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quarta-feira, 11 de julho de 2012

Os Inversores de Frequência dos Veículos Elétricos

Os motores empregados nos Veículos Elétricos (VEs) são, e continuarão sendo por um longo tempo, motores de Corrente Alternada (CA). O motivo é muito simples: a máquina elétrica CA é muito mais simples, robusta e barata do que a máquina elétrica CC (Corrente Contínua).

Até uns 20 - 25 anos atrás, o que era muito caro e complicado, era a eletrônica de acionamento e de controle da máquina C.A. e, ainda assim, alcançava apenas um desempenho de baixa performance. Por isso, durante um longo tempo, as máquinas elétricas de CC predominaram nas aplicações que exigiam controle, não apenas na história dos VEs, como também na história de máquinas industriais.

Os parâmetros de acionamento de uma máquina elétrica (motor) que podem ser controlados, vão desde, simplesmente, a sua velocidade, passando pelo controle mais apurado do torque ou mesmo para um controle rigoroso do posicionamento. Cada máquina motorizada, desenvolvida para cada necessidade de automação, tem as suas particularidades quanto a isso.

Electric Motor and Inverter for Small Electric Vehicle (Hitach)
Num VE, a necessidade de controle envolve a velocidade e também o torque, mas um controle de posicionamento não chega a ser necessário. Além do mais, um VE envolve um único eixo a ser acionado e controlado, o eixo das rodas que são tracionadas. Ao conjunto de eletrônica de controle e de potência, que faz girar, sob condições controladas, um motor CA, dá-se o nome de Inversor de Frequência ou Conversor de Frequência. Por força cultural da língua inglesa no mundo tecnológico, chamam-no, simplesmente, "Inverter".


Ter apenas um eixo acionado/controlado e não carecer de controle de posição (apenas velocidade e torque), torna um VE, enquanto máquina, algo relativamente bastante simples, bem mais simples, por exemplo, do que uma ponte rolante industrial, que envolve sempre, no mínimo três eixos (as vezes, até mesmo quatro eixos).

Uma ponte rolante precisa elevar e descer uma carga, mas também precisa movê-la para esquerda e para a direita e, precisa ainda, movê-la em para frente ou para o fundo, tudo dentro de uma área restrita de movimentação. Estes movimentos envolvem controlar velocidade, torque e envolvem ainda, quase sempre, posicionamento.

Isso é, sem dúvida alguma, algo muito mais complexo do que aquilo que apresenta ao acionamento e controle de um VE, que aciona e controla apenas um único eixo.

Vale ressaltar agora, que aquilo que me possibilita afirmar que num VEs acionamos e controlamos apenas um único eixo, ocorre pelo fato de que, um dos dispositivos mecânicos mais tradicionais dos automóveis está sendo preservado no seu emprego, que é o velho, bem sucedido e conhecido "Diferencial".

Se não fosse pelo estado da arte em que por muitos séculos já se encontra essa engenhoca mecânica, confesso que teríamos um sério problema e, muito provavelmente teríamos que recorrer ao emprego de dois, e não apenas um, Inversor de Frequência, complicadamente sincronizados entre si, e nos VEs atuais o custo, então, seria outro.

Existem muitas reivindicações para a invenção da engrenagem diferencial e, é bem provável que esse mecanismo já fosse conhecido, pelo menos em alguns locais e civilizações, em tempos bastante remotos da antiguidade. Um dos marcos históricos do diferencial incluem o Livro da (dinastia Liu) Song (texto histórico escrito entre 502 e 557 dC) que faz alusão que um certo tipo de carroça chinesa, em época ainda anterior a tal escritura, durante a Dinastia Zhou do Oeste da China, já empregava o Diferencial.

Seja como for, é muito antigo, esse dispositivo mecânico que tem a função de dividir o torque disponível entre dois semi-eixos, possibilitando a eles velocidades de rotações distintas. O diferencial possibilita torque igual para os semi-eixos, independentemente das suas velocidades de rotação.

