Motores de Tração Otimizados

Motores elétricos de tração são amplamente utilizados em locomotivas, automóveis (totalmente elétricos ou híbridos) e outros veículos que exigem mobilidade. Os requisitos gerais desses motores diferem significativamente dos motores industriais, mesmo quando possuem classificações de potência semelhantes. As aplicações de tração exigem frequentemente paradas e partidas frequentes sob carga total, além de operação em alta velocidade.

Essas exigências se traduzem em alto torque em baixa rotação para aceleração na partida, baixo torque para cruzeiro em alta velocidade, partidas e paradas frequentes e uma faixa de velocidade de operação bastante ampla (Figura 1). Em contraste, motores industriais são geralmente otimizados para uma faixa mais restrita de condições operacionais, operam em espaços fechados (mesmo em ambientes hostis) e são fixos.

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. O que diferencia um motor de tração não é o tipo de motor em si (embora alguns tipos sejam mais adequados para tração do que outros), mas sim a forma como o motor é construído. O esquema elétrico e o diagrama mecânico básico de um motor otimizado para tração e de um motor não voltado para tração podem ser os mesmos “no papel”, porém os detalhes físicos da construção diferem bastante, especialmente em relação à bitola dos fios, enrolamentos das bobinas e outros aspectos da fabricação.

Os motores de tração são usados em locomotivas (por exemplo, diesel-elétricas e elétricas alimentadas por catenária aérea), veículos leves urbanos (LRVs) e LRVs suburbanos. Também são aplicados em veículos elétricos automotivos (EVs), área que tem impulsionado 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). Esses motores podem ser motores de corrente contínua com enrolamento em série, motores monofásicos de corrente alternada com enrolamento em série ou motores de acionamento de corrente alternada polifásicos. A escolha depende de diversos fatores, mas avanços técnicos e as vantagens da eletrônica moderna de controle de motores têm levado a maioria dos novos projetos a utilizar motores de acionamento AC polifásicos.

Com poucas exceções, o motor de tração é montado diretamente no eixo do conjunto da roda que ele aciona, funcionando como um sistema de acionamento direto com pouca ou nenhuma utilização de engrenagens, ou outros mecanismos intermediários. Isso minimiza o tamanho e o peso, reduz a quantidade de peças e, consequentemente, aumenta a confiabilidade.

O ambiente de operação dos motores de tração é desafiador. Na maioria das aplicações, esses motores enfrentam condições severas, como 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, cabos e conectores robustos e de grande capacidade.

Motores AC versus Motores DC

Nos primeiros dias dos sistemas de tração elétrica — nas primeiras décadas do século XX — os operadores experimentaram tanto motores DC quanto motores AC. Naquela época, a tecnologia (obviamente muito rudimentar pelos padrões atuais) favorecia os motores DC, pois forneciam o torque necessário para operação de bondes e trens e eram relativamente mais fáceis de controlar, mesmo que a implementação não fosse simples. O primeiro motor elétrico foi o motor DC com escovas, e versões grandes e pequenas dele ainda são usadas até hoje. As escovas — contatos pressionados por molas — fazem contato com uma extensão do rotor chamada comutador. À medida que os campos magnéticos do estator e do comutador interagem, o comutador gira, e as escovas invertem a direção da corrente, fazendo com que o campo também se inverta e continue a empurrar o rotor. A alta corrente gera campos magnéticos fortes e torque de partida elevado (força de giro), o que é ideal para colocar em movimento objetos pesados como trens. No entanto, controlar a velocidade e o torque ao longo de uma ampla faixa era difícil e feito manualmente, com a inserção ou remoção de resistores em série, ou paralelo, para ajustar a corrente aplicada em função da carga, velocidade e objetivo de torque.

Já entre as décadas de 1970 e 1980, a eletrônica de potência havia avançado o suficiente para que os motores AC trifásicos se tornassem uma alternativa mais eficiente aos motores DC, por diversos motivos:

• Eles são mais simples de construir, não requerem contatos mecânicos (como escovas) que se desgastam ou falham e são mais leves que os motores DC para uma mesma potência;
• A eletrônica moderna permite controlar motores AC de forma eficaz, melhorando o desempenho e a eficiência;
• Podem ser controlados por processadores com algoritmos sofisticados, o que aprimora o desempenho, controla a aderência e o deslizamento e oferece diversas vantagens operacionais;
• São mais robustos e fáceis de manter do que os motores DC.

