UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
LEONARDO ANTÔNIO BRUM VIERA
PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM SISTEMA DE TRAÇÃO COM FREIO REGENERATIVO PARA VEICULOS ELÉTRICOS
Ijuí 2019
LEONARDO ANTÔNIO BRUM VIERA
PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM SISTEMA DE TRAÇÃO COM FREIO REGENERATIVO PARA VEICULOS ELÉTRICOS
Projeto de pesquisa apresentado como requisito para aprovação na disciplina de Trabalho de Conclusão de curso de Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul.
Orientador: Prof. Dr. Mateus Felzke Schonardie Prof. Dr. Mauricio de Campos
Ijuí 2019
AGRADECIMENTOS
Aos meus pais Leonel e Juliana, pela compreensão durante os períodos em que estive ausente, e por todo o sacrifício e suporte para que este sonho pudesse ser concretizado. À minha namorada, pelo apoio incondicional em grande parte deste período da minha vida, pela paciência em muitos momentos em que estive estudando, pela contribuição indispensável neste trabalho, por tudo. À toda a minha família, meu alicerce e suporte nesta longa caminhada. A todos os professores, pelo conhecimento compartilhado durante todo o curso, em especial aos meus orientadores Prof. Dr. Mateus e Prof. Dr. Maurício, pelos conselhos, contribuição indispensável neste trabalho e por toda a atenção prestada. Aos colegas, pelo companheirismo durante todo o curso, pela parceria nos grupos de estudo e pesquisa e pelo apoio e compreensão durante este longo período. Aos meus amigos e todos que de uma forma ou outra contribuíram para a conclusão deste trabalho.
RESUMO
VIERA, Leonardo Antônio Brum. Projeto e implementação de um sistema de tração com freio regenerativo para veículos elétricos. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2019. pg – 109.
As preocupações com os setores ambientais e econômicos, fez com que os veículos elétricos ganhassem espaço no mercado automotivo no último século. Em grande parte, devido as tecnologias embarcadas aos automóveis, cita-se a frenagem regenerativa e as máquinas elétricas de alta eficiência. A indústria nacional de forma geral não tem impacto no desenvolvimento de tecnologias nesta área. Desta forma, este trabalho objetiva o desenvolvimento de um sistema para o acionamento e controle de máquinas brushless de corrente contínua (BLDC), voltada para a aplicação automotiva. No decorrer da pesquisa é explorado o estado da arte de veículos elétricos, analisando de forma ampla as tecnologias utilizadas. Também é feito um estudo acerca da máquina BLDC, no que diz respeito ao processo de controle e acionamento. Além disso, apresenta-se o desenvolvimento prático do sistema, detalhando o projeto do hardware, firmware e a interface gráfica para controle remoto e supervisão, bem como, o projeto do controlador de velocidade e corrente. Por fim, são realizados testes de bancada, para validação do funcionamento do sistema.
ABSTRACT
Concerns about the environmental and economic sectors have made electric vehicles gain ground in the automotive market over the last century. In large part, due to technologies embedded in automobiles, regenerative braking and high-efficiency electric machines are cited. National industry generally has no impact on technology development in this area. Thus, this work aims to develop a system for the drive and control of direct current brushless machines (BLDC), aimed at automotive applications. In the course of the research the state of the art of electric vehicles is explored, broadly analyzing the technologies used. A study is also made about the BLDC machine with regard to the control and drive process. In addition, the practical development of the system is presented, detailing the hardware design, firmware and graphical interface for remote control and supervision, as well as the speed and current controller design. Finally, bench tests are performed to validate the operation of the system.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Instrumento de ensino, baseado na esfera de Barlow _______________________ 19 Figura 2 - O carro elétrico de brinquedo de Jedelik, (1828) _________________________ 20 Figura 3 - O carro elétrico de Thomas Parker (1884)_______________________________ 21 Figura 4 - Taxi elétrico em Nova York (1901) ____________________________________ 21 Figura 5 – “Model s”, veículo fabricado pela empresa Tesla® _______________________ 23 Figura 6 - Esquema de blocos básico de um VE __________________________________ 25 Figura 7 - Diagrama de Fluxo Geral Para Frenagem Regenerativa. ___________________ 28 Figura 8- Características típicas da propulsão veicular _____________________________ 30 Figura 9 - Características típicas da propulsão veicular _____________________________ 31 Figura 10 - Classificação dos motores utilizados em VE ____________________________ 32 Figura 11 - Principais topologias de máquinas VE. (a) DC. (b) indução. (c) SR. (d) PMBL. 33 Figura 12 - Principio de funcionamento do motor DC ______________________________ 34 Figura 13 - a) Rotor gaiola de esquilos. b) Rotor bobinado __________________________ 35 Figura 14 - Corte transversal do SRM __________________________________________ 36 Figura 15 - Motor brushless com um par de polos no rotor __________________________ 37 Figura 16- Arranjo de imãs para o rotor do motor brushless _________________________ 38 Figura 17 - Formas de onda da FCEM, Corrente e Conjugado: (a) PMSM; (b) BLDC ____ 39 Figura 18 - Circuito equivalente da máquina BLDC _______________________________ 41 Figura 19 - Característica de Torque e Velocidade da máquina BLDC _________________ 43 Figura 20 - Mapa dos quatro quadrantes de operação da máquina BLDC _______________ 44 Figura 21 – Relação entre as grandezas elétricas e os quatro quadrantes de operação _____ 44 Figura 22 - Diagrama de blocos equivalente para o motor BLDC _____________________ 45 Figura 23 – Seção transversal do motor BLDC ___________________________________ 49 Figura 24 - Sinal emitido pelos sensores Hall ____________________________________ 49 Figura 25 - Esquema de inversor trifásico para acionamento de motor BLDC ___________ 50 Figura 26 - Características de Torque-Velocidade, para comutação de 120◦ e 180◦ _______ 51 Figura 27 - Exemplo de acionamento bifásico do BLDC ___________________________ 52 Figura 28 - Sequência de acionamento bifásico para um motor BLDC _________________ 52 Figura 29 - Relação entre FCEM, corrente e os sinais dos sensores Hall _______________ 53 Figura 30 - Inversor trifásico operando como retificador trifásico ____________________ 55 Figura 31 - Inversor trifásico com conversor buck/boost ____________________________ 56
