 18km/h nas suas diferentes acelerações.

Tabela 15 - Tempo médio gasto para veículo atingir 18 km/h.

Aceleração Média (m/s²) Tempo teórico (s) Tempo Médio Registrado (s) Defasagem (%) 0,3 17,0 19,9 17,1 0,7 7,1 18,5 160,6 1,0 5,0 19,2 284,0 1,2 4,1 29,9 629,3

(64)

51

Observa-se que nas acelerações superiores à 0,7 m/s², o veículo leva mais tempo para atingir a velocidade constante, quando era esperada uma redução de tempo. Já para a aceleração de 0,7 m/s2_{, existe uma defasagem significativa entre valores medidos e}

esperados. Isso se deve ao fato que, a partir de 0,3 m/s², o motor linear de tração opera à esquerda do conjugado máximo e assim levará mais tempo para atingir a velocidade solicitada. Elegemos a aceleração de 0,3 m/s2 para a operação do veículo.

(65)

52

Capítulo 5

Conclusões e Trabalhos Futuros

5.1. Conclusões

Neste trabalho foram descritas as principais funções e características de dois equipamentos oferecidos pela WEG e que podem ser uma importante ferramenta para a operação do MagLev-Cobra no futuro: a interface HMI300 e o controlador lógico programável PLC300. A HMI300 oferece ao usuário a possibilidade de acionar e monitorar inversores em conjunto, mas não substitui as respectivas interfaces dos drives, caracterizando uma desvantagem. O PLC300, por sua vez, agrega as funções de IHM e CLP, permitindo a parametrização, o acionamento e a monitoração de diversos drives em um único painel.

Independentemente do equipamento escolhido, deve-se adquirir acessórios de comunicação RS-485-01 para que os inversores de frequência CFW11 operem através da interface serial RS485 com protocolos ModBus-RTU – atualmente utilizada.

Os testes experimentais realizados possibilitaram: a análise do consumo de três perfis de rampa, o aumento do nível da tensão no barramento CC provocada pela

(66)

53

frenagem regenerativa e o comportamento do torque disponibilizado pelo motor quando variada a frequência de alimentação.

Os dados obtidos nos testes mostraram que as rampas de aceleração/desaceleração em “S” são as mais indicadas, pois apresentaram menor consumo e mais suavidade nas transições de velocidade. Percepções dos usuários, presentes no veículo durante a realização dos testes, apontaram como ideal a rampa S 50%, que apresentou mais suavidade comparada à rampa S 0% e melhor resposta, para o caso da frenagem, comparada a rampa S 100%.

O nível da tensão na malha intermediária apresenta maiores valores quando o veículo opera em declive e com as maiores velocidades. Assim, a tensão CC no trajeto da estação CT-II para o CT-I supera os níveis atingidos no trajeto inverso. O desnível da via faz com que o veículo adquira maior velocidade para um mesmo perfil de operação, resultando em mais energia cinética a ser convertida em energia elétrica durante a frenagem.

Ao analisar diferentes valores de acelerações, foi possível verificar a capacidade do motor em atender às diversas variações de frequência. Para esta análise foram utilizados dados de tempo e velocidade do veículo obtidos pelo GTA/UFRJ, que utiliza informações de GPS. Os resultados mostram que em acelerações superiores à 0,7 m/s² o veículo leva mais tempo para atingir a velocidade constante, o que permite concluir que, a partir de 0,3 m/s², o MagLev-Cobra passa a operar à esquerda do conjugado máximo, como mostrado na seção 4.3.1.

Desta forma, para a operação do veículo na linha experimental de 200 m de extensão, foi proposto manter a velocidade atual, de 10 km/h, ajustar o tempo de

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aceleração de 20s para 10s, de modo a operar com uma aceleração próxima de 0,3 m/s², e alterar a rampa S de 0% para 50 %.

5.2. Trabalhos Futuros

Com relação ao que foi realizado neste trabalho, são propostas de estudos futuros:

 Avaliar o acionamento do MagLev-Cobra alterando o número de passageiros;

 Implementar o controlador lógico programável 300 (PLC300) em inversores da família CFW11, de modo a oferecer um embasamento prático para futuras aplicações no MagLev-Cobra.

 Implementar a operação à malha fechada no veículo, de modo a tornar o seu sistema mais preciso.

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Referências Bibliográficas

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Anexos

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Rampa S 0% Rampa S 50% Rampa S 100%

0,3 m/

s²

0,7 m/

s²

(73)

60

1,0 m/ s² 1,2 m/ s² A2. 12 km/h (2/2)

(74)

61

0,3 m/

s²

0,7 m/

s²

(75)

62

1,0 m/ s² 1,2 m/ s² A4. 14 km/h (2/2)