De modo geral, a maioria dos sistemas modernos não utiliza motores de tração DC com escovas devido a questões de controle e manutenção, além do alto desempenho que hoje pode ser alcançado com motores acionados por corrente alternada.

Existem dois tipos de motores de corrente alternada (AC): síncronos e assíncronos (ou de indução). O motor síncrono é “forçado” a girar pela corrente alternada aplicada aos seus enrolamentos. O motor AC não possui escovas, pois não há conexão elétrica entre o armador (rotor) e os campos magnéticos (estator); o rotor pode ser feito de lâminas de aço, em vez do grande número de enrolamentos exigidos por outros tipos de motor. Essas características tornam a construção do motor AC mais robusta e econômica que a de um motor com comutador baseado em corrente contínua (DC).

A eletrônica moderna — especialmente os transistores bipolares de porta isolada (IGBTs), usados em aplicações de alta potência — tornou viável o uso de motores AC assíncronos para tração. A velocidade de um motor AC trifásico é determinada pela frequência de sua alimentação, mas a potência precisa ser ajustada para atender às exigências de carga e torque. Um motor de tração trifásico é controlado por meio do fornecimento de três correntes alternadas, que fazem o rotor girar. Essas três fases são geralmente geradas por um inversor que fornece entradas de tensão e frequência variáveis (VVVF), com controle eletrônico otimizado da tensão e da frequência.

Motores de tração podem operar com alimentação primária de alta tensão, tanto em AC quanto em DC. Naturalmente, essa tensão de linha precisa ser reduzida e reconvertida para os níveis adequados de tensão/frequência exigidos pelo motor de tração, independentemente do seu tipo.

Por muitos anos, a corrente alternada (AC) foi a forma preferida como fonte principal de fornecimento de energia, não por causa do tipo de motor utilizado, mas porque era muito mais simples aumentar ou diminuir sua tensão a partir da fonte geradora (como uma usina) até os níveis adequados para transmissão. No entanto, com o avanço de dispositivos semicondutores de alto desempenho, como os IGBTs e tiristores, tornou-se viável realizar esse mesmo processo com corrente contínua (DC), por meio de inversores e sistemas de conversão — e, inclusive, o uso de DC apresenta algumas vantagens para transmissão em longas distâncias.

Em automóveis, os motores de tração utilizam energia DC como fonte primária. Essa energia, novamente, precisa ser invertida, elevada ou reduzida e transformada em AC para alimentar os motores. Os veículos elétricos (EVs), em suas diversas formas, representam um enorme mercado para motores de tração. Cada fabricante de EV adota um arranjo específico de motores com base em fatores técnicos, de mercado e de custo. Por exemplo, a Tesla utiliza uma combinação de tipos de motores e níveis de potência no Model Y.^[2]

As fontes de energia e os controladores para motores de tração podem ser unidades padrão, disponíveis no mercado, ou projetos personalizados. No caso de automóveis, esses sistemas são geralmente personalizados para atender aos requisitos específicos de desempenho, já que os volumes de produção são suficientemente altos para justificar o investimento em engenharia e obter desempenho ideal em múltiplos aspectos (como tamanho, peso, potência, formato, empacotamento e conectores).

Conclusão

Os motores de tração são uma classe importante de motores elétricos. Entre suas características, destaca-se a otimização para fornecer alto torque na partida e em baixas velocidades, além da possibilidade de serem implementados com diferentes arquiteturas básicas de motor. Eles são usados em veículos móveis de pequeno porte, como empilhadeiras, em aplicações de médio porte, como veículos elétricos (EVs), e em sistemas de grande porte, como locomotivas totalmente elétricas ou diesel-elétricas.

Com o avanço dos veículos elétricos de consumo — tanto os totalmente a bateria quanto os híbridos —, esses motores vêm passando por melhorias significativas em desempenho e formato. A eletrônica moderna tornou os antigos motores DC com escovas menos atraentes, sendo muitas vezes substituídos por diferentes tipos de motores baseados em corrente alternada (AC), que utilizam IGBTs e MOSFETs para comutação de potência sob controle de processadores.

Fontes

Artigo escrito por Bill Schweber e publicado no blog da Mouser Electronics: Optimized Traction Motors | Bench Talk

Traduzido pela Equipe Embarcados. Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados