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sexta-feira, 15 de março de 2013

O Básico Sobre o Sistema de Tração de Veículos Elétricos


Inversores, Conversores e ainda os Retificadores são, todos, classificados genericamente como Conversores Estáticos, que são circuitos de Eletrônica de Potência que controlam o fluxo de energia elétrica entre uma fonte e um consumidor, operando na mudança do valor da tensão elétrica (medida em Volts, unidade representada pela letra V) e / ou da forma de onda atual da fonte de energia por meio de uma sequência de comutações aplicadas a Componentes de Eletrônica de Potência  denominados Interruptores Estáticos(1).

Os Inversores e os Conversores são ambos dispositivos (Módulos de Circuito Eletroeletrônicos) distintos e independentes, mas que são adequadamente combinados por meio de interligação de cabos elétricos, a fim operarem no gerenciamento da energia, tanto para a finalidade de realizar a tração das rodas, quanto para realizar a recarga da bateria de Veículos Híbridos e Veículos Elétricos (VEs).

Ambos dispositivos são baseados numa arquitetura definida em dois blocos:
  1. Bloco do Circuito Principal (eletrônica de potência);
  2. Bloco do Circuito de Controle (microeletrônica).


Os Circuito Principais deles são dotados de certos arranjos específicos, tendo em comum o emprego de Componentes de Eletrônica de Potência (Interruptores Estáticos), podendo, assim, transportar correntes elétricas de valores relativamente elevados. No âmbito de um sistema de transmissão elétrico de um VE (Veículo Elétrico), os Inversores e os Conversores, como veremos, podem trabalhar individualmente ou em conjunto.

O Inversor:


A princípio, um Inversor é um dispositivo que converte energia elétrica proveniente de uma fonte de CC (Corrente Contínua) para CA (Corrente Alternada), que pode ser usada para acionar um dispositivo de CA como, por exemplo, um Motor Elétrico.

Ao contrário da energia elétrica CC, que se caracteriza por ter uma polaridade definida e, muitas vezes, até mesmo de valor constante, a CA se caracteriza por alternar sucessivamente de polaridade no longo do tempo.

A quantidade de vezes que se alterna a polaridade da energia elétrica CA em uma unidade de tempo é denominada de frequência. Por exemplo, a rede elétrica acessível por meio de uma tomada em uma residência é uma CA que alterna de polaridade 60 vezes por segundo, ou sejam, com frequência fixa de 60 Hertz (Hz).

Deste modo, um motor elétrico alimentado por esse tipo de energia elétrica CA de frequência fixa terá velocidade também fixa. Já, o Inversor de um VE entregará ao motor (de alto rendimento e alto desempenho), uma CA de frequência variável em função do acionamento do pedal de aceleração do VE, de modo que ele possa variar de velocidade.

Assim, por entregar a correta dosagem de energia, a uma determinada frequência, o Inversor controla tanto o Torque e quanto a Velocidade do motor elétrico e, por conseguinte, determina o comportamento de condução.

Todavia existe, ainda, uma outra diferença entre a energia elétrica disponível na instalação elétrica de uma residência e a energia elétrica entregue pelo Inversor de um VE: nas residências a CA é do tipo monofásica ou bifásica (em ambos os casos, emprega apenas dois fios para ligação), ao passo que na saída de um Inversor temos CA do tipo trifásica (empregando, no mínimo, três fios para ligação).

Independentemente de se o motor empregado no VE é do tipo CA assíncrono, ou CA síncrono ou mesmo CC sem escovas, o inversor sempre funcionará de uma forma bastante semelhante: recebendo em sua entrada a alimentação CC a partir de uma bateria e entregando CA Trifásica ao motor.

Todavia, não apenas o Inversor aciona o motor elétrico mas, quando um VE está freando, o seu motor não deve mais estar tracionando as rodas, assim, o Inversor deixa de entregar energia, deixando de acionar o motor.



Neste momento ocorre que, a energia proveniente do movimento inercial que está sobre as rodas, força o motor a girar junto com elas, fazendo com que o motor se comporte como um Gerador de Energia Elétrica.

É por esse motivo que, tecnicamente, o termo "Motor" não é o mais adequado para se empregar quando se refere ao equipamento, sim, "Máquina Elétrica", de modo que, a Máquina Elétrica se comporta como um "Motor", quando estivermos operando o VE no modo "tração" e, a mesma Máquina Elétrica se comporta como um "Gerador", quando estivermos comandando o VE para a frenagem.

Quando estamos acionando o pedal de freio de um VE, com a Máquina Elétrica se comportando como um Gerador, é por meio do Inversor, também, que se pode captar a energia gerada, que é liberada pela máquina elétrica. Assim, o Inversor é, de fato, um dispositivo bidirecional. A esse processo chamamos de Frenagem Regenerativa.