Um diferencial transfere, mediante engrenagens cônicas, as rotações pelo Eixo Cardan para ambos os semi-eixos. Em geral, o diferencial é aplicado nos veículos terrestres tracionados por motores de qualquer natureza. O torque é produzido pelo motor e chega ao diferencial através do Eixo Cardan (eixo do pinhão), e assim é dividido entre as duas rodas de tração. 

Uma das principais atuações do diferencial é no momento da curva, onde uma roda precisa girar mais do que a outra. O diferencial mantém o torque igual entre elas.

O diferencial tem um efeito que pode ser considerado como indesejado quando uma das rodas motoras perde aderência devido a piso escorregadio ou muito irregular. Nessas circunstâncias, o diferencial faz com que a roda com menor aderência gire rapidamente, desperdiçando toda potência mecânica produzida pelo motor. Este efeito pode ser eliminado com diferenciais auto-bloqueantes ou com diferenciais com bloqueio manual ou elétrico.

Alguns veículos de tração 4X4 apresentam três diferenciais. Um diferencial em cada par de semi-eixos (um para o par traseiro e um outro para o par dianteiro) e um diferencial central destinado a dividir o torque entre traseiro e dianteiro. Eu creio que o Diferencial é um mecanismo que sobreviverá ao advento dos VEs. Ele até pode ser substituído por mecatrônica, mas não compensa em termos de custos das peças e da complexidade e eventual necessidade de manutenção daquilo que seria necessário para substituí-lo. Então, viva o diferencial! Pois ele atende perfeitamente às necessidades desta aplicação. 

Um VE é um equipamento mecatrônico, ou seja, continua sendo uma máquina mecânica, onde, sabiamente, a eletroeletrônica foi empregada a fim de maximizar a simplificação. Um VE não vem apenas ajudar a  enfrentar o importante problema ecológico com respeito aos processos de transformação e de consumo de energia.; Um VE é um automóvel enxuto, simplificado, muitíssimo mais fácil de projetar e de produzir. O grande obstáculo a ele se tornar imponente, vinha sendo a obtenção de uma boa bateria, pois então, agora chegamos lá. Daqui em diante o desafio dramático será produzi-la em volume de escala grande o bastante satisfatória. Com Deus venceremos isso também e eu ainda terei o meu VE.

Os Inversores de Frequência empregados nos VEs, não são em quase nada diferentes daqueles que empregamos nas máquinas industriais. Uma pequena diferença é que, para montar uma máquina industrial, eu disponho de um amplo leque de produtos (Inversores de Frequência), pré-fabricados e quase padronizados, que eu posso escolher. Neste caso, então, os Inversores de Frequência são referidos como sendo produzidos para Propósitos Gerais.

Por serem de propósito geral, existem nestes inversores, recursos, como os de quantidade e de tipo de entradas e saídas para sinais elétricos, que eventualmente participam da execução do comando e do controle do Acionamento (chamamos de "Acionamento" a função que o Inversor de Frequência exerce sobre o Motor, colocando-o para girar, que envolve partir, acelerar, estabilizar, desacelerar, parar).

Ocorre que, num dado projeto especifico de máquina, nem sempre tais recursos acabam sendo todos usados, por não serem necessários Existem até mesmo recursos para comunicação de dados em redes diversas e recursos para expansão de recursos, nestes inversores de propósito geral, prevendo uma vasta gama de necessidades de aplicação.

Por um lado, os fabricantes procuram enxugar ao máximo o produto, a fim de cortar custos, mas por outro, existe a necessidade de se manter o propósito geral, o que exige a oferta de vastos recursos e, no meio de tudo, a concorrência entre os diversos fabricantes. Como consequência, os produtos acabam tendendo a convergir para uma padronização, mesmo quando, na verdade, ela não é desejada pois, cada concorrente quer fazer a diferença.

Já, quanto aos VEs, tudo parece se encaminha para que cada grande indústria automotiva fabrique o seu próprio Inversor de Frequência, assim com também, a sua própria bateria, ou mesmo o seu próprio motor, que são peças chave do produto. Deste modo, os Inversores de Frequência dos VEs, de modo algum, são de propósito geral, mas são desenvolvidos para serem produtos "dedicados", isto é, para uso exclusivo numa dada marca e modelo de carro. em muitos casos.


