UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO
GRANDE DO SUL – UNIJUI
GABRIEL ANDRÉ SCHEIN
ESTUDO DE VIABILIDADE TÉCNICA DE UM TRATOR AGRÍCOLA
ELÉTRICO
Santa Rosa 2019
GABRIEL ANDRÉ SCHEIN
ESTUDO DE VIABILIDADE TÉCNICA DE UM TRATOR AGRÍCOLA ELÉTRICO
Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Elétrica apresentado como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Me. Mauro Fonseca Rodrigues
Santa Rosa 2019
GABRIEL ANDRÉ SCHEIN
ESTUDO DE VIABILIDADE TÉCNICA DE UM TRATOR
AGRÍCOLA ELÉTRICO
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de ENGENHEIRO ELETRICISTA e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora.
Santa Rosa, 19 dezembro de 2019
Prof. Mauro Fonseca Rodrigues Mestre pela Universidade Federal de Santa Maria – Orientador Coordenador do Curso de Engenharia Elétrica/UNIJUÍ BANCA EXAMINADORA Prof. Taciana Paula Enderle Mestre pela Universidade Federal de Santa Maria
DEDICATÓRIA
A Deus que me guiou nesta jornada, a minha família, amigos e professores que sempre me apoiaram e acreditaram em meu sonho.
AGRADECIMENTOS
Quero agradecer primeiramente a Deus, por ter me dado forças e coragem para superar todos os desafios a mim expostos nesta jornada.
Aos meus pais, Osmar e Marli, a meu irmão Rafael e minha namorada Maiquieli, a toda minha família, em especial a meu avô Lauro (In Memoriam), por toda compreensão, apoio e incentivo nas dificuldades que passei para chegar até aqui.
Ao meu orientador Mestre Mauro Fonseca Rodrigues, por todo o auxílio prestado durante o curso de engenharia, em especial as dicas e orientações para este trabalho acadêmico. Ao curso de Engenharia Elétrica no Campus UNIJUI Santa Rosa, seu corpo docente e colaboradores, pelo auxilio nestes anos de curso.
A todos meus colegas de curso, que sempre colaboraram e participaram ativamente na construção da jornada para chegar ao grau de engenheiro, entre descontrações, cooperações e auxilio mutuo.
A todos meus amigos, colegas de trabalho e pessoas que de alguma forma, fizeram e fazem parte desta conquista, a vocês agradeço incondicionalmente, meu muito obrigado.
“Deixem que o futuro diga a verdade e avalie cada um de acordo com o seu trabalho e realizações. O presente pertence a eles, mas o futuro pelo qual eu sempre trabalhei pertence a mim.”
RESUMO
SCHEIN, Gabriel A. Estudo de Viabilidade Técnica de um Trator Agrícola Elétrico. 2019. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Santa Rosa, 70 f.
Este trabalho acadêmico visa o estudo de viabilidade técnica para o desenvolvimento de um trator agrícola elétrico, utilizando como base um modelo de trator a diesel existente no mercado. Desenvolver um conceito de produção capaz de reduzir os custos fixos, aumentar a produção e ainda assim reduzir os impactos ambientais, tem levado inúmeras empresas a investir em pesquisas para o desenvolvimento de soluções capazes de entregar estes resultados. Dentro deste conceito entra o interesse em substituir a matriz energética de veículos agrícolas, que em sua grande maioria tem os motores alimentados por meio da combustão de óleo diesel oriundo do petróleo, que se trata de um recurso finito, o qual constantemente sofre variações no seu valor. A adição de energia elétrica como matriz energética para os veículos agrícolas, entra como alternativa sustentável para substituir o óleo diesel, a qual pode vir a ser gerada dentro da propriedade por meio de fontes renováveis, como biomassa, a energia solar e energia eólica. Dentro deste contexto, o presente trabalho buscou analisar a viabilidade técnica relacionada ao desenvolvimento de um trator agrícola elétrico. Optou-se pela utilização das características de um modelo de trator a diesel existente, onde foram extraídas informações técnicas como o torque e potência do motor, afim de estabelecer os requisitos necessários para o dimensionamento das principais alterações. Por meio da revisão bibliográfica e da análise das curvas de torque e potência, optou-se pela utilização de um motor de indução trifásico, dimensionado para atender os requisitos de equivalência dos veículos. Após é estabelecido o dimensionamento dos demais componentes de tração, como o inversor e o banco de baterias para a alimentação do conjunto. Ao final determinou-se pela viabilidade técnica através da análise dos resultados obtidos.
ABSTRACT
SCHEIN, Gabriel A. Estudo de Viabilidade Técnica de um Trator Agrícola Elétrico. 2019. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Santa Rosa, 70 f.
This academic work aims to study the technical feasibility for the development of an electric agricultural tractor, using as basis a diesel tractor model in the market. Developing a production concept that can reduce fixed costs, increase production and yet reduce environmental impacts, has led many companies to invest in research to develop solutions that can deliver these results. Within this concept comes the interest in replacing the energy matrix of agricultural vehicles, which mostly have engines powered by combustion of petroleum diesel, which is a finite resource, which constantly undergoes variations in its value. The addition of electricity as an energy matrix for agricultural vehicles is a sustainable alternative to replace diesel oil, which may be generated within the property through renewable sources such as biomass, solar energy and wind energy. Within this context, the present work sought to analyze the technical feasibility related to the development of an electric agricultural tractor. We chose to use the characteristics of an existing diesel tractor model, where technical information such as engine torque and horsepower were extracted, in order to establish the necessary requirements for the sizing of major changes. Through the literature review and the analysis of torque and power curves, it was decided to use a three-phase induction motor, sized to meet the equivalence requirements of vehicles. After that, the dimensioning of the other traction components, such as the inverter and the battery bank for the power supply of the set is established. In the end it was determined by the technical viability through the analysis of the obtained results.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Plug de carregamento do FENDT e100 Vario ... 20
Figura 2 - Torque x Velocidade para o motor bobinado em série. ... 22
Figura 3 - Torque X Velocidade para o motor bobinado em derivação. ... 23
Figura 4 - Torque X Velocidade para o motor bobinado composto. ... 24
Figura 5 - Trator AGRALE 4230 ... 34
Figura 6 - Diagrama com motores acoplados às rodas ... 39
Figura 7 - Diagrama com único motor central ... 40
Figura 8 - Dimensões do trator AGRALE 4230 ... 41
Figura 9 - Curvas em função da rotação Motor WEG 20 HP... 44
Figura 10 - Curvas em função da rotação Motor WEG 25 Hp ... 45
Figura 11 – Conexão do inversor com a bateria e motor... 47
Figura 12 - Diagrama de blocos das alterações ... 59
Figura 13 - Curva de operação com inversor ... 61
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 - Características de proteção de máquinas elétricas ... 29
Quadro 2 – Especificações do trator Agrale 4230 ... 36
Quadro 3 - Especificações técnicas dos motores ... 43
Quadro 4 - Parâmetros do inversor CVW 500 ... 46
Quadro 5 - Especificações das baterias ... 49
Quadro 6 - Massa do trator ... 56
Quadro 7 - Especificações das alterações propostas ... 63
LISTA DE SIGLAS
A Amperes
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica BNDES Banco Nacional de Desenvolvimento Social
CA Corrente Alternada
CAN Controller Area Network
CANBUS Barramento Controller Area Network
CC Corrente Continua
FS Fator de Serviço
IEC International Electrotechnical Commission IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
INEE Instituto Nacional de Eficiência Energética
IP Índice de Proteção
LiFePo Litio Ferro Fosfato
kg Quilograma
km Quilômetro
kWh Quilo Watt Hora
m Metro
M.C.I. Motor de Combustão Interna
PIB Produto Interno Bruto
SEBRAE Serviço Brasileiro de Apoio às Micro e Pequenas Empresas
TDP Tomada de Potência
V Volts
VE Veículo Elétrico
VEB Veículo Elétrico à Bateria
VEEC Veículo Elétrico à Célula Combustível VEH Veículo Elétrico Híbrido
LISTA DE SÍMBOLOS
Consumo Consumo considerando 50 % da potência Custo Custo financeiro para 1 hora de operação
CV Cavalo Vapor
Hp Horse Power
I in Corrente de Entrada
n Número de Rotações
Ne Potência no eixo
P a Potência Absorvida na Entrada P com. Potência Consumida
P in Potência de Entrada P trator Potência do Trator P u Potência Útil de Saída Pout motor Potência no Eixo do Motor
T Torque
V in Tensão de Entrada
V out Tensão de Saída
W Watt
w Trabalho
Δe Energia consumida em Joules
Δt Variação de Temperatura
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ... 14 1.1 OBJETIVO GERAL ... 16 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 16 1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ... 17 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 18
2.1 TRATORES AGRÍCOLAS ELÉTRICOS... 19
2.2 MOTORES ELÉTRICOS ... 20
2.2.1 Motores de corrente contínua ... 21
2.2.2 Motores de corrente alternada ... 25
2.2.3 Parâmetros a serem observados no dimensionamento do motor ... 28
2.3 TOPOLOGIAS DE BATERIAS ... 30
2.4 INTEGRAÇÃO: CONSUMO E PRODUÇÃO DE ENERGIA DENTRO DA PROPRIEDADE RURAL... 32
3. PARÂMETROS NECESSÁRIOS PARA O DIMENSIONAMENTO DE UM TRATOR AGRÍCOLA... 34
3.1 MODELAGEM DO TRATOR ELÉTRICO ... 37
3.2 DETERMINAÇÃO DA MOTORIZAÇÃO ELÉTRICA ... 42
3.3 DETERMINAÇÃO DO CONTROLADOR / INVERSOR... 45
3.4 BATERIA E DISPOSITIVO DE CARREGAMENTO... 48
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 57
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 64
5.1 SUGESTÃO DE TRABALHOS FUTUROS ... 65
No Brasil o agronegócio desempenha um papel de grande importância dentro da economia, cerca de 31% do Produto Interno Bruto (PIB) é oriundo deste, isso representa dentro do senário das exportações 42% das exportações brasileiras, tais dados mostram a real importância de se aperfeiçoar o agronegócio (JANK, NASSAR e TACHINARDI, 2004). A partir dele se produz alimentos para o consumo e comercialização in natura, como também boa parte da matéria prima para suprir várias demandas industriais internas. Tanto para os setores de produção de alimentos quanto para os setores calçadistas, de vestuário, de produtos químicos e os mais variados setores que demandam produtos e derivados da agropecuária.