Figura 32 – Etapas de comutação para técnica de uma chave a) estado de corrente continua b) Estado de carga ____________________________________________________________ 57 Figura 33 – Fluxo de corrente nas etapas de comutação I) Etapa de 30º II) Etapa de 60º ___ 58 Figura 34 - Padrão unipolar PWM-ON de modulação PWM ________________________ 61 Figura 35 - Padrão bipolar de modulação PWM __________________________________ 61 Figura 36 - Diagrama de blocos de controle do motor BLDC ________________________ 62 Figura 37 - Diagrama de blocos do sistema ______________________________________ 65 Figura 38 - Máquina BLDC utilizada ___________________________________________ 66 Figura 39 - Periférico do STM32F103 para interface Hall __________________________ 67 Figura 40 - Microcontrolador e componentes auxiliares ____________________________ 68 Figura 41 - Circuito de acionamento e potência de um braço do inversor _______________ 70 Figura 42 - Circuito de acionamento e potência de um braço do inversor _______________ 71 Figura 43 - Curva de calibração do sensor de tensão de barramento ___________________ 71 Figura 44 - Circuito de condicionamento de corrente ______________________________ 73 Figura 45 - Curva de calibração do sensor de corrente _____________________________ 73 Figura 46 - Circuito de condicionamento dos sensores Hall _________________________ 74 Figura 47 - Circuito comunicação RS232 _______________________________________ 75 Figura 48 - Layout da PCB desenvolvida ________________________________________ 76 Figura 49 - PCI desenvolvida _________________________________________________ 77 Figura 50 - Plataforma de Testes ______________________________________________ 77 Figura 51 - Algoritmo implementado no microcontrolador __________________________ 80 Figura 52 - Interface de supervisão e controle remoto da máquina BLDC ______________ 81 Figura 53 - a) Tensão de entrada aplica ao motor b) Velocidade resultante da máquina ____ 84 Figura 54 - Modelo matemático da máquina BLDC representado por diagramas de blocos _ 85 Figura 55 - Comparação entre os dados de ensaio e o modelo matemático obtido ________ 86 Figura 56 - Diagrama de blocos do motor em malha fechada ________________________ 86 Figura 57 - Resposta de velocidade para uma entrada de degrau unitário _______________ 88 Figura 58 - a) Sinais se condicionamento b) Sinais condicionados ____________________ 89 Figura 59 - Sinais de controle emitidos pelo microcontrolador _______________________ 90 Figura 60 - Tensões aplicadas à máquina BLDC, Verde - Fase A, Amarelo - Fase B, Azul - Fase C ___________________________________________________________________ 91 Figura 61 - Implementação do controle de corrente por Histerese_____________________ 92 Figura 62 - Implementação do controle de corrente utilizando o compensador PI ________ 92 Figura 63 - Comparação entre a resposta transitória da máquina com a simulada ________ 93
Figura 64 - Teste 2, gráfico de velocidade e torque ________________________________ 94 Figura 65 - Teste 3, Velocidade e Corrente ______________________________________ 95 Figura 66 - Velocidade e corrente para o modo gerador ____________________________ 95 Figura 67 - Tensão de barramento e corrente, modo gerador _________________________ 96 Figura 68 - Corrente e velocidade para o ensaio de 4º quadrantes _____________________ 97 Figura 69 - Tensão de barramento e velocidade para o ensaio de 4 quadrantes ___________ 97
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Aplicação dos motores elétricos em VE...33
Tabela 2 - Diferença entre as máquinas BLDC e PMSM...40
Tabela 3 - Tabela de comutação do modo bifásico...54
Tabela 4 - Tabela de comutação para o modo de FR direta...56
Tabela 5 - Dados da Máquina BLDC...66
Tabela 6 - Dados do MOSFET IRF3205...69
Tabela 7 - Parâmetros estimados...85
Tabela 8 - Ganhos sintonizados para os compensadores de corrente e velocidade...88
LISTA DE SIGLAS
IBGE – Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística IPEA – Instituto de Pesquisa Econômica e Aplicada IEA – International Energy Agency
VCI – Veículos de Combustão Interna VE – Veículos Elétricos
VEHs – Veículos Híbridos
BLDC – Brushless Direct Current ARM – Advenced Risc Machine DC – Motor de Corrente Contínua MIT – Motor de Indução Trifásica FOC – Controle de Orientação e Fluxo SRM – Motor de Relutância Variável EMI – Ruído Eletromagnético
PMSM – Permanent Magnet Synchronous Motor FCEM – Força Contra Eletromotriz
PWM – Modulação por Largura de Pulso PAM – Modulação por Amplitude de Pulso PCI – Placa de Circuito Impresso
PCB – Printed Circuit Board GND – Ground CC – Corrente Contínua CA – Corrente Alternada DDP – Diferença de Potencial TTL – Transistor-transistor Logic MCU – Microcontrolador
AMPOP – Amplificador Operacional CI – Circuito Integrado
RPM – Rotações Por Minuto A – Ampere
V – Volts
MIPS – Mega Instructions Per Seconds GUI – Graphical User Interface
FT – Função de Transferência PI – Proporcional Integral
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 15
1.1 OBJETIVO ... 16
1.2 DESENVOLVIMENTODOTRABALHO ... 17
2 ESTADO DA ARTE DE VEÍCULOS ELÉTRICOS ... 19
2.1 HISTÓRIADOVEÍCULOELÉTRICO ... 19
2.2 CLASSIFICAÇÃODOSVEÍCULOSELÉTRICOS ... 23
2.2.1 Veículo com baterias ... 23
2.2.2 Veículos Combustão/elétrico (híbrido) ... 23
2.2.3 Veículos alimentados por célula combustível ... 24
2.2.4 Veículos alimentados pela rede elétrica ... 24
2.2.5 Veículos alimentados diretamente por radiação solar... 24
2.2.6 Veículos que utilizam flywheels (volantes de inércia) ou supercapacitores ... 24
2.3 SISTEMADEPROPULSÃOELÉTRICO ... 25
2.4 FRENAGEMREGENERATIVA ... 27
3 MÁQUINAS ELÉTRICAS UTILIZADAS EM VEÍCULOS ELÉTRICOS ... 30
3.1 CARACTERÍSTICASDEPROPULSÃODEVEÍCULOSELÉTRICOS ... 30
3.2 MOTORESELÉTRICOSUTILIZADOSPARAPROPULSÃODEVEÍCULOS ... 32
3.2.1 Motor de corrente continua (DC) ... 33
3.2.2 Motor de indução trifásico (MIT) ... 34
3.2.3 Motor de relutância variável (SRM) ... 36
3.2.4 Motores sem escovas (Brushless) ... 37
4 TÉCNICAS DE ACIONAMENTOS E CONTROLE DA MÁQUINA BLDC ... 47
4.1 SENSORESDEPOSIÇÃO ... 47
4.2 CONVERSORESESTÁTICOSDEPOTÊNCIA ... 49
4.3 MÁQUINABLDCNOMODOMOTOR(1º E3º QUADRANTE) ... 51
4.3.1 Acionamento de seis etapas ... 51
4.4 MÁQUINABLDCNOMODOGERADOR(2º E4º QUADRANTE)... 54
4.4.1 Frenagem regenerativa com retificador trifásico ... 55
4.4.2 Frenagem regenerativa com retificador trifásico e conversor buck-boost ... 55
4.5 TÉCNICASDECONTROLEPARAMÁQUINASBLDC ... 59 4.5.1 Técnica de modulação PWM ... 60 4.5.2 Métodos de controle ... 61 5 DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO ... 65 5.1 SELEÇÃODAMÁQUINABLDC ... 66 5.2 DESENVOLVIMENTODOHARDWARE ... 67 5.2.1 Microcontrolador e periféricos ... 67
5.2.2 Drive e chaves de potência ... 69
5.2.3 Sensoriamento e condicionamento de sinal... 70
5.2.4 Dispositivos de interface humana e conectividade... 75
5.2.5 Confecção da placa de circuito impresso (PCI) ... 75
5.3 PLATAFORMADETESTES ... 77
5.4 DESENVOLVIMENTODOFIRMWARE ... 78
5.4.1 Rotinas de SETUP ... 78
5.4.2 Rotinas de comunicação ... 79
5.4.3 Rotinas de medição e condicionamento de sinais ... 79
5.4.4 Rotinas de acionamento da máquina... 79
5.4.5 Rotinas de controle ... 80
5.4.6 Descrição do algoritmo implementado ... 80
5.4.7 Rotinas de proteção ... 81
5.5 DESENVOLVIMENTODAINTERFACEGRÁFICA ... 81
6 PROJETO DOS CONTROLADORES E SIMULAÇÕES ... 83
6.1 AQUISIÇÃODEPARÂMETROS ... 83
6.1.1 Resposta de velocidade ... 84
6.1.2 Planta da máquina no SIMULINK ... 84
6.1.3 Estimação dos parâmetros ... 85
6.2 PROJETODOCONTROLADORDOMODOMOTOR ... 86
7 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 89
7.1 ACIONAMENTODAMÁQUINA ... 89
7.1.1 Lógica de comutação ... 89
7.1.2 Acionamento da máquina BLDC em malha aberta ... 90
7.1.4 Controle da máquina no Modo Motor ... 93
7.1.5 Controle da máquina no Modo Gerador ... 95
7.1.6 Operação da máquina nos 4 quadrantes ... 96
8 CONCLUSÃO ... 98
8.1 CONSIDERAÇÕESFINAIS ... 98
8.2 SUGESTÕESPARATRABALHOSFUTUROS ... 99
REFÊRENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 100
1 INTRODUÇÃO
A população mundial vem aumentando de forma exponencial nas últimas décadas, e aglomerando-se nos grandes centros urbanos. Segundo Camarano e Beltrão (2010, p. 6), em 1940 a população brasileira era formada por 40 milhões de habitantes, do quais 80,5% viviam em áreas rurais ou cidades com menos de 20 mil habitantes. Por outro lado, o último censo realizado pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE, 2010), constata que, no ano de 2010, o Brasil estava com aproximadamente 191 milhões de habitantes, dos quais 84,36% viviam em centros urbanos.
