Propulsão Elétrica
Definição
Um motor que utiliza energia elétrica para propulsar é conhecido como motor de tração elétrica. Uma das principais aplicações de um motor elétrico é o transporte de pessoas e bens de um local para outro. Os motores de tração são predominantemente categorizados em dois tipos: o motor de tração monofásico AC e o motor de tração DC.
Serviços de Tração Elétrica
Os serviços de tração elétrica podem ser amplamente categorizados da seguinte forma:
Trens elétricos
Trens de Linha Principal
Trens Suburbanos
Ônibus elétricos, bondes e trolebuses
Veículos alimentados por bateria e energia solar
A seguir, uma explicação detalhada desses serviços de tração elétrica.
Trens Elétricos
Os trens elétricos, que circulam em trilhos fixos, são subdivididos em trens de linha principal e trens suburbanos.
Trens de Linha Principal
Nesses trens, a energia é fornecida ao motor de duas maneiras: ou de uma linha aérea em uma locomotiva elétrica, ou através de um conjunto gerador diesel em uma locomotiva diesel.
Em uma locomotiva elétrica, o motor de tração está alojado dentro da própria locomotiva. Uma linha de transmissão aérea é instalada ao lado ou acima da via férrea. Um coletor de corrente, equipado com uma faixa condutora, é montado na locomotiva. Esta faixa condutora desliza ao longo do condutor de alimentação, mantendo o contato elétrico entre a fonte de energia e a locomotiva. O condutor de alimentação é comumente referido como fio de contato. Para garantir uma conexão confiável entre o coletor de corrente e o fio de alimentação, são utilizados cabos catenários e cabos pendentes.
Nos trens de alta velocidade, é utilizado um coletor pantográfico. Com formato pentagonal, este design único lhe dá o nome. O coletor possui uma faixa condutora que é pressionada firmemente contra o fio de contato por meio de molas. Geralmente fabricada em aço, esta faixa condutora desempenha um papel crucial na manutenção de uma pressão constante entre si e o fio de contato. Esta pressão constante é essencial para prevenir oscilações verticais, assegurando uma conexão elétrica estável e confiável enquanto o trem de alta velocidade viaja em velocidades rápidas. Esta conexão estável é vital para o fornecimento ininterrupto de energia aos sistemas elétricos do trem, permitindo operação suave e eficiente.
Uma alimentação monofásica é instalada ao longo de toda a via férrea. A corrente elétrica entra na locomotiva através do coletor. Ela então passa pela bobina primária de um transformador rebaixador e retorna à terra da fonte de alimentação através das rodas da locomotiva. A bobina secundária do transformador de potência fornece energia ao modulador de potência, que por sua vez aciona o motor de tração. Além disso, a saída secundária do transformador alimenta dispositivos auxiliares, como ventiladores de resfriamento e sistemas de ar condicionado.
Trens Suburbanos
Os trens suburbanos, também conhecidos como trens locais, são projetados para viagens de curta distância. Estes trens fazem paradas frequentes em intervalos relativamente próximos. Para melhorar o desempenho de aceleração e desaceleração, os trens suburbanos incorporam vagões motorizados. Esta configuração aumenta a proporção do peso do trem suportado pelas rodas motrizes em relação ao peso total do trem.
Cada vagão motorizado é equipado com um sistema de tração elétrica e um coletor pantográfico. Geralmente, vagões motorizados e não motorizados são usados em uma proporção de 1:2. Para trens suburbanos de alta potência, esta proporção pode ser aumentada para 1:1. Os trens compostos de vagões motorizados e de reboque são conhecidos como trens Unidade Múltipla Elétrica (UME). O mecanismo de fornecimento de energia para trens suburbanos é semelhante ao dos trens de linha principal, com uma exceção notável: os trens subterrâneos.
Os trens subterrâneos utilizam um sistema de fornecimento de energia em corrente contínua (CC). Esta escolha é principalmente devido ao fato de que os sistemas de alimentação CC requerem menos espaço entre o condutor de energia e o corpo do trem. Além disso, os sistemas CC simplificam o design do modulador de potência, reduzindo tanto sua complexidade quanto seu custo. Diferentemente dos trens acima do solo, os trens subterrâneos não utilizam linhas de transmissão aéreas. Em vez disso, a energia é fornecida através dos trilhos de rodagem ou de condutores instalados em um lado do túnel.
Ônibus Elétricos, Bondes e Trolebuses
Estes tipos de veículos elétricos geralmente apresentam um design de vagão motorizado único. Eles obtêm energia de linhas aéreas de baixa tensão CC instaladas ao lado da estrada. Dada a relativamente baixa exigência de corrente, o mecanismo de coleta de corrente geralmente consiste em uma haste com uma roda sulcada em sua extremidade, ou duas hastes conectadas por um arco de contato. O sistema de coleta é projetado para ser altamente flexível e inclui um condutor adicional para facilitar o retorno da corrente elétrica, assegurando um fornecimento de energia estável e contínuo para a operação do veículo.