Na operação de frenagem, a energia vinda das rodas, forçando a máquina elétrica girar e gerar energia, que é captada pelo Inversor, é reconduzida de volta para a bateria, o que resulta em acrescentar à bateria alguma carga elétrica extra. A isso chamamos realimentação.

É verdade que um VE tem, também, freios hidráulicos que atuam nas rodas, em geral freios a disco com sistema ABS mas, é também a realimentação da energia da frenagem regenerativa que ajuda o VE a parar e, é por isso que, em geral, ele executa um transiente de parada de um modo até mais consistente do que os veículos convencionais, ao mesmo tempo em que está provendo reconversão com reaproveitamento da energia cinética para elétrica.

Como resultado, a autonomia de um VE está diretamente relacionada, também, com a boa eficiência do seu inversor principal, tanto quando o VE opera no modo tração, quanto quando ele opera no modo de frenagem regenerativa.

Apesar de todas as partes do Inversor estarem encapsuladas em um mesmo invólucro metálico que protege e refrigera os seus circuitos eletrônicos, o Inversor se divide basicamente em dois blocos:
  • Bloco Principal (de eletrônica de potência), que contém um arranjo com Elementos Chaveadores (Interruptores Estáticos), que são os responsáveis por executar a conversão de CC em CA (no modo tração) e CA em CA (no modo frenagem) e transportando correntes elétricas de valores elevadas, da ordem de até 200 a 300 Amperes (A), ou ainda mais nos VEs de maior potência;
  • Bloco do controlador (de microeletrônica), que é montado em uma placa circuito impresso integrada, dotada de um Microcontrolador dedicado (em geral de 16 ou 32 bits), que é quem comanda, por impulsos elétricos, a sequência de chaveamentos dos Interruptores Estáticos da eletrônica de potência, de um modo que é concebido para minimizar as perdas de comutação e maximizar a eficiência térmica.
Por causa da operação dos Elementos de Chaveamento da Eletrônica de Potência (Bloco Principal) é que o invólucro metálico do Inversor de um VE precisa ser refrigerado a água. Mesmo dissipando uma potência menor possível nos Interruptores Estáticos, algumas perdas de energia ainda existem e considerando a corrente elevada que é transportada por eles, as perdas são convertidas em considerável calor sobre eles, que precisa ser arrefecido, caso contrário causaria sobreaquecimento e danificaria tais componentes.

Inversor da Bosh para Veículos Elétricos Híbridos

As tarefas pertinentes ao controlador do Inversores incluem ainda funções de proteção:
  • Ele protege o próprio Inversor contra sobretensão, contra sobrecorrente e contra sobre-aquecimento;
  • Protege o motor contra  sobrecarga e sobreaquecimento;
  • Protege ainda a bateria de sobrecarga de tração, durante a aceleração, e de sobretensão durante a regeneração.
Além de sinalizar falhas, armazenar parâmetros variáveis ​​em sua memória não-volátil, permite fazer diagramas de tempo de sinais internos e várias outras funções úteis de menor relevância.

As montadoras de VEs Elétricos Puros parecem não estar interessadas em vender os seus Inversores Principais, separadamente, a parte do VE. No entanto, Inversores menores, para ser usados em sistemas extensores de autonomia em Veículos Híbridos, ou mesmo como Inversores Principais para VEs puros de pequeno porte, já podem ser comprados diretamente de fabricantes de dispositivos de eletrônica de potência tradicionais, como a Bosh, a Hitachi e a Siemens.

O Conversor:


Mais propriamente chamado um Conversor de Tensão ou Conversor CC/CC, o dispositivo altera o nível da Tensão Elétrica de uma fonte de energia elétrica, seja por elevá-la, ou seja por reduzi-la, que é entregue em sua saída.

Os conversores CC/CC são aplicáveis onde a fonte de alimentação disponível é em CC, proveniente, por exemplo, de um Retificador(2) sem controle, dotado apenas de diodos, ou de um banco de baterias de tensão fixa e a carga a ser alimentada necessita de uma tensão CC regulada diferente daquela da fonte, ou mesmo de uma tensão CC que possa ter o seu valor médio variável.

Semelhantemente ao que ocorre no Bloco Principal (de Eletrônica e Potência) do Inversor, a maneira mais eficiente e simples de se manobrar e manipular valores elevados de potência em CC é, também, por meio do emprego de um arranjo de Interruptores Estáticos. Dizemos que os Elementos desses arranjos operam em Comutação (chaveamento).