Esse aumento demográfico nas grandes cidades acarreta uma série de problemas, dentre os quais, pode-se citar o deslocamento da população, visto que a expansão das cidades faz com que os habitantes fiquem distantes dos locais das suas atividades, como trabalho e escola. Assim, faz-se necessário a utilização de meios de transporte rápidos, economizando tempo no deslocamento dentro dos centros urbanos.
Um estudo realizado pelo Instituto de Pesquisa Econômica e Aplicada (IPEA, 2011), com base nos dados do Denatran (Departamento Nacional de Trânsito) constatou que, nos últimos dez anos, a frota de veículos (ônibus, carros, caminhões, etc.) cresceu 119%, e, considerando o resultado do Censo (IBGE, 2010), o país tem uma média de um carro para cada 2,94 habitantes. Além disso, no mesmo estudo, o IPEA apurou que as pessoas preferiam usar uma forma de transporte individual ao invés do transporte coletivo. Desta forma, constata-se que o aumento da frota de veículos é composto em grande parte de automóveis, os quais normalmente são utilizados por apenas uma ou duas pessoas.
Segundo o Ministério de Minas e Energia (MME), a energia utilizada em transporte no Brasil, em 2014, teve como principal fonte os combustíveis fosseis e biocombustíveis. “Os combustíveis fósseis, à base de carbono, representam 65% da produção de eletricidade e 86% do consumo global de energia” (PIVA, 2010, p. 22). Analisando a pesquisa realizada pela International Energy Agency (IEA, 2009), observou-se que o setor de transporte consome cerca de 61,3% desse combustível fóssil e, dentre estes, o segmento automotivo absorve cerca de 77,3% (KAHN RIBEIRO, 2007, p. 328). A partir destes dados, observa-se que a população mundial é refém da utilização de combustíveis a base de petróleo, pois sua presença ainda é de suma importância para vários segmentos da sociedade.
Um espantoso problema dos combustíveis fósseis é o aumento constante das contaminações ambientais e da saúde humana. Como citado por Ribeiro e Ferreira (2010, p. 270) a (IEA, 2009), indicou que o setor de transporte respondeu, em 2007, por 17% das
emissões de CO2. Mantendo-se a progressão atual de emissões de gases causadores do efeito estufa, a expectativa é de que nas próximas décadas haja forte elevação da temperatura.
Levando em consideração o alto gasto energético com transporte, derivado do alto número de veículos com baixo rendimento, e o problema ambiental vindo da emissão de poluentes por queima de combustíveis fosseis, têm-se um grande problema energético, ambiental e financeiro, cujo uma das soluções, é a inserção gradativa de veículos elétricos ou híbridos no transporte urbano.
Segundo Bravo (2014, p. 4) os veículos elétricos (VE) são aqueles que utilizam exclusivamente energia elétrica para realizar o seu deslocamento, a qual pode ter como fonte de energia baterias, células fotovoltaicas, capacitores, rede elétrica, etc.
Segundo Ribeiro e Ferreira (2010, p. 287), a frenagem regenerativa é uma das vantagens dos carros elétricos. Este sistema utiliza a energia cinética proveniente da movimentação do carro, que normalmente se perde na forma de calor, quando o motorista pisa no freio, e a armazena na forma de energia elétrica, melhorando ainda mais a eficiência e autonomia do veículo. Outra tecnologia relevante que se destaca em veículos elétricos, são os motores de grande densidade de potência e alta eficiência. Dentre os principais, pode-se citar o motor brushless de corrente contínua, o qual é amplamente utilizado no setor automotivo.
Com base nestas informações, neste trabalho será desenvolvido um sistema de acionamento e controle para máquinas BLDC voltados para veículos elétricos e híbridos. Além disso, será implementado método de frenagem regenerativa.
1.1 OBJETIVO
Este trabalho de conclusão de curso tem como objetivo geral desenvolver um circuito para controle de motores elétricos do tipo BLDC voltados para tração de veículos elétricos de pequeno porte e implementar no projeto um sistema de frenagem regenerativa. Para isso, será realizada a revisão bibliográfica acerca dos assuntos pertinentes para o mesmo como: inversores trifásicos de potência; métodos de controle discretos voltados para motores síncronos; e instrumentação de tensão, corrente e frequência.
Além disso, será realizado um estudo sobre o desenvolvimento de programas em microcontroladores que utilizam a arquitetura ARM. Realizar-se-á a modelagem básica das partes constituintes dos sistemas de tração; e as simulações de controle dos motores BLDC, encontrando os ganhos mais adequados para a aplicação.
Posteriormente, será elaborada a placa de circuito impresso embarcada com o sistema de controle e potência e serão realizados testes com o motor trabalhando a vazio e o levantamento das características do mesmo. Por fim, objetiva-se encontrar o rendimento e a autonomia próximos aos valores pesquisados na bibliografia.
1.2 DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO
Este trabalho será dividido em 8 capítulos, que serão descritos a seguir.
Inicialmente, no primeiro capítulo, apresentou-se a introdução, abordando o problema da pesquisa, e consequentemente os objetivos e a delimitação da mesma, para melhor desenvolvimento. Além disso, apresenta o tema da pesquisa, de forma sucinta, para melhor compreensão do leitor.
O segundo capítulo abordará a revisão bibliográfica, com um breve histórico do veículo elétrico, apresentando sua constituição e características de propulsão. Além disso, serão abordados o sistema de propulsão elétrico e o sistema de frenagem regenerativa.
Ainda, seguindo na revisão bibliográfica, terá o terceiro capítulo, que abordará as máquinas elétricas para veículos elétricos, apresentando as características de propulsão dos VEs e, afunilando, serão descritas as técnicas de acionamento e controle para a máquina BLDC.
No quarto capítulo serão apresentadas as técnicas de acionamento da máquina BLDC, com seus sensores de posição e os seus conversores estáticos de potência. Além disso, o capítulo apresentará a máquina BLDC no modo motor (1° e 3° quadrantes) e, no modo gerador (2° e 4° quadrantes). Por fim, serão detalhadas as técnicas de controle para máquinas BLDC.
Posteriormente, no quinto capítulo, será descrito detalhadamente o desenvolvimento do sistema, onde serão abordados os principais aspectos de projeto e execução. Inicialmente, será discutido o desenvolvimento do hardware, composto pelo sistema de controle, sensoriamento, chaves de potência, circuito de proteção e comunicação. Além disso, serão discutidos, os métodos para projeto e confecção da placa de circuito impresso (PCI). Posteriormente, relata-se o desenvolvimento do firmware embarcado, descrevendo e justificando os algoritmos empregados. Por fim, aborda-se o processo de criação da interface gráfica para controle e supervisório da máquina BLDC.
Já o sexto capítulo, será para apresentar o projeto dos controladores e as simulações, detalhando como foi realizada a aquisição dos parâmetros e o projeto do controlador do modo
motor. Enquanto o sétimo apresentará os resultados e discussões acerca do acionamento da máquina. Por fim, o oitavo capítulo mostrará as conclusões, considerações finais e sugestões para trabalhos futuros.
2 ESTADO DA ARTE DE VEÍCULOS ELÉTRICOS
Neste capítulo, será descrito um breve histórico do veículo elétrico e dos avanços tecnológicos que compõem o mesmo. Com isso, será apresentada a constituição dos veículos elétricos e suas características de propulsão, este último, restrito apenas aos veículos elétricos que armazenam energia a partir de baterias e supercapacitores, modelo escolhido para desenvolvimento deste trabalho.