Segundo o Serviço Brasileiro de Apoio às Micro e Pequenas Empresas entre os anos de 2015 e 2016 o principal produto de exportação brasileiro foi a soja e seus derivados, exceto para semeadura, outros produtos como o açúcar de cana, o café não torrado, o milho em grão e a carne de bovinos também estiveram entre os principais produtos exportados (SEBRAE, 2016). Essa perspectiva mostra a grande importância que se tem de buscar inovação no meio agrícola, é essencial inserir novas tecnologias para auxiliar os produtores a melhorar a produtividade e ao mesmo tempo otimizar os gastos tornando assim mais rentável e consequentemente contribuindo para o crescimento do setor.
Outro fator que influencia a busca por novas tecnologias no agronegócio é o aquecimento global. Segundo a Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária os principais gases do efeito estufa liberados a partir de atividades ligadas ao homem são oriundos da agricultura. Entre eles estão o dióxido de carbono (CO2), o oxido nitroso (N2O) e o metano (CH4), os quais são resultantes principalmente do desmatamento para abertura de novas áreas agriculturáveis, da queima de combustíveis fosseis, de atividades ligadas a irrigação, do uso fertilizantes químicos e da pecuária (GOMDIM, FIGUEIRÊDO, et al., 2017).
As consequências do aquecimento global poderão ser desastrosas dentro de pouco tempo. A elevação das temperaturas globais e a alteração nos ciclos do clima são pontos importantes que se vale a pena destacar. Fatos estes que novamente levam a buscar meios alternativos para conseguir manter os níveis de produtividade, mas visando amenizar os impactos sobre o meio ambiente.
Tendo em vista esta crescente demanda por incrementos de novas tecnologias no campo vem ao estudo um novo modelo de Trator Agrícola, ao qual dispensa o uso dos atuais motores
a combustão e substituísse os mesmos por motores elétricos. Segundo a fabricante de tratores FENDT (FENDT, 2017), com a utilização de um trator elétrico dentro da propriedade, e conciliando com uma geração dentro da mesma é possivel obter uma pegada de carbono zero.
Sob uma análise superficial os tratores elétricos apresentam um vasto leque de vantagens, as quais se pode ressaltar:
➢ baixa emissão de poluentes e gases tóxicos;
➢ economia financeira uma vez que dispensa os combustíveis fosseis e óleos lubrificantes para motores a combustão e substituísse por energia elétrica; ➢ disponibilidade de todo torque do motor com rotações a partir de 0 RPM. O que
torna o torque instantâneo e muito útil em um veículo para tração; ➢ baixa manutenção na parte relacionada ao motor;
➢ possibilidade de utilizar uma microgeração dentro da propriedade tornando autossuficiente o abastecimento do trator e consequentemente reduzindo significativamente os custos.
O Brasil possui uma matriz energética favorável, boas reservas de petróleo e gás natural, mas principalmente existe uma vasta gama de possibilidades para a produção de energia elétrica renovável, por isso muito se debate em relação ao uso consciente dos derivados fósseis, já que os mesmos são finitos, para deste modo se manter em uma posição confortável relacionada à matriz energética (GOLDEMBERG e LUCON, 2007). Dessa forma mais uma vez evidenciando o parecer favorável para a introdução de mais modelos de veículos elétricos.
Em comparação com os carros elétricos os tratores elétricos apresentam uma característica superior relacionada à autonomia, os veículos urbanos normalmente apresentam em alguns momentos a necessidade de realizar longas viagens por parte de seus usuários, assim impossibilitando que um carro elétrico viaje por locais desprovidos de centros de abastecimento eletroveicular, onde os mesmos ainda são raros pelo Brasil.
Já um veículo agrícola normalmente trafega dentro da propriedade para executar as tarefas rurais. Desta forma ao ficar com os níveis de carga baixos no banco de baterias, tornasse mais fácil o abastecimento, pois poderá se ter um micro eletroposto dentro da propriedade.
Outro meio seria ter um banco de baterias reserva e trabalhar com um sistema rotação de baterias, enquanto se utiliza da carga de um, outro banco de baterias poderá estar carregando.
Aspectos relacionados ao carregamento do banco de baterias são interessantes. Ao realizar o mesmo em períodos de horários fora ponta pode-se gerar uma economia de recursos financeiros, de acordo com a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL, 2015); a tarifa branca é uma modalidade tarifária ao qual varia o valor da energia de acordo com horário de consumo e o dia. Horários onde a demanda é elevada são denominados de ponta e seu valor por kWh são os mais elevados, seguidos pelo intermediário que são os períodos que a demanda permanece elevada, mas já se encontra em níveis mais equilibrados, e o valor do mesmo é inferior ao horário de ponta, sendo os demais horários denominados fora ponta, onde o consumo é mais equilibrado e rede permanece ociosa, no qual o valor por kWh é o mínimo (ANEEL, 2015).
A partir deste conjunto de informações torna-se interessante um estudo de viabilidade técnica relacionado ao desenvolvimento de um modelo de trator agrícola elétrico, baseado em características de um modelo a diesel existente. Este trabalho acadêmico visa avaliar e dimensionar quais os tipos de motores elétricos que melhor se adaptam às condições de trabalho, quais os tipos de baterias mais adequadas para o uso em um veículo elétrico e seu respectivo dimensionamento, levando em conta fatores como durabilidade e capacidade de carga. Também visa estabelecer outras características técnicas relacionadas ao modelo de trator elétrico, como o método de controle do motor e autonomia do veículo, afim de avaliar a viabilidade técnica.
1.1 OBJETIVO GERAL
Desenvolver um estudo de viabilidade técnica para o desenvolvimento de um trator agrícola elétrico, elaborando um planejamento do dimensionamento para atender as principais características dos modelos convencionais de tratores agrícolas existentes no mercado, utilizando-se de um modelo de trator existente como base para os estudos.
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Revisar a bibliografia de máquinas elétricas.
• Analisar os modelos de tratores elétricos existentes no mercado.
• Realizar o dimensionamento dos principais componentes elétricos do trator. • Comparar os dados do trator elétrico projetado com os tratores a combustão. • Analisar os resultados obtidos.
1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
O presente trabalho é dividido em 5 capítulos, organizados conforme a descrição a seguir.
1º Capítulo: engloba a introdução ao tema de estudo, abordando conceitos e familiarizando o leitor ao tema, traz o objetivo geral do trabalho junto dos objetivos específicos. 2º Capítulo: é apresentada a revisão bibliográfica, trazendo aspectos sobre a história dos veículos elétricos, bem como alguns conceitos sobre modelos de tratores com propulsão elétrica existentes, apresenta características dos motores elétricos usuais no mercado, expõem aspectos sobre as tecnologias de baterias com características usuais de cada topologia em análise. Apresenta conceitos da conciliação de uma microgeração dentro da propriedade rural, a fim de abastecer a demanda energética do trator elétrico, tornando-se autossuficiente neste quesito.
3º Capítulo: aborda os parâmetros elencados para o início do desenvolvimento da proposta de eletrificação do trator em objeto, dimensionamento das principais alterações em relação ao modelo diesel escolhido como base, determinando o modelo do motor, o inversor afim de controlar o motor escolhido, e o dimensionamento do banco de baterias para suprir a demanda do trator sob as condições elencadas.
4 º Capítulo: abrange a discussão dos resultados obtidos sobre a proposta de eletrificação do trator elétrico e sua viabilidade técnica.
5º Capítulo: apresenta as considerações finais do trabalho, trazendo uma síntese geral de todo o trabalho e a sua importância, e sugestões de trabalhos futuros.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Dentro de um contexto geral os veículos elétricos (VE) são aqueles que sua principal fonte de energia, ou única, é a eletricidade. Tais veículos são dotados de conjuntos mecânicos movidos por pelo menos um propulsor elétrico, mais especificamente um motor elétrico. Alguns modelos conciliam um propulsor a combustão junto de um ou mais propulsores elétricos, tais modelos são denominados de veículos híbridos.
No período do início do século XX existiam 3 tipos de tecnologias de propulsão para os automóveis: O vapor, a gasolina e a eletricidade. Isso mostra que os VE não são uma tecnologia nova e muito menos recente, e estavam intimamente relacionadas com a criação das baterias naquele período (BARAN e LEGEY, 2011).
Existia uma grande quantia de veículos elétricos em circulação pelo mundo no início do século XX, mas com o desenvolvimento dos Motores de Combustão Interna (M.C.I.), os mesmos começaram a perder seu lugar em termos de comercialização. A baixa autonomia, o peso elevado e o longo tempo necessário para restabelecer as cargas das baterias limitou o uso dos VE para aplicações especificas (INEE, 2018).
Hoje em dia os VE são um objeto de muito estudo, grandes montadoras veiculares investem pesado todos os anos em busca de aperfeiçoamento de seus modelos elétricos. Com a crescente demanda pelos mesmos a maior corrida está no sentido de desenvolver uma melhor forma de disponibilizar a energia para os propulsores. Segundo o INEE (INEE, 2018), classificam-se basicamente em 5 tipos os veículos elétricos quanto à fonte de suprimento energético:
VE A BATERIA – VEB. A energia é fornecida por um conjunto de baterias que são recarregadas na rede elétrica. Muitos modelos de VEB, competitivos para determinados nichos de mercado, estão disponíveis em diversos países e são fabricados tanto por indústrias tradicionais como novas.
VE HÍBRIDO - VEH. A energia é fornecida por um gerador a bordo que é acionado por um M.C.I. Estes veículos também usam sistemas de bateria e capacitores para acumular energia elétrica, permitindo que o M.C.I só opere nas condições ótimas ou fique desligado. Destacam-se dois tipos básicos de VEH: O VEH "serial" onde as rodas são acionadas apenas pelo(s) motor(es) elétrico(s) e o VEH "paralelo" onde as rodas podem ser acionadas pelo M.C.I. em paralelo com o motor elétrico. Recentemente surgiu o conceito de veículos "plug in", isto é, veículos que podem ser ligados à rede elétrica para carga de baterias e dispõem de motor/gerador a bordo para carga das baterias, extensão da autonomia e/ou adição de potência em ladeiras e arrancadas mais fortes.
VE DE CÉLULA A COMBUSTÍVEL – VECC. A energia é suprida por células a combustível, equipamento eletroquímico que transforma a energia do
hidrogênio diretamente em eletricidade. Esta tecnologia é objeto de muita pesquisa na atualidade e diversos fabricantes apostam nela como o futuro dos veículos. O hidrogênio será distribuído diretamente ou produzido a partir do metano (Gás Natural), metanol ou etanol. O VECC também usa a bordo importantes sistemas de acumulação de energia, sejam baterias ou capacitores.
VE LIGADO A REDE OU TROLEIBUS. A energia é fornecida pela rede elétrica. Trata-se do tipo mais presente no Brasil (estado de São Paulo). Entretanto, devido ao alto custo da rede e dificuldades de trânsito, não há previsão de expansão.
VE SOLAR – VES. A energia é fornecida por placas fotovoltaicas (FV). Restrito ao ambiente das universidades que trabalham com as FV, é pouco provável que o VES venha a se transformar em um veículo de uso prático pelas restrições de tamanho dos veículos que limitam a dimensão dos painéis e consequentemente sua potência. (INEE, 2018,pg 1)
2.1 TRATORES AGRÍCOLAS ELÉTRICOS
Tratores agrícolas são veículos utilizados amplamente para executar tarefas no dia a dia de diversos setores, como puxar vagões, rebocar carretas e carretões, executar tarefas ligadas a agricultura, etc. A sua grande maioria é composta por tratores com motores a diesel, devido às características robustas desses motores.
Esse setor vem constantemente se modernizando e uma das necessidades futuras é desenvolvimento de tratores movidos por fontes alternativas de energia. Segundo Thoreson (1986 apud RODRIGUES, TEIXEIRA, et al., 2006) :
“[...] o Departamento de Energia dos Estados Unidos patrocinou estudos para determinar a viabilidade do uso de tratores à bateria elétrica, e os resultados das pesquisas, realizadas na Universidade Estadual Dakota do Sul, indicaram que o trator elétrico pode realizar tarefas nas fazendas com excelente eficiência.”
Com o aprimoramento das baterias é possível ter uma boa autonomia para executar as tarefas de modo semelhante à um trator a combustão. Fabricantes como a John Deere e a AGCO estão desenvolvendo protótipos de tratores elétricos de médio porte.
Informações contidas no site da John Deere (2017) mostram algumas especificações de seu projeto, o trator John Deere SESAM, o mesmo possui 2 motores, uma potência média contínua de 130 kW, e uma potência máxima de 400 Hp, disponibilidade de alto torque mesmo com rotações mais baixas e um nível de perdas bem baixo (DEERE, 2017). Sendo assim um modelo de trator mais voltado para grandes propriedades.
Já a AGCO / FENDT está trazendo para o mercado o trator FENDT e100 Vario, o qual possui 50 kW de potência, e aliado com baterias de alta capacidade disponibiliza cerca de 100
kWh, com uma autonomia de até 5 horas executando tarefas reais do dia a dia de uma propriedade. O mesmo pode ser utilizado em várias aplicações (FENDT, 2017).
O trator movido a bateria pode reduzir significativamente as emissões de CO2. Se a
energia renovável gerada na fazenda é usada, a máquina pode ser operada com uma pegada de carbono zero e muito econômica. O trabalho de manutenção e os custos são reduzidos, pois o filtro e o óleo, assim como muitos componentes envolvidos na tecnologia convencional, não são mais necessários. Consumíveis como óleo de motor, AdBlue ou diesel são coisa do passado (FENDT, 2017).
A Figura 1 mostra o plug de carregamento do trator FEND e100 Vario.
Figura 1 - Plug de carregamento do FENDT e100 Vario
FONTE: FENDT, 2017
2.2 MOTORES ELÉTRICOS
Máquinas elétricas são dispositivos dotados da capacidade de converter energia elétrica em energia mecânica, e vice-versa, quando a máquina converte energia elétrica em energia mecânica e a mesma é denominada motor, já nos casos em que a máquina converte energia mecânica para energia elétrica é denominada gerador. Ambas as variações das máquinas
elétricas são capazes de fazer as duas formas de conversão, alternando entre a forma de motor e gerador pela ação do campo magnético (CHAPMAN, 2013).
