Motores elétricos de tração são amplamente utilizados em locomotivas ferroviárias, automóveis (totalmente elétricos ou híbridos) e outros veículos que precisam de mobilidade. Os requisitos gerais para motores de tração são significativamente diferentes dos motores industriais, mesmo quando possuem classificações de potência similares. Aplicações de tração frequentemente exigem paradas e partidas frequentes sob carga total, além de operação em alta velocidade.
Esses requisitos se traduzem em alto torque em baixa velocidade para aceleração na partida, baixo torque para cruzeiro em alta velocidade, partidas e paradas frequentes e uma ampla faixa de operação de velocidades (Figura 1). Em contraste, motores industriais geralmente são otimizados para uma faixa mais limitada de condições operacionais, operam em espaços fechados (mesmo em ambientes adversos) e são imóveis.
Motores de tração não são um tipo exclusivo de arquitetura de motor. Na verdade, um motor de tração pode ser construído como quase qualquer tipo de motor AC ou DC. Não é o tipo de motor que o define como motor de tração (embora alguns tipos sejam mais adequados para tração do que outros), mas sim a forma como ele é construído. O esquema elétrico e o diagrama mecânico básico de um motor otimizado para tração e de um motor não destinado à tração podem ser idênticos “no papel”, mas os detalhes físicos de sua construção, como calibre dos fios, enrolamento das bobinas e outros atributos de fabricação, são muito diferentes.
Motores de tração são usados em locomotivas ferroviárias (por exemplo, movidas a diesel-elétrico e todas elétricas alimentadas por catenária aérea), veículos leves sobre trilhos urbanos (LRVs) e LRVs suburbanos. Eles também são utilizados em veículos elétricos automotivos (EVs), uma aplicação que impulsionou avanços e inovações em motores de tração de médio porte, seus circuitos de acionamento e componentes relacionados.
Os níveis de potência dos motores de tração variam de dezenas a vários milhares de cavalos de potência (aproximadamente de dez a vários milhares de quilowatts). Motores de tração podem ser motores DC com enrolamento em série, motores AC monofásicos com enrolamento em série ou motores de acionamento AC multifásicos. A escolha depende de diversos fatores, mas os avanços técnicos e as vantagens da eletrônica moderna de controle de motores levaram a maioria dos novos projetos a adotar motores de acionamento AC multifásicos.
Com poucas exceções, o motor de tração é montado sobre (ou como parte do) eixo do conjunto de rodas que ele está acionando, como um sistema de acionamento direto com engrenagens ou ligações mínimas ou inexistentes. Isso minimiza o tamanho e o peso, ao mesmo tempo que reduz a quantidade de peças, aumentando assim a confiabilidade.
O ambiente operacional para motores de tração é desafiador. Na maioria das instalações, esses motores enfrentam condições adversas relacionadas a choques e vibrações, temperaturas extremas, exposição a sujeira e detritos, além de operações frequentes de partida e parada. Além disso, seus níveis relativamente altos de potência exigem condutores elétricos robustos, cabos e conectores de alta capacidade.
Motores AC Versus DC
Nos primeiros dias dos sistemas de tração elétrica — nas primeiras décadas do século XX — os operadores experimentaram tanto motores DC quanto AC. Naquela época, a tecnologia (obviamente muito rudimentar pelos nossos padrões) favorecia o motor DC, pois ele oferecia as características de torque necessárias para a operação de bondes e ferrovias e era relativamente fácil de controlar, embora sua implementação não fosse simples. O primeiro motor elétrico foi o motor DC com escovas, e versões grandes e pequenas dele ainda estão em uso. As escovas — contatos carregados por molas — pressionam contra uma extensão do rotor chamada de comutador. À medida que os campos magnéticos do estator e do comutador interagem, o comutador gira, e as escovas invertem a direção da corrente para que o campo se reverta, continuando a empurrar o rotor. A alta corrente gera campos magnéticos fortes e um torque de partida elevado (força de rotação), ideal para iniciar o movimento de objetos pesados, como trens. No entanto, controlar a velocidade e o torque em uma ampla faixa era difícil e era feito manualmente, alternando resistores em série e paralelo para ajustar a corrente aplicada à carga, velocidade e torque necessários.
