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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ

CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

PROGRAMA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

HERIVELTON TÁVORA DE QUEIROZ FILHO

DESCRIÇÃO DO SISTEMA DE TRAÇÃO ELÉTRICA APLICADO AO METRÔ DE

FORTALEZA (METROFOR)

FORTALEZA

2018

1




Monografia submetida à Universidade Federal do Ceará como parte dos requisitos para obtenção do Diploma de Graduação em

Engenharia Elétrica.

Orientador: Prof. Dr. Cícero Marcos Tavares

Cruz

FORTALEZA

2018

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação

Universidade Federal do Ceará

Biblioteca Universitária

Gerada automaticamente pelo módulo Catalog, mediante os dados fornecidos pelo(a) autor(a)

Q44d Queiroz Filho, Herivelton Távora de.

Descrição do sistema de tração elétrica aplicado ao metrô de Fortaleza (METROFOR) /

Herivelton Távora de Queiroz Filho. – 2018.

83 f. : il. color.

Trabalho de Conclusão de Curso (graduação) – Universidade Federal do Ceará, Centro

de Tecnologia, Curso de Engenharia Elétrica, Fortaleza, 2018.

Orientação: Prof. Dr. Cícero Marcos Tavares Cruz.

1. Trem elétrico. 2. Dinâmica do movimento. 3. Subestação de tração elétrica. 4. Rede

aérea de tração. 5. Circuito de acionamento do trem. I. Título.

CDD 621.3

3




Monografia submetida à Universidade Federal do Ceará como parte dos requisitos para obtenção do Diploma de Graduação Engenharia

Elétrica.

Aprovada em: ___/___/______.

BANCA EXAMINADORA

________________________________________ Prof. Cícero Marcos Tavares Cruz (Orientador)

Universidade Federal do Ceará (UFC)

_________________________________________ Eng. Francisco Mendes de Oliveira Universidade de Fortaleza (Unifor)

_________________________________________ Prof. Dr. Ricardo Silva Thé Pontes

Universidade Federal do Ceará (UFC)

4

A Deus,

Aos meus pais, Herivelton e Joana, minha irmã

Hiarglys Távora, eu dedico esse trabalho.

5

AGRADECIMENTO

Ao Metrofor e ao Consórcio Metro Service que me abriram as portas.

Ao Prof. Dr. Cícero Marcos Tavares Cruz, pela excelente orientação.

Aos meus chefes, Eng. Francisco Mendes de Oliveira, Eng. José Geumar Meneses

de Queiroz, Eng. Francisco Raimundo de Lima e Eng. Sérgio Fernando Azevedo dos Santos,

que me possibilitaram todos os acessos e ensinamentos possíveis.

Aos participantes da banca examinadora Francisco Mendes de Oliveira, Prof. Dr.

Cícero Marcos Tavares Cruz e Prof. Dr. Ricardo Silva Thé Pontes, pelo tempo, pelas valiosas

colaborações e sugestões.

Aos professores entrevistados, Sérgio Daher, Fernando Antunes, Carlos Gustavo,

Laurinda Lúcia, pelo tempo concedido nas entrevistas.

Aos colegas de trabalho que deram de alguma forma sua contribuição, Rafael

Tavares, Vanessa Andrade, Amanda Caetano, Gustavo Leonardo, André Sousa, Mylla Abreu,

Levi Reinaux, Veronice Braga, Rafael Caetano, Sr. Moises, Ranieri, Emanuel, Caio Correa e

todos os colaboradores de campo que sempre foram muito atenciosos.

Aos colegas de curso, Felipe Porto, Dalmo Mendes, Clayton Paiva, Enzo Furlan,

Matheus Jonathan, Raimundo Vidal, Josedmundo Neto, Tobias Valentim, Fábio Rocha, Davi

Pessoa, Mozart Oliveira, Letícia Veras, pelas inúmeras ajudas, noites mal dormidas e estudos

focados.

À minha namorada Luíza Capelo, que me ajudou nos momentos mais difíceis do

curso.

Aos meus familiares, em especial, minha madrinha Fabianny Guerra, minhas tias

Lúcia e Eloisa, que sempre fizeram tudo por mim.

Um muito obrigado a todos!

6

“Nossa vida é uma constante viagem.

A paisagem muda, as pessoas mudam, as

necessidades se transformam, mas o trem segue

adiante.”

(Paulo Coelho)

7

RESUMO

O presente trabalho faz uma descrição detalhada do sistema de tração elétrica aplicado ao metrô

de Fortaleza. A linha sul, única linha do metrô eletrificada é onde acontece o estudo. Foi feito

toda uma pesquisa afim de explicar as nuances da dinâmica do movimento do trem e como o

sistema se comporta a cada variação do esforço do motor. A zona de retificação da subestação

de tração foi minuciada, sendo explicado sua composição física, o motivo do uso de

semicondutores de potência (diodos), os circuitos snubbers e os cubículos de proteção, além da

planta em anexo em CAD do sistema de tração elétrica. A rede de tração elétrica foi detalhada,

sendo mostrada todo os componentes de seu suporte, foi falado também sobre o captor de

corrente (pantógrafo) que alimenta os circuitos de acionamento, como é disposto os fios de

contato e sua forma transversal, além de mostrar os problemas associados as correntes de fuga

sobre as canalizações metálicas e como foi resolvido esse problema. Por fim, é falado do

circuito de acionamento dos motores, como, a introdução teórica ao motor de indução trifásico,

a forma de controle associada com inversores de frequência, as frenagens dinâmicas e

regenerativa e o controle da frenagem regenerativa através dos choppers de frenagem, sendo

concluído com um esquemático de acionamento do trem feito pelo próprio autor.

Palavras-chave: trem elétrico, dinâmica do movimento, subestação de tração elétrica, rede

aérea de tração, circuito de acionamento do trem.

8

ABSTRACT

The present work gives a detailed description about the electric traction system applied on the

Fortaleza subway. The southern line is the only line electrified. All research was done to explain

the nuances of the train's motion dynamics and how the system behaves at every variation of

the engine effort. The rectification zone of the traction substation was minuted, explaining its

physical composition, the reason for the use of power semiconductors (diodes), the snubbers

circuits and the protection cubicles, besides the attached plant in CAD of the electric traction

system. The electric traction network was scanned, showing all the components of its support,

it was also spoken about the current sensor (pantograph) that feeds the drive circuits, how the

contact wires were arranged and their cross-sectional shape, besides showing the problems

associated with leakage currents on the metal pipes and how this problem was solved. Finally,

it is spoken of the motor drive circuit, such as theoretical introduction to the three-phase

induction motor, the form of control associated with frequency inverters, dynamic and

regenerative braking and regenerative braking control through the brake choppers, being

concluded with a schematic of activation of the train made by the author.

Keywords: electric train, motion dynamics, electric traction substation, aerial traction net,

train drive circuit.

9

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 − Estações da linha Sul ..................................................................................... 16

Figura 2 − TUE (Trem de unidade elétrica) alimentado pela catenária .......................... 17

Figura 3 − Mapa Metroviário de Fortaleza ...................................................................... 18

Figura 4 − Entrada da estação José de Alencar ............................................................... 19

Figura 5 − Via Permanente do Centro de Manutenção (Parque de Manobra) ................ 20

Figura 6 − Centro de controle operacional ...................................................................... 21

Figura 7 − Como se comporta do sistema de energia ..................................................... 22

Figura 8 − Direções das possibilidades do movimento ................................................... 23

Figura 9 − Sapata de freio e roda do trem ....................................................................... 30

Figura 10 − Decomposições da força peso no trem durante o aclive ................................ 32

Figura 11 − Rodeiros ......................................................................................................... 33

Figura 12 − Ação da conicidade das rodas ........................................................................ 34

Figura 13 − Truque ............................................................................................................ 34

Figura 14 − Comportamento de todas as variáveis durante o ciclo de tração ................... 36

Figura 15 − Retificador de doze pulsos ............................................................................. 40

Figura 16 − Retificador trifásico de doze pulsos ............................................................... 42

Figura 17 − Forma de onda da corrente na fase A ............................................................ 42

Figura 18 − Espectro de harmônicas de entrada ................................................................ 43

Figura 19 − Trasformador especial de três enrolamentos da SE Benfica .......................... 44

Figura 20 − Retificador da subestação Benfica ................................................................. 45

Figura 21 − Snubber Passivo ............................................................................................. 46

Figura 22 − Disjuntor de proteção da rede aérea .............................................................. 47

Figura 23 − Controle e comando do cubículo de proteção ................................................ 48

Figura 24 − Diagrama de blocos da posição do cubículo de proteção .............................. 48

10

Figura 25 − Disposição das subestações de tração e cabines de seccionamento e

paralelismo...................................................................................................... 51

Figura 26 − Pantógrafo assimétrico de forma em Z .......................................................... 55

Figura 27 − Composição do fio de contato e pantógrafo .................................................. 56

Figura 28 − Suporte da linha de contato ............................................................................ 57

Figura 29 − Contrapesos e roldanas da catenária .............................................................. 58

Figura 30 − Desenho da catenária ..................................................................................... 59

Figura 31 − Ligação elétrica entre o cabo mensageiro e o fio de contato ......................... 59

Figura 32 − Seção transversal do fio de contato ................................................................ 60

Figura 33 − Chave seccionadora de rede aérea ................................................................. 61

Figura 34 − Seccionadores de rede aérea .......................................................................... 62

Figura 35 − Catenária rígida ............................................................................................ 63

Figura 36 − Circuito de retorno ......................................................................................... 64

Figura 37 − Quadro de comando e controle de tensão do trilho ....................................... 65

Figura 38 − Chave de aterramento das estações ............................................................... 65

Figura 39 − Curvas típica de conjugado x velocidade de um motor operando com

tensão e frequência constante ........................................................................ 69

Figura 40 − Disposição dos transistores IGBT’s no inversor de frequência ..................... 71

Figura 41 − Sinais gerados pela modulação PWM .......................................................... 71

Figura 42 − Conjugado x velocidade do MIT ................................................................... 73

Figura 43 − Diagrama de ligação do acionamento do trem .............................................. 74

11

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 − Valor para o fator ξ ......................................................................................... 26

Tabela 2 − Valores de acelerações recomendadas para cada tipo de composição .......... 27

Tabela 3 − Comportamento de todas as variáveis durante o ciclo de tração ................... 38

Tabela 4 − Faixa de atuação da tensão na catenária ........................................................ 54

Tabela 5 − Dimensões do fio de contato ......................................................................... 61

12

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

CA Corrente Alternada

CC Corrente Contínua

CPTM Companhia Paulista de Trens Metropolitanos

EN Estándares Europeos

Metrofor Metrô de Fortaleza

MIT Motor de Indução Trifásico

NBR Norma Brasileira Regulamentadora

SE Subestação

TUE Trem Unidade Elétrica

13

SUMÁRIO

CAPÍTULO 1 15 INTRODUÇÃO 15

1.1 Introdução 15 1.2 Tração Elétrica 15 1.3 Metrofor 16 1.3.1 Estações 18 1.3.2 Via Permanente (VP) 19 1.3.3 CCO (Centro de Controle Operacional) 20 1.3.4 Sistema de Energia 21 1.4 Composição do trem 22

CAPÍTULO 2 23 DINÂMICA DO MOVIMENTO 23

2.1 Equação do movimento 24 2.2 Aceleração e solavanco 26 2.3 Esforço do motor 28 2.4 Frenagem mecânica 29 2.5 Esforço resistente 30 2.5.1 Resistências normais 31 2.5.2 Resistência suplementar 32 2.5.2.1 Resistência devido às rampas 32 2.5.2.2 Resistências devido às curvas 33 2.6 Força de aderência 35 2.7 Ciclo de tração 35 2.8 Consumo e conservação de energia 38

CAPÍTULO 3 39 SUBESTAÇÃO DE TRAÇÃO 39

3.1 Retificador em dupla ponte de Graetz ( retificador de doze pulsos) 39 3.1.1 Fator de potência 41 3.1.2 Formas de onda da saída do retificador, da corrente na fase A e da taxa de distorção harmônica 42 3.1.3 Composição física 43 3.1.4 Circuito Snubber 45 3.1.5 Cubículo de proteção 47 3.1.6 Cabine de seccionamento e de paralelismo 48 3.2 Critério de quantidade e localização das SE de tração 49 3.3 Esquema de ligação da subestação de tração 50

14

CAPÍTULO 4 52 REDE AÉREA DE TRAÇÃO ELÉTRICA 52

4.1 Função da rede aérea de tração elétrica 52 4.2 Escolha do sistema de alimentação CC 53 4.3 Estrutura física da rede aérea 53 4.3.1 Pantógrafo 54 4.3.2 Catenária autocompensada 55 4.3.2.1 Fio de contato 59 4.3.2.2 Seccionadores de Via 60 4.3.3 Catenária Rígida 62 4.4 Circuito de retorno 62 4.4.1 Corrosão eletrolítica causada pela corrente de fuga (Ift) 65 4.5 Proteção contra descargas atmosféricas 65

CAPÍTULO 5 67 ACIONAMENTO DE TRAÇÃO 67

5.1 Motor de indução trifásico (MIT) 67 5.1.1 Princípio de funcionamento 67 5.1.2 Controle do MIT 69 5.1.3 Vantagens na utilização do MIT 69 5.2 Inversor de frequência 69 5.3 Frenagem 71 5.3.1 Frenagem regenerativa 71 5.3.2 Frenagem dinâmica 72 5.4 Diagrama de ligação aplicado ao trem 73

CAPÍTULO 6 75 CONCLUSÃO 75

CAPÍTULO 7 76 TRABALHOS FUTUROS 76

CAPÍTULO 8 77 REFERÊNCIAS 77

ANEXO I 81

15

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

1.1 Introdução

O presente trabalho aborda de forma concisa toda a descrição da tração elétrica

aplicada ao metrô de Fortaleza (Metrofor), desde a captação de energia da Enel, passando pela

subestação de tração, rede aérea e chegando por fim no acionamento do MIT (motor de indução

trifásico) presente no trem.

