Nº6 2º semestre de 2010 ano 3 ISSN: Segurança. Pág. 33

(1)

Revista Técnico-Científica |Nº6| Dezembro de 2010 http://www.neutroaterra.blogspot.com

EUTRO À TERRA

“Mantendo

o

compromisso

que

temos

convosco, voltamos à vossa presença com

mais uma publicação. Esta já é a sexta

publicação da revista “Neutro à Terra”. Os

incentivos que temos recebido dão-nos a

motivação necessária para continuarmos

empenhados em fazer desta revista uma

referência

nas

áreas

da

Engenharia

Electrotécnica

em

que

nos

propomos

intervir. Nesta edição merece particular

destaque os assuntos relacionados com as

Nº6 ⋅ 2º semestre de 2010 ⋅ ano 3 ⋅ ISSN: 1647-5496

destaque os assuntos relacionados com as

instalações eléctricas, os veículos eléctricos,

a domótica, os sistemas de segurança, as

fibras ópticas e os mercados de energia

eléctrica.”

Doutor Beleza Carvalho

Instalações Eléctricas Pág.5 Máquinas Eléctricas Pág. 17 Telecomunicações Pág. 27 Segurança Pág. 33 Energias Renováveis Pág. 45 Domótica Pág.51 Eficiência Energética Pág. 60

(2)

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A

05| Quedas de Tensão em Instalações Eléctricas de Baixa Tensão Henrique Jorge de Jesus Ribeiro da Silva

António Augusto Araújo Gomes

Instituto Superior de Engenharia do Porto

17| Estruturas e Características de Veículos Híbridos e Eléctricos Pedro Miguel Azevedo de Sousa Melo

Instituto Superior de Engenharia do Porto 27| Fibras Ópticas – O Paradigma

Eduardo Sérgio Correia

IEMS – Instalações de Electrónica Manutenção e Serviços, Lda 33| Segurança Contra Intrusão - Habitação

António Augusto Araújo Gomes Henrique Jorge de Jesus Ribeiro da Silva Instituto Superior de Engenharia do Porto

45| Tipos de Tecnologias de Turbinas utilizadas nas Centrais Mini-Hídricas Pedro Daniel Soares Gomes

Pedro Gerardo Maia Fernandes Nelson Ferreira da Silva

Instituto Superior de Engenharia do Porto 51| Domótica e a Requalificação de Edifícios

José Luís Faria ARTIGOS TÉCNICOS

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A

FICHA TÉCNICA

DIRECTOR: Doutor José António Beleza Carvalho SUB-DIRECTORES: Engº António Augusto Araújo Gomes Engº Roque Filipe Mesquita Brandão Engº Sérgio Filipe Carvalho Ramos PROPRIEDADE: Área de Máquinas e Instalações Eléctricas

Departamento de Engenharia Electrotécnica Instituto Superior de Engenharia do Porto CONTACTOS: jbc@isep.ipp.pt ; aag@isep.ipp.pt

José Luís Faria

Touchdomo, Lda, Porto, Portugal

60| Extinção das tarifas reguladas no sector eléctrico José Marílio Oliveira Cardoso

Instituto Superior de Engenharia do Porto

(3)

E

DITORIAL

Caros leitores

Mantendo o compromisso que temos convosco, voltamos à vossa presença com mais uma publicação. Esta já é a sexta publicação da revista “Neutro à Terra”. Os incentivos que temos recebido dão-nos a motivação necessária para continuarmos empenhados em fazer desta revista uma referência nas áreas da Engenharia Electrotécnica em que nos propomos intervir. Nesta edição merece particular destaque os assuntos relacionados com as instalações eléctricas, os veículos eléctricos, a domótica, os sistemas de segurança, as fibras ópticas e os mercados de energia eléctrica.

O cálculo das quedas de tensão é fundamental na fase de projecto de instalações eléctricas, por um lado, de modo a garantir que as infra-estruturas definidas cumpram os requisitos regulamentares e, por outro lado, o bom funcionamento e a longevidade dos equipamentos e instalações. Nesta publicação, apresenta-se um artigo que especifica as metodologias de cálculo a que se deve atender no dimensionamento das quedas de tensão em redes de distribuição de energia eléctrica em baixa-tensão.

Um assunto que actualmente desperta grande interesse tem a ver com os veículos eléctricos. Nas últimas décadas tem-se assistido a um forte desenvolvimento dos veículos eléctricos, sobretudo das soluções híbridas, como resposta aos impactos ambientais e económicos dos combustíveis fosseis. Os desafios que se colocam no campo da engenharia são múltiplos e exigentes, motivados pela necessidade de integrar diversas áreas, tais como, novos materiais e concepções de motores eléctricos, electrónica de potência, sistemas de controlo e sistemas de armazenamento de energia. Nesta revista apresenta-se um artigo com as principais características dos veículos híbridos eléctricos e dos veículos puramente eléctricos.

O crescente aumento da criminalidade, com especial incidência nos crimes contra a propriedade, levou a um forte incremento na procura e instalação de Sistemas Automáticos de Detecção de Intrusão. A instalação de um sistema deste tipo torna-se, assim, fundamental como elemento de garantia do bem-estar e da segurança das pessoas, velando pela sua salvaguarda e pela salvaguarda dos seus bens, fazendo hoje parte dos sistemas aplicados no sector da habitação, serviços, comercio e industria. Nesta publicação, apresenta-se um artigo que aborda os aspectos técnicos e conceptuais, ao nível do projecto e da instalação de Sistemas Automáticos de Detecção de Intrusão.

Sistemas Automáticos de Detecção de Intrusão.

Outro assunto de grande interesse apresentado nesta publicação, tem a ver com a automatização das instalações habitacionais ou domésticas, impondo a necessidade de edifícios “inteligentes”. A domótica tem aqui um papel fundamental. O artigo que é apresentado refere um estudo teórico das tecnologias domóticas mais relevantes, de uma forma transversal e resumida, fazendo uma aproximação da realidade prática a nível de implementação das tecnologias domóticas em edifícios, permitindo um conhecimento abrangente e ao mesmo acessível a todos os interessados.

O sector eléctrico tem vindo a sofrer diversas alterações ao longo da sua existência tendencialmente no sentido do fomento da concorrência. Em Portugal a manifestação mais recente dessa tendência e corporizada na publicação do Decreto-Lei n.º 104/2010 que determina a extinção de tarifas reguladas com excepção dos consumidores domésticos. Esta é uma realidade que impõe aos clientes a procura de um comercializador em mercado liberalizado. Nesta publicação, apresenta-se um artigo que analisa a situação que se verifica actualmente neste sector em Portugal.

Nesta publicação da revista “Neutro à Terra”, pode-se ainda encontrar outros assuntos reconhecidamente importantes e actuais, como um artigo sobre Fibras Ópticas e um artigo sobre Tipos de Tecnologias de Turbinas utilizadas nas Centrais Mini-Hidricas. Nesta publicação dá-se também destaque a uma conferência organizada pela Associação Nacional dos Engenheiros Técnicos, subordinada ao tema Novo Regime ITED e ITUR para Engenheiros e Engenheiros Técnicos. Esta acção contou com o apoio do ISEP, através do Departamento de Engenharia Electrotécnica, bem como da Autoridade Nacional de Comunicações. Decorreu em 30 de Setembro no Centro de Congressos do ISEP. No âmbito do tema “Divulgação”, que pretende divulgar os laboratórios do Departamento de Engenharia Electrotécnica, onde são realizados vários dos trabalhos correspondentes a artigos publicados nesta revista, apresenta-se o Laboratório de Máquinas Eléctricas.

Esperando que esta edição da revista “Neutro à Terra” possa novamente satisfazer as expectativas dos nossos leitores, apresento os meus cordiais cumprimentos.