Os motores elétricos estão presentes de maneira maciça em nosso dia a dia, a rotação realizada no eixo do motor é princípio de funcionamento de diversos equipamentos, partindo de simples eletrodomésticos, até complexos equipamentos industriais caregados de tecnologias.
Kosow (1982) conceituando os motores e geradores como máquinas elétricas as divide em quatro grupos básicos:
A máquina de corrente contínua (CC) que tem armadura rotativa e um campo estacionário;
A máquina síncrona (CA) com armadura rotativa e um campo estacionário; A máquina síncrona (CA) com um campo rotativo e uma armadura fixa;
A máquina assíncrona (CA), que possui ambos, enrolamentos da armadura estacionários e rotativos. (KOSOW, 1982, pg 39)
Os motores elétricos podem ser subdivididos em dois grupos pela forma de tensão ou corrente de operação: alternados e contínuos. Há também um terceiro tipo tratado como motores universais que são capazes de operar tanto com tensão alternada quanto com tensão contínua, mas os mesmos são menos usuais (FILHO, 2017).
Serão abordados os modelos mais usuais de motores.
2.2.1 Motores de corrente contínua
Os motores de corrente contínua são alimentados por uma fonte de corrente contínua. Até por volta do ano de 1960 estes eram os modelos mais empregados para diversas aplicações, devido principalmente pelo fator de possibilitar um ajuste mais fino no controle da velocidade. Antes do desenvolvimento de inversores de frequência e retificadores, os motores CC eram imbatíveis para aplicações que se necessitava de um controle de velocidade (CHAPMAN, 2013).
Atualmente os motores CC são mais empregados em situações como o caso de veículos terrestres e aeronaves que possuem ainda um sistema de potência CC. Outro caso onde os mesmos são empregados, é em situações onde exista a necessidade de um controle muito fino no ajuste de velocidade em processos fabris, como é o caso da indústria de celulose (FILHO, 2017).
Em relação às características de fabricação e o processo de operação, os motores CC de uso geral dividem-se em três: Série, Composto e Derivação (FILHO, 2017).
2.2.1.1 Motor de corrente contínua série (Series)
O motor CC série possui a característica que determina sua designação o fato de que os enrolamentos de campo estarem conectados em série com o circuito da armadura. Tal aspecto torna ambas as mesmas, a corrente de armadura, a corrente de linha e a corrente de campo, sendo este fato impeditivo de o mesmo trabalhar em vazio, pois sua velocidade aumentaria consideravelmente (CHAPMAN, 2013).
No motor série, o aumento de carga é acompanhado por elevações da corrente, da FMM de armadura e do fluxo de campo do estator (desde que o ferro não esteja completamente saturado). Como o fluxo aumenta com a carga, a velocidade deve cair para se manter o equilíbrio entre a tensão aplicada e a força contraeletromotriz. Além disso, o aumento na corrente de armadura, causado pelo aumento de conjugado, é menor do que no motor em derivação devido ao aumento de fluxo. (UMANS, 2014, p. 410)
Na Figura 2 é possível observar as características da curva Velocidade X Torque em um motor CC série.
Figura 2 - Torque x Velocidade para o motor bobinado em série.
Fonte: Site oficial Citisystems
Como é possível observar no gráfico da Figura 2 os motores CC série apresentam uma característica de torque bem variada para duas situações de velocidade distintas, em rotações mais baixas apresentam um torque bem elevado e um torque baixo quando aplicado a velocidades de rotação mais elevadas, podendo assim aplicar-se para cargas que demandam um
alto conjugado com velocidades mais brandas, ou aplicar-se a situações com altas velocidades, mas com conjugados de torque mais baixos (SILVEIRA, 2016).
2.2.1.2 Motor de corrente contínua em derivação
O motor de corrente contínua em derivação possui o circuito de campo derivando sua alimentação diretamente dos terminais da armadura do motor (CHAPMAN, 2013). Estes motores ao operarem com uma tensão constante conseguem manter uma velocidade linear, propiciando uma variação no conjugado de acordo com a carga conectada (FILHO, 2017).
Stephen D. Umans descreve como vantagem relacionada a regulação de velocidade em um motor de corrente continua o seguinte:
Uma vantagem notável do motor em derivação é a facilidade do controle de velocidade. Com um reostato no circuito de campo em derivação, a corrente de campo e o fluxo por polo podem ser variados à vontade. A variação de fluxo causa uma variação inversa de velocidade, de modo que a força contraeletromotriz é mantida quase igual à tensão de terminal aplicada. Uma faixa máxima de velocidade, de aproximadamente 4 ou 6 para 1, pode ser obtida por esse método. A limitação aqui também são as condições de comutação (UMANS, 2014, p. 410).
A Figura 3 demonstra as características de velocidade em relação ao torque para motores CC de derivação.
Figura 3 - Torque X Velocidade para o motor bobinado em derivação.
Como pode-se analisar na Figura 3 os motores CC de derivação apresentam uma baixa variação de velocidade para alterações no conjugado da máquina, onde possibilita aplicações com um controle preciso de velocidade, onde variando a tensão da armadura obtém-se uma ampla faixa de velocidades (SILVEIRA, 2016).
2.2.1.3 Motor de corrente continua composto
Os motores compostos agregam as vantagens dos motores série e derivação, possuem um bom torque de partida e mantém uma velocidade linear, mesmo em situações com cargas variáveis conectadas ao eixo. Este modelo possui os campos em derivação e em série, resultando em um campo formado por duas bobinas conectadas uma em serie e outra e paralelo com o induzido (FILHO, 2017). Segundo (UMANS, 2014):
Um motor composto aditivo tem características de velocidade versus carga que são intermediárias entre as de um motor em derivação e as de um motor série. A diminuição da velocidade com a carga depende do número relativo de ampères-espiras nos campos em derivação e em série. Não apresenta as desvantagens do motor série, velocidades muito elevadas com cargas leves, mas mantém ainda em grau considerável as vantagens da excitação em série (UMANS, 2014, p. 410)
A Figura 4 representa a característica de velocidade em relação ao torque em um motor CC composto.
Figura 4 - Torque X Velocidade para o motor bobinado composto.
Fonte: Site oficial Citisystems
Observa-se na Figura 4 que este tipo de motor possui uma curva de torque voltada para aplicações onde faça-se necessário um torque elevado na partida, com uma faixa de velocidade constante, como por exemplo no acionamento de guindastes e elevadores (SILVEIRA, 2016).
2.2.2 Motores de corrente alternada
Os motores de corrente alternada são alimentados a partir de uma fonte de corrente alternada. O princípio de funcionamento dos motores CA está no campo magnético girante que é induzido pela corrente que circula pelas bobinas do motor. Devido a sua característica construtiva mais simples e sua grande variedade de vantagens, de um modo geral estes são os motores mais utilizados para aplicações industriais. Possuem um custo de aquisição mais baixo em relação aos motores de corrente continua, e também não necessitam de manutenção demasiada (FILHO, 2017).
As máquinas CA tradicionais classificam-se em duas categorias: síncronas e de indução. Nas máquinas síncronas, as correntes do enrolamento do rotor são fornecidas diretamente na parte estacionária do motor através de contatos rotativos. Nas máquinas de indução, as correntes são induzidas nos enrolamentos do rotor por meio da combinação da variação, no tempo, das correntes de estator e do movimento do rotor em relação ao estator (UMANS, 2014, p. 193).
Os motores CA comumente utilizados podem ser do tipo assíncrono ou motor de indução, e síncrono.
2.2.2.1 Motor de indução (Assíncrono)
O motor de indução, também denominado de máquina assíncrona, possui um estator semelhante ao estator de um motor CC, o aspecto construtivo que os difere é o rotor da máquina. Pode-se comparar o princípio de funcionamento do rotor com o secundário de um transformador, pois as correntes rotóricas são formadas no estator e induzidas eletromagneticamente, sendo que o estator é a parte que se conecta à alimentação. O rotor de um motor de indução pode ser do tipo gaiola de esquilo ou do tipo rotor bobinado (FILHO, 2017). Entre os dois tipos de rotores o modelo gaiola de esquilo leva uma grande vantagem em relação ao outro modelo (CHAPMAN, 2013).