O trabalho consiste em 8 capítulos, que falam sequencialmente sobre a operação do

sistema com detalhes históricos, dinâmica do movimento, subestação de tração, rede aérea de

tração, forma de acionamento do motor, conclusão, trabalhos futuros e bibliografia, é

contemplado também variações e características adversas como, proteção contra descargas

atmosféricas, correntes de fuga e modos de aplicação dos freios.

Portanto, o trabalho tem como objetivo detalhar o sistema de tração elétrico, para

ser um ponto de partida para futuros trabalhos mais específicos.

1.2 Tração Elétrica

A busca por uma mobilidade urbana adequada a todos os cidadãos de uma grande

cidade é obtida através de investimentos em políticas de transportes e circulação em geral.

Nos tempos atuais, cresce os investimentos em transportes coletivos de alta

performance, socialmente inclusivo e ecologicamente sustentável, e o trem de tração elétrica

não diverge em nenhum desses pontos.

Atualmente, o uso de tração elétrica contribui de forma importante em três pontos:

esgotamento dos combustíveis fósseis e contribuições para a diminuição da poluição

atmosféricas, sonora e não mudança climática.

A tração elétrica difere das demais em muitos pontos, porém, três deles são

primordiais, como a diferença na quantidade de energia perdida nos processos de

transformação, transporte e utilização, na possibilidade de empregar energias renováveis

associados ao movimento e na utilização da frenagem regenerativa.

A qualidade do serviço gerado é algo a ser analisado também, pois a tração elétrica

possui algumas vantagens peculiares em relação a outras formas de tração.

16

Segundo Pires (2013):

“O motor elétrico possui grande capacidade de sobrecarga, potência nominais

maiores, possibilidade de instalação a bordo de uma elevada potência unitária,

fazendo com que a locomotiva elétrica tenha o dobro da potência específica de uma

locomotiva a diesel, e essa potência dobrada reflete em uma velocidade maior (alta

velocidades) em relação a outros tipos de motores. ”

A tração elétrica torna-se cada vez mais usual, mesmo com o custo de implantação

elevado, segundo o site do Metrofor o investimento foi de R$ 1.333.629.349,00 na Linha Sul

(única linha eletrificada) e quando estiver totalmente concluído o custo girará em torno dos 2

bilhões de reais.

1.3 Metrofor

É necessário fazer uma breve introdução acerca do Metrofor (Metrô de Fortaleza),

atualmente operado pela Companhia Cearense de Transportes Metropolitanos, a qual, é

chefiada pelo Governo do Estado do Ceará e foi fundada em 1997 com a função de administrar,

planejar e construir o sistema metroviário no Ceará.

O sistema metroviário de Fortaleza hoje é contemplado por 3 linhas concluídas as

Linha Sul, Linha Oeste e Linha Parangaba-Mucuripe (faltam alguns detalhes para a

inauguração) e 1 linha em construção (Linha Leste), já são 32 estações em pleno funcionamento

e serão 52 no total quando todas as linhas estiverem concluídas, são 48,6 km de linhas

metroviárias fazendo com que o metrô de Fortaleza seja o sexto maior metrô do Brasil, quando

tudo estiver concluído serão aproximadamente 70 km de linhas.

Porém, apenas o trem da Linha Sul, das que estão concluídas, é tracionado

eletricamente. A Linha Sul tem uma extensão de 24,1 km, composta por 19 estações ativas (a

estação Padre Cícero está com as obras paralisadas aguardando licitação) e a rede aérea de

tração é alimentada por 3 subestações retificadoras de tração (Pajuçara, Vila Pery e Benfica),

abaixo na figura 1.1 tem-se a disposição das estações da Linha Sul.

Figura 1.1 Estações da Linha Sul.

Fonte: <http://www.metrofor.ce.gov.br> Acesso em junho de 2018

17

Dos 24,1 km de extensão, 3,9 km são subterrâneo, ligando a estação Chico da Silva

até metade do trajeto entre Benfica e Padre Cícero, 2,2 km são de trajetos elevados, que ficam

de Couto Fernandes até Vila Pery e os outros 18 km são de trechos planos, ao todo são 48,2 km

de VP (Via Permanente), pois são duas linhas de operação (Linha 1 - Chico da Silva sentido

Carlito Benevides e Linha 2 – Carlito Benevides sentido Chico da Silva).

Os TUE’s mostrados na figura 1.2, medem 40 metros de comprimento e tem

capacidade para 445 passageiros, sendo 50 sentados. Os veículos são fabricados em alumínio.

A velocidade máxima operacional do trem é de 80 quilômetros por hora, embora passam

alcançar 120 km/h. Os trens foram comprados da empresa italiana Ansaldo Breda.

A forma de alimentação do TUE (trem unidade elétrica) é através do contado

pantógrafo-catenária, o qual consome energia durante o ciclo de tração e realimenta a rede com

a frenagem regenerativa. Será falado mais adiante sobre o ciclo de tração, contato do pantógrafo

com a catenária, subestação de tração, frenagem regenerativa e outros. Abaixo na figura 1.2 é

mostrado o TUE do Metrofor.

Figura 1.2 – TUE (trem unidade elétrica) alimentado pela catenária rígida.


O horário de funcionamento da Linha Sul é de segunda a sábado das 05h30 até

23hrs, a tarifa de embarque é de R$ 3,20 (inteira), R$ 1,60 (meia), o intervalo entre um trem e

outro é em média 17 minutos e transporta aproximadamente 500.000 passageiros por mês.

18

1.3.1 Estações

Foi falado no tópico 1.3 que o sistema possui 32 estações em pleno funcionamento,

e que terá 52 no total, segue abaixo na figura 1.3 como será ao final da implantação do sistema

metroviário, é importante salientar que o objetivo desse trabalho é falar da Linha Sul, linha essa

que liga Chico da Silva à Carlito Benevides e que a Linha Leste de Chico da Silva à Edson

Queiroz ainda se encontra em construção (Linha Leste também será eletrificada).

Figura 1.3 Mapa metroviário de Fortaleza.

Fonte: <http://mapa-metro.com/pt/brasil/fortaleza/metro-fortaleza-mapa.htm> Acesso em junho de

2018

Há necessidade de se destacar uma estação em especial, a estação José de Alencar,

que se localiza no coração do centro de Fortaleza e atende o maior número de passageiros.

19

Figura 1.4 Entrada da estação José de Alencar.

Fonte: < http://www.setechidrobrasileira.com.br/port/Projetos/transporte---metroferroviario/linha-sul-

metro-de-fortaleza-metrofor> Acesso em junho de 2018

A Linha Oeste (João Felipe à Caucaia) e a Linha Parangaba-Mucuripe possuem

uma abordagem diferente, o trem é alimentado à Diesel e é chamado de VLT (Veículo Leve

sobre Trilhos), onde essa forma de abordagem não será detalhada no presente trabalho pois não

faz parte do ciclo de tração elétrico.

1.3.2 Via Permanente (VP)

A VP é a linha onde o trem circula, sendo composta por diversos elementos, cada

um com uma função bem específica. No presente trabalho não será detalhado como é disposta

a via permanente e nem seus elementos, apenas será apresentado de como a VP atua no ciclo

de tração.

A VP é um processo fundamental em todo o projeto de viabilidade energética, pois

é necessário conhecer a VP para projetar a potência da sua subestação de tração e do seu motor

de tração. Pois é através das variações do movimento causados pelo trajeto que se sabe as

resistências ao movimento, e com elas é calculado o esforço do motor necessário para o

deslocamento, ou seja, quanto mais linear é a VP menor será o esforço do motor e

consequentemente menor será o consumo de energia, isso será melhor detalhado no tópico 2.3.

No caso do trem eletrificado, a VP tem a função de ser um condutor de retorno, que

será falado no tópico 4.4, ou seja, os trilhos de rolagem além de facilitar o caminho para o trem,

conduz energia. Para que a energia volte para a subestação e não se dissipe pelo caminho é

20

necessário que haja uma isolação entre o trilho de rolagem e o solo, normalmente coloca-se

brita para esse fim.

Figura 1.5 Via Permanente do Centro de Manutenção (Parque de Manobra).

Fonte: O próprio autor.

1.3.3 CCO (Centro de Controle Operacional)

O CCO é o cérebro de todo o sistema de operação, funciona 24 horas com o intuito

de gerenciar e monitorar todo o sistema metroviário de Fortaleza.

A principal função do CCO é fazer com que haja segurança durantes as viagens,

pois o centro é capaz de localizar e monitorar em tempo real o trem e todas as estações da linha

Sul, Oeste e VLT Parangaba-Mucuripe. “Os trens só podem começar uma viagem se o CCO

autorizar. Essa é uma medida fundamental de segurança, e se chama licenciamento de trem.

Isso garante que não haverá acidentes, pois o CCO só autoriza a partida de um veículo quando

constata que a via já está livre para o percurso”, palavras do Gerente de Controle de Tráfego,

Antônio Carlos Pereira, chefe do CCO.

Quando há manutenções ao longo da via, o CCO imediatamente avisa ao maquinista

para ter cuidados no trecho, fazendo com que ele percorra o trajeto com uma velocidade de

segurança, a figura 1.6 mostra como é o CCO fisicamente.

21

Figura 1.6 – Centro de Controle Operacional.


1.3.4 Sistema de Energia

O sistema de energia de tração do Metrofor, tem como objetivo promover de forma

ininterrupta a alimentação dos TUE’s durante todo o movimento. Deve ser levado em

consideração todas as variações do trajeto e toda a carga de passageiros durante o movimento.

O sistema de energia é totalmente integrado, composto de 3 subestações de tração,

as quais promovem a alimentação de toda a rede aérea e serão melhor explicadas no capítulo

03.

As subestações retificadoras de tração são localizadas próximas as estações Rachel

de Queiroz, Vila Pery e Benfica, e na figura 1.7 se tem o comportamento do sistema de energia,

mostrando desde a fonte de alimentação Enel, passando pela subestação retificadora de tração,

depois rede aérea e por fim chegando ao motor. Lembrando que a forma de alimentação da Enel

é em corrente alternada (CA), as subestações retificadoras transformam em corrente contínua

(CC), que é transmitida em CC pela rede aérea e por fim, nos inversores de frequência, onde

serão falados no capítulo 5, transformam a corrente para alternada para alimentar o motor.

22

Figura 1.7: Como se comporta o sistema de energia.

Fonte: O próprio Autor

Toda a transição desse sistema, deve ser de forma ajustada e protegida, afim de

evitar possíveis danos aos componentes eletrônicos, deve-se salientar que uma manutenção

eficiente maximiza os resultados, os parâmetros e valores de retificação e alimentação serão

exemplificados do capítulo 03, subestação de tração.

1.4 Composição do trem

O trem é um transporte ferroviário ou metroviário, o qual consiste em um ou vários

veículos interligados com a capacidade de promover movimento e tem como finalidade

transportar cargas ou pessoas de um lado para outro pela VP (via permanente).

O trem de Fortaleza possui dois trens acoplados fisicamente um no outro,

totalizando 6 veículos acoplados (3 veículos por trem), tudo isso para promover uma maior

capacidade de transporte de passageiros. Esse acoplamento físico inteligente acontece por

meios mecânicos e é facilmente notado por conta da utilização de 2 pantógrafos, que será falado

no tópico 4.3.1, no mundo é usual utilizar apenas 1 pantógrafo. Essa dualidade de pantógrafo

não interfere no sistema pois os mesmos operam em sincronia na alimentação dos 12 motores

presentes de toda composição (somatório de trens).

Cada trem possui 1 pantógrafo, 2 sistemas de condicionadores de ar, 1 sistema de

circuitos de iluminação e controle e 3 sistemas de acionamentos dos motores, onde são

totalizados 6 motores, será falado desses sistemas no capítulo 5, acionamento dos motores.

O sistema metroviário não é dotado de um sistema de sinalização e controle entre

estações, é utilizado ainda o maquinista e todo o sistema de informação é via rádio e no ano

vigente a sinalização está no período de implantação.

É importante lembrar, que o sistema metroviário não possui passagens de nível

(cancelas), ou seja, não é possível a travessia de pessoas e veículos sobre a linha do trem.