Porto, Dezembro de 2010 José António Beleza Carvalho

(4)

N

OVO

R

EGIME

ITED

E

ITUR

PARA

E

NGENHEIROS E

E

NGENHEIROS

T

ÉCNICOS

No dia 30 de Setembro de 2010 teve lugar no Auditório Magno do ISEP – Instituto Superior de Engenharia do Porto, uma conferência organizada pela ANET – Associação Nacional dos Engenheiros Técnicos, subordinada ao tema “Novo Regime ITED e ITUR para Engenheiros e Engenheiros Técnicos”. Esta acção contou o apoio do ISEP bem como da ANACOM – Autoridade Nacional de Comunicações.

O programa deste evento contou com a presença de profissionais da área das infra-estruturas de telecomunicações em edifícios, bem com das instalações eléctricas.

A sessão de abertura foi presidida pelo Director do Departamento de Engenharia Electrotécnica do ISEP, Professor Doutor José Beleza Carvalho tendo sido coadjuvado pelo Engº Técº Sequeira Correia, S.R. Norte da ANET, Engº Vitor Brito, Vice Presidente da Ordem dos Engenheiros (OE), Engº Técº Pedro Brás, Vice-Presidente ANET, Engº Helder Leite, O.E S.R. Norte e pelo Engº António Vassalo, Director Fiscalização ANACOM.

Após o término da sessão de abertura deu-se seguimento às diversas apresentações:

• “Enquadramento estratégico e político visando o desenvolvimento das NGN”, Eng.º António Vassalo, Director Fiscalização ANACOM; • “Regime jurídico ITED e ITUR”, Dr. Nuno Castro Luís, ANACOM;

• “Novo Regime Técnico ITED/ITUR”, Eng. António Vilas Boas, Profigaia; • “O Ensino de Telecomunicações no ISEP”, Eng.º Sérgio Ramos, ISEP;

• “Regulação da Profissão na Engenharia”, Eng.º Téc.º Pedro Brás, Vice-Presidente ANET;

• “Novo Regime Posição da Ordem Engenheiros”, Engº Francisco Sanchez, Presidente do Conselho Nacional do Colégio de Engª Electrotécnica da Ordem dos Engenheiros;

• “Qualificações e Formação Obrigatória em ITED e ITUR”, Eng.º Téc.º Nuno Cota, Presidente do Colégio de Eng.ª Electrónica e Telecomunicações da Associação Nacional dos Engenheiros Técnicos;

• “Novo Paradigma para a Formação ITED e ITUR para Engenheiros e Engenheiros Técnicos”, Engº Sérgio Queirós, Schumal.

No final das apresentações foram colocadas algumas questões ao painel de debate formado pelo Engº Técº Nuno Cota, Engº Francisco Sanchez, Engº António Vassalo e pelo Engº Sérgio Ramos – ISEP, tendo sido moderador deste painel o Engº António Gomes, ISEP.

A presença de, aproximadamente, quatro centenas de participantes ilustrou sobremaneira o interesse e importância, que as alterações introduzidas na legislação das infra-estruturas de telecomunicações em edifícios e urbanizações despertaram no seio da comunidade da engenharia electrotécnica.

(5)

A

RTIGO

T

ÉCNICO

1 ENQUADRAMENTO

Numa instalação eléctrica, por motivos técnicos e funcionais, a tensão aplicada aos terminais das cargas, isto é, dos equipamentos de utilização, deve manter-se dentro de determinados limites.

Cada equipamento possui uma tensão estipulada, fixada pela norma respectiva. A aplicação de tensões abaixo dos limites definidos, pode prejudicar o desempenho desses equipamentos, podendo reduzir a sua vida útil ou mesmo impedir o seu funcionamento.

As quedas de tensão nas instalações devem ser calculadas durante a fase de projecto, devendo ser cumpridos os limites máximos fixados pelos respectivos regulamentos aplicáveis.

2 Q T

- Apenas se levam em conta as impedâncias longitudinais, resistências e indutâncias, desprezando-se as admitâncias transversais, perditâncias e capacitâncias. Em instalações de Baixa Tensão, o comprimento das canalizações não vai além das poucas centenas de metros e sendo a frequência utilizada a frequência industrial de 50Hz é possível desprezar, para as mais baixas secções, os efeitos da indutância, capacitância e pelicular, considerando-se assim os condutores como resistências puramente hómicas. Daí termos:

- Tomar-se-á uma temperatura do condutor igual à máxima admissível em regime permanente.

Para o receptor da Fig. 1, a queda de tensão que importa observar é a diferença entre os valores absolutos das tensões à partida e à chegada, isto é,

Henrique Jorge de Jesus Ribeiro da Silva; António Augusto Araújo Gomes Instituto Superior de Engenharia do Porto

Q

UEDAS DE

T

ENSÃO

EM

I

NSTALAÇÕES

E

LÉCTRICAS DE

B

AIXA

T

ENSÃO

0

L c

Z

= +

R

jX

≅

R

Y

=

G

+

JB

≅

2 QUEDA DETENSÃO

Na dedução de uma fórmula aplicável à determinação da queda de tensão num circuito ter-se-ão em conta os seguintes pontos:

- Consideram-se sistemas trifásicos em regime equilibrado;

tensões à partida e à chegada, isto é,

Da figura 1 depreende-se que, atendendo à desigualdade triangular, a diferença entre as leituras dos voltímetros V0 e V1 há-de ser menor que a indicação do voltímetro Vz. Daí que esta tensão não nos interesse muito para o objectivo em vista, isto é, o do dimensionamento do cabo.

U

0

−

1 0

V

− 1

V

−

j

ω

L

R

I

−

V

V _V

(6)

Assim:

Aplicando o teorema de Taylor ao desenvolvimento da raiz, resulta que:

0 1

(

)

cos

sen

cos

sen

cos

sen

(

cos

sen

)

(

cos

sen )

ϕ

_ϕ

ϕ

− − − − − − −

=

+

=

−

=

−

+

=

+

−

j

V

R

jX I V

I

Ie

I

jI

V

RI

jRI

jXI

XI

V

RI

XI

V

j XI

RI

0

V

−

R I

−

jX I

−

I

− 1

V

−

Z I

− − f q f f

d

1 0 2 0 0

cos

sen

cos

1 sen

θ

δ

θ

δ

θ

δ

=

−





=

− 







V

ZI

V

2 1 0 0

1 

sen

δ



cos

δ

=

−





−





Z I

V

ZI

V

k

Aplicando o teorema de Taylor ao desenvolvimento da raiz, resulta que:

Com Ia = Icosφ e Ir = Isenφ

2 3 4

1

5

1

1 ...

1

2

8

16

128 k

k

+

= +

−

+

−

+

<

2 4 6 8 0 1 3 5 7 0 0 0 0

(

sen )

(

sen )

(

sen )

5 (

sen )

cos

...

2

8

16

128 ZI

ZI

V

ZI

V

δ

×

−

=

+

2 4 6 8 0 1 3 5 7 0 0 0 0

(

)

(

)

(

)

5 (

)

...

2

8

16

128

a r a r a r a r a r

XI

RI

XI

RI

XI

RI

XI

RI

V

RI

XI

V

−

×

−

=

+

ε

0

V

−

R I

−

jX I

−

I

− 1

V

−

Z I

− −

cos

RI

ϕ

XI

sen

ϕ

(7)

A

RTIGO

T

ÉCNICO

Como se observa pelo quadro de resultados a fórmula

∆V = RIa+XIr

dá-nos valores bastante aproximados, fixando já os dois primeiros algarismos significativos.

Para um resultado mais correcto pode usar-se a fórmula .