O rotor de uma máquina de indução polifásica pode ser de dois tipos. O rotor enrolado ou bobinado é construído na forma de um enrolamento polifásico semelhante ao estator tendo o mesmo número de polos. Os terminais do enrolamento do rotor são conectados a anéis deslizantes isolados montados sobre o eixo. Escovas de carvão apoiadas sobre esses anéis permitem que os terminais do rotor tornem-se disponíveis externamente ao motor. As máquinas de indução de rotor bobinado são relativamente
incomuns, encontradas apenas em um número limitado de aplicações especializadas (UMANS, 2014, p. 344).
Diferente dos motores com rotor bobinado, os motores com rotor do tipo gaiola de esquilo são baseados em barras de cobre ou alumínio interligadas por anéis coletores, formando uma espécie de roda similar as rodas existentes em gaiolas de esquilo, de tal advém-se a nomenclatura. Esses motores são mais robustos e possuem um aspecto construtivo mais simples comparados a outros motores CA, portanto tornara-se os motores mais utilizados na indústria em geral (UMANS, 2014).
Os motores de indução são também denominados maquinas assíncronas por que em nenhum momento o rotor atinge a velocidade de rotação do campo magnético girante, dessa forma não conseguem estabelecer um sincronismo entre eles. Essa diferença na velocidade de rotação entre o rotor e o campo girante é chamada de escorregamento, e ela é a responsável pelo torque do motor, quanto maior o escorregamento maior o torque produzido, mas consequentemente a corrente acaba aumentando gradativamente também (FILHO, 2017).
A velocidade de um motor de indução é determinada de maneira diferente dos motores CC, para manter os parâmetros de torque e corrente na máquina necessita de variações no aspecto construtivo da máquina, mudando o número de polos do motor para alterar a velocidade. Ou utilizar equipamentos capazes de alterar a frequência de corrente de entrada da máquina, como os inversores e as Soft Starter (FILHO, 2017).
O aparecimento dos conversores electrónicos de potência veio permitir controlar o arranque e a velocidade do motor mais simples - o motor de indução com rotor em curto-circuito. Desta forma, consegue evitar-se em muitos casos a utilização do motor de indução de rotor bobinado e do motor síncrono (ALVES, 2008, p. 37).
A utilização de inversores a base de tiristores permite realizar a modulação de frequência e tensão aplicada à alimentação do motor, este controle é feito por meio de microprocessadores que controlam a largura de pulso de cada tiristor empregado no inversor (FILHO, 2017). Os inversores possibilitaram a implementação de motores de corrente alternada em veículos elétricos, pois em determinadas topologias pode-se usar a alimentação do inversor em corrente continua a partir de baterias (ALVES, 2008).
2.2.2.2 Motor síncrono
Os motores síncronos são máquinas elétricas, que da mesma forma que os outros modelos possui um estator e um rotor como partes principais. Operam com corrente alternada nos terminais do estator. Mas diferente de uma máquina assíncrona, estas necessitam de uma fonte de corrente continua para excitar o campo rotórico, o qual pode ser obtido de diferentes formas, como uma excitatriz, retificadores, fonte puramente CC e outros (FILHO, 2017).
Chapman descreve da seguinte forma o funcionamento do motor síncrono:
Um conjunto trifásico de correntes nos enrolamentos de armadura produz um campo magnético uniforme girante BS. Portanto, há dois campos magnéticos presentes na máquina e o campo do rotor tenderá a se alinhar com o campo do estator, exatamente como duas barras imantadas tenderão a se alinhar se forem colocadas próximas entre si. Como o campo magnético do estator está girando, o campo magnético do rotor (e o próprio rotor) tentará constantemente se alinhar. Quanto maior for o ângulo entre os dois campos magnéticos (até um certo valor máximo), maior será o conjugado no rotor da máquina. O princípio básico de operação do motor síncrono é que o rotor “persegue” em círculo o campo magnético girante do estator, sem nunca conseguir se alinhar com ele (CHAPMAN, 2013, p. 272).
Os motores síncronos não são muito utilizados pela indústria devido a necessidade de um auxílio na partida, para que ele consiga chegar próximo da velocidade síncrona do campo girante e entrar em sincronismo. Essa inferioridade na utilização mostra-se expressiva se comparado com os motores de indução. Uma das principais aplicações dos motores síncronos é para a correção do fator de potência, como alternativa à banco de capacitores (FILHO, 2017). Tornam-se interessantes em aplicações que exigem uma alta potência e uma baixa velocidade (CHAPMAN, 2013).
Outra característica dos motores síncronos é em relação a regulação de velocidade. Independente da carga demandada no eixo da máquina a velocidade sempre será constante, pois quem à determina é a velocidade do campo magnético girante, que por sua vez somente varia de acordo com a frequência ou do número de polos da máquina, em outras palavras a maneira de regular a velocidade de um motor síncrono é alterando a frequência da corrente que alimenta o circuito do estator (CHAPMAN, 2013).
2.2.3 Parâmetros a serem observados no dimensionamento do motor
Para realizar a escolha e o dimensionamento correto do motor que será utilizado no trator elétrico, se faz necessário um estudo aprofundado sobre as condições de trabalho em diversas situações de operação. Como em momentos de partida com carga acoplada ao trator, ou partidas sem carga acoplada, condições de operação em regime permanente ou com variações constantes das necessidades de torque. Como o propósito principal será para o uso agrícola, condições em tais atividades devem ser analisadas.
A seguir estão características gerais a serem observadas para o dimensionamento e a correta escolha de motores elétricos para aplicações em diversas áreas.
2.2.3.1 Potência
A potência de placa de um motor elétrico é o nível de potência ao qual ele pode operar em regime permanente dentro das condições normais de serviço e operação sem que haja qualquer dano ao mesmo. Ao aplicar cargas excessivas, acima dos padrões projetados do motor, ocorre um sobreaquecimento na máquina, podendo até vir a causar um curto-circuito, rompendo a isolação da máquina e ocasionado a queima da mesma (FILHO, 2017).
O dimensionamento incorreto da potência do trator o torna inútil. O mesmo deve ser dimensionado de acordo com o tamanho da estrutura física do trator.
A potência é relacionada com a energia consumida e ao mesmo tempo temos o conceito de potência mecânica, ao qual é a energia necessária para executar determinada tarefa. Sendo assim a potência elétrica é a energia necessária para o funcionamento da máquina, é a energia absorvida da rede ou fonte de alimentação (WEG, 2016). E potência mecânica é a potência final entregue no eixo do motor, denominada potência nominal e expressa em, sendo que 1 CV equivale à 0,736 kW, é o trabalho executado em relação ao tempo (FILHO, 2017).
2.2.3.2 Classe de isolação
A classe de isolação determina o quanto cada material, ou sistema de isolação presente na máquina, possa suportar há determinados níveis de temperatura de maneira continua, sem que haja perdas na sua vida útil (WEG, 2016).
A WEG (2016) traz em seu guia de especificações de motores as classes de isolação e suas respectivas temperaturas contidas nas normas ABNT NBR 17094 e IEC 60034-1:
• Classe A (105 ºC) • Classe E (120 ºC) • Classe B (130 ºC) • Classe F (155 ºC) • Classe H (180 ºC) 2.2.3.3 Grau de proteção
O grau de proteção determina o quanto o motor é protegido contra a entrada de corpos sólidos e líquidos para o interior do motor, que possa a vir a afetar seu funcionamento (FILHO, 2017). A norma ABNT NBR-IEC 60034-5 traz descrito os graus de proteção em dois algarismos, e nomeia esse grau de proteção como IP e junto deste os dois algarismos caracterizando cada proteção. O Quadro 1 traz descrito as características relacionadas aos graus de proteção.