23

CAPÍTULO 2

DINÂMICA DO MOVIMENTO

A dinâmica de movimento do trem elétrico é de suma importância, pois é possível

determinar a forma de controle e proteção da composição ao longo de sua trajetória.

As formas variadas de movimento, fazem com que a dinâmica do movimento não

seja algo tão simples, pois translação, rotação e oscilação são movimentos bem diferentes e

com isso causam impactos diferentes nas composições.

Para o equacionamento da dinâmica do movimento três pontos são fundamentais, o

esforço do motor, potência do trem e limitadores de movimento.

O esforço do motor é calculado através da somatória das forças de resistência ao

movimento, e da aceleração instantânea.

A potência da locomotiva é determinada através do produto entre esforço do

motor e velocidade instantânea.

Os limitadores de movimento são normalmente a base do projeto dos motores

de tração, da subestação retificadora e da potência da locomotiva, esses limitadores são

normalmente providos pela força de aderência entre a roda da locomotiva e do trilho.

No sistema metroviário do Metrofor, é possível notar que a dinâmica do trem muda

a todo instante, pois o sistema é composto de túneis, elevados e muitas curvas, ou seja, há

necessidade de um conhecimento profundo de como o trem se comporta nesses pontos, afim de

otimizá-los, a figura 2.1 mostra que o trem se move nos eixos X, Y e Z.

Figura 2.1 Direções das possibilidades do movimento.

Fonte: < http://clipart-library.com/clipart/8TxrEaMac.htm> Acesso em junho de 2018

24

2.1 Equação do movimento

Para o equacionamento do movimento do trem, é necessário fazer uma análise física

de qual ambiente ele está, seja em uma zona de declive ou aclive, em curvas ou retas ou também

em um somatório desses ambientes.

Essa análise física serve de parâmetros para a proteção de passageiros e condutores,

além de relacionar o movimento (progressivo) ao movimento de rotação das rodas, as quais

estão interligadas às transmissões mecânicas e por fim acoplados ao motor, tendo que salientar

que pequenos balanços e solavancos serão considerados para o equacionamento.

Para uma explanação inicial, vale salientar que o trabalho realizado pela

composição é diretamente proporcional ao somatório das forças da locomotiva desde o repouso

até uma posição S, e que todo movimento do trem está atrelado ao somatório de forças

mecânicas, portanto temos:

∑ 𝐹= = m.a (2.1)

Onde, Fj é o somatório das forças, m é a massa total da composição (locomotiva e

carga) e a é a aceleração em m/s2.

Como dito acima, o trabalho (τ) realizado pela composição é diretamente

proporcional ao somatório das forças desde o repouso até uma posição S qualquer, portanto

temos:

τ =∫ ∑ Fjnj=s) .ds = ∫ m. a. dss

(2.2)

É importante recordar que:

m.a.ds = m. .ds = m.v.dv (2.3)

Com isso,

τ =∫ ∑ 𝐹= ).ds =∫ 𝑚. . = m.v2 (2.4)

Onde v é a velocidade do sistema em m/s.

O último termo da equação (2.4) é exatamente o termo da energia cinética do trem

em questão.

Foi levado em consideração que o momento de inércia de uma peça girante é J,

temos que a energia cinética (Ec) desenvolvida de uma peça girante é dada por:

Ec = . . (2.5)

Para a energia cinética de uma peça girante temos um fator kg, o qual representa a

25

razão entre a velocidade angular na ponta do eixo da roda (we), sobre a velocidade angular de

uma peça girante qualquer (wp), esse fator kg representa as transmissões através das

engrenagens, pois é interessante que toda energia cinética rotacional esteja nos eixos do trem.

No próximo passo, foi desprezado a ação da energia potencial, pois as regiões

desniveladas estão inseridas em resistências suplementares e também pelo fato de que regiões

com muitos desníveis são evitadas em projetos de VP (via permanente).

Então, para obter o trabalho total realizado pelo trem em X peças girantes, foi

somado a energia cinética do trem com o somatório da energia cinética de X peças girantes,

como será visto abaixo:

τ =∫ ∑ 𝐹= ).ds = m.v2 + ∑ . 𝐽.𝑘𝑔= (2.6)

Tendo em vista que,

v = were (2.7)

Onde, v é a velocidade linear e we a velocidade angular na ponta do eixo da roda e

re o raio do eixo.

Foi substituído a equação (2.7) na equação (2.6) e foi obtido:

τ =∫ ∑ 𝐹= ).ds= 𝑚 2[ 1+ ∑ 𝐽𝑚.𝑟 .𝑘𝑔= ] (2.8)

Na equação 2.8 é importante levar em consideração um termo, o qual será chamado

de ξ, logo ξ é igual a:

ξ =[1+ ∑ 𝐽𝑚.𝑟 .𝑘𝑔= ] (2.9)

Em que ξ representa o fator de inercia de massas girantes. Esse coeficiente

adimensional, ligeiramente superior à unidade, aumenta a massa do trem para levar em

consideração a presença de diferentes peças em rotação que possuem seus próprios momentos

de inercia (Courtois et al., 1998).

Sabe-se que ξ é um valor numérico aproximado, que pode ser encontrado através

de um cálculo numérico, como visto acima, ou através de ensaios dinâmicos no veículo, na

maioria dos autores renomados como Pires (2013) e Osipov (2000), pode-se encontrar os

seguintes valores para ξ:

26

Tabela 2.1 Valores para o fator ξ.

Tipo de Veículo Fator ξ

Locomotiva diesel-elétrica 1,15-1,25

Locomotiva elétrica 1,15-1,30

Vagão vazio 1,07-1,08

Vagão cheio 1,03-1,04

Carros 1,04-1,05

Fonte: Engenharia Elétrica Ferroviária e Metroviária (2013)

É necessário ressaltar que esse valor varia de autor para autor, por conta das

referências de cálculo adotadas que podem ser diferentes, como massa, transmissão e raio da

roda.

Pode-se simplificar todas as equações utilizando um conceito de massa de inercia,

que nada mais é que a massa medida de um trem corrigida pelo coeficiente ξ:

m’ = m. ξ (2.10)

Com o conceito de massa de inercia, faz-se necessário reescrever a equação 2.1,

levando agora em consideração o esforço resistente total R e o esforço do motor Fm, então a

equação pode ser reescrita como:

Fm – R = m’.a (2.11)

Onde (Fm-R), é conhecido como esforço útil (Fu), a equação 2.11 mostra que o

esforço útil é positivo no regime de aceleração e negativo no regime de frenagem.

2.2 Aceleração e solavanco

A aceleração máxima de uma composição de trem não é escolhida ao acaso, é

necessário fazer um estudo afim de maximizar o conforto do passageiro atrelado à máxima

economia de energia e o mínimo de esforço possível do motor.

A tabela 2.2 é extraída de Pires (2013), onde mostra alguns valores de aceleração

para cada tipo de composição:

27

Tabela 2.2 Valores de acelerações recomendadas para cada tipo de composição.

Tipo de trem Aceleração [m/s2]

Carga pesada 0,02-0,1

Carga 0,1-0,2

Passageiros 0,3-0,4

Interurbanos 0,8-1,2

Metrôs 1,0-1,3

Fonte: Engenharia Elétrica Ferroviária e Metroviária (2013)

Os valores de aceleração da tabela 2.2, estão em uma zona aceitável de operação e

não um limite de aceleração do trem, é necessário lembrar que os limitadores de aceleração

estão relacionados ao esforço do motor, à força de aderência e ao limite de segurança e conforto

de transporte de uma carga ou passageiro.

Em relação aos valores dispostos na tabela 2.2, existem algumas variações entre

autores, porém nada muito discrepante, uma abordagem para a aceleração apresentada em Jansa

(1987) é muito interessante:

a ≤ 𝑃𝑎 .µ′ (2.12)

Onde, a é a aceleração, Pad é o peso aderente, µ0 é o coeficiente de aderência para

velocidade nula e m’ é massa de inercia, Pad e µ0 serão explicados mais afrente no tópico 2.5

(força de aderência).


“A variação temporal da aceleração, que significa a transição de uma velocidade

homogênea para uma condição de aceleração, é conhecida como solavanco e medida

em m/s3. ”

Bruscas variações temporais na aceleração da composição causam mal-estar nos

passageiros, ou seja, o baixo valor de solavanco e baixo valor de aceleração de solavanco, estão

diretamente ligados ao conforto do passageiro durante a viagem, Wende (2003) estabelece que

o valor tolerável de solavanco suportável para um ser humano está compreendido entre 1,0 –

1,5 m/s3.

Nos metrôs do Brasil esse valor de solavanco chega a no máximo 1,0 m/s3, como

acontece em São Paulo e em Fortaleza.

28

2.3 Esforço do motor

Para que o trem assuma um regime de aceleração, o esforço do motor deve exercer

uma força maior que todo o somatório de força resistente que atuam contrárias ao movimento

do trem.

Antes de começar qualquer tipo de equacionamento do esforço do motor, deve-se

levar em consideração como está disposto o sistema do motor. É necessário lembrar que o trem

que é estudado é o TUE (trem de unidade elétrica), e é composto de seis motores de tração

elétrica, com uma transmissão chamada de redutor, acoplada a um eixo diferencial. Para seguir

adiante é importante saber que o rendimento da transmissão não é 100%, e segundo Courtois et

al. (1998), o rendimento da transmissão ɳt é aproximadamente 98%.

Já foi visto na equação 2.11 que o esforço do motor (Fm) é responsável diretamente

pelo movimento do trem, mas tem que ser levado em consideração que esse esforço do motor

provém do conjugado que os motores de tração produzem em suas engrenagens chegando até

as rodas através da transmissão.

Para transformar o esforço do motor em conjugado do motor em uma roda, tem-se

a seguinte equação:

𝐹

= 𝐶 𝑜 𝑎 (2.13)

Onde, nm é o número de motores, Croda é o conjugado de uma roda e re é o raio do

eixo da roda.

Para ser considerado, o conjugado da roda, se deve levar em conta o conjugado do

motor, para uma razão de transmissão de 0,98 como visto anteriormente e tendo que levar em

consideração também a razão de transmissão kg.

Croda= 𝐶 . ɳ𝑡 (2.14)

Onde ɳ é rendimento da transmissão, Croda é o conjugado da roda, Cm é o conjugado

do motor e kg uma razão de transmissão a qual representa a razão entre a velocidade angular na

ponta do eixo da roda (we), sobre a velocidade angular de uma peça girante qualquer (wp).

Foi substituído a equação (2.14) na equação (2.13) e obteve-se:

𝐹

=

𝐶 .ɳ𝑡 (2.15)

É possível notar que a velocidade do motor é maior que a velocidade da roda e que

o conjugado exercido pelo motor é menor que o conjugado exercido pela roda, isso acontece

29

por conta da ação redutora da transmissão kg, mas algumas ressalvas devem ser feitas, para que

a equação 2.15 aconteça, os motores devem ser ideais, as distribuições dos esforços devem ser

iguais, o coeficiente de aderência deve ser o mesmo entra as rodas e os diâmetros de todas as

rodas dos TUE’s devem ser rigorosamente iguais.

Sabendo que a potência mecânica desenvolvida pelo trem (Pt) é esforço do motor

vezes a velocidade linear, então tem-se:

Pt = Fm.v (2.16)

Para determinar a potência mecânica desenvolvida pelo motor de tração,

considerando-se uma distribuição igualitária de potência, pode ser demonstrada da seguinte

forma:

Pm = 𝑃ɳ (2.17)

É possível notar através da equação (2.17) que a potência do motor é maior que a

potência na ponta do eixo, isso é muito verdade, pois em cada acoplamento de motor há um

redutor associado, o qual tem uma razão de transmissão de 0,98, isso mostra que a potência do

motor é reduzida através da transmissão, mas também a equação mostra que a potência do motor

é diretamente proporcional a potência total do trem que está diretamente atrelada a velocidade

linear desenvolvida pelo trem, então quanto maior a velocidade que o trem desenvolver, maior

será a potência que será exigido pelo motor.

Pel = 𝑃ɳ (2.18)

A potência elétrica do trem é encontrada através da potência mecânica desenvolvida

pelo motor de tração, sobre o seu rendimento de tração e acionamento, lembrando que quanto

maior for a Pel, maior será a velocidade que o trem poderá assumir, porém maior será o motor

necessário para a tração.

2.4 Frenagem mecânica

A frenagem mecânica não interfere no conjugado do motor, ou seja, não interfere

eletricamente no movimento, sua atuação é sobre o eixo das rodas através de sapatas de freio,

os quais atritam fisicamente com o eixo da roda retardando o trem, como mostrado na figura

2.2:

30

Figura 2.2: Sapata de freio e roda do trem.

Fonte: < https://coisasdeengenheiro.wordpress.com/2018/02/09/freios-ferroviarios-conceito-do-

caliper-brake/> Acesso em junho de 2018

A frenagem mecânica é apenas uma frenagem complementar do trem, pois ela é

apenas um dispositivo de segurança para uma possível frenagem mais brusca, afim talvez de

evitar um acidente, normalmente o trem é desacelerado através dos freios regenerativos e

dinâmicos, os quais serão falados no capítulo 5, acionamento de tração.