2.1 HISTÓRIA DO VEÍCULO ELÉTRICO
Os avanços tecnológicos nos campos do eletromagnetismo e da eletricidade no final do século XVIII e durante o século XIX, abriram espaço para novas pesquisas na área da conversão eletromecânica de energia. Dentre os avanços, pode-se citar o multiplicador eletromagnético (bobina) construído pelo físico alemão Johann S. C. Schweigger (1779-1857), e a implementação dos núcleos ferromagnéticos, realizada pelo inventor inglês William Sturgeo (1783-1850) e aperfeiçoado por Joseph Henry (1797-1878) (CAVICCHI, 2002). Estas descobertas criaram caminhos para criação de movimento mecânico através da energia elétrica. Um dos pioneiros nestes estudos, foi o matemático e físico inglês Peter Barlow (1776-1862) que conseguiu realizar um giro continuo de um globo, utilizando a interação entre corrente elétrica e campo magnético (BARLOW, 1833). A Figura 1 ilustra o instrumento baseado na esfera de Barlow.
Figura 1- Instrumento de ensino, baseado na esfera de Barlow
A criação do veículo elétrico é atribuída a vários inventores, dentre eles, o sacerdote Húngaro-Eslovako Ányos Jedlik (1800-1895), que se destacou pelo desenvolvimento do primeiro modelo de motor elétrico e pela sua implementação em um veículo em escala (Figura 2). Posteriormente, o protótipo foi aperfeiçoado pelo cientista Holandês Sibrandus Stratingh (1785-1841), que construiu um carro de pequeno porte (GUARNIERI, 2002).
Figura 2 - O carro elétrico de brinquedo de Jedelik, (1828)
Fonte: Guarnieri (2012).
O ferreiro Americano Thomas Davenport (1802-1851), em 1835, desenvolveu uma locomotiva de brinquedo movida com motores elétricos. Porém, a primeira locomotiva elétrica em tamanho real foi criada por Robert Davidson (1804-1894) em 1842. Nesta época, a tecnologia de armazenamento de energia era baseada em células despolarizadas que não permitiam recarga e apresentavam baixa densidade de energia, o que inviabilizava os projetos. O acionamento dos motores era realizado com chaves mecânicas acionando eletroímãs de forma sequencial, o que apresentava baixo rendimento e baixa transferência de potência. (GUARNIERI, 2002).
Os maiores avanços ocorreram na metade do século XIX, e podem ser atribuídos a construção e aperfeiçoamento dos dínamos de auto excitação, os quais eram acoplados em máquinas a vapor, possibilitando a geração de energia elétrica em grande escala e com custo reduzido, se comparado às células primarias utilizadas anteriormente. Nesta mesma época, foi criada a primeira célula recarregável, formada por acumuladores de chumbo-ácido, que foi desenvolvida pelo físico Gaston Planté (1834-1889). Além disso, os motores de corrente continua (DC), também tiveram uma grande evolução tecnológica no final do século XIX. Todos esses avanços impulsionaram a indústria e comércio de veículos elétricos daquela época (WAKEFIELD, 1998).
Em 1884 Thomas Parker (1843-1915) buscando motores com alta eficiência e preocupado com a poluição na cidade de Londres, construiu com sucesso um veículo à propulsão elétrica, que utilizava baterias recarregáveis de alta capacidade como forma de armazenamento (GUARNIERI, 2002). A Figura 3 apresenta o veículo desenvolvido por Parker. Nesta época, também surgiu a tecnologia de frenagem regenerativa desenvolvida por Alexandre Darracq, a qual permite a recuperação de parte da energia cinética do veículo, convertendo-a em energia elétrica e armazenando em bancos de baterias. Este sistema aumenta de forma considerável a autonomia do veículo, principalmente em centros urbanos onde o processo de parada é frequente (ZORAN, 2012).
Figura 3 - O carro elétrico de Thomas Parker (1884)
Fonte: Telegraph (1884).
No final do século XIX início do século XX o mercado de veículos elétricos estava em ascensão, sendo muito utilizados por taxistas na América do Norte e em Londres. A Figura 4 apresenta um exemplo de veículo elétrico utilizado como taxi.
Figura 4 - Taxi elétrico em Nova York (1901)
Os VEs tinham vantagens em relação aos VCI, dentre as quais pode-se citar, maior simplicidade na operação (não necessitava troca de marchas) e não apresentavam ruído e odor derivado do processo de combustão (VAZ et.al, 2015). Neste momento, o Estados Unidos da América (EUA) liderava o mercado global de veículos, possuindo cerca de 90 mil veículos, dentre estes 40% movido a vapor, 38% elétricos e 22% a gasolina (BELLIS, 2014).
Mesmo com as vantagens da tração elétrica, alguns fatores influenciaram para os VCI se tornarem o padrão da indústria durante grande parte do século XX. Dentre estes, pode-se citar o desenvolvimento tecnológico dos VCI, a partir da criação da partida elétrica e o silenciador de ruído, o que reduzia as vantagens que os VE apresentavam. Outro fator de grande importância para este cenário, foi a criação das linhas de montagem pelo pioneiro da indústria Henry Ford, o que tornou possível construir VCI em grande escala e com baixo custo, possibilitando que grande massa da população tivesse acesso aos mesmos.
Além disso, o investimento em estradas e rodovias na América implicaram em uma necessidade de carros que possuíssem uma grande autonomia, o que beneficiava os VCI. Levando em consideração todos estes fatores e a descoberta de reservas de petróleo no Texas (EUA), fato que influenciou drasticamente na redução do preço dos combustíveis fosseis, ocorreu uma queda na indústria de VE durante as décadas seguintes (VAZ et.al, 2015).
Os veículos elétricos apareceram novamente no mercado apenas na década de 1970, pois com a crise do petróleo aumentando o preço da gasolina, os governos começaram a repensar as políticas sobre o uso do combustível fóssil. A partir disso, ficou evidente a necessidade de uma maior independência desta fonte de energia e mais investimento em tecnologias alternativas de propulsão (MATULKA, 2014) (VAZ et.al, 2015).
Apesar da crise ocorrida na década de 1970, que acarretou na nova aparição dos VE, eles firmaram-se no mercado apenas a partir do final do século XX, onde um dos principais motivos foi a preocupação global com o meio ambiente e com a escassez de combustíveis fosseis (VAZ et.al, 2015). Um modelo de VE disponível no mercado atualmente é o “model s” () fabricado pela empresa Tesla®, que apresenta uma autonomia de 540 Km, podendo alcançar 100 Km/h em 2,5s.
Figura 5 – “Model s”, veículo fabricado pela empresa Tesla®
Fonte: Tesla® (2016).
2.2 CLASSIFICAÇÃO DOS VEÍCULOS ELÉTRICOS
Veículos elétricos são os que possuem ao menos uma fonte de tração derivada de motores elétricos, e sua classificação é baseada na fonte de energia e na sua forma de armazenamento. Segundo Larminie e Lowry (2003) os VEs podem ser classificados em seis tipos, sendo eles:
2.2.1 Veículo com baterias
Utilizam uma bateria como fonte de energia primaria, um controlador e um motor elétrico. A bateria normalmente é recarregada a partir da rede elétrica e de uma estação de carga que pode ser instalada dentro ou externamente ao veículo. O controlador é responsável pelo controle do fluxo de energia fornecido ao motor, portanto a velocidade e torque do veículo. Este tipo de topologia é amplamente explorado na indústria de veículos de pequeno porte, como bicicletas, scooters e pequenos carros, mas vem ganhando força na última década sendo utilizado em caminhões e ônibus.
2.2.2 Veículos Combustão/elétrico (híbrido)
Os veículos híbridos apresentam duas ou mais fontes de energia, possibilitando inúmeras formas de combinação. Os mais comuns utilizam motores a combustão interna, baterias, motores elétricos e geradores. Existem dois arranjos para este tipo, o hibrido em série e o hibrido em paralelo. O primeiro, apresenta acoplamento entre o motor, a combustão e o gerador, que por sua vez fornece energia para carga das baterias e para o controlador do motor elétrico, responsável pelo controle da tração do veículo. O benefício desta topologia, é relacionado com o ponto de operação do conjunto motor a combustão e gerador, que operam em uma faixa de rendimento superior aos demais veículos a combustão interna. Já a topologia
paralela, apresenta o motor a combustão interna e o motor elétrico acoplados no mesmo sistema de transmissão, permitindo que a tração do veículo derive de ambos. Dois benefícios desta topologia é a ocupação do sistema a ser reduzida, pois não necessita de gerador, e seu menor número de conversões eletromecânicas. Ambas topologias recarregam as baterias através do motor a combustão, assim permitindo baterias de menor volume no veículo (LARMINIE e LOWRY, 2003).