Há não muitos anos atrás, com o advento dos servo acionamentos em CA nas aplicações industriais, houve também essa mesma tendência, que visava, por princípio, buscar melhorar sobremaneira, a resposta de performance dinâmica, mas que resultava, de fato, num "casamento"  entre uma máquina elétrica e o seu acionamento. Naquela ocasião, inclusive, os próprios motores passaram a ter características bastante especiais, mas que, todavia, os encareciam bastante.

Mas aconteceu que, aos poucos, tanto as máquinas quanto, e principalmente, os acionamentos de propósito geral evoluíram e melhoraram a sua performance, garantindo o seu espaço de emprego, até mesmo em aplicações de elevada precisão em posicionamento.

O VE puro mais vendido no mundo, atualmente, é o Nissan LEAF e os engenheiros que o projetaram optaram por um motor CA Síncrono de Imãs Permanentes no Rotor (PMAC). Este não é o motor CA mais simples e eu creio que isso poderá vir a ser revisto futuramente pois, não há nada que efetivamente impeça a aplicação do motor CA assíncronos, com rotor do tipo "gaiola de esquilo" - o motor CA mais simples que existe - nos VEs, de um modo eficiente e competitivo.

O motor síncrono de imãs permanentes internos (PMAC) têm peças de magnetos permanentes incorporadas ao rotor,  que é de aço sólido, para criar um campo magnético constante. Essa característica construtiva torna este motor comparativamente mais caro. Na velocidade síncrona, os pólos formados  pelos imãs do rotor se intertravam, com o campo magnético girante do estator, resultando numa velocidade síncrona, ou seja, uma velocidade precisa, não havendo escorregamento, como há no motor de indução (motor assíncrono).

Motores CA de imãs permanentes são, de maneira geral, algo mais eficiente do que motores de indução. Isto é devido a uma combinação das perdas que ocorrem do rotor (perdas por correntes de Foucault (1)) e da "penalização de excitação", ou seja, da corrente extra  que é necessárias para para produzir fluxo de magnetização, em um motor de indução de gaiola. Mas esta generalização é fortemente dependente do tamanho do motor.

À medida que se aumenta de porte da máquina, a corrente necessária para produzir uma certa densidade de fluxo aumenta linearmente, mas com isso, a secção transversal do fio condutor de cobre a ser usado no enrolamento do estator aumenta ao quadrado. Isto significa que em motores de indução de maior porte (tais como os necessários nos VEs) pode ocasionar na adição de uma grande quantidade de cobre a mais por causa da secção transversal, resultando num motor comparativamente maior, porém com mais eficaz para remover qualquer calor a partir do estator. Claro que isto aumenta o custo do estator em comparação com o fio mais fino que se pode usar num motor PMCA. Mas ainda assim, existe o custo do rotor de uma máquina de ímã permanente grande.

Então, é tudo muito questionável e, para motores de 100 - 120 CV, tanto o PMCA quanto o motor de indução, podem, ambos, ser igualmente competitivos. Prova prática disso, é que o VE puro esportivo Tesla Roadster, funciona muito bem, com um motor a indução.

De qualquer modo, o fato de os fabricantes de VEs fazerem os seus Inversores e Motores para serem dedicados, tende a garantir que estes venham a ser produtos, por um lado mais enxutos, que não contém uma única peça ou material a mais sequer, que não seja estritamente necessária ao funcionamento do sistema e, por outro lado, que tenham também a sua performance dinâmica maximizada para as necessidades específicas exatas da aplicação. Isso é ótimo.

É óbvio que, com o correr dos anos, tenderão a surgir "fornecedores alternativos" para tais peças dedicadas mas, acredite, deve haver pouca concorrência com o fabricante original pois, haverá uma baixa demanda de peças eletroeletrônicas por motivo de manutenção e, o fato delas serem dedicadas reforçará ainda mais isso: elas, não se desgastam e muito, muito dificilmente mesmo, se queimarão. Nas raríssimas ocorrência de queima, ainda assim, deverão poder ser desmontadas e consertadas, caso contrário, poderão perder a preferência do público.

