Ligar barramento CC de inversores de tensão em paralelo, É possível?

Gustavo Colheri Uchida · 28 de abril de 2021

Bom dia Senhores,

Estou desenvolvendo uma aplicação de mobilidade elétrica, e como arquitetura de solução, estamos utilizando o seguinte:

Bateria Tracionária 24V -> Inversor de Tensão 24VDC/220VAC -> Inversor de Frequência WEG CFW300 (monofásico) -> Motor de Indução Trifásico

Necessito dessa arquitetura, por razão de custo.

Porém, o problema é "escalar" para uma potência maior. Visto que:

I - Os Inversores de Tensão disponíveis no mercado fornecem no máximo 4000W contínuo (valor duvidoso, não confio), e é o que atende satisfatoriamente um motor de até 2 cv nos testes realizados até o momento).

II - Possuem somente saída Monofásica, o que inviabiliza a aplicação em Inversores de Frequência de potências maiores, que aceitam somente alimentação trifásica.

Minha ideia seria a seguinte:

Extrair a potência do inversor de tensão diretamente do barramento CC dele (antes de inverter pro 220V). e alimentar o inversor de frequência diretamente no barramento CC com 300 - 320 VDC (220V após retificar, tem inversores de frequência que aceitam a alimentação direta no Bus CC)

Acredito que seja possível, pois os inversores de tensão funcionam da seguinte maneira (me corrijam se eu estiver enganado):

1 - Inversão 24VDC para AC de alta frequência (10 - 100 kHz)

2 - Elevação de tensão por transformador para 220VAC,

3 - Retificação da alta tensão em alta frequência para DC (220VAC para 317VDC)

4 - Inversão da alta tensão DC para 220VAC 60Hz

Como é muito difícil fazer o paralelismo de inversores de tensão (difícil sincronizar a saída das fases), e, visto que, o Inversor de Frequência do motor trifásico aceita alimentação CC, considero que seria possível utilizar os inversores de tensão em paralelo pelo barramento CC dos mesmos (eliminaria o problema de sincronismo de fase).

O que acham?

Preciso utilizar diodos de potência nos barramentos dos inversores de tensão antes da ligação aos barramentos comuns?

Os inversores de tensão funcionam mesmo da maneira que eu penso?

.if · 28 de abril de 2021

Penso que 320Vdc em entradas em paralelo tudo bem. Mas nem precisa pois o inversor de freq opera com ac. Já as saídas ainda permanece o desafio do sincronismo. A não ser que queira p.ex. ligar 2 motores uma pra cada roda: as saídas não se tocam

Ah... será que tem gente (geralmente eu) confundindo inversor de tensão com inversor de frequência? São entidades distintas.

Gustavo Colheri Uchida · 28 de abril de 2021

@.if Somente 1 motor (solução de menor custo), que transmite o torque para um diferencial que distribui para as duas rodas.

Existem modelos de inversores de frequência que aceitam alimentação tando em AC quanto DC, outros, (como o WEG CFW300), você tem que especificar no pedido qual tipo de alimentação: AC Trifásico, AC Monofásico (somente até 3cv), ou DC.

Penso que há uma ineficiência muito grande em inverter a tensão para 220V somente para depois o inversor de frequência retificar novamente para DC, é desnecessário (e tem o maldito do problema do sincronismo se for usar em paralelo):

O esquema do inversor de tensão:

24VDC -> 34VAC @ 100 kHz -> 220VAC @ 100 kHz -> 312VDC -> 220VAC @ 60Hz (mono)

Que vai alimentar o inversor de frequência:

220VAC @ 60Hz -> 312VDC -> 220VAC 3ϕ @ x Hz (na frequência para a velocidade desejada)

Daria para simplificar duas etapas desnecessárias (inversão para 220 e retificação para 312V, que seria redundante)

Porém estou receoso de um possível desbalanceamento entre as tensões dos barramentos positivos dos inversores de tensão. Utilizar apenas diodos de potência seriam o suficiente ?

E quanto ao barramento 0V, devo utilizar diodos também ou posso apenas conectá-los em comum ?

Qual tipo de problema poderia aparecer se eu tentasse essa abordagem?

.if · 28 de abril de 2021

Então parece que você tem só o desafio do paralelismo das saídas o qual não posso te orientar mas me parece arriscado devido à potência envolvida. Pra evitar esta conversão toda e suas perdas e stresses, eu (eu) cogitaria algo como alguns motores [dc] menores eletro e mecanicamente em paralelo.

Dica: baseie-se em sistemas já existentes (vulgo ctrl-c ctrl-v) e queime etapas e não neurônios.

Gustavo Colheri Uchida · 28 de abril de 2021

14 minutos atrás, .if disse:

Então parece que você tem só o desafio do paralelismo das saídas o qual não posso te orientar mas me parece arriscado devido à potência envolvida. Pra evitar esta conversão toda e suas perdas e stresses, eu (eu) cogitaria algo como alguns motores [dc] menores eletro e mecanicamente em paralelo.

Dica: baseie-se em sistemas já existentes (vulgo ctrl-c ctrl-v) e queime etapas e não neurônios.

O custo do motor DC, para a potência que desejo, é muito superior ao de motores de indução trifásico, chega a custar 5 x mais caro, isso sem considerar a controladora.

Fica mais caro ainda tentar utilizar multiplos motores dividindo a potência entre eles.

Além disso não existe nenhum fabricante nacional que forneça um motor 24VDC de 5CV ou mais. E importar está beeem complicado no momento.

Minha proposta, e minhas dúvidas aqui relatadas, são justamente sobre uma alternativa contra o problema do sincronismo. Quero unir vários inversores de tensão em paralelo pelo barramento DC deles, e alimentar o DC diretamente no inversor de frequência.

Acredito que a imagem abaixo possa esclarecer um pouco mais a ideia

.if · 28 de abril de 2021

Que bacana que já fizeste tal pesquisa. De fato suspeitei desde o princípio. E sim sua imagem esclareceu mais. Achei que querias sincronizar a saída pro motor que é bem mais complicado mesmo. No caso pra entrada retificar cada saída e ligar o dc em paralelo me parece ser uma opção bem válida. Hás de perceber que diodos de alta corrente, alta tensão e alta frequência pode lhe custar algum órgão do corpo .. olho da cara, rim e afins. Mas avalie aí e conta pra nós.

Ah.. vi agora seu desenho. Daquele jeito não é nada bom. Faça retificação onda completa

Tito Fisher · 28 de abril de 2021

Ola @Gustavo Colheri Uchida

Permita-me perguntar ,

você tem certeza que o barramento DC do inversor de tensão é alto ?

Qual seria o tipo de inversor que você testou e se certificou disso?

Possivelmente estou desatualizado, mas a maioria dos inversores de TENSÃO funcionam proximo do que voce falou acima , por exemplo :

Entra 24 VDC , nessa tensão é modulada uma frequência ( possivelmente já os 50~60Hz ) e depois é amplificada para os 220V , mas nesse caso já estaria no modo AC .

Sei com certeza que o inversor de FREQUÊNCIA tem um barramento DC alto, que é chaveado com a regulação desejada para dar a velocidade ou torque ao motor a ser alimentado, conforme desenho abaixo

Ainda assim, sua ideia de alimentar o inversor de frequência diretamente com CC faz algum sentido desde que existar tensão CC já amplificada e sem modulação dentro do inversor de tensão.

Me parece que sua preocupação está na potência real dos inversores de tensão, e por isso pretende ligar mais de um em paralelo . Neste caso se faz necessário os diodos em cada saída DC a somar.

Mas ... não vi a informação sobre a potencia do motor, então um exemplo, se ele for 220V trifásico de 5HP deve consumir uns 15A , o que iria requerer menos de 4 KW da entrada do inversor.

Como imagino esteja usando o inversor de frequencia para dar partida suave não vai haver picos de corrente e o aparato funcionaria a contento. Claro que não deve negligenciar o uso de fusíveis para proteger o sistema.

Nos mantenha informados do andamento, vamos ajudar .

'_'

Gustavo Colheri Uchida · 28 de abril de 2021

57 minutos atrás, Tito Fisher disse:

você tem certeza que o barramento DC do inversor de tensão é alto ?

Qual seria o tipo de inversor que você testou e se certificou disso?

Possivelmente estou desatualizado, mas a maioria dos inversores de TENSÃO funcionam proximo do que voce falou acima , por exemplo :

Entra 24 VDC , nessa tensão é modulada uma frequência ( possivelmente já os 50~60Hz ) e depois é amplificada para os 220V , mas nesse caso já estaria no modo AC .

Boa tarde Tito Fisher!!

Não tenho certeza, imaginei que funcionasse dessa maneira:

24VDC -> 17VAC @ 10~100 kHz -> 220VAC @ 10~100 kHz -> 312VDC -> 220VAC @ 60Hz (mono)

Pois faria mais sentido elevar a tensão em alta frequência, o que permitiria transformadores menores e leves.

Você me descreveu que os inversores de tensão (acredito que também se referia aos automotivos, visto a imagem que postei anteriormente) funcionam de maneira mais simples:

24VDC -> 17VAC @ 60 Hz -> 220VAC @ 60 Hz

Na potência de 4000W acredito que isso iria demandar um "senhor" de um núcleo ferroso no trafo, e pelo tamanho da carcaça do inversor de tensão, não me aparenta que caiba algo desse tipo ali dentro.

Irei abrir um inversor de tensão automotivo e verificar isso. Assim que eu averiguar postarei aqui.

57 minutos atrás, Tito Fisher disse:

Me parece que sua preocupação está na potência real dos inversores de tensão, e por isso pretende ligar mais de um em paralelo . Neste caso se faz necessário os diodos em cada saída DC a somar.