2.2.3 Veículos alimentados por célula combustível
Sua energia é suprida a partir de células a combustível, que executam um processo eletroquímico que converte a energia do hidrogênio diretamente em energia elétrica. Como os veículos à bateria, estes também possuem armazenamento de energia na forma de baterias e bancos de capacitores. Este tema tornou-se objeto de estudo, e muitas empresas apostam no modelo como o futuro dos Veículos Elétricos (PAREDES, 2013).
2.2.4 Veículos alimentados pela rede elétrica
Sistema amplamente utilizado no passado, principalmente no transporte urbano, consiste em um veículo normalmente posicionado em trilhos e com a linha elétrica como fonte primaria de energia. Este ainda apresenta uma bateria para garantir autonomia durante um curto período de tempo. Como exemplo pode-se citar o bonde, muito utilizado em grandes cidades. Este sistema perdeu espaço para os veículos de transporte individuais pois sua implementação era cara, alta manutenção e os cabos de energia eram considerados inestéticos para a cidade.
2.2.5 Veículos alimentados diretamente por radiação solar
Estes veículos utilizam células fotovoltaicas que convertem diretamente a energia solar em elétrica, que, aplicada diretamente nos motores elétricos, não possui nenhuma forma de armazenamento. Embora seja improvável que um carro dessa natureza seja uma proposta prática, como veículo para o uso diário, a eficiência das células fotovoltaicas vêm crescendo, possibilitando a sua implementação como fonte de recarga das baterias dos veículos elétricos.
2.2.6 Veículos que utilizam flywheels (volantes de inércia) ou supercapacitores
São veículos que utilizam em seu sistema supercapacitores ou flywheels. O primeiro, permite a recuperação de energia cinética quando o veículo desacelera, e é utilizado para aumentar a potência de pico disponível durante os tempos de aceleração rápida, permitindo
assim a utilização de uma menor fonte armazenadora de energia. Já os flywheels, armazenam a energia de frenagem em energia cinética através de uma caixa com engrenagens, assim, quando o veículo reduz a velocidade, essa energia se transforma em movimento em seu interior e, posteriormente, é aplicada na tração, quando o veículo volta a acelerar (MELLOR et. al, 2000). Estas tecnologias de armazenamento podem fornecer e absorver energia muito rapidamente. Porém, a quantidade de energia que pode ser armazenada ainda é muito pequena, podendo-se dizer que esta tecnologia possui uma alta densidade de potência, mas uma baixa densidade de energia.
2.3 SISTEMA DE PROPULSÃO ELÉTRICO
Dentre as classes de veículos elétricos citados anteriormente, este trabalho ficará restrito aos veículos elétricos que armazenam energia a partir de baterias e supercapacitores. O sistema de propulsão desta classe é relativamente simples, engloba três partes principais, que são, motor elétrico, conversor eletrônico de potência e seu controlador (EHSANI et al., 2003). Além destes, existe os periféricos de armazenamento e de controle de carga, que são essenciais para o funcionamento do veículo. Um exemplo deste sistema pode ser observado na Figura 6.
Figura 6 - Esquema de blocos básico de um VE
Fonte: Autoria própria (2018).
O motor elétrico converte a energia elétrica em mecânica, fornecendo o torque e velocidade necessários para a movimentação do veículo. Além disso, o mesmo pode operar como gerador, possibilitando a utilização de frenagem regenerativa para recuperação de parte da energia cinética do veículo. Para esta aplicação, busca-se maquinas que apresentem uma
alta densidade de torque, alta densidade de potência, operação em um largo intervalo de velocidades, alta eficiência e robustez (CHAN, 2007).
O controlador e circuito de acionamento tem a função de operar o motor nas condições adequadas para cada situação, gerando sinais de controle de acordo com a referência imposta pelo usuário. Esta parte é constituída principalmente por processador digital, chaves de potência e circuitos de instrumentação.
Os dispositivos de comutação e sistemas de controle desempenham um papel fundamental nos VE, pois garantem maior confiabilidade na comercialização. A seleção dos componentes e estratégias de controle, deve levar em consideração, principalmente, a eficiência dos dispositivos, que está diretamente relacionada com a autonomia do VE (EMADI, 2008).
O conversor DC-DC faz a interface entre o sistema de armazenamento e os demais componentes, adequando os níveis de tensão para o acionamento do motor e carga das baterias. Normalmente, esse conversor é bidirecional, possibilitando carga e descarga das baterias, quando necessário (YAMAMOTO et al., 2006).
O sistema de armazenamento é composto por baterias e capacitores, de forma que garantam um fornecimento constante de potência, tanto em momentos de partida, em que o motor requer uma maior potência, quanto em regime nominal de operação (CHAN, 2007). Segundo Kennedy (2000) a bateria do veículo elétrico é um dos itens mais importantes, pois influencia no peso, custo, confiabilidade e autonomia. Atualmente, as baterias que apresentam uma larga aplicação na indústria automobilística são as baterias recarregáveis de lítio, pois possuem uma alta densidade de energia (GITZENDANNER et al., 2004).
Como as baterias de VE apresentam uma alta densidade de energia, necessitam de um gerenciamento adequado para garantir sua segurança e desempenho ideal. Basicamente, o controlador de carga faz com que a bateria opere com a máxima capacidade, preservando a vida útil (HSIEH et al., 2001) (CHEN et al., 2009). Atualmente existem dois tipos comuns de carregadores de baterias. O carregador embarcado ao veículo, também encontrado na literatura como carregador de baixa potência ou lento, que carrega o VE através de um conector externo quando está em um estacionamento (THIMMESCH, 1985) (PELLEGRINO et al., 2010). E, o carregador externo, também chamado de carregador de alta potência ou rápido, é localizado na estação de troca de baterias. Desta forma, quando executada a recarga, a bateria deve ser removida do veículo (KUPERMAN et al., 2013)
2.4 FRENAGEM REGENERATIVA
Como citado anteriormente, os veículos elétricos estão se tornando substitutos para os veículos a combustão, de certa forma, esse processo é relacionado com o aumento do desempenho dos VE, que em grande parte, se dá a partir das novas tecnologias emergentes, principalmente nas áreas de motores, baterias e técnicas de controle (HUJA; JITHAM, 2014). Um dos critérios mais utilizados para avaliação de desempenho de veículos, é a autonomia. Esta, que está diretamente ligada a eficiência do veículo. Uma das formas de fornecer um maior rendimento aos veículos, provém da análise do processo de frenagem.
Normalmente quando se inicia a desaceleração de veículos convencionais (combustão), a energia durante a frenagem é dissipada no freio mecânico. Desta forma, toda a energia cinética que o veículo apresentava foi transformada em calor, não podendo ser reutilizada. Analisando este processo no ponto de vista de VE, é possível reutilizar essa energia através de algumas técnicas especificas. Dentre estas, pode se citar a frenagem regenerativa (FR) (HUJA; JITHAM, 2014). Esta técnica se baseia na capacidade que os motores tem de operarem como geradores. O processo de FR ocorre durante a desaceleração, onde fluxo de corrente do motor é revertido, invertendo consecutivamente seu torque, fazendo com que parte da energia cinética do veículo seja convertida e devolvida à fonte de alimentação (SEN, 1997).
A partir da Figura 7 pode-se analisar que o sistema de frenagem regenerativa é composto de três partes principais, o sistema de acionamento, os elementos armazenadores e o motor/gerador. Através da Figura 7 observa-se que durante o processo de aceleração a energia elétrica, provinda do elemento armazenador é conduzida para o motor onde o mesmo converte-a em energia cinética para movimentação do veículo. Durante o processo de frenagem a energia cinética do veículo é convertido em energia elétrica pelo gerador e conduzido até os elementos armazenadores. Estes, que podem ser bancos de capacitores e/ou baterias, que mantém a energia armazenada até ser utilizada novamente em outras aplicações do veículo. Normalmente a frenagem regenerativa ocorre quando o freio é pressionado, porém, segundo Delgado (2010), a FR pode ocorrer em casos específicos onde o motor alcança velocidades acima da nominal, fazendo com que a FCEM da máquina torna-se maior que a tensão terminal e consequentemente, fazendo a inversão da corrente de armadura do motor.