A tensão CC fixa pode convertida em uma tensão CC variável ou regulada, através das técnicas de Modulação de Largura de Pulso (PWM), produzindo pulsos que irão comandar Elementos de Chaveamento. É amplamente compreendido que, tal método, provê perdas mínimas de energia no processo e conversão e isso ocorre por um principio bastante elementar:

Operando em comutação, as Chaves (Interruptores Estáticos), tais como idealmente consideradas, apresentam apenas dois estados estáveis:
  • Condução: a corrente elétrica que flui pela chave é grande, porém a tensão sobre ela é nula, implicando em potência dissipada na chave (perda) também nula;
  • Bloqueio: a tensão que se apresenta entre os terminais da chave é considerável, porém a corrente por ela é nula, implicando em potência dissipada na chave (perda) também nula.
Isso é uma consideração ideal mas, na prática do mundo físico real dos Interruptores Estáticos, nós não conseguimos atingir tal perfeição e alguma perda sempre existe.

Obviamente este tipo de regulação não é uma regulação contínua, mas sim pulsada (chaveada). No entanto, a frequência dos pulsos utilizados para a comutação das chaves é muito alta, o que resulta em Períodos de Comutação de tempos bastante curtos (pois, aumentando a quantidade de pulsos por unidade de tempo, diminui-se o tempo de duração de cada pulso).

Dada a característica de Armazenadores de Energia dos elementos que recebem a energia (elemento que é denominado Carga) vinda do Conversor de Tensão, presentes na maioria dos casos práticos, que são aplicações que alimentam cargas como os motores e as baterias, os quais apresentam Constantes de Tempo grandes, então a própria carga acaba atuando como um filtro, extraindo da tensão instantânea que lhes é aplicada, o seu valor médio, que é praticamente constante.

Tanto motores quanto baterias são ambos cargas armazenadoras de energia. Os motores armazenam energia no campo magnético que é produzido pelos seus enrolamentos (bobinas) e as baterias, por seu turno, armazenam energia em campo elétrico e, as Constantes de Tempo são inerentes aos processos de carga / descarga dessas energias nas cargas armazenadoras.

Existem alguns diferentes tipos de Conversores de Tensão, dentre eles três são mais comuns:
  • Conversor abaixador ou conversor buck (step-down), que diminui a tensão;
  • Conversor elevador ou conversor boost (step-up), que aumenta a tensão;
  • Conversor abaixador-elevador ou conversor buck-boost combinado;
A utilização mais comum de um Conversor de Tensão é o de tomar uma fonte de tensão relativamente baixa e elevar essa tensão para o trabalho pesado de cargas com um elevado consumo de energia, mas também podem ser bidirecionais, sendo utilizados no sentido inverso, para reduzir a tensão. Os Conversores CC/CC empregados nos VEs são do tipo Bidirecional.

Apesar de haverem esforços no sentido de tentar de uniformizar a Tensão Nominal das Bateria dos VEs, o fato é que elas são  tecnologia especifica, ou seja, valor da tensão nominal das baterias dos VEs varia de carro para carro e depende do arranjo de de ligação entre células de bateria em cada módulo e do arranjo de ligação entre os módulos e mesmo da tecnologia química especifica das células da bateria de íons de lítio que é empregada.

No entanto as experiências das empresas envolvidas na produção dos VEs têm revelado que o nível da tensão nominal adotado par a bateria afeta, também, na performance dos veículos, o que tende a levar, pouco  pouco, à baterias de valores de tensão nominal quase padronizados. Em geral, as células de íons de Lítio que compõem os módulos prismáticos das baterias apresentam tensão de 3,6 Volts a 3,8 Volts e, tentando generalizar, os pacotes de baterias dos VEs apresentam tensão nominal total de 340 Vcc a 400 Vcc.

Também generalizando, os motores CA empregados nos VE operam com tensões nominais maiores, algo na faixa de 400 V a 650 V. Por outro lado, para permitir que os VEs tenham suas baterias recarregadas a partir das instalações elétricas presentes nas residencias, é preciso considerar que nestas instalações os maiores níveis de tensão apresentados são de 220 / 240 V nominais, podendo ser ainda, tão somente de 110 / 127 Volts nominais.

Assim, é no ajuste e regulagem destes diferentes níveis de tensão, que os Conversores CC/CC bidirecionais precisam operar, lembrando, ainda que durante a operação, transitoriamente, as tensões das fontes envolvidas podem, ainda, oscilar de valor, afundando ou elevando o seu valor, por um certo intervalo de tempo, enquanto os Conversores operam, automática e rapidamente, no sentido de buscar mantê-las em valores estáveis.

A bidirecionalidade do Conversor em parceria com a bidirecionalidade do Inversor permite a frenagem regenerativa que realimenta corrente de volta para a bateria e, permite inclusive, também, outros atributos interessantes, que é a possibilidade de que a energia contida na bateria do VE (energia em CC) seja devolvida para a rede elétrica de uma residência (energia em CA). Em tese, essa energia reconvertida poderia até ser "vendida de volta" para o sistema elétrico público.