Como a frenagem mecânica é uma força aplicada ao trem, ela pode ser associada a

uma Ff (força de frenagem) e com isso podemos reescrever a equação (2.11), então temos:

Fm – R – Ff = m’.a (2.19)

Foi colocada a força de frenagem negativa pois normalmente ela se opõe ao

movimento do trem, vale lembrar, que essa equação é de quando o trem está frenando através

do atrito da sapata do freio com o disco da roda.

2.5 Esforço resistente

O esforço resistente R mencionado na equação (2.11) é descrito abaixo, será

desenvolvido um conceito completo de todas as resistências que atuam no trem, em seus

motores e reboques e como esse esforço R atua.

Há necessidade de mostrar dois conceitos iniciais do que realmente se trata o

esforço resistente:

O esforço resistente é toda força que atua de forma contrária ao movimento do

trem.

31

Estão inseridos também em R todas as resistências ao movimento que acontecem

em rampas e curvas (chamadas de resistências suplementares).

O esforço resistente pode ser decomposto em várias resistências, as quais serão

descritas no tópico 2.5.1:

2.5.1 Resistências normais

As resistências normais são resistências inevitáveis, as quais a própria natureza

do sistema atua sobre o trem, sendo impossível ignorá-las, foi escolhido duas dessas resistências

que atuam diretamente no trem para a discussão:

Resistência devido aos rolamentos e todos os atritos mecânicos: o atrito entre a

roda e o trilho é inelutável e imprescindível para o movimento do trem, essa resistência é

independente da velocidade, ela é fixa pois depende do atrito entre os materiais e o fato de que

se fosse isenta de atrito, a roda escorregaria e não conseguiria força para avançar, ou seja, essa

resistência de contato é necessária.

Resistência do ar: é algo que não pode ser ignorado, e dependendo da

aerodinâmica do trem ela pode ser mais atuante ou menos atuante, vale salientar que o

pantógrafo é considerado como uma imperfeição aerodinâmica, ou seja, ele aumenta a

resistência do ar sobre o trem. A resistência do ar é aumentada com a presença de túneis ao

longo do movimento, segundo Parodi; Tétrel, (1935):

“A resistência do ar tem seu efeito sobre o trem multiplicado quando este se encontra

dentro de um túnel. O movimento de um trem dentro do túnel pode ser comparado ao

de um pistão dentro de um cilindro. O efeito amortecedor do ar é muito grande visto

que a razão entre a seção do túnel e do trem é próxima da unidade. Isso conduz a uma

primeira conclusão: a de que a resistência do ar em um túnel em via dupla é

notavelmente mais fraca que em um túnel de via simples. ”

Isso acontece pelo fato de que quando um trem entra em um túnel, nota-se uma

sobre pressão correspondente à deformação do ar em torno do trem sob a ação das paredes do

túnel.

Portanto, vale salientar que o aumento da velocidade está diretamente relacionado

com o aumento das resistências normais, segundo Pires (2013) a família dos TUEs tem sua

resistência normal específica ao movimento dada pela seguinte fórmula:

rMPT = 0,71 + 0,0064V + 0,00015V2 (2.20)

32

Tendo V como velocidade linear em km/h, como a equação (2.20) é do segundo

grau, quanto maior V, maior a resistência normal.

2.5.2 Resistência suplementar

As resistências suplementares não acontecem de forma natural, mas por conta do

trajeto da VP (via permanente), ora por conta de elevados, ora por conta de curvas, as

resistências suplementares são de suma importância no projeto do trem, pois ela é um limitador

de velocidade, será destacado duas formas de resistência suplementar: resistência às rampas e

às curvas.

2.5.2.1 Resistência devido às rampas

O trajeto perfeito para o trem, é uma via linear sem elevados e sem curvas, porém

esse cenário é muito difícil de acontecer, principalmente em grandes cidades, onde possuem

sempre obstáculos na hora da construção da VP (via permanente).

Trechos elevados acontecem com pouca periodicidade, porém quando acontecem

tem que se levar em consideração dois trechos, o trecho de subida, e o trecho de descida, pois

a resistência é contrária ao movimento do trem na subida e somatória a força resultante na

descida.

Um dado interessante, é que em sistemas metroviários as rampas não podem

ultrapassar a inclinação de 40%, Pires, (2013).

Na figura 2.3, tem-se a decomposição do peso de um trem em uma rampa (aclive):

Figura 2.3 Decomposições da força peso no trem durante o aclive.

Fonte: Pires (2006)

Pode-se notar que a força de resistência que surgiu na subida da rampa, foi uma

33

força peso: m.g.senθ, contrária ao movimento, na descida da rampa (declive), essa força peso

m.g.senθ irá se somar a força resultante.

2.5.2.2 Resistências devido às curvas

As resistências causadas pelas curvas são bem complexas, e essas resistências são

produzidas por três forças, as quais serão faladas abaixo:

Solidariedade entre roda e eixo;

Paralelismo dos eixos;

Força centrípeta;

No caso da solidariedade entre a roda e o eixo, é necessário explicar que as rodas

fazem parte de um mesmo eixo, como será visto na figura 2.4, chamadas de rodeiros, ou seja,

elas estão a uma mesma velocidade angular e possuem o mesmo diâmetro, mas é importante

salientar que nas curvas, as rodas percorrem caminhos diferentes com velocidades angulares

iguais, a roda externa percorre um caminho maior que a interna.

Figura 2.4 Rodeiros.

Fonte: Disponível em <http://www.cbfa.com.br/ferroviarios.php> Acesso em Abril de 2018.

É possível perceber que se os eixos das rodas fossem uniformes, no momento da

curva, o fato de elas possuírem a mesma velocidade e percorrerem distâncias diferentes

poderiam acarretar em problemas, pensado nisso, criou-se a conicidade das rodas, fazendo com

que o diâmetro da roda externa aumente e o da interna diminua, compensando a velocidade

angular no momento da curva, a ação da conicidade das rodas é apresentado na figura 2.5.

34

Figura 2.5 Ação da conicidade das rodas.

Fonte: Pires (2006)

Se o trem fosse dotado de eixos com rodeiros apenas, ele seria de uma grande

complexidade, porque ele não seria robusto o suficiente para aguentar grandes pesos. Há

necessidade de acoplar um par de rodeiros formando um truque, afim de aumentar a robustez

das rodas e diminuir a complexidade, criando então um paralelismo entre os eixos. Hoje em

dia, é comum os truques além de permitirem um giro compensatório nas curvas, garantir

também um alinhamento entre os rodeiros nas retas, diminuindo as variações causadas pelas

conicidades das rodas, mostrado na figura abaixo.

Figura 2.6 Truque.

Fonte: <http://cptmemfoco.blogspot.com/2010/11/cobertura-da-feira-negocios-nos-trilhos.html>

Acesso em abril de 2018.

Mesmo com o uso do truque e usando a conicidade das rodas, é necessário ainda

fazer alguns ajustes no movimento. Por conta da força centrípeta que age nas curvas, criando

uma força para o centro da curva, a qual pode-se tornar desconfortável aos passageiros, por

35

conta disso, há necessidade de criar uma sobrelevação no trilho exterior a curva, afim de

diminuir o desconforto gerado com a mudança de direção.

Essa sobrelevação é variável ao tipo de composição atuante, à velocidade máxima

de trajeto, e ao número de pessoas que podem ser transportadas no trem.

2.6 Força de aderência

Muitos autores chamam a força de atrito entre as rodas motrizes e a via de força de

aderência, isso é apenas uma nomenclatura diferente para a força de atrito estático, o qual é

necessária para tracionar e frenar o trem.

A força de aderência é primordial para a segurança e controle de operação do trem,

pois é com ela que se determina a velocidade máxima de operação ao longo da VP.


“O esforço do motor, em regime de tração, não pode ser maior que a força de

aderência, se isso ocorrer, o limite de aderência é superado e as rodas começam a

centrifugar, isto é, a velocidade periférica das rodas torna-se maior que a velocidade

do trem. Esse fenômeno chama-se de patinagem. ”

Porém, o inverso também acontece, em regime de frenagem se o limite de aderência

for superado as rodas começam a deslizar, isso acontece pelo fato de que a velocidade periférica

da roda se torna menor que a velocidade do trem.

A equação da força de aderência é descrita abaixo:

Fad = µ.Pad.cosθ (2.21)

Tendo µ como coeficiente de aderência (ou coeficiente de atrito estático), e Pad que

é chamado de peso de aderência, que nada mais é que o peso total sobre os eixos motrizes, é

importante salientar que o TUE é igualmente distribuído entre seus eixos e para um cálculo do

seu peso aderente, é necessário desprezar os desequilíbrios causados pela VP.

Portanto, para uma trajetória segura, o esforço do motor do trem deve ser menor

que a força de aderência (força de atrito estático), para que não haja nem escorregamento nem

descarrilamento.

2.7 Ciclo de tração

O ciclo de tração do motor é o ponto chave para o cálculo futuro do consumo de

energia e uma possível eficiência energética. Foi calculado todas as resistências associadas ao

36

movimento para poder ser feito o gráfico do ciclo de tração, mostrando momentos importantes,

como a frenagem, aceleração, solavanco, partida, aclive, declive, curvas.

Para o começo do ciclo de tração, deve-se lembrar que para a partida o esforço do

motor deve ser maior que todas as resistências e menor que a força de aderência, como será

mostrado na equação 2.22:

Fm – (rMPT + Ri + Rc + Ff) = m’.a (2.22)

Tendo em vista que tirando as resistências normais (rmpt), as resistências

suplementares, como Ri (Resistência ao movimento na inclinação), Rc (Resistência ao

movimento nas curvas), Ff (Resistência à frenagem) são forças variáveis, ou seja, acontecem

em um determinado período e depois se anulam.

Segundo Pires (2013), temos o seguinte ciclo de tração para o movimento do trem

incluindo todas as variáveis durante o ciclo de tração:

Figura 2.7: Comportamento de todas as variáveis durante o ciclo de tração.

Fonte: Pires (2013)

37

Tabela 2.3 Comportamento de todas as variáveis durante o ciclo de tração.

Variável Positivo Nulo Negativo

Fm Partida e intermédio Parada Frenagem

rmpt Sempre Não existe Não existe

Ri Regiões de subidas Região Plana Regiões de descida

Rc Curvas Reta Não existe

Ff Frenagem ou Freagem Em todo o ciclo de

tração exceto na

frenagem

Não existe

Fu (Esforço

útil)

Partida e intermédio Regime e parada Deslizamento e

frenagem å (aceleração de solavanco) Transições de acelerações Em todos os

regimes, menos nas

transições de

aceleração

Deslizamento e

frenagem

a Partida e intermédio Regime e parada Deslizamento e

frenagem

V

(Velocidade)

Em todo o ciclo de tração,

exceto na parada

Parada Não existe

Fonte: Pires (2013)

O início do ciclo de tração é estabelecido no momento de partida do trem, que

acontece quando o esforço do motor vence todas as resistências normais e suplementares e

assim iniciando o movimento, antes do trem entrar em regime de aceleração, acontece um efeito

de aceleração de solavanco, que acontece nessas zonas de transição de aceleração ou frenagem.

Com o aumento da aceleração linear, a velocidade do trem aumenta.

A segunda fase do ciclo de tração da figura 2.5 é chamada de intermédio, segundo

(Toledo et al., 1987), ela é iniciada quando a velocidade de rotação nominal dos motores é

superada, ou seja, a potência desenvolvida pelo trem é constante e passará a limitar a aceleração.

A terceira fase do ciclo de tração é chamada de regime, como o próprio nome diz a

velocidade entra em regime constante e a aceleração é nula. A relação entre o esforço motor e

resistências também é constante.

A quarta fase do ciclo de tração é chamada de deslizamento, o deslizamento

acontece em algumas linhas de trem com o intuito de economizar energia, e é quando o os

38

motores de tração são desligados e apenas as resistências atuam no trem, ele entra em um “ponto

morto”, decrescendo a velocidade até um ponto desejado ou até uma nova aceleração.

A quinta fase do ciclo de tração é chamada de frenagem ou freagem, a frenagem é

uma intervenção física, elétrica ou mecânica, que acontece por meio de uma desaceleração total

ou parcial do trem, é importante lembrar que a frenagem inicia com uma desaceleração ou seja

possui também uma desaceleração de solavanco.

A sexta e última fase do ciclo de tração é chamada de parada, a parada é

consequência de uma frenagem total, afim de zerar o esforço do motor e a velocidade total.

Lembrando que o gráfico da figura 2.7, é velocidade sobre o tempo, e por definição,

toda a área abaixo da curva de velocidade é a distância percorrida pelo trem.

2.8 Consumo e conservação de energia

O consumo e conservação de energia estão inteiramente ligadas, pois o consumo é

variável, depende da distância, da velocidade, do trabalho, e da massa total do trem durante o

trajeto, lembrando que quando o trem está cheio de passageiros o consumo é maior.

Segundo Pires (2013), o consumo médio de um metrô é compreendido entre 180 a

396 kJ/t.km, percebe-se que esse valor já está em watts.hora.