Figura 7 - Diagrama de Fluxo Geral Para Frenagem Regenerativa.
Fonte: (DELGADO, 2010).
Segundo HUJA e JITHAM (2014) a FR aplicada aos VEs pode aumentar sua autonomia em até 16% em comparação aos VEs sem FR. Porém, a mesma não pode ser utilizada em todos os períodos de condução. Dentre estes, quando a bateria está totalmente carregada, a energia recuperada é dissipada em cargas resistivas, de modo que a frenagem é afetada. Portanto, o VE ainda precisa de freios mecânico para ações de segurança. Normalmente a frenagem regenerativa e mecânica compartilham o mesmo pedal do veículo, de forma que ocorra a transição controlada entre esses dois modos.
A frenagem regenerativa, além de contribuir para o aumento da autonomia do veículos, no caso dos veículos elétricos a bateria e híbridos plug-in, proporciona redução do desgaste das lonas ou discos de freios, pois freia o veículo sem gerar atrito entre as peças, resultando em maior durabilidade para essas partes do sistema de freios (MONTEIRO; MOTTA, 2015).
Os autores Rowe, Sen gupta e Demidenko (2012) apresentam em seu trabalho a instrumentação e controle de um motor BLDC de alta potência aplicado a veículos elétricos de pequeno porte. Neste trabalho, o controlador do motor incorpora um sistema regenerativo simples. Os autores justificam que a quantidade de energia regenerada durante o uso normal em uma aplicação plana ou subida é muito pequena. No entanto, como a frenagem regenerativa é o único método de frenagem que não converte simplesmente energia cinética em energia térmica, foi utilizado no projeto.
No trabalho desenvolvido pelo autor XU et al. (2011) é apresentada uma estratégia de frenagem regenerativa baseada em logica fuzzy, com a qual os autores justificam que essa estratégia de controle pode aumentar o nível de economia de energia e a eficiência do veículo elétrico. Além de garantir a estabilidade do carro nas operações de frenagem, onde a distribuição da força de frenagem entre as rodas dianteira e traseira é considerada para
impedir que os veículos experimentem fenômenos de bloqueio e derrapagem durante a frenagem. Também é projetada uma lógica fuzzy para controlar a intensidade de frenagem do motorista, velocidade do veículo, SOC da bateria e temperatura da bateria, possibilitando a transição inteligente entre a frenagem por fricção e a frenagem regenerativa, com o objetivo de melhorar a eficiência na recuperação de energia.
3 MÁQUINAS ELÉTRICAS UTILIZADAS EM VE
3.1 CARACTERÍSTICAS DE PROPULSÃO DE VEÍCULOS ELÉTRICOS
O desempenho do sistema de propulsão de um veículo elétrico geralmente é avaliado pelo seu tempo de aceleração, velocidade máxima e capacidade de nivelamento (EHSANI et al., 2003) (EHSANI, 2005). O tempo de aceleração, é necessário para acelerar o veículo, a partir da velocidade zero até uma determinada velocidade (aceleração inicial), ou de uma velocidade baixa para alta (capacidade de passagem). Já a capacidade de nivelamento, é o máximo declive que o veículo pode superar a uma dada velocidade. E, a velocidade máxima, é a velocidade que o veículo pode alcançar (EHSANI et al., 2003). Um perfil característico de velocidade e torque dos motores de tração pode ser observado na Figura 8.
Figura 8- Características típicas da propulsão veicular
Fonte – Ehsani (2005).
Os parâmetros de potência nominal do motor e o sistema de transmissão, são as principais considerações para atender a especificação de desempenho. O projeto destes parâmetros depende principalmente das características de velocidade-potência (torque) do motor de tração (EHSANI, 2005).
Observa-se que, durante o período de baixa velocidade (menor que a velocidade de base), o torque se mantém constante, enquanto em altas velocidades (maior que a velocidade base), a potência se mantém constante. Essa característica normalmente é representada por uma razão de velocidade x, que é a razão entre velocidade máxima e a velocidade base
(RAHMAN, 2000). A razão de velocidade de um motor de tração desempenha um papel importante no aprimoramento do desempenho do veículo, como aceleração e capacidade de nivelamento, minimização da potência nominal do motor e simplificação da estrutura do sistema de transmissão (GAO et al., 2003).
A Figura 9, apresenta um perfil de torque/velocidade de um motor de 60 kW com 3 razões de velocidade (x = 2, 4, 6). Observa-se que a menor razão de velocidade apresenta um conjulgado contante por um periodo maior de velocidade, porém com uma menor ampitude. Em casos com uma região de potência maior, o conjulgado maximo do motor pode ser significamente aumentado, desta forma, melhorando o desempenho de aceleração e capacidade de nivelamento. Além disso, pode-se simplificar a transmissão do veiculo, porém, sempre respeitando os limites máximos e caracteristicas de cada motor elétrico (EHSANI, 2005).
Figura 9 - Características típicas da propulsão veicular
Fonte – Ehsani (2005).
Segundo o autor Ehsani (2005) o perfil de torque ideal para veículos elétricos é o que apresenta uma potência constante ao decorrer de uma longa faixa de operação, garantindo um maior conjugado de partida. Estas características, fornecem ao veículo um alto esforço de tração em velocidades baixas, garantindo aceleração em planos inclinados que necessitam alto torque.
3.2 MOTORES ELÉTRICOS UTILIZADOS PARA PROPULSÃO DE VEÍCULOS
Segundo Rahman (2000) posteriormente citado por Chau (2008) os principais parâmetros utilizados para escolha do motor elétrico são:
1) deve possuir uma alta potência instantânea e alta densidade de potência; 2) uma resposta rápida de torque;
3) uma alta eficiência sobre as amplas faixas de velocidade e torque; 4) alta eficiência na frenagem regenerativa;
5) uma alta confiabilidade e robustez para várias condições de operação do veículo; 6) um custo razoável;
7) Pouco ruído acústico.
Para se alcançar um desempenho de propulsão veicular ideal com as características de torque e velocidade discutidas no capitulo anteritor, a escolha dos motores e as tecnologias para sua utilização é essencial. Segundo Chau (2008) os motores elétricos considerados viáveis para implementação em VE podem ser classificados em dois grupos, sendo eles: com escova e sem escova, e subdivididos em subgrupos, como ilustra a Figura 10.
Figura 10 - Classificação dos motores utilizados em VE
Fonte: Chau (2008).
Do ponto de vista industrial e de viabilidade, os principais motores utilizados em VE são: os motores DC, motor de indução (IM), motores síncronos de imãs permanentes (PMSM e BLDC) e o motor de relutância variável (SRM) (CHAU, 2008). Estes, apresentam características de construção fundamentalmente distintas, como ilustra a Figura 11.
Figura 11 - Principais topologias de máquinas VE. (a) DC. (b) indução. (c) SR. (d) PMBL.
Fonte: Chau (2008).
Um exemplo de aplicação comercial está ilustrado na Tabela 1, onde estão apresentados os tipos de motores, para cada modelo de veículo elétrico comercializado.
Tabela 1 - Aplicação dos motores elétricos em VE
Fonte: Chau (2008).
3.2.1 Motor de corrente continua (DC)
O motor de corrente continua é constituído por duas estruturas, rotor (componente móvel) e estator (componente fixa). O estator é composto de uma estrutura ferromagnética com polos salientes aos quais são enroladas as bobinas que formam o campo, ou de um ímã permanente (HONDA, 2010). “O rotor é um eletroímã constituído de um núcleo de ferro com enrolamentos em sua superfície que são alimentados por um sistema mecânico de comutação. Esse sistema é formado por um comutador, solidário ao eixo do rotor, que possui uma superfície cilíndrica com diversas lâminas às quais são conectados os enrolamentos do rotor; e por escovas fixas, que exercem pressão sobre o comutador e que são ligadas aos terminais de alimentação. O propósito do comutador é o de inverter a corrente na fase de rotação apropriada de forma a que o conjugado desenvolvido seja sempre na mesma direção” (HONDA, p. 3, 2010). O princípio de funcionamento deste motor pode ser observado na Figura 12, onde o rotor é representado por um fio, que está submetido a uma diferença de
potencial. Esta tensão gera a circulação de corrente elétrica, que por sua vez produz um campo magnético entorno do rotor. Desta forma, ocorre a interação entre os campos magnéticos do estator e do rotor, produzindo forças nas extremidades do condutor, que produzem um momento no rotor e, consequentemente, movimento de rotação.