Quadro 1 - Características de proteção de máquinas elétricas
1º Algarismo
Algarismo Indicação
0 Máquina não protegida
1 Máquina protegida contra objetos sólidos maiores que 50 mm 2 Máquina protegida contra objetos sólidos maiores que 12 mm 3 Máquina protegida contra objetos sólidos maiores que 2,5
mm
4 Máquina protegida contra objetos sólidos maiores que 1 mm 5 Máquina protegida contra poeira
6 Máquina totalmente protegida contra poeira
2º Algarismo
0 Máquina não protegida
1 Máquina protegida contra gotejamento vertical 2 Máquina protegida contra gotejamento de água, com
inclinação de até 15º
3 Máquina protegida contra aspersão de água 4 Máquina protegida contra projeções de água 5 Máquina protegida contra jatos de água 6 Máquina protegida contra jatos potentes
7 Máquina protegida contra os efeitos da imersão temporária 8 Máquina protegida contra os efeitos da imersão contínua
As informações do Quadro 1 são amplamente utilizadas para caracterizar máquinas e componentes elétricos, bem como outros tipos de produtos.
2.2.3.4 Fator de serviço
Segundo a WEG (2016):
Chama-se fator de serviço (FS) o fator que, aplicado à potência nominal, indica a carga permissível que pode ser aplicada continuamente ao motor, sob condições especificadas. Note que se trata de uma capacidade de sobrecarga contínua, ou seja, uma reserva de potência que dá ao motor uma capacidade de suportar melhor o funcionamento em condições desfavoráveis. O fator de serviço não deve ser confundido com a capacidade de sobrecarga momentânea, durante alguns minutos. O fator de serviço FS = 1,0 significa que o motor não foi projetado para funcionar continuamente acima de sua potência nominal. Isto, entretanto, não muda a sua capacidade para sobrecargas momentâneas. A IEC 60034-1 especifica os fatores de serviço usuais por potência (WEG, 2016, p. 44).
2.2.3.5 Conjugado mecânico
O conjugado mecânico do motor elétrico é a quantidade de esforço necessária para movimentar o eixo. O mesmo é denominado como torque, sendo ele dividido como conjugado de partida, conjugado nominal, conjugado máximo, conjugado mínimo e conjugado de aceleração (FILHO, 2017).
2.3 TOPOLOGIAS DE BATERIAS
Baterias são equipamentos capazes de converter energia química em energia elétrica, podem ser recarregáveis ou de uso único. De modo geral possuem um polo positivo (catodo) e um polo negativo (anodo). Elas são de suma importância para os veículos elétricos, pois são elas que armazenam a energia a qual alimentara o motor do veículo. A constante busca pelo aprimoramento das mesmas, tem levado a indústria a desenvolver baterias utilizando nanotecnologias e novos compostos químicos e orgânicos.
As baterias atualmente utilizadas nos veículos são construídas com tecnologias com as quais é possível obter vários níveis de desempenho dependendo de suas diversas características.
Sem levar em conta eventuais subcategorias, podemos diferenciar os tipos de baterias em três categorias principais.
1. Baterias de níquel-hidreto metálico: essas baterias têm sido gradualmente substituídas pelas baterias de lítio e, portanto, estão sujeitas a serem deixadas de lado. É o primeiro tipo de bateria a ser utilizado nos primeiros carros híbridos, que unem motores elétricos com motores à gasolina para aumentar a autonomia limitada das baterias. Essas baterias tinham limites realmente baixos, de apenas 3 ou 4 km.
2. Baterias de chumbo-ácido: essas também estão sujeitas a serem substituídas pelas baterias de lítio, que são muito mais leves. Essa tecnologia é bastante antiga, mas não é de nenhum modo obsoleta, uma vez que a inovação levou à criação de um novo produto, o gel de chumbo-ácido. Esse tipo de bateria é considerado seguro e bastante confiável. A vida-útil média dessa bateria é de cerca de 400 ciclos completos de descarga. Entretanto, baterias antigas exigem uma rotina de manutenção com a adição de água ou ácido. A duração desse tipo de bateria é de aproximadamente 20 km, enquanto que as baterias de gel de chumbo-ácido podem chegar aos 80 km, que estão bastante à frente se comparadas com as baterias de níquel-hidreto metálico. Esse tipo de bateria custa em torno de 600 euros.
3. Baterias de silicone: essas ainda são baterias a base de chumbo. São chamadas de baterias de silicone porque são produzidas com um percentual de gel de sílica e muitas vezes, ao referir-se a essas baterias, o trocadilho é extremamente enganador: essas baterias contêm chumbo e não silicone.
4. Baterias de lítio: são baterias mais modernas. Existem dois tipos: a LiPo, que não é utilizada em meios de transporte porque uma de suas características é que elas explodem e pegam fogo no caso de impacto. O outro tipo de bateria contém íons de lítio, Li-Ion, tanto as baterias de fosfato de ferro-lítio, LiFePO4, quanto as de fosfato de ítrio de ferro-lítio, LiFeYPO4.
Até o momento as melhores baterias tem sido as do tipo LiFePo, que são seguras e deterioram a uma taxa de apenas 5% ao ano, perdendo gradualmente sua capacidade de carga.
Como mencionado anteriormente, o ciclo de vida de uma bateria é medido em cargas. Um ciclo de carga não consiste sempre da ligação de uma bateria na tomada, mas sim de quando a carga da bateria chega a zero.
Isso significa que se consumimos 30% da bateria e a recarregamos, para esgotá-la completamente teríamos que descarregar os 70% restantes, o que pode ser feito de uma só vez ou em várias etapas, para chegar a 100%.
No passado, as baterias tinham que ser descarregadas totalmente antes de serem recarregadas a fim de evitar o efeito de “memória” ao qual estavam sujeitas e que, consequentemente, comprometia os níveis de desempenho da própria bateria. Hoje, com a nova tecnologia, é exatamente o oposto: as baterias duram mais se forem descarregadas e carregadas menos e com uma menor frequência.
Os custos de se manter um veículo elétrico quase sempre dependem das baterias. O custo das baterias, seus tipos e capacidades são os principais fatores que determinam a distância da viagem, a velocidade máxima que podemos atingir, os tempos de recarga e a vida-útil da bateria.
Não existe uma bateria perfeita. Cada tipo de dispositivo tem seus prós e contras. Por isso, é necessário avaliar o tipo de uso que se pretende ter dela (PIRELLI, 2016, p. 1).
2.4 INTEGRAÇÃO: CONSUMO E PRODUÇÃO DE ENERGIA DENTRO DA PROPRIEDADE RURAL
A implantação de sistemas de microgeração, dentro de propriedade rurais, a cada dia que passa, está se tornando mais viável economicamente. Investimentos em pesquisa e desenvolvimento trazem novos conceitos de como implantar meios de geração viáveis até em pequenas propriedades, conciliando consumo e produção. Como o meio rural muitas vezes dispõem de várias alternativas como fonte de produção de energia, onde há existência de rios e córregos pode-se implementar uma micro hidrelétrica, uma roda D’agua, com investimentos de baixo custo visto o alto retorno das mesmas.
Locais em que haja a existência de tanques de dejetos, podem ser transformados em biodigestores, e utilizá-los para a produção de energia elétrica oriunda da biomassa. Regiões em que a incidência de ventos seja grande e uniforme durante o ano podem ser usadas para a produção de energia eólica.
Propriedades onde não exista essas possibilidades mencionadas acima podem implementar sistemas de produção fotovoltaicos. E até conciliar mais de um meio de produção, impulsionando mais ainda os rendimentos.
Até poucos anos atrás sistemas de geração fotovoltaica por exemplo, possuíam um valor bem elevado de implantação. Mas com o crescimento da área fotovoltaica e o surgimento de novas empresas nesse ramo, esse cenário vem mudando, propiciando um mercado mais competitivo, com uma redução no valor final do produto. E da mesma forma os outros modelos
de produção renováveis, vem se tornando mais viáveis com essa crescente demanda de mercado. Outro benefício recente é o estímulo por parte do governo em investir em fontes de energia renováveis, facilitando o crédito para tais investimentos.
O site da ANEEL (2018) traz algumas informações sobre a geração distribuída:
Desde 17 de abril de 2012, quando entrou em vigor a Resolução Normativa ANEEL nº 482/2012, o consumidor brasileiro pode gerar sua própria energia elétrica a partir de fontes renováveis ou cogeração qualificada e inclusive fornecer o excedente para a rede de distribuição de sua localidade. Trata-se da micro e da minigeração distribuídas de energia elétrica, inovações que podem aliar economia financeira, consciência socioambiental e autossustentabilidade.