Agora no aspecto de conservação de energia, para o menor consumo possível de

energia o projeto de VP é de suma importância, pois quanto menor o número de resistências

suplementares e mais plano for o trajeto, menor será o consumo de energia.

A periodicidade de viagens entre estações também é muito importante, pois quanto

menor o número de passageiros por vagão, menor será o peso e por fim menor será o consumo

de energia.

Inicialmente o metrô elétrico tem um preço de implantação maior, porém como a

energia do transporte é limpa e mais barata que o diesel por exemplo, ele torna-se um

investimento a longo prazo muito melhor que trens a diesel.

Uma manutenção preditiva, preventiva e corretiva bem-feitas e periódicas fazem

com quem mau funcionamento torne-se incomum e assim maximizando o rendimento da

operação, vale lembrar que a manutenção vai desde a subestação de tração, até o nivelamento

do trilho.

A frenagem regenerativa também é uma forma de aumentar eficiência energética,

onde ela será falada mais afrente quando for descrito o motor de indução trifásico, o qual

traciona o trem.

39

CAPÍTULO 3

SUBESTAÇÃO DE TRAÇÃO

O suprimento de energia provém da rede pública de distribuição (Enel), que

alimenta em alta tensão (69kV – Corrente Alternada) as subestações de tração do sistema

metroviário do Ceará, que por sua vez, retificam a tensão para 3kV – Corrente Contínua,

alimentando toda a rede aérea.

O sistema de tração elétrico é composto por 3 subestações, Pajuçara, Vila Pery e

Benfica, as quais alimentam uma rede de tração (catenária) de 48,2 km (2 vias de 24,1km),

dotado de um sistema totalmente integrado, ou seja, capaz de suprir a falta de alguma SE.

Todo o sistema de rede aérea é alimentado pelas 3 subestações de tração, em

Pajuçara e Vila Pery são encontrados 2 trafos de 3.3 MVA em cada uma delas e em Benfica

apenas 1 trafo de 3.3 MVA, totalizando 5 trafos de 3.3 MVA que alimentam todo o sistema de

tração elétrica do metrô de Fortaleza.

A subestação em sua concepção é bem parecida com as SE de distribuição normal,

a grande diferença está no sistema de retificação, chamado de ponte dupla de Graetz (retificador

de doze pulsos), onde será explicado no tópico 3.1.

Toda a proteção associada à SE também é semelhante a uma SE de distribuição

comum, o esquema de ligação e disposições dos equipamentos serão discutidos no tópico 3.3.

3.1 Retificador em dupla ponte de Graetz ( retificador de doze pulsos)

A grande diferença de uma SE de distribuição normal e a SE de tração do

METROFOR é na zona de retificação, o retificador de doze pulsos é dotado de um

transformador com 3 enrolamentos, onde no primário tem-se uma ligação em estrela, no

secundário uma ligação em estrela e no terciário uma ligação em delta. O secundário e o

terciário do transformador são ligados em um retificador trifásico, esse tipo de conexão provê

uma tensão de oscilação de 1,02% (ripple), como mostrado na figura 3.1.

40

Figura 3.1 – Retificador de doze pulsos.

Fonte: Senai <http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAcpgAF/retificaror-hexafasico-ponte-

retificador-12-pulsos#> Acesso em janeiro de 2018.

Como visto na figura 3.1, uma das pontes é ligada em Y-Y e a outra ponte é ligada

em Y-Δ, o propósito da ligação em Y-Δ é promover um deslocamento de fase em 30° entre a

fonte e a ponte. Sabe-se que as saídas das duas pontes são iguais, porém agora deslocadas em

30°. A tensão de saída total (Vo) é a soma das duas saídas das pontes.

Antes de se iniciar qualquer equacionamento de tensão de pico, deve-se saber a

tensão eficaz no secundário e terciário do transformador, que é:

Veficaz no secundário e terciário: 1277V (Dado de placa do transformador)

Onde:

Vpico = √ .Veficaz (3.1)

Para o cálculo da tensão de saída do retificador (Vo), foi feito o seguinte

equacionamento:

Vo = Vry + Vrd, onde: (3.2)

Vo é a tensão de pico total, Vry é a tensão de pico do retificador de onda completa

do lado secundário (ligação em estrela), Vrd é a tensão de pico do retificador de onda completa

do lado terciário (ligação em delta).

Desenvolvendo a equação 3.2, tem-se:

Vo = .𝑉 . 𝛼𝜋 +

.𝑉 . 𝛼𝜋 (3.3)

Vo = .√ .𝑉 𝑖 𝑎𝑧. 𝛼𝜋 (3.4)

41

Vale ressaltar o valor de 𝛼, como dito anteriormente, a ligação em delta introduz

um deslocamento natural em 30° entre a fonte e a ponte, porém o pico na saída do retificador

de doze pulsos ocorre no meio entre os picos alternados dos conversores em Y-Y e em Y-Δ, ou

seja 15°.

Logo,

Vo = .√ . . °𝜋 (3.5)

Vo = 3331,58 V (3.6)

Esse valor Vo, é a tensão de pico máxima a vazio da linha de contato (catenária)

que alimenta o trem, porém, com o passar do tempo, como há variações de alimentação por

parte da Enel (empresa distribuidora de energia), e as condições iniciais dos transformadores

não são mais as mesmas esse valor é variável para mais ou para menos. Dependendo do número

de TUE’s no percurso, e dependendo se os TUE’s estiverem acelerando ou frenando esse valor

também muda, vale ressaltar que manutenções periódicas confirmam valores próximos a esse.

3.1.1 Fator de potência

O elevado fator de potência e a baixa produção de harmônicas são as principais

vantagens para a escolha desse tipo de retificador.

Segundo Pires (2013), o fator de potência é calculado da seguinte forma:

FP = 𝑉𝑜 𝑜√ 8+√6 ∗ 𝜋.𝑉𝑜 𝑜 = √ 8+√6 ∗ 𝜋 = 0,9886 (3.7)

Onde Vo foi mostrado em 3.6, e Io é a corrente da linha de contato (catenária).

Esse elevado fator de potência, ajuda em possíveis cobranças de multas por

excedentes reativos, melhora o aproveitamento da energia elétrica consumida para a geração do

trabalho útil, diminui o nível de oscilações do sistema (variação de tensão), os equipamentos

são melhores aproveitados (maximizando o rendimento), com isso, aumenta-se também a vida

útil dos equipamentos.

42

3.1.2 Formas de onda da saída do retificador, da corrente na fase A e da taxa de distorção

harmônica

Na figura 3.2 temos os 12 pulsos de saídas obtidos pelo retificador da subestação

retificadora, a tensão de pico foi obtida em 3.6.

Figura 3.2 – Retificador trifásico de doze pulsos.

Fonte: O próprio autor

Foi analisada a corrente em uma das fases de entrada, e pode ser observada que a

corrente se assemelhou a uma senoide, porém deformada, isso causa uma presença de

harmônicos no sistema.

Figura 3.3 – Forma de onda da corrente na fase A.


43

Foi observado o espectro da mesma no domínio da frequência, bem como sua Taxa

de Distorção Harmônica, pode-se perceber que no retificador de 12 pulsos, teremos a 1°

harmônica, depois a 11° e depois a 13°.

Figura 3.4 – Espectro de harmônicas de entrada.


Mesmo que o sistema produza poucas harmônicas, e que seu fator de potência seja

elevado, a falta de proteção entre o transformador de três enrolamentos e o retificador de doze

pulsos, fez com que, o projetista associasse a cada diodo um circuito snubber, o qual será falado

em 3.1.4, essa falta de proteção pode ser observada no anexo [I].

3.1.3 Composição física

Como visto no anexo [1], o transformador é de três enrolamentos e a relação de

transformação é de 69kV–1,277kV–1,277kV, sua potência é de 3.3MVA e o enrolamento em

delta (terciário) alimenta uma subestação auxiliar, responsável pela alimentação do banco de

baterias, sistema elétrico de baixa tensão da subestação e painéis de comando e controle.

44

Figura 3.5 –Transformador especial de três enrolamentos da SE Benfica.

Fonte: Próprio autor

O retificador trifásico é constituído por semicondutores de silício (Diodos), os

quais, trouxeram muitas vantagens, como:

Grande simplicidade na forma de ligação

Diminuição do preço da construção

Gastos reduzidos com manutenção

Grande rendimento de conversão

Ao diodo, está associado a um capacitor e um resistor, o qual será visto no tópico

3.1.3 o seu funcionamento, esse circuito é chamado de snubber.

Na subestação de tração, após os retificadores, é possível notar um cubículo de

proteção, o qual protege toda a rede aérea de qualquer variação anormal do sistema, onde será

falado em 3.1.5.

45

3.1.4 Circuito Snubber

Para a proteção do diodo foi colocado um circuito snubber associado.

Figura 3.6 – Retificador da subestação de tração Benfica.


Ao analisar a figura 3.6, se percebe um capacitor em paralelo com o diodo, esse

capacitor faz parte de um circuito snubber, o qual tem o objetivo de reduzir as perdas de

desligamento e promover a proteção contra sobretensões prevenindo um comportamento

indesejado, resguardando assim sua rede de alimentação (catenária) e seu semicondutor de

silício (diodo).

Há vários tipos de circuitos snubbers (passivo, ativo, dissipativo, regenerativo),

porém, como foi utilizado semicondutores de silício (Diodos), a classificação desse snubber é

dita como passivo, na figura 3.7 vemos como se dá a ligação do circuito snubber em uma das

pontes do retificador.

46

Figura 3.7 Snubber Passivo.

Fonte: < https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=1468625> Acesso em janeiro de

2018

Onde, Cs (capacitor snubber), Rs (resistor snubber), 1,2,3,4,5,6 são os

semicondutores de silício (diodos), Van, Vbn, Vcn são as fases defasadas em 120° formando a

alimentação trifásica, Lϭ é o valor da indutância de dispersão do transformador e id é a fonte de

corrente gerada pelo sistema de onda completa.

O circuito snubber atua quando há o desligamento e ligamento do diodo, como será

descrito abaixo:

Desligamento do diodo: A corrente que fluía pelo diodo é desviada para o

capacitor snubber (Cs) através do resistor snubber (Rs), até o capacitor carregar, com a

finalidade de amortecer a oscilação, controlar a taxa de variação da tensão e ou corrente, e

impedir sobretensões, com uma menor dissipação de potência média e menores picos de tensão,

protegendo assim o diodo de possíveis oscilações ou harmônicas indesejáveis.

Ligamento do diodo: Quando houver o ligamento do diodo, o capacitor estará

carregado, e com o livre caminho agora pelo diodo, a energia armazenada pelo capacitor é

dissipada no resistor em forma de calor.

Para o cálculo da capacitância Snubber (Csnubber), é recomendado utilizar

capacitores com tensão 70% maior que a tensão nominal do circuito, calculada em 3.6.

Csnubber = .𝐿 (3.8)

Onde, trr é o tempo de recuperação reversa do diodo (tempo de não condução para

o de condução) e Lc é a indutância de dispersão do transformador de alimentação (dado de

placa).

47

3.1.5 Cubículo de proteção

O cubículo de proteção da linha de contato (catenária), fica a jusante do retificador

de doze pulsos, ou seja, fica no lado de corrente contínua do sistema, será mostrado na figura

3.10 a posição do cubículo de proteção através de um diagrama de blocos.

Esse cubículo tem 3 funções, monitorar, seccionar e proteger a rede aérea.

Ao ligar a rede aérea, o cubículo é dotado de um teste de linha, o qual introduz 3

pulsos eletromagnéticos afim de testar possíveis anomalias na rede, como cabos partidos ou

curtos circuitos.

Depois do teste de linha ser aprovado, a rede aérea é ligada e monitorada por esse

cubículo, através de supervisores de tensão, com a função de operar em possíveis sobrelevações

e subtensões do sistema, a faixa de operação está compreendia entre 2600V e 3900V.

Durante a manutenção, o cubículo também possui um papel importante, pois é ele

que faz o seccionamento entre a catenária e a subestação, e permite um “by-pass” da catenária,

ou seja, o trecho será alimentado pelas outras subestações, garantindo assim a integração entre

as subestações.

O fato da linha ser em corrente contínua, requer uma precaução maior, pois o curto

circuito em corrente contínua tem uma intensidade maior que o curto em corrente alternada (a

falta de reatância indutiva faz com que a impedância seja menor, aumentando a corrente de

curto), fazendo com que o sistema de disjunção seja mais robusto e preciso.

Figura 3.8 Disjuntor de proteção da rede aérea.


48

Figura 3.9 Controle e comando do cubículo de proteção.


Figura 3.10 Diagrama de blocos da posição do cubículo de proteção


3.1.6 Cabine de seccionamento e de paralelismo

Existem no total 4 cabines de seccionamento e paralelismo, onde estão localizadas

exatamente entre as subestações retificadoras, o fato de ser chamada de paralelismo é por conta

que essa prática reduz as quedas de tensão da linha de contato através da resistência global da

linha de contato e ser chamada de seccionamento é o fato dessas cabines possuírem a função de

seccionar trechos da via para a manutenção.


“É muito importante distinguir cabines de paralelismo de cabines de seccionamentos.

A função da cabine de paralelismo é a alimentação dos trens, enquanto a cabine de

seccionamento é destinada a interromper o fornecimento de energia em uma parte

reduzida da linha de contato entre duas subestações no caso da abertura de um

disjuntor da subestação. ”

Para a manutenção, essa cabine é de extrema importância, pois abrindo suas chaves

secionadoras é possível isolar o trecho.

As cabines seccionadoras, assim como os cubículos de proteção, são dotadas de um

49

sistema de “by-pass”, então, caso a manutenção seja na subestação de tração, as outras

subestações conseguirão fornecer energia para toda a catenária, tendo que reduzir apenas a

quantidade de trens em operação (carga).

O paralelismo criado por essas cabines é de extrema importância, pois são eles

criam uma melhor distribuição de circulação de corrente, reduz as resistências equivalentes do

fio de contato e diminuindo assim as quedas de tensão da catenária.

Será mostrado a localização e a composição exata da cabine de seccionamento e

paralelismo na figura 3.11 do tópico 3.3.

3.2 Critério de quantidade e localização das SE de tração

O Metrofor é dotado de 48,2 km de linha de contato (catenária), e possui 3 SE de

tração, as quais possuem critério para a localização e potência instalada.

Afim de gerar uma eficiência energética, minimizar as quedas de tensões ao longo

da linha e diminuir o custo das instalações, a localização das SE de tração deve ser bem

estudada.

Algumas recomendações podem ser tomadas com relação à localização, a primeira

é que durante do ciclo de tração, visto na figura 2.7, é possível notar que durante a partida que

o trem necessita da potência máxima, e por conta disso as subestações de tração se localizariam

nas proximidades das estações, onde ocorreriam a maior frequência da partida de trens,

reduzindo assim o percurso para alimentar o motor de tração e com isso diminuindo uma

possível queda de tensão, tendo assim uma melhor eficiência energética, porém, essa

recomendação não é aplicável ao sistema metroviário, visto que, o trem possui números iguais

de partida.

A segunda recomendação é fazer um estudo de caso e descobrir quais estações há

o maior número de trânsito de pessoas, pois como visto na equação 2.22, a massa do trem

interfere no esforço do motor e quanto maior o esforço do motor para a partida, maior a

demanda de energia. Com isso, não necessariamente é escolhido trechos uniformes, e sim

trechos com uma demanda maior de passageiros.

Segundo Pires (2013), o número de subestações necessárias para alimentar toda a

linha é obtido através da fórmula abaixo:

nse = 𝑃𝑃 (3.8)

Onde, nse é o número de subestações, nt é o número de trens que foram projetados

50

para rodar no trecho, Pel (potência elétrica desenvolvida pelo trem) que foi demonstrada em

2.18 e Pd é a potência na linha de contato.

3.3 Esquema de ligação da subestação de tração

O esquema de ligação da subestação de tração, e como está disposta a rede aérea de

tração, está exposto a figura 3.11. Nela é possível analisar também como está disposto o sistema

de “by-pass”, utilizado no cubículo de proteção e nas cabines de seccionamento e paralelismo.

O sistema de “by-pass” é utilizado durante a manutenção das subestações de tração,

permitindo que o sistema de catenária seja alimentado pelas outras subestações de tração,

isolando o sistema que estiver em manutenção e promovendo a integração do sistema.

É possível notar também nesse esquema de ligação, que as cabines de

seccionamento e paralelismo estão sempre entre as subestações de tração, fazendo uma proteção

redundante importante na rede aérea, promove também um possível seccionamento do trecho

da via ou subestação de tração, com a finalidade de não parar a operação dos trens durante a

manutenção.

Nesse esquema da figura 3.11 é possível notar a localização de todos os trafos e

cabines de seccionamento e paralelismo assim como a disposição das subestações de tração, as

quais, atuam em paralelo.

51

Figura 3.11 Disposição das subesteções de tração e cabines de seccionamento e paralelismo.

Fonte: O próprio Autor

52

CAPÍTULO 4

REDE AÉREA DE TRAÇÃO ELÉTRICA

A rede aérea de tração elétrica é muito importante para o funcionamento do TUE,

pois é através do contato entre o pantógrafo e a catenária que o motor terá energia suficiente

para tracionar todo o trem.

Foi visto no capítulo 02, dinâmica do movimento, que o esforço do motor relativo

ao movimento é variável, pois as forças resistentes associadas variam durante o trajeto, e para

vencer o somatório dessas resistências a rede de tração tem que ser projetada de forma a atender

toda demanda requisitada.

Há várias formas de alimentar eletricamente o trem, no caso do Metrofor, são

utilizadas duas formas, catenária e catenária rígida, as quais serão discutidas nos tópicos 4.3.1

e 4.3.2 respectivamente.

4.1 Função da rede aérea de tração elétrica

A rede aérea é um fio de contato eletrificado montado a uma altura acima dos trens

por toda a VP (via permanente) e tem como objetivo suprir toda demanda energética do trem

de forma confiável, segura e ininterrupta.

Para a rede elétrica obter a máxima eficiência, o contato entre o pantógrafo e a linha

de contato deve ser contínuo, invariante e ser capaz também de receber continuamente a energia

regenerativa da frenagem elétrica, onde será falada no capítulo 05.

Para a operação, a rede aérea é dotada de um sistema de detecção de falhas de

alimentação (teste de linha), o qual foi falado no tópico 3.1.4, e há também a possibilidade de

seccionar trechos para a manutenção, como dito em 4.3.2.2, não precisando desernergizar toda

a linha de tração.

Por motivos de segurança, a rede aérea é o único tipo de linha de contato permitida

para operações nas tensões acima de 1500V, Pires (2013).

53

4.2 Escolha do sistema de alimentação CC

Para a escolha do sistema de alimentação do trem, é necessário fazer um estudo

técnico-econômico afim de escolher um sistema que melhor se encaixe em suas pretensões e

que tenha um melhor custo benefício.

A escolha da direção do METROFOR foi utilizar o sistema em CC, em um nível

de tensão de 3kV, pelo menos na linha Sul, já na linha Leste, que ainda será construída, estuda-

se um nível de tensão de 1,5kV-CC.

Para a utilização do sistema em corrente contínua, é necessário a utilização de

subestações retificadoras, as quais foram faladas no capítulo 03.

A grande vantagem em se utilizar uma alta tensão em corrente contínua, se dá

através da economia gerada em sua rede de transmissão, pois utiliza-se menor seção e

quantidade de cabos e por conta disso, todo o suporte da linha de contato acaba sendo reduzido.

A escolha do sistema requer algumas precauções acerca da sua proteção, veremos

a frente que durante a frenagem elétrica (regenerativa) é elevada a tensão da linha e o cubículo

de proteção visto em 3.1.4 atua em uma zona de proteção como descrita abaixo:

Segundo a norma EN50163, os níveis de tensão recomendados pela catenária são

de:

Tabela 4.1 Faixa de atuação da tensão na catenária.

Menor tensão

Permanente

Tensão Nominal Maior tensão

permanente

Maior tensão não

permanente

2000V 3000V 3600V 3900V

Fonte: EN50163

Porém, como falado em 3.1.4, o ajuste realizado pelos profissionais de manutenção

no relé de proteção da catenária, compreende-se entre 2600V e 3900V.

4.3 Estrutura física da rede aérea

A linha de contato precisa de todo um suporte para permanecer rígida e para que o

contato entre a linha e o pantógrafo seja o mais eficiente possível. O contato pantógrafo e

catenária é sinuoso, pois se o contato fosse fixo, desgastaria mais o carbono existente no

material do pantógrafo, e com o caminho sinuoso o pantógrafo se desgastará por igual.

54

No caso do Metrofor, duas formas de alimentação são utilizadas, a catenária

autocompensada e a catenária rígida, as quais serão faladas em 4.3.2 e 4.3.3 respectivamente,

nas duas formas o contato entre pantógrafo e fio de contato são utilizados.

4.3.1 Pantógrafo

O pantógrafo utilizado nas linhas do Metrô de Fortaleza, são os pantógrafos

assimétricos de forma em Z, e tem a função de alimentar os circuitos de tração do trem, circuito

de iluminação e condicionadores de ar, através do contato com o fio de contato.

O pantógrafo deve exercer uma pressão suficiente para manter um bom contato ao

longo de todo o percurso.

Figura 4.1 Pantógrafo assimétrico de forma em Z.

Fonte: CPTM

Na figura 4.1, é possível notar alguns importantes componentes para que o

pantógrafo trabalhe de forma ininterrupta.

Os isoladores têm o papel importante de não deixar a corrente fluir pela carcaça do

trem, evitando assim, possíveis acidentes por tensão de toque e passo.

As molas de trabalho têm a função de tencionar a lâmina do pantógrafo com a linha

de contato, dependendo do trajeto ela levanta o pantógrafo, ou ela baixa o pantógrafo.

O pantógrafo é de forma em Z para facilitar a regulação da sua altura, e como a

55

catenária é autocompensada, onde será falado em 4.3.2, ele precisa dessa flexibilidade.

A lâmina do pantógrafo tem a função de capitar a corrente do fio do contato e ser o

elo de ligação entre a rede aérea e o acionamento do motor, constituída de grafite, a lâmina de

grafite possui uma vida útil, pois o contato com o fio de contato desgasta a lâmina.

Figura 4.2 Composição do fio de contato e pantógrafo.

Fonte: Adaptação de CPTM

Quando o grafite do fio de contato desgastar cerca de 8.5mm ele deve ser trocado,

será visto em 4.3.2.1, o pantógrafo também necessita de troca do grafite quando sua espessura

é reduzida em cerca de 10mm.

Há várias formas de reduzir o desgaste de contato, e o utilizado no metrô de

Fortaleza é utilizar um trajeto sinuoso, para que o contato entre o pantógrafo e fio de contato

varie de posição.

No metrô de Fortaleza a composição possui 2 pantógrafos, isso acontece por conta

de uma adaptação que houve na época da implantação, entretanto os 2 pantógrafos alimentam

igualmente os circuitos de acionamento, ou seja, os 6 motores por trem são alimentados

igualmente, no total são 12 motores alimentados por esse sistema.

4.3.2 Catenária autocompensada

Para que se tenha uma boa captação de energia pelo trem, deve-se manter um

contato permanente entre a catenária e o pantógrafo, em qualquer velocidade de operação, ao

longo de todo o trajeto.

O propósito de suspender a catenária é de poder facilitar o contato entre o fio de

contato e o pantógrafo, pois pode-se controlar o ajuste dela de várias formas e também pode-se

controlar a sinuosidade do trajeto.

56

Na figura 4.3, a qual mostra com detalhes o suporte da catenária.

Figura 4.3 Suporte da linha de contato.

Fonte: Costa (2009)

Cada item da figura 4.3 é de suma importância para a excelência do movimento, e

serão especificados abaixo:

Tirante (1): Barra de apoio para o cabo de suporte, como o fio de contato tem um

caminho sinuoso, os tirantes possuem tamanhos diferentes ao longo da linha e apoiam o cabo

mensageiro.

Tubo da Consola (2): proporciona um comportamento dinâmico mais harmonioso

e estável, com a vantagem de regular a estabilidade da catenária.

Antibalançante (3): tem a função de estabilizar contra possíveis ações do vento.

Braço de chamada (4): está conectado ao antibalançante e possui a função de

estabilizar o fio de contato e deixa-lo na posição desejada, a mudança de ângulo entre o braço

de chamada e a catenária é que faz com que o trajeto se torne sinuoso.

Pêndulo rígido (5): possui uma propriedade de ação rápida contra uma possível

instabilidade do sistema.

Isolador de porcelana (6): serve para isolar a viga do contato com partes

energizadas, porém, como o isolador tem um tempo de vida útil, a viga de apoio encontra-se

também solidamente aterrada.

Viga (7): apoio do sistema de tração elétrico, dispostas ao longo de toda rede aérea,

todas as vigas são solidamente aterradas, são comumente constituídas de vigas metálicas H ou

postes de concreto.

57

Cabo de suporte (mensageiro) (8): os cabos de suporte ou cabos mensageiros são

diretamente ligados pela subestação, e são eles que fazem a armação da linha na forma de

catenária, estão localizados na ponta do tirante.

Fio de contato (9): o fio de contato é o responsável pela alimentação do acionamento

dos motores, seu contato com o pantógrafo tem que ser ininterrupto, invariante e por todo o

trajeto, no metrô de Fortaleza adota-se 2 fios de contato em paralelo, afim de diminuir a seção

do cabo utilizado e diminuir os esforços mecânicos gerados, estão localizados abaixo do braço

de chamada.

Com o passar do tempo, o fio de contato vai criando flechas (curvaturas), seja por

conta do desgaste natural com o pantógrafo, dilação térmica, agentes externos ou afrouxamento

de parafusos do suporte da linha.

Para ajustar o fio de contato e criar uma zona de linearidade ao longo da linha,

evitando possíveis fechas, a rede aérea é dotada de um sistema mecânico de contrapeso e

roldana ligado ao cabo de suporte afim de ajustar o fio de contato para a posição ideal, por conta

desses contrapesos e roldanas, esse tipo de catenária é chamada de autocompensada, onde será

visto na figura 4.4.