Figura 12 - Principio de funcionamento do motor DC
Fonte: Demotor (2017).
Segundo Ehsani et al. (2003) os motores de corrente contínua têm sido proeminentes na propulsão elétrica, porque suas características de torque-velocidade se adequam bem aos requisitos de tração, e seus controles de velocidade são simples. Os motores de corrente contínua possuem construção volumosa, baixa eficiência, necessidade de manutenção e baixa confiabilidade, principalmente devido à presença do comutador mecânico (escova). Com o advento da era da eletrônica de potência e da tecnologia de controle digital por microprocessador, outros acionamentos avançados de motores estão substituindo o motor DC em aplicações de tração (ZERAOULIA et al., 2006).
3.2.2 Motor de indução trifásico (MIT)
O motor de indução trifásico é uma máquina de corrente alternada assíncrona. Como o motor de corrente continua, este também é constituído por duas partes principais, o rotor e o estator. O estator é construído com chapas ferromagnéticas de alta permeabilidade e enrolamentos de cobre esmaltado dispostos em um afastamento de 120º, enquanto o rotor do MIT apresenta duas topologias, rotor bobinado e rotor gaiola de esquilos. As duas topologias de construção dos rotores estão ilustradas na Figura 13.
Figura 13 - a) Rotor gaiola de esquilos. b) Rotor bobinado
Fonte: Souza (2012).
O rotor bobinado é semelhante ao rotor do motor DC, sendo formado por enrolamentos, núcleo ferromagnético e também é concatenado através das escovas. Nesta topologia é possível mudar os parâmetros do motor (resistência rotatória) durante o funcionamento da máquina, o que influencia em características como torque de partida e velocidade (GUEDES, 1994). O rotor do tipo gaiola de esquilos é formado por uma gaiola de alumínio, dopado com uma pequena porcentagem de impurezas. É um circuito polifásico em curto-circuito permanente (GUEDES, 1994).
O princípio de funcionamento destes motores é baseado na indução eletromagnética. Inicialmente, os enrolamentos do estator são submetidos a uma diferença de potencial que dá origem a uma corrente elétrica nos condutores das bobinas, criando um campo magnético girante que roda o entreferro a uma velocidade síncrona. Este campo girante origina um fenômeno de indução eletromagnética nos enrolamentos (ou gaiola) do rotor, criando forças eletromotrizes de amplitude e frequência, proporcionais à velocidade relativa entre o campo girante e os condutores do rotor. Como esta corrente elétrica está circulando no interior de um campo magnético, surgem forças mecânicas, que combinadas, produzem um binário que faz o rotor girar (GUEDES, 1994).
Durante o funcionamento, o rotor do MIT gira em uma velocidade inferior a velocidade de campo magnético girante. Diferença essa, que também é chamada de escorregamento e é proporcional ao conjugado aplicado ao eixo do motor.
Os IMs têm um alto potencial na área de propulsão veicular, devido a sua confiabilidade, robustez, baixa manutenção, baixo custo e capacidade de operar em ambientes hostis (ZERAOULIA et al., 2006). As estratégias de controle também favorecem a utilização do IM, como por exemplo, o controle de orientação de fluxo (FOC), possibilita o desacoplamento entre o controle de troque e o controle de fluxo. Desta forma, a característica de operação do MIT se torna semelhante ao do motor DC de excitação independente
(EHSANI et al., 2003). O FOC possibilita a operação do MIT na região de potência constante, em uma variada faixa de velocidades, sendo ideal para o desempenho da propulsão veicular. Porém, os MITs podem apresentar algumas características negativas, como, baixa eficiência quando operam em altas velocidades e baixo fator de potência (RAHMA et al., 2000).
3.2.3 Motor de relutância variável (SRM)
Os motores de relutância variável apresentam uma construção simples, normalmente formada por um motor duplamente saliente, que consiste em um estator magnético com enrolamentos de excitação e um rotor magnético passivo (SILVA, 2012). O rotor do SRM é construído normalmente com aço laminado moldado, formando polos salientes, como observa-se na o princípio de operação é baseado na diferença entre relutância magnética da posição alinhada e não alinhada do rotor. Quando uma bobina de estator é excitada, o rotor experimenta uma força que o moverá para posição alinhada. Desta forma, o torque é produzido pela tendência de alinhamento entre os polos do rotor e do estator (AHN, 2011).
Figura 14 o princípio de operação é baseado na diferença entre relutância magnética da posição alinhada e não alinhada do rotor. Quando uma bobina de estator é excitada, o rotor experimenta uma força que o moverá para posição alinhada. Desta forma, o torque é produzido pela tendência de alinhamento entre os polos do rotor e do estator (AHN, 2011).
Figura 14 - Corte transversal do SRM
Fonte: Silva (2012).
O SRM tem um grande potencial na área de propulsão veicular, tanto em veículos elétricos como também em híbridos. Suas grandes vantagens são: construção simples e robusta, controle simples, capacidade de operação em velocidade extremamente altas e operação sem risco (EHSANI et al., 2003). Além disso, segundo Zeraoulia (2006) os motores de relutância variável têm operação em uma longa faixa de potência constante. Porém, essas maquinas apresentam algumas desvantagens, como: geração de ruído acústico, ondulação de
torque, ondulação de corrente de barramento, produção de ruído eletromagnético (EMI) e além disso, necessitam de uma topologia de conversor especial para seu acionamento (ZERAOULIA, 2006).
3.2.4 Motores sem escovas (Brushless)
Dentre as opções de motores citados, os brushless (sem escovas) são as opções mais comumente utilizada no projeto de VE. Isto deve-se a sua alta densidade de potência e torque, principalmente quando são utilizados, ímãs de alta densidade de fluxo magnético (ímãs de terras raras) (MARTINS, 2015). Além disso as máquinas brushless possuem um torque elevado para uma grande variação de velocidade, ideal para aplicações veiculares, pois contribui para a superação de declives. Estas máquinas, apresentam uma maior eficiência se comparado com os outros modelos comerciais, isso é inerente à ausência de perdas no rotor, e sua melhor dissipação de calor (BEZERRA, 2004) e (XU et al., 2009).
3.2.4.1 Construção e princípio de operação
Um motor brushless consiste em uma máquina síncrona com ímãs permanentes no rotor e bobinas no estator. Os ímãs permanentes criam o fluxo do rotor, e o estator, quando energizado, cria polos magnéticos (eletroímãs). O movimento desta máquina é produzido a partir da interação entre o campo magnético do rotor e o campo girante do estator. Quando a máquina é energizada de forma apropriada, o rotor é atraído pelos polos formados no estator. A Figura 15 apresenta, de forma simplificada, o esquema de construção de uma máquina brushless (AKIN; BHARDWAJ, 2015).
Figura 15 - Motor brushless com um par de polos no rotor
Fonte: AKIN e BHARDWAJ (2015).
As máquinas brushless se assemelham com as máquinas DC de imãs permanentes, já que o princípio construtivo de ambas é parecido. Porém, as máquinas DC, como visto anteriormente, apresentam dispositivos (escovas) que energizam os enrolamentos do rotor, de forma que possam interagir com o campo magnético criado pelos imãs permanentes (HAY;
ANDRADE, 2017). A diferença entre as máquinas DC e as máquinas brushless, é que a primeira utiliza as escovas juntamente com o comutador para energizar as bobinas de forma ordenada. Já as máquinas brushless, não possuem contato entre a parte girante e fixa, assim, necessitando de uma configuração eletrônica para o acionamento síncrono dos enrolamentos da máquina (AKIN; BHARDWAJ, 2015) (XIA, 2012).