Os estímulos à geração distribuída se justificam pelos potenciais benefícios que tal modalidade pode proporcionar ao sistema elétrico. Entre eles, estão o adiamento de investimentos em expansão dos sistemas de transmissão e distribuição, o baixo impacto ambiental, a redução no carregamento das redes, a minimização das perdas e a diversificação da matriz energética. (ANEEL, 2018).
A principal vantagem do modelo da própria geração, é o custo baixíssimo para o abastecimento do trator elétrico, o qual após a instalação de uma microgeração autossuficiente, consiste somente na manutenção dos equipamentos. Isso propicia uma drástica redução nos custos de produção dentro da propriedade rural, elevando os lucros de maneira maciça e mantendo uma pegada ecologicamente mais correta.
3 PARÂMETROS NECESSÁRIOS PARA O DIMENSIONAMENTO DE UM TRATOR AGRÍCOLA
Para o desenvolvimento do modelo de trator elétrico é conveniente utilizar um modelo atual equipado com um motor de combustão interna; a utilização de um modelo como base de pesquisa facilita em relação ao processo de adequação do equipamento às reais necessidades impostas pelo cotidiano na agricultura.
Segundo Folle e Bento Franz (1990) os tratores agrícolas são máquinas que entregam potência útil em sua barra de tração, na tomada de potência (TDP) e também no levante hidráulico, sendo assim possuem algumas características necessárias de avaliação para, de certa forma, classificá-las e obter-se um melhor desempenho para cada necessidade.
Para este trabalho optou-se como modelo de base o trator da fabricante AGRALE, modelo 4230, equipado com motor diesel AGRALE M 790 de 25 CV de potência nominal. O mesmo é um trator compacto, usado geralmente por pequenos agricultores (AGRALE S.A, 2019). A Figura 5 mostra o modelo a diesel da fabricante AGRALE.
Figura 5 - Trator AGRALE 4230
Segundo a fabricante a massa do trator sem combustível e contrapesos colocados como opcionais para rodas traseiras é de 1500 kg, adicionando os contrapesos a massa total passa a ser de 1630 kg, e considerando-se a capacidade do tanque de 39 litros pode-se encontrar a massa total do veículo quando preparado para uso (AGRALE S.A, 2019). A massa especifica do óleo diesel S-10 produzido pela PETROBRAS está em uma faixa de 820 kg/m³ a 850 kg/m³ (PETROBRAS, 2018). Considerar-se-á 850 kg/m³ como a massa especifica do diesel para este trabalho, sendo então 33,15 kg a massa total do diesel existente no tanque do trator quando cheio este reservatório, resultando-se em uma massa total de 1663,15 Kg para a condição de o trator estar com os contrapesos adicionais acoplados e o tanque de combustível abastecido.
Percebe-se que é um modelo de trator de pequeno porte e a escolha do mesmo como base para o modelo elétrico sucedeu-se em virtude de que o viés do trabalho é a utilização em pequenas propriedades, onde o uso das máquinas agrícolas não é necessário por longos períodos consecutivos, o que torna a autonomia do veículo adequada a um veículo elétrico, não sendo esta uma característica que inviabiliza a utilização do trator no dia a dia. O trator AGRALE 4230 é voltado à agricultura familiar (AGRALE S.A, 2019), e é possivel obter-se as características deste no site da fabricante por meio de catálogos.
Segundo a startup de Santa Catarina YAK TRACTORS existem mais de 500 milhões de famílias ao redor do mundo trabalhando na agricultura familiar, onde é fundamental desenvolver tecnologias sustentáveis que permitam maximizar a produção agrícola de alimentos (YAK TRACTORS, 2017). Um trator elétrico de pequeno porte pode ser uma nova porta para a sustentabilidade rural.
Segue a Quadro 2 com as especificações básicas do trator agrale 4230.
Com base nessas informações verificam-se as característricas necessárias para o modelo de trator elétrico, as principais características para o estudo são a potência produzida pelo motor e o torque, sendo respectivamente 25 CV de potência a 2700 RPM e 7,0 kgf.m a 2550 RPM.
Quadro 2 – Especificações do trator Agrale 4230
Motor
Marca / Modelo AGRALE M 790 Cilindros / Cilindrada 2 / 1270 cm³ Aspiração Natural Potência 25 CV (18 kW) a 2.700 rpm (NBR ISO 1585) Potência Máxima TDP 27 CV (19,8 kW) a 3.000 rpm Torque 6,9 daNm - 7,0 kgf.m a 2.550 rpm (NBR ISO 1585) Transmissão Tipo Mecânica
Número de Marchas 6 Frente / 2 Ré
Tomada de Potência - Tdp
Acionamento Mecânico / Manual Rotação Nominal 540 a 2.480 rpm no Motor
Sistema Hidráulico
Pressão 120 kgf/cm²
Vazão Máxima 33 L/min a 3.000 rpm Capacidade Levante 650 kg a 610 mm do Engate
Informações Adicionais
Massa do Trator 1500 kg / 1630 kg Tanque Combustível 39 L
Fonte: Adaptado de Agrale (2019)
Os motores 4 tempos diesel apresentam um bom desempenho, são os mais usados em tratores agricolas, desde motores com baixa potência (CV) até motores que geram centenas de cv no eixo das máquinas; nos motores diesel 4 tempos a mistura de combustivel é pulverizada na câmara de combustão em um momento que o êmbolo encontra-se comprimindo o ar, com o calor deste ar comprimido ocorre a igmição do combustivel, produzindo gases e pressão, fazendo o êmbolo se movimentar no interior do cilindro (BRUNETTI, 2012).
Segundo a LINTEC, empresa do grupo AGRALE que fabrica os motores modelo M790, os mesmos possuem um consumo especéfico de combustível de 268 gramas por kWh, o que gera uma autonomia de 13 horas e 45 minutos com o uso de 50 % da potência do motor, operando por meio de injeção direta de conbustível, o peso a seco desde motor é cerca de 218 kg (LINTEC , 2019) .
3.1 MODELAGEM DO TRATOR ELÉTRICO
Para este trabalho acadêmico optou-se pela escolha do trator AGRALE 4230 como modelo de base para a extração de parâmetros como torque, potência e consumo, a partir dos quais será parametrizado o motor ideal para o veículo elétrico em questão, bem como para o dimensionamento do banco de baterias.
Partindo dos dados de catalogo tem-se que o trator possui 25 CV de potência, considerando-se as unidades de medidas internacionais onde 1 CV equivale a 735,489 Watts pode-se obter a potência do trator em Watts:
1 𝐶𝑉 = 735,489 𝑊
25 𝐶𝑉 = 18387,475 𝑊
Essa é a potência efetiva do motor (Ne), que equivale à potência disponibilizada no eixo do motor a certo nível de rotações por minuto. Já o torque é a força motriz produzida por um corpo em rotação, são obtidas em geral com um auxílio de torquímetro (BRUNETTI, 2012). O modelo da Agrale possui um torque de 69 N.m a uma rotação de cerca de 2550 RPM, seguindo a fórmula para o cálculo da potência tem-se (BRUNETTI, 2012):
𝑁𝑒 =
2 ∗ 𝜋 ∗ 𝑛 ∗ 𝑇
60 ∗ 1000
(1)
Sendo:
Ne – Potência no eixo (W);
T – Torque medido no eixo da máquina (N.m); n – Número de rotações no eixo da máquina (RPM).
A Equação 1 descreve a potência em kW no eixo da máquina, e é oriunda da relação entre o trabalho pelo intervalo de tempo descrito na equação 2 (FILHO, 2017).
𝑁𝑒 =
𝑤
Onde:
Ne – Potência no eixo (W); w – Trabalho (J);
Δt - Período de tempo (s).
Para mostrar o valor real da potência do trator efetua-se o cálculo partindo do valor de torque máximo do trator utilizando-se a Equação (1).
𝑁𝑒 =
2 ∗ 𝜋 ∗ 𝑛 ∗ 𝑇
60 ∗ 1000
𝑁𝑒 =
2 ∗ 𝜋 ∗ 2550 𝑅𝑃𝑀 ∗ 69𝑁. 𝑚
60 ∗ 1000
= 18,425𝑘𝑊
18,425𝑘𝑊 = 25,05 𝐶𝑉
Assim tem-se que o motor do trator elétrico necessitará de um conjunto com potência superior ou igual a 18,425 kW entregue no eixo da máquina.