Uma coisa que muitos leigos precisam entender e que, mesmo sendo fato o alto rendimento (ou baixa perda)  de energia no processo que ocorre em um VE, continua não havendo com o fazer mágica, ou seja, a capacidade de se movimentar uma determinada massa, ao longo de uma certa distância dentro de um dado intervalo de tempo, continua requerendo que a mesma quantidade total de energia de energia aplicada ao eixo de tração.

O que ocorre é que, para sair da bateria e chegar até a roda, a parte da energia desperdiçada no processo é bem menor do que aquela que ocorre, relativamente, no carro de motor a explosão. Nos pontos em  que a energia se perde, ela inevitavelmente se converte em calor. O carro elétrico puro é um carro frio (baixa perda de energia no processo de conversão é igual baixo aquecimento) e, além de frio é silencioso (som também é energia saindo pelo ladrão).

A caixa de câmbio, com seus agregados de transmissão como disco de frisão, platô rolamento, desaparecem, todos formando um processo de baixa eficiência energética, desaparecem nos VEs. Eles não necessários pois a característica torque versus velocidade fica agora totalmente a cargo do controle que o Inversor de Frequência exerce sobre o motor, obviamente que seguindo as ordens do motorista do carro.

Na segunda metade dos anos 90, a engenharia humana fracassou em tentar emplacar os VEs. Nada estava, ainda, devidamente preparado. E o VE era o Grade Demônio Verde para as grandes companhias petrolíferas, além de não ter tanque de combustível, ainda não usava óleo de motor nem de câmbio. Foi muita ousadia (e ingenuidade) acreditar que tudo correria em paz naquele primeiro embate.

Mas agora o carro elétricos voltou com tudo, ainda mais limpo, eficiente. Apesar de simples e silencioso, em nada mais ingênuo. A era do motor a combustão interna acaba aqui, mas a humanidade não deve se esquecer de lhe ser eternamente grata pelos seus valorosos serviços prestados, durante todo esse tempo.

O único dispositivo mecânico que ainda precisamos manter, entre a ponta do eixo do motor elétrico e o diferencial, e um caixa redutora de relação única, pelo meio da qual potência de tração é transferida para diferencial e do diferencial para as rodas. No Nissan Leaf, por exemplo, essa engrenagem de redução única é de x7,94. Vale lembrar que na mesma proporção em que a velocidade é reduzida na saída da caixa de redução, o torque é aumentado, de modo que a potencia é conservada.

Deste modo, por exemplo, um motor CA síncrono 80 kW (aprox. 109 hp métricos ou aprox. 109 CV) pode operar numa gama de variação de rotação de 0 a 9.000 rpm, enquanto que a velocidade de movimento do carro vai variar de 0 a 90 mph (0 a 145 km/h). É exatamente assim que ocorre com o Nissan LEAF, cuja relação Velocidade x Torque pode ser observada nos gráficos de eficiência e performance dinâmica mostrado a seguir:



Podemos constatar que a curva de Velocidade x Torque do motor tem um pico de potência, muito próximo de 2730 rpm (equivalendo aproximadamente a 27,3 mph ou 44 km/h) de modo que, acelerando desde 0 a 27,3 mph o torque é constante e a potência varia, crescendo junto com a velocidade e, deste ponto em diante em diante, o motor gira com prejuízo de torque a medida que a velocidade aumenta, de 2.730 rpm até atingir 9.000 rpm (90 mph) final, mantendo, nesta faixa, a potência constante:

Assim sendo, o torque máximo já é disponível desde a velocidade zero, coisa complicada de se obter no sistema convencional com motor a explosão. O sistema de motorização atinge uma elevada eficiência, de cerca de 95%, numa ampla faixa de funcionamento. Mesmo na média ponderada dos pontos de operação utilizados com mais frequência pelo veículo, a motorização elétrica ainda proporciona uma alta eficiência de mais de 90%.