Em máquinas brushless, o rotor é feito de ímãs permanentes que podem variar em arranjos de dois a oito pares de polos. A escolha dos imãs é baseada na densidade de campo magnético requerido no rotor, característica que está diretamente relacionada com as características de torque da máquina (AKIN; BHARDWAJ, 2015). Atualmente, os materiais mais utilizados para confecção destes imãs, são o ferrite e as ligas de terras raras, onde o primeiro, mais barato, apresenta a desvantagem de baixa densidade de fluxo, enquanto o segundo, possui uma alta densidade magnética, além de aprimorar a relação tamanho/peso e proporcionar um torque mais elevado que um mesmo motor que utilizaria imãs de ferrite (YEDAMALE, 2003). A Figura 16 ilustra as seções transversais de diferentes arranjos de ímãs em um rotor.
Figura 16- Arranjo de imãs para o rotor do motor brushless
Fonte: YEDAMALE (2003).
O estator dos motores brushless apresentam a construção semelhante aos MIT, os quais são constituídos de lâminas de aço, com enrolamentos inseridos em suas fendas, e, a diferença entre as duas máquinas se dá na distribuição dos enrolamentos. Cada um desses enrolamentos é construído com inúmeras bobinas interconectadas distribuídas pela periferia do estator, com o objetivo de formar um número par de polos (YEDAMALE, 2003). Os motores brushless podem apresentar configurações com uma, duas ou três fases, e destes, os motores trifásicos são os mais populares e amplamente utilizados pois os mesmos oferecem
uma boa relação entre controle e quantidade de dispositivos eletrônicos utilizados para o acionamento (AKIN; BHARDWAJ, 2015).
3.2.4.2 Classificação dos motores brushless
Os motores brushless podem ser classificados em duas classes, motores brushless direct current (BLDC) e motores permanent magnet synchronous motor (PMSM). As principais diferenças construtivas e operacionais entre o PMSM e o BLDC são discutidas em (KRISHNAN, 1991). Basicamente, a diferenciação é feita com base na interconexão das bobinas nos enrolamentos do estator, o que cria distinção entre a força contra eletromotriz (FCEM) da máquina, que pode ser trapezoidal (BLDC) ou senoidal (PMSM) (YEDAMALE, 2003) (KRISHNAN, 1991). A Figura 17 apresenta uma comparação entre as formas de onda da FCEM, corrente e conjugado em ambos os motores.
Figura 17 - Formas de onda da FCEM, Corrente e Conjugado: (a) PMSM; (b) BLDC
Fonte: BARATIERI (2011).
Analisando a Figura 17, observa-se que a corrente de fase também apresenta variações trapezoidais e sinusoidais dependendo do motor, fazendo com que o torque de um motor sinusoidal apresente menos variação que o torque de um motor trapezoidal. No entanto, isso tem um custo extra, pois os motores sinusoidais utilizam mais enrolamentos para as interconexões das bobinas (YEDAMALE, 2003). Outra característica importante a ser comparada é a densidade de potência da máquina, onde o BLDC é capaz de fornecer 15% mais energia do que o PMSM do mesmo tamanho, desde que as perdas no núcleo sejam iguais (KRISHNAN, 1991).
A distinção entre as FCEM reflete também no tipo de alimentação das máquinas, sendo senoidal para a PMSM e trapezoidal para a BLDC, influenciando diretamente no tipo de acionamento do motor. As máquinas PMSM necessitam de um inversor trifásico, acionado através de uma modulação por largura de pulso senoidal (SPWM), além de ser necessário
manter três fases energizadas simultaneamente (BARATIERI, 2011). Já as máquinas BLDC, apresentam o acionamento simplificado, o qual se resume a comutação ordenada e sequencial dos pares de enrolamentos do estator, não necessitando de modulações sofisticadas e sensores de alta resolução (MARTINS, 2015). A Tabela 2 ilustra uma lista das principais diferenças entre as máquinas BLDC e PMSM. Neste trabalho, será explorada a aplicação com a máquina brushless BLDC.
Tabela 2 - Diferença entre as máquinas BLDC e PMSM
Fonte: Adaptado Akin; Bhardwaj (2015).
3.2.4.3 Relação entre Torque/Velocidade da máquina BLDC
A forma mais adequada de se analisar a relação torque/velocidade de uma máquina BLDC, inicia-se através da modelagem matemática da mesma. Desta forma, os autores Miller (1989), Xia (2012) e Chiasson (2005) apresentam em seus trabalhos, a dedução das equações diferenciais da máquina, de modo que abrangem vários aspectos fundamentais de suas características.
Segundo Xia (2012) o modelo de equação diferencial é construído para um motor BLDC trifásico de dois polos. Onde o estator apresenta um enrolamento conectado em Y (estrela). E as seguintes suposições são feitas para construir a equação diferencial do motor:
1) Ignora-se a saturação do núcleo, perdas de corrente de Foucault e as perdas de histerese.
2) Ignora-se a reação da armadura, e a distribuição do campo magnético é considerada uma onda trapezoidal com uma largura de topo plano de 120º.
3) Os condutores são distribuídos de forma contínua e uniforme na superfície da armadura.
Inicialmente Miller (1989) realiza a dedução das equações diferenciais que regem o comportamento eletromagnético da máquina BLDC, a partir destas equações encontra-se o circuito elétrico equivalente do motor, como ilustra a Figura 18.
Figura 18 - Circuito equivalente da máquina BLDC
Fonte: XIA (2012).
Analisando a Figura 18 observa-se que é levado em consideração que os enrolamentos do estator trifásico são simétricos. Desta forma, as autoindutâncias serão iguais (LA = LB = LC = L), assim como a indutância mútua (MA = MB = MC = M) e as resistências dos condutores (RA = RB = RC = R). A partir deste circuito obtém-se a seguinte equação:
(1) Onde, u é a tensão de fase do enrolamento ‘a’, A R é a resistência de fase do A enrolamento ‘a’, i é a corrente de fase do enrolamento ‘a’, A L é a indutância de fase do A enrolamento ‘a’, e é a FCEM da fase e A M é a indutância mutua de fase. A
Através da equação (1) é possível encontrar a forma matricial da equação do motor, abrangendo as três fases do mesmo. Esta é expressa por:
(2)
Segundo Xia (2012) a análise de potência e torque do motor BLDC é semelhante aos motores DC, pois pode ser realizada da perspectiva de transferência de potência. Quando o motor está em operação, a energia da fonte é absorvida e, embora um pouco seja transformado em perdas, a maior parte é transferida para o rotor, essa energia é chamada de potência eletromagnético e pode ser representada pela seguinte equação:
( ) A A A A A A A di u R i L M e dt = + − + 0 0 ( ) 0 0 0 0 0 ( ) 0 0 0 0 0 ( ) A A A A B B B B C u R i L M i e d u R i L M i e dt u R ic L M ic ec − = + − + −
(3) Ignorando as perdas mecânicas, a energia eletromagnética é totalmente transformada em energia cinética, resultando na seguinte equação:
(4) Onde é a velocidade angular da máquina e T o torque eletromagnético. Através e das equações (3) e (4) é possível encontrar a equação que representa as componentes de energia cinética em função das grandezas elétricas da máquina.
(5) Outra forma de se representar o torque eletromagnético é através da constante de torque, essa que é representada pela seguinte equação:
(6) Onde K é a constante de torque da máquina e T i a corrente constate de fase. Segundo o Miller (1989) estas equações para FCEM e torque são exatamente as mesmas que regem os motores DC, onde somente a constante K é diferente. T
Analisando as equações pode-se concluir que a velocidade é essencialmente controlada pela FCEM, que varia conforme a tensão de alimentação e a corrente de fase. Da mesma forma que a corrente de fase tem a amplitude atrelada a demanda de torque e a velocidade do motor. Desta forma, à medida que o torque requisitado pela carga, aumenta, a velocidade diminui, esta diminuição é diretamente proporcional à resistência de fase e ao torque demandado (MILLER, 1989). Essa relação entre torque, velocidade e FCEM, caracteriza a máquina BLDC como autorregulada. A Figura 19 ilustra a relação entre torque e velocidade da máquina BLDC. e A A B B C C P =e i +e i +e i e e P =T B B A A C C e