A expressão ∆V = RIa, apesar da sua simplicidade, pode

empregar-se com vantagem em muitos

casos, particularmente na BT e para secções de cabos suficientemente baixas, por permitir relacionar directamente a queda de tensão máxima com a secção do cabo a atribuir. Para correntes em atraso relativamente à tensão, ϕ

positivos, e tendo em consideração que a queda de tensão máxima terá um valor pequeno, imposto pelos regulamentos técnicos, os termos não-lineares de I são desprezáveis face aos termos lineares.

Quando a corrente se encontra em avanço nada se pode dizer acerca da transcurabilidade dessas parcelas.

Exemplo:

Pretende-se calcular a queda de tensão no extremo de um cabo trifásico do tipo VV, 4 mm2_{de secção, comprimento 80} m, percorrido por uma corrente de 30 A, tensão de alimentação 400 V e as características do cabo, indicadas na tabela 1.

A tabela 2, apresenta os resultados (análise monofásica) obtidos.

Tab. 1 – Características do cabo

(

)

2 a r a r 0

XI -RI

ΔV=RI +XI +

2V

Tipo Secção mm2 Comprimento m Resistividade a 20°C Ωmm2_/m Coeficiente temperatura °C-1 Resistência a 20°C Ω Resistência a 70°C Ω Reactância Ω VV 4 80 17,241.10-3 _3,93.10-3 _0,3448 _0,41257 _6,4.10-3

V

₀

(V)

V

₁

(V)

∆

∆V (real)

∆

∆V (aproximação)

(V)

%

RI

a

(V)

%

RI

_a

+XI

_r

(V)

%

(V)

%

230 219,867

10,132

4,4

9,902

4,305

10,017

4,35

10,132

4,4

(8)

A expressão aproximada∆V = RIa+XIr pode ser reescrita de modo a contemplar quer a situação da sua aplicação a um circuito trifásico, quer a um circuito monofásico, quer mesmo ao caso de um circuito de corrente contínua.

Onde:

∆ V queda de tensão em V;

B coeficiente igual a 1 para circuitos trifásicos e a 2 para monofásicos ou de corrente contínua;

ρ1 resistividade eléctrica dos condutores em serviço normal, em Ωmm2/m;

L comprimento simples da canalização, em m; S secção recta dos condutores, em mm2;

ϕ ângulo de esfasamento entre a tensão simples respectiva e a corrente (para corrente contínua  = 0) λ reactância linear dos condutores (igual a 0 para

circuitos de corrente contínua), em Ω/m; Ib corrente de serviço, em A.

A partir da expressão

define-se a queda de tensão como a soma do produto do momento da componente em fase da corrente pela resistência linear com o produto do momento da componente em quadratura da mesma corrente pela reactância linear do cabo.

Donde:

Por aplicação do método da sobreposição é possível

ϕ

∆ =

+

=

+

=

+

cos

sen

cos

sen

f q

V

RI

XI

rLI

xLI

rM

xM

cos

sen

f q

M

LI

M

LI

ϕ

=

cos

sen

f q a r a a r r

V

RI

V

XI

ϕ

∆ = ∆

+ ∆

= ∆

+ ∆

∆

=

∆

=

1

cos

sen

b

L

V

b

L

I

S

ρ

ϕ λ

ϕ





∆ = ×



× ×

+ × ×



×





Ib corrente de serviço, em A.

A queda de tensão percentual virá referida à tensão nominal do sistema:

Para a situação comum de uma linha alimentando uma carga na sua extremidade:

Por aplicação do método da sobreposição é possível decompormos a obtenção da queda de tensão mediante a resolução de dois circuitos:

∆

∆ = ×

= 0 =

100%

, tensão simples em CA ou ,em CC

r N V V U U U U U L

I

− a f a

V

rM

RI

∆

=

r q r

V

xM

XI

∆

=

× ∆ ∆ = × = 3 100% , tensão composta em CA r c V V U U U

(9)

A

RTIGO

T

ÉCNICO

- Características da Impedância de um Cabo

A resistência e a reactância de um cabo são função da secção do condutor - R=R(S) e X=X(S).

Daí que sendo:

∆V= ∆ V(R,X) ∆ V= ∆ V(S) (para uma dada corrente)

Andamento hiperbólico

const.

l

R

s

ρ

θ

=

X - praticamente constante (para um dado tipo de canalização)

A figura abaixo apresenta a variação da resistência e reactância com a secção para o cabo VAV 0,6/1 kV, 4 condutores, a uma temperatura de cerca de 80° C. Impedâncias em mΩ/m e secções em mm2_.

0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300

(10)

3. QUEDAS DETENSÃOMÁXIMASADMISSÍVEIS

3.1 REDES DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉCTRICA EM BAIXA

TENSÃO

Tendo em consideração o disposto no Regulamento de Seguranças de Redes de Distribuição de energia eléctrica em baixa tensão, aprovado pelo Decreto Regulamentar 90/84 de 26 de Dezembro e os documentos normativos do concessionário da rede de distribuição, DIT-C11-010/N, Maio 2006 - Guia Técnico de Urbanizações e DIT-C14-100/N MAI 2007 – Ligação de Clientes de Baixa Tensão, a queda de tensão total, desde o Posto de Transformação Público MT/BT até ao final da rede de Baixa Tensão, isto é, à Portinhola ou, quando esta não existir, ao Quadro de Colunas de um edifício ou aos terminais de entrada do contador, não deve ser superior a 8 %, sendo que a queda de tensão máxima no ramal1_{não deve ser superior a 2% da tensão nominal.}

3.2 INSTALAÇÕES DEUTILIZAÇÃO DEENERGIAELÉCTRICA EMBAIXA

T

Portaria n.º 949-A/2006 de 11 de Setembro a queda de tensão máxima entre a origem da instalação2 _{e qualquer} ponto de utilização, expressa em função da tensão nominal da instalação, não deve ser superior aos valores indicados na tabela 1.

Ao abrigo do mesmo regulamento, em Instalações Colectivas e Entradas as secções dos condutores usados nos diferentes troços das instalações colectivas e entradas devem ser tais que não sejam excedidos os valores de queda de tensão seguintes:

a) 1,5 %, para o troço da instalação entre os ligadores da saída da portinhola e a origem da instalação eléctrica (de utilização), no caso das instalações individuais;

b) 0,5 %, para o troço correspondente à entrada ligada a uma coluna (principal ou derivada) a partir de uma caixa de coluna, no caso das instalações não individuais; c) 1,0 %, para o troço correspondente à coluna, no caso

das instalações não individuais;

No entanto, quando for técnica e economicamente

TENSÃO

Tendo em consideração o disposto nas Regras Técnicas de Instalações Eléctricas de Baixa Tensão, aprovadas pela

No entanto, quando for técnica e economicamente justificado, os valores de queda de tensão indicados anteriormente para a coluna e entradas, podem ser ultrapassados, desde que, no seu conjunto (coluna mais entrada), não seja ultrapassado o valor de 1,5%.

Utilização Iluminação Outros usos

Instalações alimentadas directamente a partir de uma rede de distribuição (pública) em baixa tensão

3 % 5 %

Instalações alimentadas a partir de um Posto de Transformação MT/BT (*) 6 % 8 %

(*) Sempre que possível, as quedas de tensão nos circuitos finais não devem exceder os valores indicados para a situação A. As quedas de tensão devem ser determinadas a partir das potências absorvidas pelos aparelhos de utilização com os factores de simultaneidade respectivos ou, na falta destes, das correntes de serviço de cada circuito.

1_{Ramal - Canalização eléctrica, sem qualquer derivação, que parte do quadro de um posto de transformação, do quadro de uma central}

geradora ou de uma canalização principal e termina numa portinhola, quadro de colunas ou aparelho de corte de entrada de uma instalação de utilização.