A figura anterior mostra também a performance dinâmica, com a relação entre as características do motor elétrico e do desempenho do veículo necessário em termos de força de acionamento e a velocidade do veículo. Com o motor elétrico fornecendo um torque máximo de 280 N.m e uma potência máxima de 80 kW, o Nissan LEAF oferece desempenho suficiente e prático comparável aos veículos com motor a gasolina, incluindo uma velocidade máxima condizente, de 150 km/h.

Ao contrário de um motor de combustão interna convencional, como o motor de um VE é puramente elétrico e operado por um Inversor de Frequência, o qual possibilita oferecer um torque máximo desde velocidade zero, isso resulta aceleração suave e consistente, eliminado trancos e solavancos que normalmente ocorrem no sistema de fricção e ainda evita a manutenção periódica por queima da mesma.

Os motores PMAC exigem uma unidade de acionamento projetada especificamente para motores de imã permanente, devido ao fato de que esses precisam de uma forma de onda de saída bem mais próxima da senoidal (mas não necessariamente senoidal pura) do que aquela que se poderia ter com o emprego de motores de indução comuns. Isso acaba por resultar na produção de uma variação de torque mais suave e a técnica de comutação de corrente utilizada para controlar o torque do motor requer que cada comutação de fase deva se sobrepor, fazendo ligar, seletivamente, mais de um par de dispositivos chaveadores de potência de cada vez, o que caracteriza um Inversor Multinível.

A operação em tensão acima dos limites clássicos dos semicondutores, menores tensões de modo comum, formas de saídas próximas de senoidais, combinando com pequena dv / dt , são algumas das características que fizeram deste tipo de conversor (Inversor Multinível) popular para a indústria e para a pesquisa, especialmente para aplicações de média tensão.

Existem várias topologias disponíveis, sendo o Ponto Neutro Grampeado, o Flying Capacitor e a Ponte-H em Cascata as topologias mais estudadas e usadas. Nos últimos anos, muitas variações e combinações destas topologias têm sido propostas e relatadas. Uma delas é a ponte-H em cascata alimentada por fontes CC assimétricas (fontes de CC de tensões desiguais), conhecidos como conversor multinível assimétrico. A principal característica desta topologia é a redução, ou mesmo a eliminação dos níveis de saída redundantes, para maximizar a qualidade de potência de saída do inversor usando menos semicondutores.

O funcionamento das malhas de controle em si, os dados e os cálculos de estimação realizados pelo controle são todos semelhante ao que ocorre nas unidades de acionamento de fluxo vetoriais comuns, empregadas para motores de indução, todavia, eles podem operar com alguma melhor performance e precisão de velocidade, em malha aberta, controlando a velocidade e o torque, para aplicações do porte e do desempenho, necessário aos VEs, do que aquela que se obteria com um motor de indução.



Tradicionalmente o controle vetorial utiliza a estratégia de matrizes de transformação do sistema de 3 eixos para um sistema de 2 eixos (transformadas de Clark e Park). A estrutura de regulação (cadeia fechada) recebe assim duas constantes como referência: a componente do conjugado (sobre o eixo q) e a componente do fluxo (sobre o eixo d). 



Para saber mais sobre Inversores de Frequência Vetoriais, me visite no Ebah e baixe os arquivos de estudo pertinentes:
http://www.ebah.com.br/user/AAAAAJGx8AF/andre-luis-lenz

NOTAS:

(1) - As correntes de Foucault originam-se em massas metálicas. Sendo estas condutoras, a sua resistência elétrica é muito baixa. Por isso, as correntes que se formam são muito elevadas. São correntes circulares e, dada a natureza do meio em que se formam, são correntes de curto-circuito, pois a resistência é próxima de zero. Estas correntes originam-se, por exemplo, em núcleos ferromagnéticos, como nos transformadores, ou no rotor, como no caso do motor de indução ocasionando perdas de energia. É possível diminuir estas perdas aumentando a resistência dos núcleos ferromagnéticos. Uma das medidas é usar aço silicioso (aço com uma pequena mistura de silício), em que uma pequena quantidade de silício produz um aumento da resistência elétrica ou usar chapas de cristais orientados. Outra medida é, em vez de usar núcleos maciços, construí-los com chapas finas sobrepostas.