Sim, realizei testes em um protótipo de escala menor, com motor de 1,5CV. No seguinte esquema:

Bateria 24V -> Inversor de Tensão Automotivo (onda modificada) 2000W, 24V/220V -> Inversor de Frequência 220V mono -> Motor de Indução Trifásico 1,5cv

Considerei o seguinte para selecionar o inversor de tensão:

1,5cv = 1100 W. Com eficiência de 80% e fator de potência 0,85, precisaria de aproximadamente 1620 VA.

Considerando partida suaves, assumi que não haveria altos picos de correntes na partida.

Além disso, como há o banco de capacitores no barramento CC do inversor de frequência, considero que há uma tendência de amenizar o efeito do fator de potência (aqueles 0,85 estariam mais próximo de 1).

Por segurança, foi selecionado o inversor de tensão de 2000W.

Durante os testes percebi que nos momentos onde há maior solicitação de carga (perto da nominal do motor, porém sem sobrecarga), havia uma nítida perda de potência. As vezes, inclusive, o inversor de frequência entrava em modo de falha com o código de falha acusando subtensão no barramento CC.

Meu diagnostico foi de que o inversor de tensão não estava suprindo os 2000W reais. Descartei a bateria como causa, ainda que 2000W em 24V dá uma corrente bem alta, pois a bateria usada tem capacidade mais do que suficiente de fornecer a corrente demandada.

Com um pouco mais de pesquisa na internet, descobri que a maioria desses inversores de tensão automotivos são "mentirosos" na sua graduação de potência. Vi um de 8000W a venda esses dias. DUVIDO que seja verdade.

57 minutos atrás, Tito Fisher disse:

Mas ... não vi a informação sobre a potencia do motor, então um exemplo, se ele for 220V trifásico de 5HP deve consumir uns 15A , o que iria requerer menos de 4 KW da entrada do inversor.

Pretendo escalar o protótipo para 5cv. Considerando a eficiência/rendimento, fator de potência e picos, necessito de pelo menos 6000W reais (pior caso, pico). Isso daria quase 30A no 220VAC (se fosse mono), e 250A no banco de baterias em 24VDC.

Como não é muito comum inversores automotivos nessa faixa de potência, surgiu a ideia de tentar a associação em paralelo.

57 minutos atrás, Tito Fisher disse:

Como imagino esteja usando o inversor de frequencia para dar partida suave não vai haver picos de corrente e o aparato funcionaria a contento. Claro que não deve negligenciar o uso de fusíveis para proteger o sistema.

Partidas e paradas suaves. A variação de velocidade também é suave, os parâmetros de tempo de rampa do inversor de frequência não permitem uma "aceleração brusca".

A frequência é controlada por uma manete de acelerador de bike elétrica, conectado na entrada analógica para potenciômetros.

Consegui fazer funcionar dessa maneira com alguns "ajustes técnicos" kkkk.

.if · 28 de abril de 2021

Esta potência toda numa baixa tensão deixa tenso o fator corrente e seus maus contatos, espessura dos fios, perdas e afins. Como ainda não sei o o tipo de auto móvel e o que efetivamente ele vai tracionar, há a sugestão de se colocar mais baterias em série com intuito de amenizar esta minha (minha ) preocupação.

Parece também que pretendes projetar tudo do zero (reinventando a roda) o que infelizmente me distancia do seu sonho pois não sou do ramo como o amigo @albert_emule que tem anos de calos neste ramo e se achar que deve, deve participar.

Gustavo Colheri Uchida · 28 de abril de 2021

2 minutos atrás, .if disse:

Esta potência toda numa baixa tensão deixa tenso o fator corrente e seus maus contatos, espessura dos fios, perdas e afins. Como ainda não sei o o tipo de auto móvel e o que efetivamente ele vai tracionar, há a sugestão de se colocar mais baterias em série com intuito de amenizar esta minha (minha ) preocupação.

Parece também que pretendes projetar tudo do zero (reinventando a roda) o que infelizmente me distancia do seu sonho pois não sou do ramo como o amigo @albert_emule que tem anos de calos neste ramo e se achar que deve, deve participar.

Parece mesmo que estou "reinventando a roda" . Há poucas referências sobre esse método de acionamento de motores de indução trifásico por baterias, mesmo em fóruns em inglês.

A minha outra alternativa era fazer um grande banco de baterias 12V (baterias pequenas, tipo de nobreak) até dar os 312V, seriam necessários 26 baterias.

Apesar de ter a vantagem de o sistema trabalhar em baixa corrente, e também, de o banco de baterias funcionar como "resistor de frenagem" se conectado diretamente ao barramento CC do inversor de frequência, o que me forneceria efetivamente frenagem regenerativa, fiquei com medo do risco do choque em 312VDC.

Eu considero muito perigoso tomar um choque a 312VDC durante o manuseio do banco... DC Gruda a gente no contato, não tem alternância para dar uma chance para o músculo escapar.