(11)

A

RTIGO

T

ÉCNICO

b coeficiente igual a 1 para os circuitos trifásicos e a 2 para os monofásicos (os circuitos trifásicos com o neutro completamente desequilibrado, isto é, com uma só fase carregada, são considerados como sendo monofásicos);

r1 resistividade dos condutores à temperatura em serviço normal,

L comprimento simples da canalização, expresso em metros;

S secção dos condutores, expressa em milímetros quadrados;

cosϕ factor de potência;

Nas instalações de utilização às quais se aplicam as RTIEBT pode ser usado o valor cos j =0,8.

Para efeitos do cálculo das quedas de tensão nas entradas das instalações, deve ter-se em consideração os valores de potências nominais definidos para essas entradas, os quais, na falta de elementos mais precisos, devem ser considerados como resistivos (cos j = 1).

λ reactância linear dos condutores. Ao abrigo do mesmo regulamento, para as instalações

colectivas e entradas deverão ser observados ainda os seguintes pontos:

- Quando existir “troço comum3_{” , a queda de tensão} neste troço deve ser afectada ao ramal e não à instalação colectiva.

- A queda de tensão, no caso das entradas trifásicas, deve ser calculada a partir da potência prevista para alimentação dos equipamentos normais previstos para as instalações eléctricas (de utilização) por elas alimentadas, suposta uniformemente repartida pelas diferentes fases. O cálculo deve ser feito fase a fase, como se de uma entrada monofásica se tratasse, considerando que apenas a fase em análise está em serviço.

3.3 CÁLCULO DAQUEDA DETENSÃO

Para canalizações em que a secção do condutor de fase seja

igual à do condutor neutro, as quedas de tensão podem ser _λ _{reactância linear dos condutores.}

Nas instalações de utilização às quais se aplicam as RTIEBT, na falta de outras indicações mais precisas, pode ser usado o valor 0,08 mW/m.

Relativamente à determinação da resistividade dos condutores à temperatura em serviço normal, dever-se-á ao valor da resistividade a 20°C (0,0225 W.mm²/m para o cobre e 0,036 W.mm²/m para o alumínio), efectuar a correcção para a temperatura máxima de funcionamento dos condutores/cabos.

igual à do condutor neutro, as quedas de tensão podem ser determinadas a partir da expressão seguinte:

em que:

u queda de tensão, expressa em volts;

∆u queda de tensão relativa, expressa em percentagem; Uo tensão entre fase e neutro, expressa em volts;

2_{Origem das instalações eléctricas de utilização}

Considera-se que as instalações eléctricas objecto das Regras Técnicas têm por origem um dos pontos indicados nas alíneas seguintes: a) nas instalações alimentadas directamente por uma rede de distribuição (pública) em baixa tensão:

- os ligadores de saída da portinhola;

- os ligadores de entrada do quadro de colunas, no caso de não existir portinhola;

- os ligadores de entrada do equipamento de contagem ou os do aparelho de corte da entrada, quando este estiver a montante do equipamento de contagem, no caso de não existir portinhola nem quadro de colunas.

No que se refere às instalações eléctricas (de utilização), alimentadas, pelas instalações colectivas e entradas, estas têm, no caso de serem alimentadas por uma rede de distribuição (pública) em baixa tensão, por origem um dos pontos seguites:

a) os ligadores de saída do aparelho de corte da entrada da instalação eléctrica (de utilização); b) os ligadores de saída do sistema de contagem, se o aparelho de corte da entrada não existir.

b) nas instalações alimentadas por um posto de transformação privativo, os ligadores de entrada do(s) quadro(s) de entradaTroço comum -Canalização eléctrica da instalação colectiva que tem início na portinhola e que termina no quadro de colunas.

3_{Troço comum - Canalização eléctrica da instalação colectiva que tem início na portinhola e que termina no quadro de colunas.}

Ib

sen

l

S

l

b

u



×











×

+

×

=

ρ

1

cos

ϕ

λ

ϕ

0

u

u=100

U

∆

(12)

A tabela 4, apresenta as temperaturas máximas de funcionamento de diversos tipos de isolamentos de condutores:

A correcção da resistividade é realizada através da seguinte expressão:

em que:

Rθ resistência eléctrica à temperatura θ °C R20 resistência eléctrica à temperatura 20 °C α20 coeficiente de temperatura a 20 °C θ temperatura final em °C

As RTIEBT recomendem a utilização de um factor 1,25 para correcção geral do valor da resistividade para a temperatura de serviço, independente do tipo de isolamento dos condutores/cabos, sendo uma aproximação ao cálculo anteriormente apresentado.

Tipo de isolamento Temperatura máxima de funcionamento (1)

(°C)

Policloreto de vinilo (PVC) Condutor: 70

Polietileno reticulado (XLPE) Ou

Condutor: 90

20

[1

20

(

20)]

/km

R

_θ

=

R

+

α θ

−

Ω

Tab. 4 – Temperatura máxima de funcionamento dos condutores em função do tipo de isolamento

Ou

etileno-propileno (EPR)

Mineral (com bainha em PVC ou nu e acessível) Bainha metálica: 70

Mineral (nu, inacessível e sem estar em contacto com materiais combustíveis) Bainha metálica: 105(2)

(1) _{- Segundo as Normas NP 2356, NP 2357 e NP 2365.}

(2) _{- Para este tipo de condutores podem ser admitidas temperaturas superiores em serviço contínuo, de acordo com a} temperatura do cabo e das terminações e com as condições ambientais e outras influências externas.

Resistência à Temperatura do condutor/cabo a 20°C

θ

Temperatura máxima de funcionamento do condutor/cabo

α

20 coeficiente de variação da resistividade com a temperatura a 20°C 3 1 20 3 1 20

3,93.10

4,03.10

Cu C Al C

C

α

− − − −

=

`` 20

R

(13)

A

RTIGO

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ÉCNICO

Para a resistividade dos condutores em serviço normal apresenta os valores, indicados na tabela 4.

O coeficiente 1,25 leva a determinar a queda de tensão a uma temperatura do condutor de cerca de 82 °C.

A norma remete ainda para o guia da UTE C 15-105, GUIDE PRATIQUE Détermination des sections de conducteurs et choix des dispositifs de protection Méthodes pratiques, onde são detalhadas outras informações bem como, em particular, quadros com valores de reactância linear para outras configurações de canalizações a serem consultados para a determinação da queda de tensão.

4. METODOLOGIAS DEVERIFICAÇÃO EMOUTROSPAÍSES

França – A norma NF C 15-100, publicada pela Union Technique de l’Electricité (UTE), trata e define os requisitos técnicos e de segurança das instalações eléctricas de baixa tensão. A norma sofre actualização regular para ter em conta a evolução da técnica e das necessidades de consumo de electricidade.

O artigo 525 da NF C 15-100 fixa os valores máximos da queda de tensão, conforme indicado na tabela 3.

No comentário ao Artº 525 da norma é indicada a fórmula a empregar para cálculo da queda de tensão que resulta ser a mesma usada pelas RTIEBT.

Iluminação

Outros usos

Tab. 6 - Queda de tensão máxima nas instalações de utilização

Tipo A – instalações alimentadas directamente por uma derivação em BT a partir de uma rede pública de distribuição em BT

Tipo B – Instalações alimentadas por um posto de entrega(1) ou por um posto de transformação a partir duma instalação de AT e instalações do tipo A em que o ponto de entrega se situa no QGBT dum posto de distribuição público.

3%

6%

5%

8%

Quando as canalizações principais da instalação tiverem um comprimento superior a 100 m, as quedas de tensão podem ser aumentadas de 0,005 % por metro de canalização acima de 100 m, sem todavia superar 0,5 %.

As quedas de tensão são determinadas a partir das potências absorvidas pelos aparelhos de utilização, aplicando, sendo o caso, factores de simultaneidade, ou, por omissão, a partir dos valores das correntes de serviço dos circuitos.