Os bondes são um tipo de veículo movido a eletricidade que circula em trilhos e geralmente consiste em um vagão motorizado único. Em alguns casos, dois ou mais vagões de reboque não motorizados são anexados para aumentar a capacidade de passageiros. Seu sistema de coleta de corrente é comparável ao dos ônibus elétricos. Notavelmente, o caminho de retorno para a corrente elétrica pode ser estabelecido através de um dos trilhos. Como os bondes operam em trilhos fixos, suas rotas ao longo da estrada são predeterminadas, fornecendo um serviço de transporte confiável e consistente.
Os trolebuses são principalmente empregados para o transporte de materiais em minas e fábricas. Esses veículos, predominantemente, circulam em trilhos e compartilham muitas semelhanças com os bondes, com a principal diferença residindo em sua forma física.
Características Importantes dos Motores de Tração Elétrica
As características-chave dos motores de tração elétrica são elaboradas abaixo
Requisito de Torque Elevado: Os motores de tração precisam gerar torque substancial durante as fases de partida e aceleração para impulsionar a massa pesada do veículo. Esta demanda de alto torque garante que o trem ou outro veículo de tração possa superar a inércia e atingir a velocidade desejada de forma eficiente.
Alimentação Monofásica AC na Tração AC: Por considerações econômicas, uma alimentação monofásica é comumente utilizada em sistemas de tração em corrente alternada (AC). Esta escolha ajuda a reduzir os custos relacionados à infraestrutura, geração e distribuição de energia, tornando a operação geral mais financeiramente viável.
Flutuações de Tensão: O fornecimento de energia nos sistemas de tração elétrica experimenta flutuações significativas de tensão. Essas flutuações são particularmente pronunciadas quando a locomotiva se move de uma seção de fornecimento para outra, resultando frequentemente em interrupções momentâneas. Tais variações de tensão podem representar desafios para a operação estável do equipamento de tração e exigem estratégias de design e controle cuidadosas para mitigar seus efeitos.
Interferência Harmônica: Tanto os sistemas de tração AC quanto DC injetam harmônicas na fonte de energia. Essas harmônicas podem interferir com linhas telefônicas e sistemas de sinalização próximos, potencialmente causando perturbações na infraestrutura de comunicação e sinalização. Medidas adequadas de filtragem e mitigação são essenciais para minimizar essa interferência e garantir o funcionamento adequado desses serviços críticos.
Sistemas de Freio: Os motores de tração dependem principalmente do freio dinâmico, que converte a energia cinética do veículo em movimento em energia elétrica, dissipando-a como calor ou devolvendo-a à rede de energia. Além disso, freios mecânicos são usados quando o veículo está parado para fornecer capacidades de parada e manutenção confiáveis, assegurando a segurança em todas as condições de operação.
Ciclo de Operação dos Motores de Tração Elétrica
O ciclo de operação de um motor de tração elétrica pode ser efetivamente compreendido através da análise de curvas de velocidade-tempo e diagramas de potência-torque-tempo. Considere um motor de tração operando entre duas estações consecutivas em uma pista plana. No início, o trem acelera utilizando o torque máximo alcançável. Durante esta fase de aceleração, o consumo de energia do motor aumenta linearmente com a velocidade crescente, refletindo a energia necessária para superar a inércia e impulsionar o veículo para frente.
No tempo t1, o motor de tração atinge sua velocidade base, e simultaneamente, a potência máxima permitida é atingida. Seguindo isso, a aceleração adicional prossegue sob uma condição de potência constante. À medida que a velocidade continua a aumentar durante esta fase, tanto o torque quanto a aceleração diminuem gradualmente.
No tempo t2, o torque do motor se iguala ao torque de carga, momento em que uma velocidade constante é alcançada. O processo de aceleração de 0 a t2 pode ser dividido em duas etapas distintas. De 0 a t1, a aceleração é caracterizada por um torque constante, onde o motor aplica uma força rotacional consistente para rapidamente aumentar a velocidade. Então, de t1 a t2, a aceleração ocorre sob um regime de potência constante. Aqui, à medida que a velocidade aumenta, o motor sacrifica torque para manter a potência de saída fixa, resultando em uma taxa de aceleração decrescente até que o equilíbrio com o torque de carga seja estabelecido em t2.
Entre o tempo t2 e t3, o trem mantém uma velocidade constante, operando com uma potência de motor constante. Este período é referido como a fase de marcha livre. Durante esta etapa, o trem desliza suavemente ao longo da pista, com a força motriz exatamente equilibrando as forças resistentes, assegurando um movimento constante e eficiente.
Quando o momento apropriado chega no tempo t4, o sistema de frenagem é engajado. Esta ação inicia um processo de desaceleração controlada, reduzindo gradualmente a velocidade do trem até que ele eventualmente pare na próxima estação, pronto para servir o próximo lote de passageiros ou transportar sua carga para o destino pretendido.