Veja também:


Sistema de Transmissão de um Veículo Elétrico (Nissan LEAF Powertrain)





Sistema de Frenagem Regenerativa em Veículos Elétricos


7 comentários:

  1. Caro André Luis "lei de" Lenz :-)
    Gostei muito deste seu artigo, eu tinha muita curiosidade de saber mais detalhes sobre os propulsores dos VEs, e foi aqui que encontrei.
    Parabéns e um abraço!
    Marcos Capelli

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    1. Obrigado, Marcos Capelli! Eu fico deveras feliz em poder constatar, por meio do seu retorno, que o meu hobby está se tornando algo útil!

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  2. Viva,

    Tenho especial interesse em informação sobre o Nissan Leaf e os seus componentes,
    Poderia indicar a fonte da figura:

    http://3.bp.blogspot.com/-uWqLO9ErVpg/T_Su88d4wkI/AAAAAAAABRM/D70wl3R6rrM/s1600/Performance+din%C3%A2mica.png

    Parabéns pelo artigo.

    Cumprimentos.

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    1. Silva, saudações!

      Posso sim, Silva, alias, isso me faz lembrar dessa minha "grande falta": eu raramente menciono referências bibliográficas em minhas postagens neste blog.

      A figura em questão foi adaptada a partir de uma figura que aparece no seguinte trabalho:

      Shinsuke Nakazawa, “The Nissan LEAF electric powertrain”. Apresentado no Internationales Wiener Motorensymposium 2011, como trabalho de número 32.

      O autor do trabalho, Dr. Shinsuke Nakazawa, era um antigo engenheiro da Nissan Motor Co., Ltd. e participou da criação de muitos inventos / patentes como você pode verificar em:
      http://pminer.org/inventor.do?m=viewInventor&name=Shinsuke%20Nakazawa

      Todavia, algumas fontes dão conta de que o mesmo é falecido, desde 20/07/2011:
      http://www.riemannfamily.com/obituaries/Shinsuke-Nakazawa/


      No entanto, você ainda pode aceder a uma cópia do referido trabalho em:
      http://wenku.baidu.com/view/8b44dd7f27284b73f2425075.html

      Caso você consiga realizar a proeza de fazer o download desse material, eu peço, por gentileza me envie uma cópia pois, eu mesmo nunca consegui. Entretanto, para mim, apenas a visualização é possível.

      Abraços!

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    2. Inclusive, uma das últimas patentes registradas no nome de Shinsuke Nakazawa (juntamente com Utaka Kamishima) é "Battery remaining capacity detecting apparatus and battery remaining capacity detecting method" (7688032), que eu tenho tomado por foco de uma interessante pesquisa.

      Ao que que tudo indica isso funciona com uma precisão magistral no Nissan Leaf e, por tudo que tenho ouvido falar, me parece que tem sido o "calcanhar de aquiles" dos VEs muito mais caros e potentes da Tesla Motors Co.

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  3. Boa noite Sr. André Luiz Lenz,
    Parabéns pela forma e consistência de seu trabalho acima. Ele vem de uma forma muito elucidativa e técnica, como abordou o assunto, pelo qual tenho muito interesse. Venho pesquisando e exercitando as teorias e tecnologias aplicáveis e aplicadas aos VEs. Desta forma, vem confirmar como as tecnologias usadas pela grande maioria dos proponentes dos VEs, estão inadequadas, se comparando com os recursos que o mercado especializado tem nos disponibilizado. Minha tese vem compartilhar exatamente com suas colocações, E que agora temos realmente tecnologias que nos dão muito mais vantagens técnicas indispensáveis às específicas aos VEs. Temos ainda que resolver/encontrar soluções para, por exemplo, acumuladores mais leves, de alto desempenho e menor custo. Já temos os de lition. Mas que agora podemos realmente desenvolver e aplicar estas soluções com muito mais propriedade e vantagens competitivas, absolutamente indispensáveis ao VEs.
    Muito obrigado.
    Meu nome é Nilson Sulzbach Peres. Uberaba , MG aunilson@yahoo.com.br

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    1. Muito obrigado pelas suas considerações, Sr. Nilson Sulzbach Peres.

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