Obs_{Em França não se faz distinção entre postos de transformação e subestações de transformação. A sua designação genérica é poste de}

transformation, contemplando ambas as instalações. Quando as instalações de BT são alimentadas por uma rede de distribuição pública em AT, por intermédio de um posto de transformação, observando a norma NF C 13-100 a 13-103, o posto de transformação é chamado poste de livraison, posto de entrega. Quando forem alimentadas por uma instalação de AT por intermédio de uma instalação de transformação observando a norma NF C 13-200, a sua designação é poste de transformation, posto de transformação.

Cobre

Alumínio

Resistividade ρ

₁

= 1,25×ρ

_20°C

Ωmm

2

_/m

_0,023

_0,037

(14)

Reino Unido – Neste país a norma BS 7671: 2008 Requirements for Electrical Installations IEE Wiring Regulations, Seventeenth Edition é o padrão normativo adoptado no domínio das instalações eléctricas em BT quando em 1992 a British Standards Institution (BSI) fez das regras técnicas IEE Wiring Regulations, 16th Edition, publicadas pela Institution of Electrical Enginneers (IEE), sua norma. A BS 7671 é também usada noutros países de língua inglesa.

Os requisitos respeitantes à queda de tensão são tratados nos pontos 525.1 a 525.3. Para uma instalação em BT alimentada directamente a partir de uma rede de distribuição em BT, a queda de tensão máxima, especificada no Apêndice 12, relativamente à tensão nominal, é:

Onde:

r – queda de tensão resistiva em mV/A/m x – queda de tensão reactiva em mV/A/m

A norma prevê a correcção da temperatura dos condutores para uma melhor aproximação do cálculo da queda de tensão.

Assim a temperatura de serviço vem determinada pela expressão seguinte:

Θb = temperatura do cabo ou condutor, °C Θz = temperatura máxima em regime normal, °C Θa = temperatura ambiente, °C

Cg = factor de correcção de agrupamento

Ca = factor de correcção da temperatura ambiente Ib = corrente de serviço, A

Equipamento de Iluminação

Outros Usos

Queda de tensão máxima 3% 5%

(

)

2 2 2 2 b b z g a z a zt

I

C C

I

θ

=

θ

−





−





θ

−

θ





O Apêndice 4 da norma contém uma série de tabelas fornecendo, para vários tipos de cabos e condutores, os valores das quedas de tensão, quer resistivas, quer reactivas, quer totais, dadas em mV/m/A, calculadas para a temperatura máxima permitida pelos condutores em regime normal de funcionamento.

A queda de tensão é então calculada da forma seguinte:

Quando a secção dos condutores for maior que 16 mm2 deverão considerar-se a queda de tensão resistiva bem como a queda reactiva.

Teremos então:

Ib = corrente de serviço, A

Izt = corrente máxima admissível nas condições da tabela, A

A temperatura θb permite agora determinar o factor de correcção de temperatura Ct:

Com

valor médio para Cu e Al

Para secções até 16 mm2, teremos:

Para secções acima de 16 mm2:

m /

/

tabelados cos

1000

b d

V m A

I

L

V

=

×

ϕ

× ×

(

cos

sen

)

m / /

1000

b d

r

x

V A m L I

V

=

ϕ

× +

ϕ

×

× ×

230

b t z

C

θ

+

=

+

0 0

1 230 C

β

α

=

≅

(

)

3

cos

m / /

10

d t b

V

₌

C

ϕ

V A m

_{× × ×}

L I

− 3

( cos

sen

)

10

d t b

V

C

ϕ

r

ϕ

x

L I

−

=

× +

×

× × ×

(15)

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ÉCNICO

tramos do circuito usa-se como corrente de serviço o valor da corrente estipulada do aparelho de protecção contra sobreintensidades localizado imediatamente a montante.

Outra disposição aplicável às instalações de BT prende-se com as especificações próprias das Associações de Energia Estaduais - Technischen Anschlussbedingungen für den Anschluss an das Niederspannungsnetz, Condições Técnicas para a Ligação à Rede de BT, conhecidas por TAB. De acordo com as TAB, as máximas quedas de tensão entre a portinhola e o contador vêm dadas em correspondência com o quadro seguinte:

Os valores médios das resistividades do Cu e Al a 20°C usados na norma são:

ρCu20°C = 18,3 ×10-3 Ωmm2_/m ρAl20°C = 30,4 ×10-3 Ωmm2_/m

Alemanha – Várias são as normas e disposições aplicáveis às instalações de BT. A norma DIN VDE 0100 – Errichten von Niederspannungsanlagen, Estabelecimento de Instalações de BT, contempla na sua parte 520 as prescrições em termos de quedas de tensão máximas permitidas nas instalações. Assim, entre a portinhola e o ponto electricamente mais afastado da instalação a norma fixa, para a máxima queda de tensão tolerada, um valor de 4% da tensão nominal.

Às instalações residenciais aplica-se igualmente a norma DIN 18015 – Elektrische Anlagen in Wohngebäuden, Instalações Eléctricas em Edifícios Residenciais. De acordo com esta norma a queda máxima entre o contador e o aparelho electricamente mais afastado deve ser 3% da tensão nominal. Potência em kVA Queda de tensão admissível em % Disposição Até 100 0,5 AVBEltV(1) De 100 a 250 1,0 TAB Mais de 250 a 400 1,25 TAB Acima de 400 1,5 TAB

A figura abaixo sintetiza as diversas condições e disposições aplicáveis:

nominal.

Para a determinação da queda de tensão nos diversos

Fonte: Siedelhofer ABB Fig. 3 – Máxima queda de tensão e disposições aplicáveis na Alemanha

(1)_{Verordnung über Allgemeine Bedingungen für die Elektrizitätsversorgung von Tarifkunden, Portaria sobre as Condições Gerais para o}

(16)

A queda de tensão é calculada pela expressão simplificada para as secções condutoras acima dos 16 mm2. Abaixo deste valor calcula-se somente a queda resistiva. Os dados seguintes são habitualmente empregados no cálculo da resistência:

5. CONCLUSÕES

O cálculo das quedas de tensão é fundamental na fase de projecto de instalações eléctricas, por um lado, de modo a garantir que as infra-estruturas definidas cumpram os

[4] Regras Técnicas de Instalações Eléctricas de Baixa Tensão, Decreto-Lei 226/2005, de 28 de Dezembro e Portaria N.º 949-A/2006, de 11 de Setembro, 2006;

[5] Regulamento de Segurança de Redes de Distribuição de Energia Eléctrica em Baixa Tensão, Decreto-Regulamentar n.º 90 / 84 de 26 de Dezembro.

[6] Guia Técnico de Urbanizações, DIT-C11-010/N, EDP – Distribuição – Energia SA, DNT – Direcção de Normalização e Tecnológica, Maio 2006;

[7] Ligação de Clientes de Baixa Tensão, DIT-C14-100/N, EDP – Distribuição – Energia SA, DNT – Direcção de Normalização e Tecnológica, Maio 2007;

[8] SIEDELHOFER Bernd - Hauptstromversorgung in Gebäuden [em linha]. [Consult. 06 Dez 2010] Disponível em

Condutividade σ Sm/mm2

Cu Al

20°C

circuitos ligeiramente carregados

56 35

50°C

circuitos moderadamente carregados

50 31

70°C

circuitos carregados

47 29

Bibliografia

garantir que as infra-estruturas definidas cumpram os requisitos regulamentares e, por outro lado, o bom funcionamento e a longevidade dos equipamentos e instalações.

[1] UNION TECHNIQUE DE L'ELECTRICITE – UTE C 15-105. Fontenay-aux-Roses: UTE, 2003.

[2] UNION TECHNIQUE DE L'ELECTRICITE – NF C 15-100. Puteaux: UTE, 2002.

[3] STOKES Geoffrey, Bradley John - A Practical Guide to the Wiring Regulations: 17th Edition IEE Wiring Regulations (BS 7671:2008). 4ª Ed. Chichester: John Wiley & Sons Ltd, 2009. ISBN: 978-1-405-17701-6.

