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.