Ah e tem também o problema da fonte para carregar esse banco.

albert_emule · 29 de abril de 2021

10 horas atrás, .if disse:

Esta potência toda numa baixa tensão deixa tenso o fator corrente e seus maus contatos, espessura dos fios, perdas e afins. Como ainda não sei o o tipo de auto móvel e o que efetivamente ele vai tracionar, há a sugestão de se colocar mais baterias em série com intuito de amenizar esta minha (minha ) preocupação.

Parece também que pretendes projetar tudo do zero (reinventando a roda) o que infelizmente me distancia do seu sonho pois não sou do ramo como o amigo @albert_emule que tem anos de calos neste ramo e se achar que deve, deve participar.

Tem que ser no mínimo 48V.

O motor não pode ser menor que 11Kw

As baterias tem que ser de lítio

Existe um inversor de empilhadeira que funciona em 48V e garante até 500 amperes nos 48V.

Existe um motor de indução preparado para o inversor de 48V, que fazem parte do conjunto que move a empilhadeira.

Gustavo Colheri Uchida · 29 de abril de 2021

4 horas atrás, albert_emule disse:

Tem que ser no mínimo 48V.

O motor não pode ser menor que 11Kw

As baterias tem que ser de lítio

Existe um inversor de empilhadeira que funciona em 48V e garante até 500 amperes nos 48V.

Existe um motor de indução preparado para o inversor de 48V, que fazem parte do conjunto que move a empilhadeira.

Olá Albert,

Vamos lá, só para esclarecer algumas coisas.

Minha dúvida e objetivos de discussão nesse tópico são relativas ao método de acionamento de motor de indução trifásica por baterias, e seus vieses, conforme relatado acima.

Você me indicou a potência mínima do motor, entretanto, eu não mencionei a carga na qual esse motor estará sujeito. Acredito que você tenha subentendido que se trata de um veículo elétrico de passeio ou algo do tipo.

A potência de 5cv está dimensionada para minha aplicação. É um projeto de rebocador elétrico para cargas de até 3 toneladas, em inclinação máxima de 3º e velocidade de máxima de 2,5km/h. Isso ai já foi dimensionado considerando as perdas energéticas nas reduções e transmissões + cargas dinâmicas de aceleração do conjunto.

No meu post acima, respondendo o @Tito Fisher, relatei os problemas encontrados até agora.

Também em posts anteriores respondendo ao @.if relatei as desvantagens (para mim) de se utilizar motores DC.

Sobre o motor de empilhadeira, já fui atrás disso, não tem fabricante nacional, somente via importação (inviável no momento, cotação do dólar está osso). E a falta de catálogos com informações técnicas dificulta muito a seleção do motor. Me parece que nesse segmento, você compra o motor pelo "modelo da empilhadeira", não é muito fácil selecionar esses motores pelas suas especificações técnicas.

Esses dias liguei para uma revenda de peças de empilhadeiras, e expliquei que eu precisava de um motor "assim, tal e tal...", o vendedor simplesmente me falou: - amigo, aqui nos trabalhamos com códigos, me informa o modelo da sua empilhadeira ou o partnumber do motor da sua empilhadeira, senão não vou poder te ajudar.

Um motor de 5,5kW para empilhadeira + controladora não sai por menos de R$ 10.000,00. Completamente inviável. Ah, detalhe, essa cotação que eu tenho é de um motor reformado.

Fazer isso com o esquema de inversão de tensão + inversor de frequência + motor de indução fica muito mais em conta, para uma mesma faixa de potência. Fora que esses componentes são "produtos de prateleira". Encontro em qualquer lugar.

Em resumo, a discussão aqui é sobre a viabilidade de utilizar inversores de tensão automotivos em paralelo para dar conta de suprir a potência demandada. Até o momento, a opção seria retificar a saída dos inversores de tensão e liga-los em paralelo, para evitar os problemas relacionados ao sincronismo das fases. Visto que os inversores de frequência para motores de indução trifásicos também aceitam alimentação CC (312VDC, que é a tensão do 220VAC retificado).

.if · 29 de abril de 2021

14 horas atrás, Gustavo Colheri Uchida disse:

com medo do risco do choque em 312VDC.

Eu ia fazer um comentário sobre isso mas me lembrei que recentemente fiz algo parecido com um cara que tinha medo de se queimar com ferro de solda e não fomos muito felizes . O máximo que posso comentar é : a alta tensão estará presente durante todo este seu projeto de sua vida portanto dá um jeito de se acostumar com isso .

14 horas atrás, Gustavo Colheri Uchida disse:

o problema da fonte para carregar esse banco.

Como a corrente de carga é bem baixa (cerca de 10x menor) um carregador pra isso tende a ser menos difícil.

59 minutos atrás, Gustavo Colheri Uchida disse:

utilizar inversores de tensão automotivos em paralelo para dar conta de suprir a potência demandada. Até o momento, a opção seria retificar a saída dos inversores de tensão e liga-los em paralelo

Como estes inversores são 60Hz, penso que nem precisa dos caros diodos rápidos de potência. Uma ponte de 30+A 600V comum dá conta. Ela pode chiar um pouco caso a onda não seja senoidal. Sugiro fazer o teste prático com 1 inversor e 1 ponte e sua carga máxima (capacidade do inversor). Caso opte por esta inovação, queira nos manter informados sobre, ok?

albert_emule · 29 de abril de 2021

4 horas atrás, Gustavo Colheri Uchida disse:

Olá Albert,

Vamos lá, só para esclarecer algumas coisas.