Disponível em

www:<url:http://www.elektrogemeinschaft-halle.de/Vortrag/ Hauptstromversorgung.pdf>

[9] SCHULTKE Hans – Aktuelles aus der Welt der Normen [em linha]. [Consult. 06 Dez 2010]

Disponível em

www:<url:http://www.enbw-eg.de/~upload/enbweg/veranstaltungen2009/herbstv eranstaltung2009/vortraege/DIN18015-1-4.pdf>

[10] VEWSaar e. V. - Erläuterungen des Verbandes zu den Technischen Anschlussbedingungen für den Anschluss an das Niederspannungsnetz (TAB) [em linha]. [Consult. 06 Dez 2010] Disponível em www:<url:http://www.vewsaar.de/fileadmin/dokume nte/Installateure/pdf/erlaeuterungen_tab2007_07201 0.pdf> Bibliografia

(17)

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RESUMO

Nas últimas décadas tem-se assistido a um forte desenvolvimento dos veículos eléctricos, sobretudo das soluções híbridas, como resposta aos impactos ambientais e económicos dos combustíveis fósseis. Os desafios que se colocam no campo da engenharia são múltiplos e exigentes, motivados pela necessidade de integrar diversas áreas, tais como, novos materiais e concepções de motores eléctricos, electrónica de potência, sistemas de controlo e sistemas de armazenamento de energia.

Neste artigo procura-se apresentar as principais características dos veículos híbridos eléctricos (VH) e dos veículos puramente eléctricos (VE).

Começa-se por uma breve referência à origem e evolução destes veículos. Segue-se uma abordagem às diferentes configurações de VH e VE – principalmente no que se refere aos sistemas de propulsão e armazenamento de energia –,

autonomia – questão determinante para o desenvolvimento dos veículos eléctricos [1].

A partir da década de 1920, a enorme evolução verificada nos motores a gasolina (principalmente, no aumento da potência disponível e rendimento, com menores dimensões) tornou-os preponderantes face aos motores eléctricos. A maior dificuldade no seu controlo (baseado em contactos mecânicos e resistências, com baixos níveis de eficácia, comprometendo o próprio desempenho do veículo), a reduzida autonomia, peso e custo mais elevados, são os principais motivos que explicam aquela supremacia [1].

As crises energéticas ocorridas na década de 1970 e o aumento das preocupações ambientais (principalmente nas sociedades ocidentais), juntamente como desenvolvimento da electrónica de potência, que permitiu a criação de sistemas eficazes de controlo de motores eléctricos, despertaram interesse para o desenvolvimento de veículos

Pedro Miguel Azevedo de Sousa Melo Instituto Superior de Engenharia do Porto

ESTRUTURAS E CARACTERÍSTICAS

DE VEÍCULOS HÍBRIDOS E ELÉCTRICOS

aos sistemas de propulsão e armazenamento de energia –, realçando as suas vantagens e desvantagens. Por fim, referem-se alguns dos factores mais relevantes para a evolução tecnológica e aceitação destes veículos.

1 INTRODUÇÃO

Os conceitos de veículo eléctrico e híbrido eléctrico remontam às origens do desenvolvimento do próprio automóvel, em finais do séc. XIX. Numa época onde as preocupações ambientais e de eficiência não existiam, a finalidade era incrementar os níveis de desempenho dos motores de combustão interna (MCI) ou melhorar a autonomia dos veículos baseados em motores eléctricos. Com efeito, o desenvolvimento destes motores encontrava-se ainda numa faencontrava-se inicial, estando a tecnologia associada às máquinas eléctricas num nível superior. É nesta época que se regista a implementação de sistemas de frenagem regenerativa, que permitem recuperar a energia cinética que o veículo perde, em consequência de uma travagem, sendo armazenada nas baterias. Trata-se de uma contribuição fundamental para a eficiência destes veículos e respectiva

despertaram interesse para o desenvolvimento de veículos puramente eléctricos, de que é exemplo a grande quantidade de protótipos construídos na década de 1980. Na década de 1990 as concepções híbridas foram ganhando interesse, face à tomada de consciência das dificuldades em superar as limitações dos veículos eléctricos, relativamente aos veículos convencionais com MCI. Nesse sentido, vários fabricantes de automóveis desenvolveram diversos protótipos de versões híbridas, não tendo, no entanto, atingido a fase de comercialização.

O maior esforço no desenvolvimento e comercialização de veículos híbridos eléctricos foi feito por fabricantes japoneses: em 1997, a Toyota lançou o modelo Prius e a Honda lançou as versões híbridas dos modelos Insight e Civic. Actualmente, estes e outros modelos híbridos – entretanto lançados por outros fabricantes –, são comercializados em todo o mundo, apresentando bons desempenhos dinâmicos e níveis de consumo [1], [2]. Quanto ao desenvolvimento dos veículos eléctricos, o maior obstáculo à sua comercialização e difusão reside no estado em que se encontra a tecnologia das baterias.

(18)

Por outro lado, procura-se superar também as limitações de ambos: no caso dos MCI, utilização de grandes quantidades de combustíveis fósseis e emissão de gases de efeito de estufa; para os VE há a referir as autonomias reduzidas, elevados tempos de carregamento do sistema de armazenamento de energia e maior custo inicial [2], [3]. Na utilização de motores eléctricos nos VH há dois objectivos bem vincados: o primeiro é a optimização do rendimento do MCI; a recuperação da energia cinética na frenagem do veículo (armazenada nas baterias) é o segundo objectivo. Este apenas é possível pela presença do(s) motor(es) eléctrico(s).

Existem vários modos de funcionamento possíveis, associados às características dos próprios motores [1]: O MCI propulsiona integralmente o veículo. Esta situação

pode ocorrer quando as baterias estão praticamente descarregadas e a potência disponível no veio do MCI é integralmente necessária para a tracção; estando as baterias à plena carga, um cenário semelhante ocorre no caso da potência de tracção exigida corresponder a um regime de funcionamento óptimo do MCI;

Não obstante os progressos e esforços que têm sido feitos no seu desenvolvimento, o desempenho das baterias mais recentes continua aquém das exigências requeridas pelos veículos eléctricos, principalmente, ao nível da densidade de energia (por unidade de peso e volume) e densidade de potência. Atendendo às distâncias relativamente curtas que caracterizam os trajectos nos centros urbanos, será aqui que reside o maior potencial de aceitação destes veículos. Nas últimas décadas, vários fabricantes de automóveis têm feito alguns investimentos no desenvolvimento da tecnologia das células de combustível, com vista à aplicação em veículos eléctricos. Os maiores desafios ao seu desenvolvimento e proliferação residem na capacidade de produção, armazenamento e distribuição de hidrogénio. A evolução desta tecnologia tem ainda um longo caminho a percorrer, sendo também incerta a opção futura por esta solução.