Figura 4.4 Contrapesos e roldanas da catenária.


58

Nos sistemas em corrente contínua, principalmente naqueles cuja a tensão nominal

é de 3000V, que é o caso do metrô de Fortaleza, como há grande demanda de potência foi

utilizado dois fios de contato em paralelo.

Esse segundo cabo, chamado de cabo mensageiro, é aplicado em paralelo ao fio de

contato e tem duas funções, a primeira é criar um paralelismo com o fio de contato afim de

diminuir a seção do cabo, diminuindo assim os esforços mecânicos, e a outra é dar um suporte

ao fio de contato.

Figura 4.5 Desenho da catenária.

Fonte: Pires (2006)

O suspensório pode ou não conduzir corrente, eles conduzem corrente apenas em

aplicações onde a corrente de curto circuito é muito alta, quando isso não acontece, o

paralelismo entre o cabo mensageiro e o fio de contato é suprido pela ligação entre eles por um

outro cabo, como será apresentado na figura 4.6.

Figura 4.6 Ligação elétrica entre o cabo mensageiro e o fio de contato.


59

4.3.2.1 Fio de contato

O fio de contato no metrô de Fortaleza é alimentado pelo cabo mensageiro, como

visto na figura 4.6, porém, o fio de contato é colocado em paralelo com outro fio de seção

semelhante, o qual tem a função de aumentar o suporte, melhorar o contato com o pantógrafo

e na soma das seções ter uma seção de cabo maior, diminuindo a queda de tensão e o esforço

mecânico.

Como o contato entre o fio de contato e o pantógrafo é físico, segundo a NBR 13886

o fio de contato necessita ser trocado quando a sua espessura reduz em 8.5 mm.

O fio de contato, é dotado de entradas os quais ajudam no suporte com o suspensório

e no suporte da catenária rígida, onde será falada em 4.3.3.

Sabe-se que a seção do cabo é determinada pela quantidade de corrente que é

utilizada no sistema, ou seja, quanto maior o número de trens na via, maior a seção necessária

para alimentá-los.

Será mostrado na figura 4.7 como é a seção do fio de contato com suas dimensões.

Figura 4.7 – Seção transversal do fio de contato.

Fonte: Pires (2006)

60

Como no metrô de Fortaleza são utilizados dois cabos de 107 mm2, segundo a NBR

13886, temos os seguintes valores para os fios de contato:

Tabela 4.2 Dimensões do fio de contato.

Dimensões dos fios de contato (mm)

Área da

seção

transversal

(mm2)

a b c d r

107 6,35 9,55 4,00 14,50 0,39

Fonte: NBR 13886

4.3.2.2 Seccionadores de Via

A chave seccionadora de via não se difere de uma chave seccionadora normal, ou

seja, ela destina-se para a abertura, fechamento e transferência das ligações de um circuito

elétrico sem carga, pois, diferente dos disjuntores, não possuem método de ruptura de arco

elétrico.

Tem o objetivo de isolar, através do seccionamento, partes da rede aérea por

quaisquer necessidades operativas de manutenção.

Localizam-se próximas às subestações de tração, integradas com os cubículos de

proteção, onde foi falado em 3.1.5, com o intuito de seccionar trechos da via.

Figura 4.8 Chave seccionadora de rede aérea.

Fonte: Catálogo Sigma (2018)

61

A chave seccionadora de via é composta de 2 colunas de isoladores por polo, onde

pode ser montada no sentido horizontal, vertical ou invertida, a abertura dela é de forma vertical

e seu acionamento é direto, a haste de acionamento é isolada, a instalação é externa e o contato

de transferência é fixo nos terminais.

Como a via tem uma extensão muito grande, há necessidade de se propor uma

proteção contra descargas atmosféricas, e as chaves seccionadoras fazem esse trabalho, proteger

as subestações de tração. Será mostrado abaixo as especificações da chave seccionadora:

Tensão nominal: 750 a 3000 Vcc

Corrente nominal: 500 à 6000A

Corrente de curto circuito: 50kA a 120 kA

Atuação em sobrecarga: 1,2In (2 horas), 2,4In (1 minuto)

Na figura 4.9 é possível ver a aplicação real de uma chave seccionadora próxima a

subestação do Benfica, durante a manutenção, é aplicado uma vara a qual conecta a chave à

terra, com o intuito de descarregar toda a tensão armazenada na capacitância gerada pela terra

e o fio de contato (carga residual causada pelas interações eletromagnéticas).

Figura 4.9 Seccionadores de rede aérea.

Fonte: Próprio Autor

62

4.3.3 Catenária Rígida

A forma de aplicar a catenária muda de acordo com o local de utilização. Uma rede

aérea dotada de uma catenária autocompensada é normalmente aplicada em locais abertos e

demandam um espaço muito grande para a aplicação.

O metrô de Fortaleza tem um trajeto subterrâneo de 3,9 km, ou seja, a aplicação de

uma catenária autocompensada dentro do túnel seria algo impensável e economicamente

inviável.

Por conta disso, é aplicado dentro do túnel uma catenária rígida, a qual é fixada no

teto do túnel a uma altura menor que a catenária autocompensada, isso implicará diretamente

no sistema de molas do pantógrafo que será ainda mais exigido dentro do túnel.

O fio de contato é montado em um suporte, como mostrado na figura 4.10,

normalmente de alumínio com o fio de contato de cobre. Esse tipo de aplicação gera um menor

gasto comparado a aplicação de rede aéreas autocompensadas.

Figura 4.10 Catenária rígida.

Fonte: Pires (2006)

4.4 Circuito de retorno

Na maioria dos sistemas de tração elétrica metro ferroviária, os trilhos de rolagem

são utilizados como condutores de retorno tanto em corrente contínua quanto em corrente

alternada e devem então estar ligados às subestações, Pires (2013).

A corrente de tração sai das subestações para percorrer o fio de contato onde

alimenta o trem e essa corrente retorna pelos trilhos para a subestação.

63

Figura 4.11 Circuito de Retorno.

Fonte: Pires (2006)

Na figura 4.11 pode-se tirar um resumo do circuito de retorno, inicialmente a

corrente Id (corrente da linha de contato), sai da subestação retificadora com a função de

alimentar o circuito de tração do trem, It é a corrente que é utilizada na tração de um trem, como

visto na figura 4.11, o trilho faz o papel do negativo no sistema e é onde circula a corrente de

retorno Irt, essa corrente de retorno volta para o aterramento da subestação e usa o trilho como

seu condutor, porém, como o trilho não é totalmente isolado do solo, e seus conectores são

eletricamente falhos, parte da corrente acaba indo para o solo, essa corrente é chamada de

corrente de fuga (Ift).

Para a proteção dos passageiros e operadores do metrô de Fortaleza, em cada

estação é utilizado um cubículo de aterramento, o qual possui um relé supervisor de tensão que

monitora o nível de tensão no trilho do trem, se o trilho do trem passar de 72V ele aciona um

sistema de aterramento do trilho, zerando então a tensão no trilho e a corrente de retorno.

Na figura 4.12, é mostrado todo o sistema de comando e controle do aterramento

das estações e na figura 4.13 é mostrado a chave de aterramento, que atua com o comando do

relé.

64

Figura 4.12 – Quadro de comando e controle de tensão do trilho.


Figura 4.12 – Chave de aterramento das estações.


65

4.4.1 Corrosão eletrolítica causada pela corrente de fuga (Ift)

Em relação ao movimento do trem, essas correntes de fugas são mais

preponderantes ao redor do trem durante o movimento, e como os trilhos não são totalmente

isolados da terra uma parte da corrente de tração vai para o solo, dependendo do sistema de

alimentação do trem, a corrente de fuga pode chegar a até 50% do valor da corrente de tração,

então a corrente de fuga não pode ser desprezada.

Mas quais problemas podem ser causados por essa corrente contínua no solo?

A eletricidade busca sempre uma zona de menor impedância para continuar e

possíveis tubulações metálicas podem estar perto dos trilhos do trem, não obedecendo a

distância mínima estabelecida pela NBR 15938:2016 que regula uma distância mínima de

1,50m entre tubulações metálicas e o trilho eletrificado de trens, e que a travessia de tubulações

metálicas tem que atender a uma angulação entre 60° e 90°.

Quando a corrente de fuga atinge uma tubulação metálica, e se essa tubulação não

possui uma proteção catódica, ela corrói a tubulação de forma que com o passar do tempo pode

criar vazamentos dos compostos transportados, a chamada corrosão eletrolítica.

No metrô de Fortaleza esse problema acontece, algumas tubulações de incêndio e

de gás não atendem a distância regulamentada da NBR 15938:2016, e por conta disso, vão

aparecendo vazamentos ao longo da tubulação, e para tratar isso, é colocado, sempre que

possível, um metal de sacrifício nas proximidades das tubulações, afim de proteger a tubulação

metálica do sistema, sendo agora o metal corroído.

4.5 Proteção contra descargas atmosféricas

A proteção contra descargas atmosféricas é um item primordial para um sistema

tão complexo e caro, pois, não é possível contar com a sorte durante tempestades.

Nossa cidade não é tão atingida por raios, porém sempre existe a possibilidade de

uma descarga atmosférica no sistema de tração.

A viga de sustentação da catenária é solidamente aterrada e, portanto, não corre o

risco.

A subestação retificadora é dotada de um sistema de para-raios na entrada, como

visto no anexo [1], e caso o raio seja na catenária, o cubículo de proteção, visto em 3.1.5, não

é o único a proteger a subestação da alta corrente, durante o curto, as cabines de

seccionamento e de paralelismo, atuam também na proteção da subestação, pois a elevada

66

variação de energia faz com que o relé atue e acione o disjuntor dessas cabines protegendo a

subestação.

O trem, é dotado de um sistema de para-raios na entrada, que será visto na figura

5.3, o trem é considerado solidamente aterrado, pois o truque e toda sua carcaça são aterrados

no trilho, o aterramento do trilho acontece quando a corrente nele for muito alta, será

acionado a chave da figura 4.12, que são presentes em todas as estações.

Ou seja, é um grande laço de proteção contra descargas atmosféricas, não

precisando dispor então de para-raios tipo Franklin ou de gaiolas de Faraday, sendo assim o

sistema totalmente protegido.

67

CAPÍTULO 5

ACIONAMENTO DE TRAÇÃO

Foi mostrado no tópico 4 (rede aérea), que o contato entre o pantógrafo e o fio de

contato é de extrema importância para alimentar o trem. A rede aérea tem a função de alimentar

não só o circuito de acionamento de tração, mas também todo o circuito interno, como,

iluminação, controle e condicionadores de ar.

O acionamento de tração de uma locomotiva, é um artificio para melhorar o

rendimento do motor ao longo do trajeto, além de regular o esforço do motor, ajustar a

velocidade, converter a forma de energia CC-CA (corrente contínua-corrente alternada) e

utilizar da melhor forma possível os freios regenerativos e dinâmicos, tudo isso de forma

organizada e integrada.

O trem é tracionado através de 6 motores de indução trifásicos (MIT), os quais estão

dispostos entre os rodeiros, mais precisamente no centro do truque, e em cada truque há um par

de motor posicionados um de cada lado. Como foi falado em 4.3.1, houve uma adaptação e os

trens rodam com 2 composições acopladas, totalizando 12 motores.

5.1 Motor de indução trifásico (MIT)

Antes de introduzir o conceito de acionamento, faz-se necessário mostrar como

funciona o MIT (motor de indução trifásico).

5.1.1 Princípio de funcionamento

O estator é composto por três enrolamentos mecanicamente separados em 120°,

esses enrolamentos são conectados a uma fonte de tensão CA (corrente alternada) trifásica e o

fluxo produzido nos enrolamentos do estator é chamado de campo girante, o campo girante

induz tensão no rotor, o qual começa a girar somente por indução.

O rotor pode ser bobinado ou gaiola de esquilo, o rotor bobinado possui aplicações

bem específicas e não são aplicáveis ao metrô de Fortaleza. Já no rotor gaiola de esquilo, o seu

enrolamento consiste em barras condutoras que são encaixadas nas ranhuras do ferro do rotor

e curto circuitadas de cada lado por anéis condutores.

Para tirar a composição da inercia, o campo produzido pelas correntes do estator

68

induz uma velocidade no rotor, resultando em um conjugado de partida, se esse conjugado de

partida for maior que a carga no eixo, o motor começará a rotacionar.

A excitação do motor é feita através de uma fonte trifásica equilibrada, criando um

campo magnético no entreferro e com isso fazendo-o girar na velocidade síncrona (ns):

ns= .𝑓 (5.1)

Onde f é a frequência da tensão de alimentação e p é o número de polos do motor.

A diferença entre a velocidade de rotação síncrona e a velocidade de rotação do

rotor é chamada de escorregamento (s), onde será mostrado na equação abaixo:

s = −

(5.2)

Onde n é a velocidade do rotor, lembrando que o valor de s é em porcentagem, ou

seja, é a relação entre a velocidade síncrona e a velocidade do rotor, e caso o escorregamento

seja 0, a velocidade síncrona se igualaria à velocidade de rotação, os condutores do rotor estarão

estacionários em relação ao campo do estator e nenhuma corrente seria induzida entre eles,

portanto nenhum conjugado seria produzido, como mostrado na figura 5.1.