Minha dúvida e objetivos de discussão nesse tópico são relativas ao método de acionamento de motor de indução trifásica por baterias, e seus vieses, conforme relatado acima.

Você me indicou a potência mínima do motor, entretanto, eu não mencionei a carga na qual esse motor estará sujeito. Acredito que você tenha subentendido que se trata de um veículo elétrico de passeio ou algo do tipo.

A potência de 5cv está dimensionada para minha aplicação. É um projeto de rebocador elétrico para cargas de até 3 toneladas, em inclinação máxima de 3º e velocidade de máxima de 2,5km/h. Isso ai já foi dimensionado considerando as perdas energéticas nas reduções e transmissões + cargas dinâmicas de aceleração do conjunto.

No meu post acima, respondendo o @Tito Fisher, relatei os problemas encontrados até agora.

Também em posts anteriores respondendo ao @.if relatei as desvantagens (para mim) de se utilizar motores DC.

Sobre o motor de empilhadeira, já fui atrás disso, não tem fabricante nacional, somente via importação (inviável no momento, cotação do dólar está osso). E a falta de catálogos com informações técnicas dificulta muito a seleção do motor. Me parece que nesse segmento, você compra o motor pelo "modelo da empilhadeira", não é muito fácil selecionar esses motores pelas suas especificações técnicas.

Esses dias liguei para uma revenda de peças de empilhadeiras, e expliquei que eu precisava de um motor "assim, tal e tal...", o vendedor simplesmente me falou: - amigo, aqui nos trabalhamos com códigos, me informa o modelo da sua empilhadeira ou o partnumber do motor da sua empilhadeira, senão não vou poder te ajudar.

Um motor de 5,5kW para empilhadeira + controladora não sai por menos de R$ 10.000,00. Completamente inviável. Ah, detalhe, essa cotação que eu tenho é de um motor reformado.

Fazer isso com o esquema de inversão de tensão + inversor de frequência + motor de indução fica muito mais em conta, para uma mesma faixa de potência. Fora que esses componentes são "produtos de prateleira". Encontro em qualquer lugar.

Em resumo, a discussão aqui é sobre a viabilidade de utilizar inversores de tensão automotivos em paralelo para dar conta de suprir a potência demandada. Até o momento, a opção seria retificar a saída dos inversores de tensão e liga-los em paralelo, para evitar os problemas relacionados ao sincronismo das fases. Visto que os inversores de frequência para motores de indução trifásicos também aceitam alimentação CC (312VDC, que é a tensão do 220VAC retificado).

Use conversor DC/DC elevando de 12V para 350V DC.

O problema é que teria que projetar. Mas é mais barato que inversor.

Gustavo Colheri Uchida · 29 de abril de 2021

2 horas atrás, albert_emule disse:

Use conversor DC/DC elevando de 12V para 350V DC.

O problema é que teria que projetar. Mas é mais barato que inversor.

Meu caro, eu entendo bem de mecânica, em eletrônica eu sou no máximo "curioso" kkkkkk.

É possível fazer um conversor DC/DC (Step Up Booster?) nessa faixa de potência que estou considerando (aprox 6kW) , com essa amplitude entre tensão de entrada e saída? E que responda satisfatóriamente às a solicitação de carga variável?

Eu imaginava que nessa potência eu teria que fazer um DC/AC -> Trafo -> AC/DC...

.if · 29 de abril de 2021

Só de imaginar a corrente a 12V que fornece 6Kw me dá um arrepio na espinha.

Achei curiosa esta sua aplicação

7 horas atrás, Gustavo Colheri Uchida disse:

um projeto de rebocador elétrico para cargas de até 3 toneladas, em inclinação máxima de 3º e velocidade de máxima de 2,5km/h.

Sério que um motor a combustão não é viável? É muito longe de um posto? Ou é só projeto acadêmico?

Ou será que pretendes concorrer com...

https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=maior-caminhao-eletrico-mundo-nao-gasta-energia-recarregar&id=010170180509

Gustavo Colheri Uchida · 29 de abril de 2021

2 horas atrás, .if disse:

Só de imaginar a corrente a 12V que fornece 6Kw me dá um arrepio na espinha.

Achei curiosa esta sua aplicação

Sério que um motor a combustão não é viável? É muito longe de um posto? Ou é só projeto acadêmico?

Ou será que pretendes concorrer com...

https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=maior-caminhao-eletrico-mundo-nao-gasta-energia-recarregar&id=010170180509

A ideia é inovar mesmo.. Chega de combustível fóssil

Rebocadores a gasolina existem (são bem comuns), mas tem o problema do barulho e fumaça.