2 CLASSIFICAÇÃO ECARACTERÍSTICAS DOSVHEVE

As alternativas aos veículos convencionais, baseados em regime de funcionamento óptimo do MCI;

Propulsão puramente eléctrica (MCI desligado). Justifica-se para os regimes de funcionamento do MCI com baixos rendimento (ex., nas baixas velocidades) ou em ambientes com limitações de emissões elevadas; Propulsão híbrida (MCI+ME), se no esforço de tracção

são exigidas elevadas potências (por ex., em subidas e elevadas acelerações);

Frenagem regenerativa, na qual a energia cinética do veículo é recuperada – o motor funciona agora como gerador – e armazenada nas baterias, podendo ser posteriormente utilizada na tracção do veículo;

O MCI efectua o carregamento das baterias, havendo diferentes cenários a considerar: veículo imobilizado ou numa descida sem modos de tracção e frenagem nos sistemas de propulsão;

O MCI e o(s) ME(s) – em modo regenerativo –, carregam simultaneamente as baterias do veículo;

O MCI propulsiona o veículo, bem como efectua o carregamento das baterias;

O MCI carrega as baterias e estas alimentam o(s) ME(s); As alternativas aos veículos convencionais, baseados em

MCI, podem ser classificadas do seguinte modo:

Veículos híbridos (VH) – Em termos gerais, um veículo

híbrido é caracterizado por incluir dois ou mais sistemas de propulsão. Os mais usuais são os veículos híbridos eléctricos – combinação de dois sistemas de propulsão: um baseado no MCI, o segundo assente em um ou vários motores eléctricos (ME). Existem várias configurações possíveis para estes veículos: série, paralelo e série-paralelo (esta última com duas variantes);

Veículos eléctricos (VE) – apenas incluem motores eléctricos. Em termos de fontes de energia empregues há a distinguir as baterias das células de combustível.

2.1 VEÍCULOSHÍBRIDOS

A concepção de base dos veiculos híbridos assenta na conjugação das vantagens dos veículos convencionais (MCI) e dos veiculos eléctricos: elevada autonomia e densidades de energia e potência (MCI); elevados rendimentos e emissões nulas a nível local (VE).

(19)

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Energia de propulsão/Carregamento das baterias: o sistema MCI/gerador fornece a energia para propulsionar o veículo e carrega as baterias;

Frenagem regenerativa: o MCI é desligado; o ME funciona como gerador, efectuando o carregamento das baterias;

Carregamento das baterias: o(s) ME(s) não são alimentados; o sistema MCI/gerador somente carrega as baterias;

Carregamento híbrido das baterias: o sistema MCI/gerador e o(s) ME(s) – funcionando como gerador(es) – efectuam o carregamento das baterias.

Não existindo ligação mecânica entre o MCI e o sistema de transmissão de potência, os seus regimes de funcionamento tornam-se mais flexíveis, permitindo optimizar o funcionamento do MCI (referido anteriormente). No entanto, a existência de três máquinas (MCI, gerador e ME) tornam o sistema de propulsão do veículo mais complexo, normalmente mais pesado e com menores rendimentos em relação às outras configurações.

O elevado número de modos de funcionamento nos veículos híbridos, tornam-os muito flexíveis; no entanto, acresce a complexidade do sistema de propulsão, o que implica a necessidade de sistemas complexos de controlo, bem como o desenvolvimento de sistemas de gestão dos fluxos de energia, capazes de optimizarem a eficiência dos modos de funcionamento anteriores.

Em seguida, descrevem-se as três configurações mencionadas para os VH, as quais se distinguem pelo modo como o MCI é inserido no sistema de propulsão eléctrica.

Configuração Série – O MCI apenas acciona um gerador que

alimenta o ME de tracção do veículo; o gerador também efectua o carregamento das baterias. Em termos de concepção, trata-se de um VE assistido por um MCI [2] – Figura 1.

rendimentos em relação às outras configurações.

Configuração Paralela – Existe a possibilidade do MCI e do

ME fornecerem potência, em paralelo, às rodas de tracção do veículo. Conceptualmente, trata-se de um veículo convencional (MCI) com assistência eléctrica (MEs) [2]. Desta forma, ambos os motores estão acoplados ao veio de transmissão através de duas embraiagens independentes, pelo que a propulsão pode ser efectuada pelo MCI, pelo ME ou por ambos (Figura 2).

Em princípio, podem ser considerados os seguintes modos de funcionamento [1], [2]:

Energia de propulsão – baterias: o MCI é desligado, a energia de propulsão provém unicamente das baterias; Energia de propulsão – MCI: a energia de propulsão é

somente garantida pelo sistema MCI/gerador; não há qualquer fluxo de energia nas baterias;

Energia de propulsão – modo híbrido: a potência de tracção é garantida pelo MCI e pelas baterias;

Figura 1 – VH: Configuração Série

(20)

Também aqui a optimização do funcionamento do MCI é conseguida. O motor eléctrico pode funcionar como gerador para carregar as baterias, havendo duas possibilidades: - Frenagem regenerativa;

- No caso da potência mecânica disponível no veio do MCI ser superior ao necessário para o esforço de tracção, o excedente é fornecido ao gerador.

Os modos de funcionamento possíveis são os seguintes: Propulsão ME: o MCI é desligado; o veículo é

propulsionado apenas pelo ME;

Propulsão MCI: o contrário do anterior, o veículo é propulsionado apenas pelo MCI;

Propulsão Híbrida: ambos os motores (MCI e ME) contribuem para a propulsão do veículo;

Propulsão MCI dividida: uma parte da potência no veio do MCI é usada na propulsão; a outra parte carrega as baterias, o que implica ter o ME a funcionar como gerador;

Fenagem simples (apenas regenerativa): o MCI é desligado; o ME funciona como gerador, efectuando o

Para desempenhos semelhantes é também de referir o uso de MCI e ME de menores potências, relativamente à configuração série.

Configuração Série-Paralela – Esta estrutura integra as

características das duas anteriores, procurando assimilar as vantagens de ambas. A figura 3 apresenta esta configuração.

Figura 3 – VH: Configuração Série-Paralela desligado; o ME funciona como gerador, efectuando o

carregamento das baterias;

Frenagem regenerativa e mecânica: ME funciona como gerador; MCI funciona como freio mecânico.

Na configuração paralela há apenas duas máquinas (MCI e ME).

Em comparação com a estrutura série, há mais uma ligação mecânica ao veio de transmissão; relativamente à estrutura paralela, existe mais uma máquina eléctrica. O acoplamento mecânico das três máquinas pode ser efectuado através da inclusão de um sistema de engrenagens planetário [1], [4]. A figura 4 ilustra a sua estrutura.

(21)

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2.2 Veículos Eléctricos

Na figura 6 está representada a estrutura básica deste tipo de veículo [1].

Existem três componentes fundamentais: Sistema de propulsão eléctrica; Este sistema tem a vantagem de permitir o funcionamento

do MCI num regime de velocidade constante (permitindo a sua optimização): a variação da velocidade no veio de transmissão do veículo é conseguida através da regulação da potência debitada pelo gerador.

Trata-se, pois, de um sistema de transmissão variável de potência em modo contínuo, mais concretamente, um sistema electrónico de transmissão variável.

Comparativamente aos sistemas puramente mecânicos de transmissão contínua, este sistema electrónico é mais simples, fiável e com melhores rendimentos, uma vez que não existem embraiagens, conversores de binário e caixa de engrenagens.

Com vista ao aumento do rendimento, fiabilidade e robustez, novas concepções de sistemas electrónicos de transmissão foram desenvolvidas, as quais assentam na eliminação do sistema de engrenagens planetário. Nesse sentido refere-se:

- Combinação de duas máquinas eléctricas concêntricas [3];

- Uma única máquina com dois rotores [4], [5].

Figura 5 – VH: Configuração Série-Paralela “Complexa”

Sistema de propulsão eléctrica;

Sistema de alimentação/armazenamento de energia; Sistema auxiliar.

O sistema de propulsão eléctrica é composto pelos seguintes elementos:

- controlador do veículo

- conversor estático de potência de tracção - motor eléctrico

- transmissão mecânica - rodas de tracção.

O sistema de fornecimento/armazenamento de energia inclui os seguintes elementos:

- fonte de energia e/ou sistema de armazenamento de energia

- sistema de gestão de energia - unidade de reabastecimento.

O sistema auxiliar inclui múltiplas unidades, tais como: a direcção assistida, climatização, etc.

- Uma única máquina com dois rotores [4], [5].

Configuração Série-Paralela “Complexa” - A configuração

representada na figura 5 apresenta semelhanças com a estrutura série-paralela (1 MCI e 2 ME).