Figura 5.1: Curva típica de conjugado x velocidade de um motor operando com

tensão e frequência constante.

Fonte: Fitzgerald (2006)

A figura 5.1 mostra com detalhes como o motor se comporta com a variação do

escorregamento, quando o escorregamento é igual a zero o conjugado do motor é zero, e tem

um ponto a ser destacado próximo a 0.2 do escorregamento, onde o conjugado é máximo, ou

seja, faixa perfeita de eficiência do motor.

69

5.1.2 Controle do MIT

O controle do MIT pode ser feito de várias formas, pode ser usado equipamentos

que minimizem a corrente de partida, modifiquem a frequência de operação, façam ele trabalhar

em uma faixa de operação controlada, entre outras.

Como visto na equação 5.1, o controle da velocidade síncrona está diretamente

ligado a frequência da rede, e por isso pode ser facilmente controlada através de inversores de

frequência.

Os inversores de frequência estão no circuito de acionamento do trem com várias

finalidades, as principais são converter a corrente contínua para corrente alternada, e a outra,

controlar a frequência de operação afim de ajustar a velocidade síncrona de operação do motor.

Os inversores também têm um papel fundamental no freio regenerativo, pois a sua

bidirecionalidade de operação faz com que a corrente vinda do freio regenerativo volte para a

catenária, regenerando a rede.

5.1.3 Vantagens na utilização do MIT

Deve-se questionar as vantagens sobre o motor de indução, pois teoricamente seria

mais fácil alimentar o motor com corrente contínua sem ter o gasto com inversores e sistemas

de acionamentos associados ao motor.

O MIT é sem dúvidas o motor mais utilizado em todo o mundo, indústrias, sistemas

de bombeamento e tração são as formas mais usuais dos motores, pois eles possuem uma

simplicidade em sua constituição, tamanhos reduzidos, durabilidade e o baixo custo da

manutenção, somadas a grande capacidade de operar sobre grandes cargas.

Porém, como visto no tópico 5.1.1, o MIT necessita de uma mudança constante de

frequência para controlar a velocidade, portanto, necessita de conversores e inversores mais

complexos e robusto, fazendo com que o projeto do acionamento acabe saindo mais caro, em

relação a um acionamento de um motor CC.

5.2 Inversor de frequência

Os inversores de frequência possuem um papel fundamental no acionamento,

pois é através deles que o acionamento é controlado e como foi visto na equação 5.1, o controle

da velocidade de rotação síncrona pode ser feito através da variação da frequência.

70

Porém, essa não é apenas sua única função, sua bidirecionalidade de operação faz

com que o sistema possua o chamado freio regenerativo, o qual será falado em 5.3.1, pois a

corrente pode fluir nos dois sentidos.

O sistema de modulação em PWM (Pulse Width Modulation ou modulação por

largura de pulso) é utilizado no sistema de acionamento do trem, ou seja, há uma retificação

através de semicondutores passivos (diodos) associados a um inversor de frequência no

acionamento, esse tipo de modulação é não usual em circuitos de alta potência, porque a elevada

frequência de chaveamento imposta pelos IGBT’s do inversor pode acarretar em altas

produções de harmônicas no sistema, os quais, podem ser facilmente anuladas com filtros

capacitivos, normalmente utiliza-se a modulação PAM (modulação por amplitude de pulso),

para o sistema de alta e altíssima potência, porém esse tipo de modulação PAM foge do escopo

do presente trabalho, na figura 5.2 é mostrada a disposição dos transistores IGBT’s os quais

fazem parte da composição interna do inversor de frequência.

Figura 5.2 Disposição dos transistores IGBT’s no inversor de frequência.

Fonte: < http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAk2IAD/inversores#> Acesso em junho de

2018

Onde, A, B e C são os terminais CA (corrente alternada) que alimentará o MIT, a

fonte CC (corrente contínua) é uma forma de exemplificar o contato ininterrupto entre

pantógrafo e fio de contato.

Os sinais gerados pela entrada do driver PWM são os chamados de “trens de pulso”,

porém, quando aplicados em cargas indutivas (motor), esse sinal gera uma onda próxima de

uma onda senoidal, a suavização da forma de onda é concebida através do próprio enrolamento

do motor, os sinais de pulso serão mostrados na figura 5.3:

71

Figura 5.3 Sinais gerados pela modulação PWM.

Fonte: < http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/automacao-industrial/5443-mec125> Acesso

em junho de 2018

Portanto, os inversores de frequência são a melhor escolha para o acionamento do

motor do trem, pois sua bidirecionalidade de operação, seu controle da velocidade através do

controle da frequência de rede e sua transformação de corrente contínua em corrente alternada

faz com que o acionamento seja completo.

5.3 Frenagem

Foi visto em 2.7, ciclo de tração, que todo o movimento do trem é baseado nas

possíveis variáveis relativas ao movimento, vale salientar que a frenagem tem papel

fundamental no movimento, pois é ela que controla a velocidade da composição durante do

movimento.

Há três formas de se frenar uma composição, frenagem mecânica que foi falada em

2.4, frenagem dinâmica e frenagem regenerativa onde serão especificadas abaixo.

5.3.1 Frenagem regenerativa

A frenagem regenerativa é uma forma de eficiência energética do sistema e uma

grande virtude do sistema elétrico de tração, pois é possível realimentar a rede aérea ou em

outros casos de aplicação, a rede da concessionária através do sistema de frenagem.

Foi mostrado na figura 5.1, o conceito em que o conjugado do motor varia em

relação ao escorregamento. Na equação 5.2, é mostrado que o escorregamento é positivo

quando a velocidade síncrona é maior que a velocidade do rotor, e negativo quando a velocidade

do rotor é maior que a velocidade síncrona, e é justamente isso que acontece durante a frenagem

regenerativa, a velocidade do rotor é maior que a velocidade síncrona.

Esse escorregamento negativo, faz com que as tensões induzidas do rotor e a

corrente rotórica na frequência de escorregamento estarão na direção reversa Pires (2013),

fazendo com que o motor comece a funcionar como gerador e passe a alimentar a rede, como

72

será visto na figura 5.4:

Figura 5.4 Conjugado x velocidade do MIT.

Fonte: Fitzgerald (2006)

Depois de analisar a figura 5.4 é importante fazer algumas ressalvas, no local onde

o escorregamento é igual a 0, a velocidade síncrona é igual a velocidade do rotor, fazendo com

que não haja indução de corrente e consequentemente parando o motor. A região chamada de

“região como motor”, é a faixa de operação normal do motor, onde a velocidade síncrona é

maior que a velocidade do rotor, já na região chamada de “região como gerador” a velocidade

do rotor é maior que a do campo girante do motor.

Porém, tudo isso não seria o suficiente para realimentar a rede, será visto em 5.3,

esquema de ligação do trem, onde é mostrado que o trem é dotado de um sistema de inversores

de frequência, os quais possuem uma característica de operação bidirecional, ou seja, o inversor

é capaz de transmitir corrente para o motor durante a aceleração, e transmitir para a rede aérea

durante a frenagem.

É necessário salientar que a operação do MIT funcionando como gerador é igual

que a operação dele funcionando como motor, a diferença está somente na mudança do fluxo

de energia, do gerador o fluxo vai do estator para a rede e do motor vai da rede para o estator.

5.3.2 Frenagem dinâmica

A frenagem dinâmica é uma forma de proteger o sistema de uma possível

sobrelevação de tensão. Como a frenagem regenerativa não há um controle da quantidade do

fluxo de energia, esse controle deve ser feito de alguma forma, até porque a catenária tem uma

73

faixa de operação, mostrada na tabela 4.1.

Esse controle é feito através de um dispositivo chamado de chopper de frenagem,

o qual monitora o barramento de corrente contínua e caso o barramento estiver fora da faixa de

proteção de operação, o chopper aciona um resistor de frenagem o qual dissipará a energia em

forma de calor, reduzindo assim o nível de tensão.

Esse método de frenagem, além de aliviar a sobrelevação de tensão, ajuda também

no controle do freio, diminuindo ainda mais a utilização dos freios mecânicos.

No metrô de Fortaleza, acontece um problema acerca dessa frenagem, quando o

trem está no túnel, e acontece a frenagem dinâmica, pelo fato de que o túnel ainda não ser

dotado de um sistema de exaustão e dependendo da localidade, fica um cheiro forte de

queimado por algum tempo, porém, é apenas o resistor dissipando calor pelo freio dinâmico.

5.4 Diagrama de ligação aplicado ao trem

Na figura 5.5, tem-se o esboço do diagrama de acionamento do trem.

Figura 5.5 Diagrama de ligação do acionamento do trem.


Onde 1 é o para-raio, 2 é o disjuntor principal do barramento CC, 3 são os inversores

74

de frequência que transformam CC em CA e alimentam os condicionadores de ar, o 7 é um

inversor de frequência que transforma de CC para CA e alimenta os circuitos de iluminação e

controle da composição, 4 são os resistores de frenagem utilizados na frenagem dinâmica, 5 são

os choppers de frenagem que monitoram a tensão que será injetada no barramento (conversor

CC-CC), 6 são os inversores de frequência quem alimentam os MIT’s da composição, 8 são os

motores de indução trifásicos do trem, pode-se notar que são 6 motores por trem.

Pode-se ver na figura 5.5, o pantógrafo em forma “Z” tocando na catenária, abaixo

dele tem o para-raio, o qual protege o trem de uma possível descarga atmosférica, logo após

vem o disjuntor de proteção do barramento. No barramento principal tem-se 6 circuitos

alimentados, são 2 circuitos CC-CA alimentadores dos condicionadores de ar do trem, 1 circuito

de alimentação de iluminação e controle e 3 circuitos de acionamento de motor.

Nos 3 circuitos de acionamento de motor é utilizado um inversor CC-CA, os quais

alimentam os dois motores do vagão, pode-se ver também que no lado CC do inversor de

frequência é utilizado um conversor CC-CC, chamado de chopper de frenagem, o qual analisa

a tensão do barramento CC, principalmente quando ela é elevada pela frenagem renegerativa,

caso esse fluxo de energia ultrapasse os parâmetros dos projetistas, esse chopper aciona um

resistor de frenagem que dissipa energia, protegendo a rede de uma possível sobrelevação de

tensão.

75

CAPÍTULO 6

CONCLUSÃO

O desenvolvimento do presente trabalho, possibilitou uma análise de como

funciona o sistema de tração elétrica metroviária aplicado ao metrô de Fortaleza. O sistema de

tração elétrica é bem mais complexo do que se imagina, nesse trabalho foi feito um esboço

explicando como se comporta os principais componentes e as principais variáveis que compõe

o sistema de tração.

Foi mostrado também, como se comporta o trem em todas as suas variáveis de

movimento, como estão instaladas as subestações e seus componentes associados à retificação,

foi detalhada toda a rede aérea, catenária autocompensada e catenária rígida, o sistema de

acionamento do trem e alguns problemas causados acerca do movimento.

A falta de material, livros textos e informações por parte dos responsáveis pelo

sistema, dificultaram em muito o trabalho.

Esse tipo de sistema é bem desconhecido no Brasil, os responsáveis pela

manutenção muitas vezes não sabem como funciona o sistema em sua totalidade, porém, por

conta de sua vasta experiência, conseguem driblar esses tipos de dificuldades desempenhando

um serviço de excelência.

Portanto, o objetivo desse trabalho é introduzir o conceito de tração elétrica

metroviária, e levar um breve conhecimento acerca do sistema, sendo um ponto inicial para

futuros trabalhos.

76

CAPÍTULO 7

TRABALHOS FUTUROS

O sistema de tração elétrica metroviária não é algo simples, e por conta de sua

complexidade, vários trabalhos podem ser feitos.

Estudos mais aprofundados sobre frenagem regenerativa e correntes de fuga são as

principais sugestões, até porque são problemas recorrentes na malha ferroviária.

Nosso sistema metroviário consegue aproveitar na catenária o freio regenerativo,

porém, o excedente não é aproveitado por conta da utilização do freio dinâmico, esse excedente

de energia poderia realimentar a rede da concessionária com um sistema bidirecional na

subestação ao invés de ser dispersado pelo resistor do chopper de frenagem.

O TUE tanto pode ser estudado eletricamente como mecanicamente, até porque é

uma grande incógnita para a maioria dos profissionais.

A corrosão eletrolítica causada pela corrente de fuga é uma sugestão importante,

pois pode ser feito um estudo químico, eletroquímico, dinâmico e elétrico de como acontece,

as magnitudes do problema e a solução com melhor rendimento e menor custo.

Portanto, há várias formas de se aprofundar no sistema metroviário, e o presente

trabalho faz apenas uma alusão aos pontos primordiais.

77

CAPÍTULO 8

REFERÊNCIAS

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81

ANEXO I

PLANTA EM CAD DA SUBESTAÇÃO DE TRAÇÃO DA PAJUÇARA

LEGENDA

universidade federal do cearÁ centro de tecnologia...

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