É um projeto pessoal com alguns amigos, hobby de entusiasta mesmo..

(a imagem é de um rebocador a gasolina, peguei da internet)

.if · 29 de abril de 2021

Legal. Nem imaginei que era pra isso. Mas puts.. um jatinho?! Eu mal tenho uma mula velha movida a capim pra rebocar minha carroça..

Bem ... na minha limitada concepção artística eletromecânica da coisa, me parece que um simples motor dc 24 ou 48Vdc e uma boa caixa de redução dariam conta de mover este treco mesmo com um peso considerável. .. ok .. sei que não é a pauta ... só me deu vontade registrar ok? Só foquei numa alternativa ...

14 minutos atrás, Gustavo Colheri Uchida disse:

A ideia é inovar mesmo.. Chega de combustível fóssil

albert_emule · 29 de abril de 2021

4 horas atrás, Gustavo Colheri Uchida disse:

Meu caro, eu entendo bem de mecânica, em eletrônica eu sou no máximo "curioso" kkkkkk.

É possível fazer um conversor DC/DC (Step Up Booster?) nessa faixa de potência que estou considerando (aprox 6kW) , com essa amplitude entre tensão de entrada e saída? E que responda satisfatóriamente às a solicitação de carga variável?

Sim. Pode ser feito.

É bem tranquilo.

É possível até fazer estabilizado em 350V fixo.

4 horas atrás, Gustavo Colheri Uchida disse:

Eu imaginava que nessa potência eu teria que fazer um DC/AC -> Trafo -> AC/DC...

Sérgio Lembo · 30 de abril de 2021

5cv não é pouca coisa. Em baixa rotação dá um torque imenso. Se um motor 4 polos gira a 1740rpm vai precisar de muita redução. Rosca sem fim é o mais barato mas na redução necessária a eficiência que já é ruim vai para o buraco. Creio ser esta a causa de ter escolhido 5cv, compensar a baixíssima eficiência do rosca sem fim. Vá pensando em redutor por engrenagens. O planetário é caríssimo e não é necessário. O de engrenagens simples resolve. Outra opção de redução é a polia que pode ser combinada com o de engrenagens para minimizar a questão de alinhamento. Já pesquisou sobre motor série também chamado de universal? Vai simplificar e muito. Com o elevador de tensão com saída variável vai conseguir fazer esse projeto com um motor de 1cv ou 2cv.

Vamos pensar sobre os tipos de motores para sua aplicação.

Motor DC: fácil de controlar, para aplicações que não requerem precisão o controle é barato, aquisição e manutenção do motor caro. Não é produto de prateleira. Característica de uso: possui o mesmo torque de zero a 100% do rpm nominal. Com um controle inteligente pode ser exigido em 150% por 5 segundos sem danos. Mais que isso somente se o manual do motor permitir. Potência = torque x rotação, então na aceleração quando estiver a 5% da rotação terás apenas 5% da potência ou 7,5% da potência por breve instante.

Motor AC: aquisição barata, a manutenção se resume a troca periódica dos rolamentos. É produto de prateleira e nas oficinas quando há pressa se consegue trocar o queimando pelo reformado. Controle é caro e sofisticado. Conseguir potência nas baixas rotações é desafiador. Veja com cuidado a potência que irá conseguir extrair nas baixas rotações.

Motor serial - universal: Aquisição e manutenção semelhante ao motor DC. O controle não é difícil e tem custo médio. Aceita AC e DC, no caso do AC vale o valor RMS. O grande diferencial desse motor é que possui potência constante em todas as rotações. Potência = torque x rotação, então na aceleração quando estiver a 5% da rotação terás um torque estúpido. O controle de potência se faz pelo controle da tensão, simples assim. Assim sendo com a bateria mais o elevador de tensão com saída variável mais o motor a parte elétrica fica completa.

Detalhe: nesse motor o campo e a armadura estão em série. Para se conseguir inverter a rotação é necessário inverter a ligação da armadura ou do campo. Cruzar a alimentação não produz efeito. Então exija que as 4 pontas estejam acessíveis.

Sérgio Lembo · 30 de abril de 2021

Considerações finais - eficiência energética - duração da bateria: O arrasto por velocidade da carga é pequeno, basicamente os atritos das rodas. Só haverá uma exigência extra nos aclives. O torque necessário para acelerar 3 toneladas é grande. Atingida a velocidade a manutenção desta exigirá pouco torque. No motor AC com inversor de qualidade consegue-se torque constante na faixa de velocidades em que este consiga operar e nas rotações muito baixas não é tão simples assim. Durante a aceleração estará utilizando a potência máxima e o rendimento será máximo. No caso do motor AC o bom rendimento se dá nessa condição. Na condição da velocidade estabilizada, quando cai a necessidade de torque e por consequência a potência exigida no motor DC tem-se a queda proporcional da corrente consumida.Com isso podemos dizer que o motor DC possui eficiência estável em todas as rotações e em todas as exigências de torque. No motor AC também se tem queda mas não na mesma proporção. Não tenho as curvas agora mas na velocidade já estabilizada no plano, se a potência exigida for de 30% o consumo estará em 60% ou mais, isto é, se 5cv de motor AC exigem cerca de 5kW de potência elétrica, quando este motor estiver na rotação nominal com apenas 1,5cv de potência mecânica sendo exigida do seu eixo o consumo será de uns 3kW de energia da sua bateria. Motor AC só nos dá a grande eficiência na exigência nominal da sua potência. Na subutilização a eficiência não é boa. Na sua aplicação tem-se o grande desafio inicial de se acelerar a carga. Vai passar a maior parte do tempo com a velocidade estabilizada. Dentro desse desafio temos a bateria que é volumosa e cara e ter um bom fator de aproveitamento energético em todas as fases faz parte do projeto.