Há, no entanto, uma diferença importante na máquina eléctrica ligada mecanicamente ao MCI: a possibilidade de fluxo de energia bidireccional, ou seja, o funcionamento como motor ou gerador.

O potencial e versatilidade desta estrutura são superiores à configuração série-paralela, pois acrescenta um modo de funcionamento com três motores, o qual não existe naquela configuração.

Naturalmente, também o nível de complexidade do(s) sistema(s) de propulsão é grande, o que torna o seu custo mais elevado, juntamente com maiores exigências ao nível do controlo do veículo, bem como do sistema de gestão de energia. Não obstante, é de referir a opção por esta configuração em algumas das séries mais recentes de VH [1], [2].

(22)

Trata-se de um sistema comum a qualquer tipo de veículo, seja convencional, híbrido ou eléctrico.

Os sinais emitidos pelos pedais do acelerador e travão (accionados pelo condutor do veículo) são recebidos pelo controlador do veículo, o qual actua no sistema de controlo do conversor de tracção de modo a regular os fluxos de energia entre o motor eléctrico e o sistema de armazenamento de energia. A actuação do controlador do veículo é também função dos sinais recebidos pelo sistema de gestão de energia. São várias as funções deste sistema, sendo de referir o controlo do modo de frenagem regenerativa e respectivo armazenamento de energia, a regulação das operações de reabastecimento e a monitorização dos estados do sistema de armazenamento de energia.

Tal como nos VH, o sistema de gestão de energia é fundamental neste tipo de veículos.

O sistema auxiliar fornece a energia necessária às unidades já referidas (tipicamente com vários níveis de tensão). Como referido, a estrutura apresentada na figura 6 é elementar.

Existem várias configurações possíveis para o sistema de propulsão dos VE, atendendo à grande flexibilidade de funcionamento dos motores eléctricos. Na figura seguinte são apresentados alguns exemplos, que se julgam ser representativos dessa variedade de configurações [1]. Actualmente, este é um assunto que continua a merecer a atenção de fabricantes e investigadores.

(23)

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a) Atendendo às zonas possíveis de funcionamento dos motores eléctricos – binário constante (baixas

Figura 7 – Sistemas de Propulsão para VE

As exigências colocadas a estes motores são várias, nomeadamente, a capacidade de desenvolver motores eléctricos – binário constante (baixas

velocidades); potência constante (gama ampla de velocidades) – o sistema habitual de engrenagens com múltiplas relações (várias velocidades) pode ser substituído por um sistema com uma relação fixa. Deste modo, a embraiagem é eliminada, reduzindo o peso e tamanho do sistema de transmissão mecânica; o controlo do sistema de propulsão torna-se mais simples. b) Nesta configuração, o diferencial mecânico é substituído

por dois motores eléctricos. Naturalmente, são os respectivos sistemas de controlo que garantem velocidades distintas em trajectos curvilíneos.

c) Com vista a tornar mais simples o sistema de propulsão, os motores eléctricos são fixados à própria roda de tracção, através de engrenagens (sistema in-wheel). Esta concepção coloca desafios vários ao motor (dimensões, peso, robustez, fiabilidade, ...).

d) Relativamente à concepção anterior, é eliminado o sistema de engrenagens: os rotores dos motores são montados directamente nas rodas de tracção, pelo que o controlo da velocidade do veículo corresponde ao controlo directo da velocidade dos motores.

várias, nomeadamente, a capacidade de desenvolver elevados binários no arranque. De referir que uma abordagem às tendências actuais dos tipos de motores eléctricos aplicados em VE foi apresentada num artigo anterior.

Neste tipo de veículos, as emissões locais associadas são nulas. Naturalmente, esta afirmação não considera as fontes de energia utilizadas no carregamento das baterias. Com

efeito, as emissões globais podem ser

consideráveis, dependendo da proveniência da energia armazenada nas baterias.

No momento actual, as principais desvantagens destes veículos residem no elevado peso e custo inicial das baterias, autonomias limitadas, tempos longos de carregamento e densidades de potência reduzidas. Não obstante, nos últimos anos têm sido empreendidos elevados esforços, no meio académico e industrial, com vista ao desenvolvimento de novos tipos de baterias [6], bem como de estruturas híbridas de armazenamento de energia – baterias, super-condensadores e flywheels (esta última em menor grau).

(24)

Como foi referido, actualmente há a considerar duas variantes de VE, associadas ao tipo de alimentação do veículo. As principais características de ambas são apresentadas a seguir.

2.2.1 Tipos de Baterias

Actualmente, as baterias mais usadas nos VE (e também nos VH) são as de chumbo/ácido (PB) convencionais, de hidratos metálicos de níquel (NiMH) e de iões de lítio (Li Ion). Particularmente nestas últimas, têm sido obtidos aumentos consideráveis nos valores da densidade de energia (de momento apresentam valores muito superiores aos restantes tipos de baterias). Há uma clara tendência para a sua integração com super-condensadores, aproveitando os elevados valores de densidade de potência destes últimos [3], [7]. Tais sistemas híbridos de armazenamento de energia são mais complexos, necessitando da inclusão de conversores estáticos de potência e de sistemas de gestão de energia específicos. De acordo com [8] há diversas vantagens a considerar nestes sistemas, sendo de realçar o

diminuição da sua capacidade de armazenamento e aumento da resistência interna. [9]

O sistema de gestão das baterias (Battery Management System) é fundamental, não apenas na monitorização do estado das baterias e sua protecção, mas também para permitir as operações de carga e descarga, em coordenação com o sistema de gestão de energia. O modo de funcionamento em frenagem regenerativa é dos mais críticos a considerar, uma vez que as correntes envolvidas e respectivos gradientes podem destruir as baterias. Em particular, as baterias de lítio exigem condições de funcionamento muito bem controladas, sob pena de se danificarem. Com efeito, são muito sensíveis a sobretensões, sobrecorrentes e à temperatura de funcionamento.

2.2.2 Células de Combustível

São dispositivos geradores de energia eléctrica, resultante de reacções electroquímicas baseadas em hidrogénio (combustível não poluente, com elevada densidade de a considerar nestes sistemas, sendo de realçar o

desacoplamento do controlo dos requisitos de energia e potência (esta última é essencial nas frenagens); também a eficiência na gestão de energia do sistema de armazenamento vem melhorada.

Existem diversos factores que condicionam os desempenhos das baterias, dos quais se enumeram alguns dos mais relevantes:

Nível de carga – State of Charge (SOC); Capacidade de armazenamento; Tensões e correntes;

Frequência das cargas e descargas; Temperatura de funcionamento; Idade da bateria.

As baterias usadas nos veículos de tracção estão sujeitas a ambientes e condições de funcionamento muito agressivos (amplas variações de temperatura, ciclos de carga exigentes, choques e vibrações mecânicas). Estes aspectos podem contribuir para um envelhecimento precoce, traduzido pela

(combustível não poluente, com elevada densidade de energia). Sublinha-se o facto de se tratar de geradores de energia, enquanto as baterias são armazenadores de energia. Uma característica importante a referir é que o produto das reacções é apenas vapor de água. As principais vantagens residem na elevada eficiência energética das reacções electroquímicas, emissões locais nulas e tempos curtos de abastecimento (depósito de hidrogénio). [2], [3] A energia eléctrica produzida nas células de combustível é usada na propulsão do veículo ou no carregamento das baterias e super-condensadores para uso futuro.

3 Alimentação Externa de Energia Eléctrica (Plug-in)

Estes veículos podem ser ligados a um sistema de carregamento exterior das baterias.

Os veículos híbridos Plug-in têm sistemas de propulsão semelhantes aos híbridos convencionais. Para distâncias curtas, o veículo funciona em modo puramente eléctrico, com as baterias a fornecer a energia necessária à propulsão.