Outro aspecto interessante e muito benéfico, é sobre a operação de carregamento da bateria do VE:

Mesmo considerando o emprego de  carregamentos domésticos, tem-se como requerimentos básicos que os Equipamento de Carregamento de Veículo Elétrico, operando em conjunto com os Retificador / Conversor presentes nos Módulos de Carregadores Embarcado dos VEs, devam, sempre, minimizar o seu impacto sobre qualidade de energia, consumindo corrente com um alto Fator de Potência(3) para maximizar a aproveitamento da energia tomada do sistema elétrico.

Isso é atingido, tipicamente, por se empregar topologias de Correção de Fator de Potência Ativa, pelo emprego de Conversores CC-CC Boost (que aumenta a tensão entregue pelo retificador do carregador embarcado), enquanto a topologia de intercalamento (CA/CC + CC/CC) pode reduzir a ondulação e o tamanho dos indutores necessários.


Também, em um circuito retificador PWM, como os empregados nos carregadores embarcados dos VEs, os chaveadores de potência são comutados em frequências muito mais elevadas do que a frequência da rede de CA, permitindo a comutação instantânea e a correção do fator de potência. Estes retificador PWM, são conhecidos como "buck-boost" PWM.

Olhando para este aspecto, a operação do carregamento dos VEs se comporta muito bem, segundo todas as fontes que tenho consultado, como uma carga que garante um Fator de Potência ≥ 0,95, sem que haja preocupação com a inserção de componentes adicionais, que teriam a função exclusiva de prover compensações para o Fator de Potencia.

Assim, essa arquitetura permite fator de potência elevado, muito próximos daqueles obtidos quando se opera cargas puramente resistiva, lembrando que em circuitos resistivos puros, temos que a Potência Aparente é igual a Potência Ativa, ou seja, a corrente consumida pela carga destina-se exclusivamente a gerar trabalho útil.

Em todos os casos aplicação de Conversores e de Inversores, principalmente aqueles alocados entre a Bateria e a Máquina Elétrica Motora, a Ventilação ou a Refrigeração adequadas são fundamentais para manter os componentes operacionais, e, como tal, a instalação de inversor / conversor em  VEs têm o seu próprio sistema de arrefecimento dedicado (completo com bombas e radiadores), que são totalmente independentes do sistema de arrefecimento do Máquina Elétrica Motora.

Notas:


(1) Exemplos de Componentes de Eletrônica de Potência que denominados como Interruptores Estáticos são Chaves Semicondutoras, tais como o Transistor Bipolar, o MOSFET, os Tiristores SCR, GTO, ou semicondutores de potência de tecnologia híbrida, tais como o IGBT, o MCT e o IGCT;

(2) Um Retificador é também um conversor estático, porém, de arquitetura geralmente bem mais simples do que os Inversores e os Conversores de Tensão. Um Retificador tem a finalidade específica retificação, que é conversão energia elétrica CA em energia elétrica CC e, em aplicações gerais, eles não são dotados de bloco de controle e são apenas unidirecionais, com a energia podendo fluir apenas em uma direção, da fonte CA para o consumidor CC. Todavia, aquele Retificador que é empregado nos Carregadores Embarcados dos VEs em geral é combinado com elementos extra, que lhes dotam de modo de operação bidirecional. Neste caso, é mais conveniente o emprego de termo genérico Conversor ao invés do termo específico Retificador, para denominar este dispositivo;

(3) O parâmetro Fator de Potência (também conhecido como cos φ) indica e quantifica a existência de uma forma de perturbação no sistema elétrico e esta perturbação é caracterizada por defasagem entre as grandezas Tensão e Corrente, que são relativas a energia elétrica que é consumida. A defasagem é característica criada por cargas reativas (indutância e capacitância).

Defasagem entre Tensão e Corrente típica da alimentação CA de cargas reativas.
A defasagem é representada pela amplitude do ângulo de defasagem (φ) e expressa pelo valor do cosseno desse angulo (cos φ) e, do ponto de vista do sistema elétrico, havendo defasagem, quanto maior ela for (em angulo), pior será para suportá-la.

Então, quando um certo tipo de carga produz tais defasagens (Ex: um motor elétrico ligado diretamente a rede elétrica de energia CA, girando em vazio e uma carga altamente indutiva), busca-se por meio de compensações adequadas, reduzir ao mínimo o ângulo da defasagem entre a Tensão e a Corrente.

Quanto mais próximo de zero graus se aproximar o ângulo da defasagem, mais de valor unitário se aproximará o seu cosseno, que é o Fator de Potência (se o ângulo é zero, o fator de potência = 1, coisa que só é obtida quando se opera em CA uma carga, perfeitamente, puramente resistiva).

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