Para este trabalho pode-se aplicar 2 modelos de acoplamento do motor, um seguindo uma topologia centralizada, usando um único motor ligado a uma transmissão mecânica, a qual é conectada ao diferencial do trator. Ou sob uma segunda proposta, onde se utiliza um motor para cada roda, conectando o motor a uma caixa de redução e, após, diretamente à roda do trator conforme a ilustração abaixo.
Na Figura 6 tem-se a topologia de acoplamento do motor na caixa de redução, esse modelo permite o controle da velocidade e do torque de maneira separada em cada lado da tração, outro ponto é que desta forma a potência total dos conjuntos propulsores estará dividida em duas unidades. Tal acoplamento permite um controle da rotação bem apurado em cada roda tracionada do trator, o que é útil, tornando desnecessária a atuação de um bloqueio de diferencial, por exemplo. Em geral esse sistema é integrado ao cubo da roda gerando o torque diretamente na mesma, formando um sistema de estator-rotor, como os motores elétricos apresentam uma ampla faixa de rotações, e com o torque disponível a partir da primeira rotação, dispensa-se o uso de caixa de marchas (DENTON, 2018).
Figura 6 - Diagrama com motores acoplados às rodas
Fonte: O Autor (2019)
Na Figura 6 tem-se a topologia de acoplamento do motor na caixa de redução, esse modelo permite o controle da velocidade e do torque de maneira separada em cada lado da tração, outro ponto é que desta forma a potência total dos conjuntos propulsores estará dividida em duas unidades. Tal acoplamento permite um controle da rotação bem apurado em cada roda tracionada do trator, o que é útil, tornando desnecessária a atuação de um bloqueio de diferencial, por exemplo. Em geral esse sistema é integrado ao cubo da roda gerando o torque diretamente na mesma, formando um sistema de estator-rotor, como os motores elétricos apresentam uma ampla faixa de rotações, e com o torque disponível a partir da primeira rotação, dispensa-se o uso de caixa de marchas (DENTON, 2018).
Figura 7 - Diagrama com único motor central
Fonte: O Autor (2019)
A topologia empregando um motor central é a mais utilizada em veiculos elétricos, principalmente em se tratando dos híbridos, os quais empregam um MCI em conjunto de um motor elétrico para apoio (DENTON, 2018). No caso do trator elétrico esta topologia é bem favorável pois permite manter o sistema de caixa de câmbio, mesmo que os motores elétricos operem em uma ampla faixa de torque, pois a caixa de câmbio facilita operações que possam exigir torques muito elevados como, por exemplo, tracionar uma carga pesada em inércia.
A imagem da Figura 8 representa as dimensões do trator AGRALE 4230.
As dimensões expostas na Figura 8 estão dispostas em milímetros, o veículo possui 3,215 metros de comprimento e cerca de 1,12 metros de largura, segundo a fabricante AGRALE (AGRALE S.A, 2019), este modelo de trator possui dimensões que adaptam-se a vários cenários na agricultura.
Figura 8 - Dimensões do trator AGRALE 4230
Fonte: AGRALE (2019)
Na parte dianteira do trator irão concentrar-se as principais propostas de alteração, sendo a substituição do atual motor e do tanque de combustível ali localizados, pelo motor elétrico e banco de baterias.
3.2 DETERMINAÇÃO DA MOTORIZAÇÃO ELÉTRICA
Como critério de potência estabeleceu-se que o motor elétrico deve ser de potência similar à potência do motor a diesel do trator Agrale M790, sendo esta de 18,425 kW.
Outro critério está relacionado à rotação do motor. Para este caso do trator Agrale em questão o ponto de máxima potência ocorre a uma rotação de 3000 RPM, ponto em que o motor consegue obter 27 CV de potência.
Para este trabalho optou-se pela utilização de um motor de indução trifásico, devido a suas características construtivas mais simples; o mesmo não necessita de uma fonte externa de excitação em corrente contínua ligada ao rotor. Os motores de indução apresentam uma construção robusta, baixo custo de fabricação e boas características de funcionamento (FILHO, 2017).
Os motores de indução possuem a velocidade do rotor em atraso relacionado ao campo girante, tal fato denomina-se escorregamento e quanto maior for, maior será o torque produzido pela máquina. Já os motores síncronos possuem sincronismo entre a velocidade de rotação no eixo e a velocidade de rotação do campo magnético girante, nos momentos em que ocorre a variação da solicitação de torque no eixo da máquina, sendo que o conjugado de torque induzido aumenta e tais máquinas não são recomendadas para aplicações com muita variação na solicitação de torque no eixo da mesma. Outro ponto negativo dos motores síncronos é a partida dos mesmos, pois necessitam de um auxílio para entrarem na velocidade síncrona (CHAPMAN, 2013).
Considerando a faixa de potência requerida para análise neste trabalho sendo de 18,425 kW, o que equivale aproximadamente a 25 CV de potência nominal, e com rotação entre a faixa de 3000 RPM, a partir disto analisar-se-á motores de indução trifásicos de 20 CV, 25 CV e 30 CV, ambos com características similares de isolação, proteção e funcionamento. Tais motores elétricos devem possuir 2 polos para que a rotação nominal no eixo seja similar à rotação do motor a diesel AGRALE M790.
Todos os motores analisados são da fabricante WEG e optou-se por esta pelo fato da mesma possuir em sua linha de produtos inversores específicos para tração e, segundo a fabricante, saem projetados para alinhar-se com a linha de motores WEG (WEG S.A., 2019).
O Quadro 3 apresenta as características técnicas de três modelos de motores da fabricante WEG linha W22 IR3 Premium.
Quadro 3 - Especificações técnicas dos motores
Especificações Técnicas Motores WEG
Características Modelos W22 IR3 Premium 20 Hp W22 IR3 Premium 25 Hp W22 IR3 Premium 30 Hp Carcaça 160M 180M Potência 20 Hp 25 Hp 30 Hp Frequência 60 Hz Rotação Nominal 3535 3540 3545 Tensão Nominal 220/380 V
Número de Polos 2 Polos
Corrente de Partida 349/202 A 505/292 A 516/298 A Corrente Nominal 49,8/28,8 A 60,8/35,2 A 71,6/41,5 A Fator de Serviço 1,25 Conjugado Nominal 40,5 Nm 49,9 Nm 59,3 Nm Conjugado de Partida 250% 280% 250% Conjugado Máximo 320% 290% Rendimento a 50 % da Carga 90,0% 91,0% 92,4% Rendimento a 75 % da Carga 90,8% 91,5% 92% Rendimento a 100 % da Carga 91,0% 91,7% 92,8% Escorregamento 1,81% 1,67% 1,53% Tempo de Rotor Bloqueado (Quente) 12 s 9 s 12 s Regime de Trabalho S1 Classe de Isolação F
Grau de Proteção IP55
Peso 115 kg 119 kg 160 kg
Fonte: Adaptado de WEG (2019)
Ambos modelos apresentam características aptas para o protótipo de trator elétrico, o modelo de 20 Hp possui um torque inferior quando comparado aos outros modelos, mas ressalta-se que todos estes modelos podem trabalhar com um conjugado bem acima do nominal, de tal forma elevando o torque em até 320% como no caso do motor de 20 Hp, suprindo a necessidade de torque quando comparado com o modelo a diesel. Todos os modelos listados na
tabela acima são classe de isolação F e com grau de proteção IP55, o que lhes permitem trabalhar em ambientes com poeiras, como é o caso de lavouras, e também podem ser expostos a jatos de água (FILHO, 2017).
A Figura 9 demonstra as curvas de torque e corrente em função da velocidade do motor WEG 20 Hp em questão.
Figura 9 - Curvas em função da rotação Motor WEG 20 HP
Fonte: WEG (2019)
O alto torque na partida confere uma vantagem muito grande ao trator elétrico, pois o mesmo tem disponível todo o torque nominal a partir de 0 RPM, podendo este ser até 250% superior ao nominal da partida do motor.
Veículos para o trabalho agrícola tendem a realizar esforços constantes quando estão sob tração de uma carga, como, por exemplo, tracionando um reboque carregado: nestas condições o torque realizado torna-se mais brando após o trator vencer a inércia do reboque.
Na Figura 10 está presente as curvas características do motor WEG 25 Hp elencado neste trabalho.