.if · 30 de abril de 2021

Permiti-me viajar ... no passado...

Certa feita conceitualizei e quase cogitei na prática um rebocador com motor ac na tomada. Algo como um piruzinho elétrico. Como o trajeto era semi fixo - da rua até a construção - imaginei uma extensão com retração semi controlada. Algo como um trava quedas retrátil inteligente com alguns sensores pra controlar o enrolar/desenrolar da extensão que seria meia que aérea.

Daí pensei.. puts que folga pro servente! Desisti... mas preencheu muitas tradicionais madrugadas de insônia.

Gustavo Colheri Uchida · 30 de abril de 2021

@Sérgio Lembo Muito obrigado pelas observações!

São muito pertinentes ao projeto. Você tocou num tema importante: as curvas de potência e eficiência, que até o momento eu não dei muita atenção. Vou dar uma investigada nisso.

Permita-me fazer alguns comentários sobre suas observações:

Sobre a redução, foi descartado rosca sem fim justamente por conta do baixo rendimento (em torno de 60% e olha lá). Fizemos um teste em potência menor (para aeronaves menores), usando redutor coaxial, rendimento de 97% (segundo o fabricante). Ainda, tem-se mais outras etapas de redução a serem consideradas: o rendimento do diferencial (91%) e da transmissão por correntes (98%). Desprezei atrito de rolamentos e das rodas do rebocador, não é relevante. Isso deu um rendimento mecânico de aproximadamente 86%.

Ao considerar também o rendimento elétrico: motor de indução trifásico (em torno de 85%), do inversor (99%) e dos inversores de tensão (estimei em 90%), temos o rendimento elétrico de aproximadamente 75%.

Ou seja, no motor temos 5cv (3,7 kW), porém, nas rodas, chegam apenas 3,1 kW, enquanto que na bateria, é solicitado 4,9 kW (isso em nominal, nos picos pode chegar aos 6kW).

Ou seja, o rendimento energético global é de aproximadamente 63%. O que ainda é muto melhor do que um motor de combustão interna do tipo estacionário (em torno de 20%, se for um modelo muito, mas muito eficiente mesmo).

Essa questão dos rendimentos sempre foi minha preocupação, justamente por conta da autonomia da bateria.

Nesse novo protótipo de maior potência, irei abandonar os redutores coaxiais (muito caro, chega a custar mais do que o motor). Irei fazer um trem de reduções por correntes, primeiro estágio em ASA 40, segundo estágio em ASA 80. Vai ficar bem mais barato.

Sobre o valor alto da potência para "apenas 3 toneladas", temos que teoricamente, com essa potência, e considerando o rendimento mecânico, poderia ser tracionado até 7 toneladas de carga em inclinação de 3º (um calculo rápido somente em estática). Entretanto, na prática, há outros fatores difíceis de serem considerados quantitativamente (atrito das rodas do trem de pouso devido a pressão dos pneus, etc), e, também, faz-se necessário um torque mais elevado para realizar o engate do que para tracionar, pois o rebocador precisa "empurrar" a aeronave para cima da plataforma pela rampa do berço durante esse processo.

E, como você mencionou, não posso somente considerar a carga estática de tração, tem também "o desafio de acelerar a carga", ou seja, a carga dinâmica na aceleração devido a inércia (valeu Newton!), que também entrou no dimensionamento da potência do motor (de acordo com o tempo de aceleração considerado como seguro) , para eu chegar nesse valor de 5cv. Ah, claro que também entrou um fator de segurança nisso ai, o tal do "Fator de Cagaço"

Essa potência de 5cv, que parece ser elevada para a carga em questão (mas não é!) foi dimensionada levando em consideração tanto as variáveis teóricas (carga estática + dinâmica) no pior caso (aeronave mais pesada, em inclinação de 3º) quanto empíricas (testes realizados com rebocadores menores em aeronaves mais leves). Ah, e claro, também considerando o rendimento mecânico até a roda do rebocador.

Sobre o controle do motor de indução trifásico ser "caro e sofisticado!", considero que não seja. Hoje em dia inversores de frequência são bem acessíveis, relativamente falando. E o próprio inversor facilita muito o controle: posso ligar a "manete de acelerador" diretamente nele, e também fazer a reversão diretamente por ele apenas acionando uma chave comutadora. (E olha que bacana @.if: mais uma vantagem do elétrico ao gasolina: não preciso de caixa de transmissão para dar macha ré).

Isso resulta em uma facilidade muito prática, o inversor de frequência serve como "controlador central" do rebocador (não preciso desenvolver uma placa ou circuito especial para essa finalidade). Além de ter todos os recursos para acionamento e controle, possuí também os recursos de segurança contra sobrecarga e diagnostico de falha.

Quanto ao "cuidado com a potência nas baixas rotações.", Devido a alta redução, o motor sempre irá trabalhar entre 40 Hz a 75 Hz (exceto na aceleração partindo do repouso), sendo 60Hz a "velocidade de cruzeiro". Estarei sempre na faixa próxima da nominal, portanto, próxima do ideal.

Além disso, os inversores WEG CFW300 possuem controle vetorial VVW, que ajuda bastante no controle de torque/corrente em baixas rotações, ao oposto dos modelos mais antigos com controle apenas escalar V/F, que inclusive, são mais suscetíveis a surto de corrente na aceleração com sobrecarga.

Os fatos acima (e os relatados em posts anteriores) me levaram a considerar o motor de indução trifásico como "vencedor em disparado" em relação aos outros. Ah, e claro, tem também o fator "familiaridade" com essa tecnologia

Sobre o banco de baterias, estou pensando em algo como 6 baterias estacionárias 70Ah, 3 paralelo de 2 em série. Vai me dar no total 420Ah, e tensão 24V. Mas ainda tenho que verificar se vai caber tudo isso no chassi do rebocador.

Observação: 6000W (pior caso) em 24V dá 250A, com três paralelos vai puxar 83A de cada série de duas baterias, como cada série terá 140Ah, a taxa máxima de descarga vai ser um pouco mais do que 2C. Acho que vai dar uma boa autonomia, sendo que 1 hora já seria bem legal.

Sérgio Lembo · 30 de abril de 2021

Com 40Hz terá o rendimento nominal, sem problema algum. Supondo que esteja usando um motor de 60Hz em 40Hz seus 5cv passam a ser 3,3cv pois tens o mesmo torque numa rotação menor. Houve tempo em que era mais fácil achar fabricantes nacionais de máquinas mas desde que FHC subiu ao poder e depois com Lula e Dilma perdemos muito nessa área de fabricantes de máquinas. Não sei como está achar fabricante nacional de motor de torque = motor série = motor universal. É o mais indicado para a sua aplicação, se encaixa como uma luva. O custo é o mesmo de um motor DC comum mas as características dele podem te levar ao uso de um motor de menor potência para a sua aplicação. No uso do motor AC no momento de dimensionar foste obrigado a considerar que, se na operação de engate vai usar 40Hz um motor que apresente 3,3cv será necessário. Quando alcançar 60Hz ou mais terá os 5cv. Mas na velocidade cruzeiro é justamente quando necessitará de menos potência. Isso fez que seu projeto te levasse de uma necessidade de 3cv no momento de engate com o uso de um motor de 5cv nominais para se ter os 3cv. Usando um motor de torque de 3 cv nominais terá na mesma velocidade o mesmo torque e em velocidades menores torque superior. Ainda assim um motor de 3cv ou de 2.5cv de torque ainda tem custo superior ao um motor de 5cv de indução mas a diferença já começa a cair. O controle de velocidade do motor de torque é coisa simples, é apenas um boster de saida variável, coisa muito mais simples, barata e robusta do que a solução de motor de indução te forçará a usar. Outra questão: Não terá mais que se preocupar com os aclives. A característica do motor de torque em aumentar naturalmente o torque quando se cai a rotação te livra desses cálculos de sobre-dimensionamento. É óbvio que ao encontrar o aclive a velocidade de cruzeiro cairá com o motor de torque mas a tarefa será cumprida sem necessidade de um dimensionamento maior do motor e dos drives eletrônicos que o controlam. Então seu drive será de 3cv e não de 5cv.

1 hora atrás, Gustavo Colheri Uchida disse:

Sobre o banco de baterias, estou pensando em algo como 6 baterias estacionárias 70Ah, 3 paralelo de 2 em série. Vai me dar no total 420Ah, e tensão 24V. Mas ainda tenho que verificar se vai caber tudo isso no chassi do rebocador.

Observação: 6000W (pior caso) em 24V dá 250A, com três paralelos vai puxar 83A de cada série de duas baterias, como cada série terá 140Ah, a taxa máxima de descarga vai ser um pouco mais do que 2C.

Pense em 48V ou 96V. Seja qual for a solução implantada a tensão da bateria terá que ser chaveada por um transistor ou conjunto desses em paralelo. Nessa comutação vai perder de 1,5V a 2V e sobre isso não se negocia. Não há alternativa. Só aí se tem +- 8% de perdas em 24V. Cai para 4% em 48V e 2% em 96V. O calibre dos cabos de bateria necessários cai na mesma proporção.