Na década de 1970 e início da década de 1980, a eletrônica de potência havia avançado a um ponto em que os motores AC trifásicos se tornaram uma alternativa mais eficiente aos motores DC porque:
- são mais simples de construir, não requerem contatos mecânicos (as escovas) que se desgastam ou falham e são mais leves que motores DC para potências equivalentes;
- a eletrônica moderna permite que motores AC sejam controlados de forma eficaz para melhorar o desempenho e a eficiência;
- podem ser controlados por processadores com algoritmos sofisticados, melhorando o desempenho, controlando a adesão e o deslizamento, além de oferecer muitas vantagens operacionais; e
- são mais robustos e mais fáceis de manter do que motores DC.
De modo geral, a maioria dos novos sistemas não utiliza motores de tração DC com escovas devido a problemas de controle e manutenção, além do alto desempenho que agora pode ser alcançado com motores acionados por AC.
Existem dois tipos de motores AC: síncronos e assíncronos (de indução). O motor síncrono é “impulsionado” a girar pela corrente alternada (AC) aplicada aos seus enrolamentos. O motor AC não possui escovas, pois não há conexão elétrica entre o rotor e os campos magnéticos; o rotor pode ser feito de lâminas de aço em vez de exigir o grande número de enrolamentos necessários em outros motores. Essas características tornam a construção de um motor AC mais robusta e econômica do que a de um motor DC baseado em comutador.
A eletrônica moderna, especialmente o transistor de porta bipolar isolada (IGBT) para instalações de alta potência, torna o acionamento AC assíncrono viável. A velocidade de um motor AC trifásico é determinada pela frequência de sua alimentação, mas a potência deve ser ajustada para atender às demandas de carga e torque. Um motor de tração trifásico é controlado pela aplicação de três correntes AC, que fazem o rotor girar. As três fases são fornecidas de forma mais simples por meio de um inversor que entrega entradas de tensão e frequência variáveis (VVVF), com variações de tensão e frequência controladas e otimizadas eletronicamente.
Motores de tração podem usar tanto AC quanto DC como fonte de energia primária de alta tensão. Naturalmente, essa fonte de alta tensão precisa ser reduzida e reconvertida para a tensão/frequência requerida pelo motor de tração, independentemente do tipo.
Por muitos anos, o fornecimento de energia em AC (independentemente do tipo de motor) foi preferido como fonte primária porque era muito mais fácil aumentar ou reduzir a tensão da fonte de energia (por exemplo, um gerador em uma usina) para a tensão desejada na linha de transmissão. No entanto, a disponibilidade de dispositivos de estado sólido de alto desempenho, como IGBTs e tiristores, tornou possível aumentar ou reduzir a tensão DC de forma eficaz por meio de inversores e subsistemas de conversão, e há vantagens no uso de DC para linhas de transmissão de longa distância.
Em automóveis, os motores de tração utilizam energia DC como fonte primária. Novamente, essa energia precisa ser invertida, aumentada ou reduzida, e transformada em AC para os motores. Os veículos elétricos (EVs), em suas diversas formas, representam um enorme mercado para motores de tração. Cada fabricante de EVs tem razões técnicas, de mercado e de custo para escolher uma configuração específica de motor. Por exemplo, a Tesla utiliza uma combinação de tipos de motores e classificações de potência no Model Y.
Fontes de energia e controladores para motores de tração podem ser unidades padrão, prontas para uso, ou projetadas sob medida. Para aplicações como automóveis, elas são projetadas sob medida para atender ao desempenho necessário e outras especificações, já que os volumes de produção são suficientemente altos para absorver os custos de engenharia, ao mesmo tempo em que alcançam desempenho ideal em múltiplos parâmetros (por exemplo, tamanho, peso, potência, formato, embalagem, conectores).
Conclusão
Motores de tração são uma classe importante de motores elétricos. Entre suas características, eles são otimizados para fornecer alto torque na partida e em baixas velocidades, podendo ser implementados utilizando diferentes configurações básicas de motor. Eles alimentam pequenos veículos móveis, como empilhadeiras, produtos de porte médio, como veículos elétricos (EVs), e grandes sistemas, como locomotivas totalmente elétricas e diesel-elétricas.
Com o aumento no desenvolvimento de veículos elétricos de consumo (tanto puramente a bateria quanto híbridos), esses motores também têm experimentado muitos avanços em desempenho e formatos. A eletrônica moderna tornou os motores DC com escovas menos atrativos, sendo substituídos, em muitos casos, por diversos tipos de motores baseados em AC que utilizam IGBTs e MOSFETs para comutação de potência sob controle de processadores.
Artigo publicado por Mouser Electronics no blog da Mouser Electronics: Optimized Tractian Motors
Traduzido pela Equipe Embarcados. Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados
