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AVALIAÇÃO DA POSSIBILIDADE DE ACOPLAR UM

MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA AO VEÍCULO LEVE

SOBRE TRILHOS (VLT)

Rafael de Almeida Rodrigues

Rio de Janeiro

Julho de 2017

Projeto de Graduação apresentado ao Curso de

Engenharia Mecânica da Escola Politécnica,

Universidade Federal do Rio de Janeiro, como

parte dos requisitos necessários à obtenção do

título de Engenheiro Mecânico.

Orientador: Albino José Kalab Leiroz

AVALIAÇÃO DA POSSIBILIDADE DE ACOPLAR UM

MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA AO VEÍCULO

LEVE SOBRE TRILHOS (VLT)


PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA

DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE

DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU

DE ENGENHEIRO MECÂNICO.

Examinado por:

Prof. Albino José Kalab Leiroz, PhD.

Prof. Flávio de Marco Filho, D. Sc.

Prof. José Luis Lopes da Silveira, D. Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL

JULHO DE 2017

i

Rodrigues, Rafael de Almeida

Avaliação da possibilidade de acoplar um motor de

combustão interna ao Veículo Leve sobre Trilhos (VLT) /

Rafael de Almeida Rodrigues – Rio de Janeiro:

UFRJ/ESCOLA POLITÉCNICA, 2017.

xiii, 65 p.: il.; 29,7 cm.

Orientador: Albino José Kalab Leiroz

Projeto de Graduação – UFRJ / Escola Politécnica /

Curso de Engenharia Mecânica, 2017.

Referências Bibliográficas: p. 57-59.

1. Motor de Combustão Interna 2. Veículo Leve sobre Trilhos 3.

Gerador Elétrico 4. Ciclo Diesel I. Leiroz, Albino José Kalab II.

Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, curso

de Engenharia Mecânica. III. Estudo de possibilidade de acoplar

um motor de combustão interna ao Veículo Leve sobre Trilhos

(VLT)

ii

Agradecimentos

Em primeiro lugar, gostaria de agradecer aos meus pais, Marisa e Antonio José,

por acreditarem que uma base familiar forte, aliada com uma educação justa, me ajudaria

a colher frutos lá na frente. Obrigado por sempre investirem em mim, não importando o

esforço. Gostaria de agradecer também a minha irmã, Juliana, por ser um exemplo de

pessoa, profissional e cidadã, inspirando muito o meu crescimento pessoal. Obrigado a

todos os parentes, que próximos ou não do dia a dia, contribuíram para a finalização dessa

etapa, cada um com o seu jeito.

Em segundo lugar, gostaria de agradecer ao professor Albino Leiroz, pelo

excepcional mestre que foi quando fui seu aluno, e por ter aceitado o desafio de me

orientar em mais essa etapa da minha vida. Agradeço também aos professores Flávio e

José Luis por terem aceitado o convite para integrar a banca.

Não poderia deixar de agradecer aqueles que não são de sangue, mas que sempre

estiveram presentes na minha formação, aqueles que nunca tinha tempo ruim. Obrigado

Felipe, Venicius e Mariana, por todas as horas de apoio, zoação e muita, muita felicidade.

Aos meus primeiros amigos da faculdade, Daniel, Lucas, Luca, Leonardo, Giulia

e Marcella, por dividirem todos esses anos comigo, entre aflições, medos, mangues e tudo

que esta faculdade traz a nós. Agradeço também Jamylle e Victor Hugo por todo o apoio

durante a construção deste projeto.

Não poderia deixar de agradecer a todos os colegas que fiz dentro da

Concessionária do VLT Carioca e que se tornaram grandes amigos, por toda a paciência

desde o início, por todos os momentos de descontração e por todos os momentos sérios,

que com toda certeza farão a diferença na minha carreira profissional. Em especial,

gostaria de agradecer por todo o apoio na época do projeto final, obrigado Engenheiros

Daniel Machado, Martin Piccirilli, Diego Cortes, Douglas Adade, Debora Araujo,

Guilherme Esteves e Ricardo Pérsico. Obrigado a Paula Silveira pelo grande apoio.

Por último, mas não menos importante, obrigado Associação Atlética Acadêmica

Escola Politécnica, ou para os íntimos, AAAEP. Tudo que eu vivenciei dentro dessa

instituição vai ficar guardado na mente e no coração, tempos de atleta ou de presidente,

cada momento compartilhado com cada membro foi de suma importância para o meu

crescimento como pessoa, sendo impossível quantificar a importância que você teve e

tem para mim. Só resta agradecer.

iii

Por fim, lembre-se que:

1,01365 = 37,8

0,99365 = 0,03

iv

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte

dos requisitos necessários para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.

AVALIAÇÃO DA POSSIBILIDADE DE ACOPLAR UM MOTOR DE

COMBUSTÃO INTERNA AO VEÍCULO LEVE SOBRE TRILHOS (VLT)


Julho/2017

Orientadores: Albino José Kalab Leiroz

Curso: Engenharia Mecânica

O Veículo Leve sobre Trilhos (VLT) é apenas mais um integrante da revitalização

da área do Porto do Rio de Janeiro, uma mudança que altera diretamente com a

mobilidade das pessoas que trabalham ou moram pelo centro da cidade. Concebido como

um transporte de integração, o VLT tem como missão interligar os mais diversos modais:

ônibus, barca, aeroporto, metrô e o teleférico, por esse motivo, o serviço do VLT deve

ser contínuo, sem interrupções.

O VLT se locomove por um sistema de alimentação pelo solo (APS) que retira

energia diretamente de subestações que são alimentadas pela Concessionária local.

Invariavelmente esbarramos em alguns problemas de fornecimento e o serviço do VLT é

suspenso.

O traçado do bonde conta com alguns trechos em que o sistema APS não foi

instalado por ter um custo muito alto. Então, a proposta foi criar zonas de autonomia,

onde o bonde seria energizado a partir de um banco de capacitores, com energia suficiente

para chegar até a parada mais próxima, seja ela anterior ou posterior ao ponto em que o

bonde parou.

O presente projeto almeja dimensionar um motor de combustão interna (MCI), o

qual funcionará independente do motor elétrico já embarcado no bonde. O MCI estará

acoplado a um gerador que carregará o banco de capacitor suficientemente para que o

VLT termine sua viagem até o fim da linha.

v

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of

the requirements for the degree of Mechanical Engineer

AVALIATION OF JOIN AN INTERNAL COMBUSTION MOTOR AND

VEÍCULO LEVE SOBRE TRILHOS (VLT)’S POSSIBILITY


July/2017

Advisor: Albino José Kalab Leiroz

Course: Mechanical Engineering

The Veículo Leve sobre Trilhos (VLT), also known as tram, is part of the Rio de

Janeiro’s marine area revitalization – which will change how people move around in

business downtown area. Proposed as integrated means of transportation, the VLT has

the responsibility to connect different transportations such as bus, ferry, subway and cable

cars – it also has a direct link to one of Rio’s airports. And that is why, it must be a

continuous service – without any kind of interruption.

The VLT uses a new system named “Ground Feeding” (Alimentação pelo solo – APS

in portuguese) which receives energy directly from the substations. It is sourced by

Brazilian State Electricity company and quite often the provision is cut off and VLT

service has to be interrupted.

The APS wasn’t installed in the whole route of the tram due the high cost of it. In

order to avoid the high expenses, the solution was to create some free autonomy zones -

where the tram receives energy from several capacitors. These equipments have enough

energy to sustain the arrival of VLT until the next stop.

This actual project hopes to scale out an internal combustion motor that is going to

work independently from the electrical motor that is already in the tram. The IMC is

going to be attached to an electricity generator which will charge the capacitors to

manage the VLT to arrive at the last stop of the line.

vi

SUMÁRIO

Índice de Ilustrações …………………………………….……………………………………................................... viii

Índice de Tabelas …………..…………………………………..……………………………………………………………….… xi

Abreviações …………..……..…………………………………..………………………………………………………………… xii

1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 1

2. DEFINIÇÕES DE PROJETO .......................................................................................... 13

2.1. Distância das Paradas .............................................................................................. 13

2.2. Velocidade do VLT ................................................................................................. 15

2.3. Capacitor ................................................................................................................. 16

2.3.1. Curvas de Desempenho .................................................................................... 18

2.3.2. Potência do Motor ............................................................................................ 20

2.3.3. Carga e Descarga ............................................................................................. 22

3. SELEÇÃO DO MOTOR ................................................................................................. 24

3.1. Cummins ................................................................................................................. 25

3.1.1. ISL .................................................................................................................. 25

3.2. Ciclo Diesel ............................................................................................................. 27

3.3. Carga e Descarga ..................................................................................................... 29

3.4. Tanque de Combustível ........................................................................................... 31

3.5. Outros Parâmetros ................................................................................................... 34

4. SELEÇÃO DO GERADOR ELÉTRICO ......................................................................... 35

4.1. WEG ....................................................................................................................... 35

4.1.1. Industrial ......................................................................................................... 35

4.1.2. Velocidade de Rotação ..................................................................................... 37

4.1.3. Fator de Potência ............................................................................................. 37

4.1.4. Interfaces ......................................................................................................... 38

4.1.5. Seleção do Retificador ..................................................................................... 39

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS .......................................................................................... 41

5.1. Peso......................................................................................................................... 41

5.2. Probabilidade de Tombamento ................................................................................. 43

5.3. Lógica de Controle .................................................................................................. 50

5.4. Instalação ................................................................................................................ 52

6. CONCLUSÃO ................................................................................................................ 54

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................. 55

vii

8. ANEXO I – Demonstração Fórmula de Brina .................................................................. 58

9. ANEXO II – Catálogo Motor .......................................................................................... 61

10. ANEXO III – Catálogo Alternador .............................................................................. 63

viii

Índice de Ilustrações

Figura 1 – Mapa do traçado. Fonte:

http://www.portomaravilha.com.br/artigosdetalhes/cod/13 ........................................... 1

Figura 2 – VLT divido em módulos [7] .......................................................................... 2

Figura 3 -Trilho APS. Fonte: http://g1.globo.com/rio-de-janeiro/aniversario-do-

rio/2016/noticia/2016/02/vlt-carioca-resgata-memoria-de-bondes-com-

sustentabilidade.html . ..................................................................................................... 4

Figura 4 – Trecho condutor de energia.Fonte:

http://www.skyscrapercity.com/showthread.php?t=1245391&page=216 ..................... 5

Figura 5 – Parte inferior do VLT, onde podemos ver as sapatas coletoras ..................... 6

Figura 6 – Sistema de Catenárias .................................................................................... 7

Figura 7 – Zona de autonomia ......................................................................................... 8

Figura 8 - Grupo de Capacitores ...................................................................................... 9

Figura 9 – VLT em Lisboa (Portugal). Fonte:

http://www.skyscrapercity.com/showthread.php?t=351673 ......................................... 10

Figura 10 -VLT em Dublin (Irlanda) Fonte:

http://victoryguy.smugmug.com/Dublins-Luas-Tramway/i-WvkcMDK ........................ 10

Figura 11 – VLT em Dubai (Emirados Árabes) Fonte:

http://viatrolebus.com.br/2015/03/semana-via-trolebusalstom-por-dentro-do-vlt-de-

dubai/.............................................................................................................................. 11

Figura 12 – VLT em Bordeaux (França) Fonte:

https://veiculolevesobretrilhos.wordpress.com/fotos/ ................................................... 11

Figura 13 – VLT em Sevilla se preparando para começar a carga do capacitor [8] ...... 12

Figura 14 – VLT em Sevilla carregando o capacitor [8] ............................................... 12

Figura 15 – Em verde, o traçado de Ida do VLT Carioca ............................................. 14

Figura 16 – Em vermelho, o traçado de Volta do VLT Carioca ................................... 14

Figura 17 – Fases do comportamento do grupo de capacitores [5] ............................... 16

Figura 18 – Gráfico do comportamento dos capacitores para várias velocidades [7] ... 17

Figura 19 – Gráfico do comportamento dos capacitores para 10 km/h ......................... 18

https://veiculolevesobretrilhos.wordpress.com/fotos/

ix

Figura 20 – Comportamento 1 em laranja (quadrado) e comportamento 2 em azul

(círculo) ........................................................................................................................ 20

Figura 21 Desenho esquemático do tempo gasto para o motor carregar o grupo de

capacitores por completo ............................................................................................... 24

Figura 22 – Motor ISL da Cummins [26] ...................................................................... 26

Figura 23 – Curvas de Potência e Torque para diversas velocidades de rotação do motor

ISL [26] .......................................................................................................................... 27

Figura 24 – Descritivo dos 4 tempos de um Ciclo Diesel Real. Fonte:

http://www.culturamix.com/cultura/curiosidades/invencoes/por-dentro-dos-motores

-de-combustao-interna-alternativos/ ............................................................................. 28

Figura 25 – Gráficos PxV e Txs característicos do Ciclo Diesel Ideal. Fonte:

http://slideplayer.com.br/slide/361263/ ......................................................................... 29

Figura 26 – Desenho esquemático do tempo gasto para o motor carregar o grupo de

capacitores por completo, com a nova potência ............................................................ 31

Figura 27 – Localização das Balizas em um cruzamento [19] ...................................... 33

Figura 28 – Alternador Síncrono da Linha Industrial. Fonte:

http://www.weg.net/catalog/weg/BR/pt/Gera%C3%A7%C3%A3o%2C-

Transmiss%C3%A3o-e-Distribui%C3%A7%C3%A3o/Geradores/Alternadores-para-

Grupos-Geradores/c/GLOBAL_GENSET ..................................................................... 37

Figura 29 – Acoplamento direto Fonte: WEG ............................................................... 39

Figura 30 - Linhas de retificador da Secheron. Fonte:

http://www.secheron.com/Products/Transformer-Rectifier-group ............................... 41

Figura 31 (a) – Desenho esquemático do teste de pesagem [11] ................................... 43

Figura 31 (b) - Resultado do teste de pesagem para o trem 122 [11] ............................ 43

Figura 32 – Curvas com os menores raios do traçado ................................................... 45

Figura 33 – Localização de algumas curvas de menor raio de curvatura do traçado .... 46

Figura 34 – Planos de simetria para o trem ................................................................... 47

Figura 35 – Planos de simetria para o motor/alternador ................................................ 47

Figura 36 – Desenho esquemático do MCI, Alternador e Trem ................................... 48

Figura 37 – Lógica de Controle atual do VLT .............................................................. 52

Figura 38 – Proposta de lógica de controle com a inserção do grupo gerador .............. 53

x

Figura 39 – Desenho esquemático da instalação dos equipamentos no teto do NP ...... 54

Figura 40 - Desenho esquemático da instalação do motor e do alternador ................... 54

Figura 41 - DCL do Trem fazendo uma curva .............................................................. 60

xi

Índice de Tabelas

Tabela 1 – Distâncias reais entre paradas de ida ........................................................... 14

Tabela 2 – Distâncias reais entre paradas de volta ........................................................ 15

Tabela 3 – Principais Características do motor ISL [26] ............................................... 26

Tabela 4 – Interpolação entre Potência e Autonomia de motores Diesel ...................... 34

Tabela 5 – Interpolação entre Potência e Autonomia de motores Diesel ...................... 34

Tabela 6 – Principais Características do alternador Industrial ..................................... 37

Tabela 7 – Características do Retificador ...................................................................... 41

Tabela 8 - Características dos equipamentos ................................................................. 48

Tabela 9 - CM dos equipamentos .................................................................................. 48

Tabela 10 - Valores para VMÁX para diferentes valores de coeficientes de segurança .. 49

Tabela 11 - Valores para VMÁX para diferentes valores de coeficientes de segurança .. 51

xii

Abreviações

VLT Veículo Leve sobre Trilhos

APS Alimentação pelo Solo

MCI Motor de Combustão Interna

PPP Parceria Público Privada

PFM Parada Praia Formosa

RDV Estação Rodoviária

EQD Parada Equador

CDG Parada Cordeio da Graça

PRE Parada Pereira Reis

GMB Parada Gamboa

SCT Parada Santo Cristo

CDS Parada Cidade do Samba

UTP Parada Utopia

PNV Parada dos Navios

PMS Parada dos Museus

SBT Parada São Bento

CDL Parada Candelária

SST Parada Sete de Setembro

CRC Parada Carioca

CNL Parada Cinelândia

ACL Parada Antônio Carlos

SDU Parada Santos Dumont

M1 M2 Módulo Motor

C1 CC C2 Módulo Suspenso

NM Nacela Motorizada

NP Nacela Portadora

CIOM Centro Integrado de Operação e Manutenção

CCO Centro de Controle Operacional

AMV Aparelho de Mudança de Via

MP Motor de Partida

SSV Sistema de Sinalização Viária

Ba Baliza de Aproximação

xiii

Abreviações (cont.)

Bc Baliza de Confirmação

Bp Baliza de Presença

Bl Baliza de Liberação

CM Centro de Massa

CCP Caixa de Comutação Principal

1

1. INTRODUÇÃO

O projeto Porto Maravilha [1] veio para remodelar o centro do Rio de Janeiro e a Zona

Portuária. Ele conta com obras de infraestrutura, investimento social e mobilidade urbana

na área. Foram muitas as mudança por lá: a perimetral foi derrubada, o Museu do Amanhã

foi construído, assim como o Túnel 450 e Túnel Prefeito Marcello Alencar. O projeto do

Veículo Leve sobre Trilhos, ou para os íntimos VLT, vem para agregar neste projeto.

O VLT Carioca foi concebido [2] através de uma PPP (Parceira Público Privado)

avaliada em torno de R$625 milhões, divididos entre a Prefeitura do Rio e os Acionistas

da Concessionária. Outros R$532 milhões são advindos de recursos federais do Programa

de Aceleração do Crescimento da Mobilidade, totalizando um montante de R$ 1,6 bilhão

investidos.

O traçado total do VLT é composto por 3 linhas (Linha 1: Praia Formosa até Santos

Dumont, Linha 2: Praia Formosa até Praça XV e Linha 3: Central até Santos Dumont).

Ele compreende 28 km entre todas as 31 paradas e estações, onde os passageiros podem

embarcar para sua viagem. Na data que o presente trabalho se iniciou, 8 km (Linha 1) e

17 paradas/estações se encontravam em operação.

Figura 1 – Mapa do traçado

2

O trem é composto por sete módulos de 6 metros de comprimento que, somados às

junções dos módulos, totalizam 44 metros [3]. Cada um deles tem a sua característica

para que a viagem seja executada com sucesso. Eles são nomeados como M1, C1, NM,

CC, NP, C2 e M2. Em resumo, o M1, o NM e o M2 carregam os equipamentos de tração,

o C1, o CC e o C2 levam o grupo de ar condicionado e o NP conduz as alternativas de

tração: o grupo de capacitores e o pantógrafo. [4]

Figura 2 – VLT divido em módulos

3

A título de curiosidade, as paradas ativas até o presente momento são: Rodoviária,

Equador, Cordeiro da Graça, Pereira Reis, Santo Cristo, Gamboa, Cidade do Samba,

Utopia, Parada dos Navios, Parada dos Museus, São Bento, Candelária, Sete de Setembro,

Carioca, Cinelândia, Antônio Carlos e Santos Dumont.

O bonde do futuro, como é conhecido, não foi pensado como um meio de transporte

de massa [1], mas sim para se tornar um agente integralizador dos diversos modais já

existentes no centro da cidade do Rio de Janeiro. Não é à toa que conta com estações em

lugares estratégicos, onde o passageiro pode embarcar em outra modalidade de

locomoção (Porto, Barcas, Teleférico, Metrô, Aeroporto e Rodoviária). Ele tem a

capacidade de transportar um máximo de 420 pessoas de uma só vez e, quando ativo 24

horas por dia, consegue levar 300 mil pessoas por dia.

O projeto ainda conta com dois centros estratégicos: o Centro Integrado de Operação

e Manutenção (CIOM) e o o Centro de Controle Operacional (CCO). O primeiro é

responsável por guardar os trens que não estão em serviço e para eventuais manutenções,

além de outros serviços, como por exemplo a lavagem externa. Já o segundo, é

responsável por auxiliar a operação com informações de todo os setores em tempo real,

onde existem diversos aparelhos que influenciam direta ou indiretamente na viagem de

cada trem (sonorização das plataformas, monitoramento eletrônico, sinalização etc).

O VLT Carioca se locomove usando energia elétrica, e diferente de outros vistos ao

redor do mundo, por uma exigência da prefeitura na época da licitação, o projeto prevê

que não seja utilizada nenhuma fiação aérea para a captação da energia elétrica. A

inovação se trata de uma alimentação pelo solo, onde um terceiro trilho é instalado no

meio dos dois rolantes, e a energia é coletada através de equipamento instalados na parte

infeiror do bonde. Esse terceiro trilho é alimentado por 12 subestações (até então, 9 em

funcionamento) espalhadas pelo traçado, fazendo com que cada uma fique responsável

por um trecho, e caso haja uma queda de energia em uma delas, a operação não fique

completamente suspensa.

4

Pensando na adaptação do carioca ao novo meio de transporte, que cruzaria boa parte

do coração do centro da cidade, a questão de como seria a transmissão de energia do trilho

APS para o trem sem que nenhum acidente acontecesse foi levantada. A solução adotada

[5] foi dividir o traçado em vários trechos de 11 metros, onde 8 deles conduzem energia

e 1,5 metro de cada lado é isolante. Com isso, garante-se que somente um trecho que está

abaixo do bonde é energizado, fazendo com que as pessoas possam transitar sobre as

linhas sem risco de choques ou acidentes mais graves.

Figura 3 – Trilho APS

5

Essa solução só é possível pela forma que a energia é captada para o trem [5]. Abaixo

do NP, são instalados dois equipamentos, chamados sapatas coletoras que são as únicas

responsáveis pela transferência de energia do trilho para o bonde. Assim, tem-se que, no

máximo, só dois trechos de 11 metros estão energizados por vez, pois elas distam um

pouco mais de 3 metros.

Figura 4 – Trecho condutor de energia

6

Figura 5 – Parte inferior do VLT, onde podemos ver as sapatas coletoras

7

Existe uma parte desse projeto que contempla a rede aérea para energizar o trem,

trata-se do interior do CIOM, e essa decisão foi tomada pensando na segurança dos

trabalhadores. Essa rede aérea é conhecida como sistema de catenárias e necessita de um

pantógrafo para funcionar. O pantógrafo serve como uma chave on/off [6] para fechar o

circuito entre trem e fios energizados. Assim que ele levanta e mantém um contato

contínuo com os cabos, o condutor liga o disjuntor principal do VLT e então, ele é

energizado. Esta é uma opção mais econômica aos trilhos APS, principalmente dentro do

CIOM, por contar com muitas curvas, zonas de manobra e AMV, formatos em que os

trilhos APS são mais caros.

Aliado ao expansivo custo de alguns formatos de trilhos APS, uma exigência

contratual determinou a inserção de zonas de autonomia ao longo do traçado. Entende-se

como zona de autonomia [7], um trecho de 45 metros , aproximadamente, onde o trilho

APS não está presente e, portanto, não há fornecimento de energia via subestações. A

energia provém de um sistema de capacitores instalado acima do teto do VLT, cuja

capacidade é de 1,23 kWh e está dimensionado para conduzir o VLT por 62 metros,

Figura 6 – Sistema de Catenárias

8

mesmo que testes recentes mostrem que ele é capaz de andar cerca de 300 metros

utilizando os capacitores.

O sistema de capacitores vem para somar ao projeto, visto que ele é recarregado tanto

quando está em trechos com APS (ou Catenária) e também enquanto o trem utiliza a

frenagem [5]. Ele permite continuar a viagem quando há cessão no fornecimento de

energia – mesmo que por poucos metros. A mudança entre um modo e outro é automática,

Figura 7 – Zona de Autonomia

9

apesar do condutor também poder acioná-lo manualmente, procedimento usado somente

em condições extremas.

O traçado do VLT possui um equipamento muito importante para o fornecimento de

energia, tanto no modo APS, quanto no modo de autonomia. Trata-se da power box,

responsável por enviar um comando ao trem, que faz com que as sapatas recolham energia

do trilho ou que haja a mudança para o sistema de autonomia.

Ao redor do mundo existem diversos exemplos quando o assunto é o fornecimento

de energia para o trem. O mais comum é que o sistema de catenária esteja presente durante

o traçado inteiro, como acontece em Dublin e Lisboa. Já em Bordeaux e Dubai, o sistema

utilizado é o de alimentação pelo solo, o mesmo do Rio.

Figura 8 – Grupo de Capacitores

10

Figura 9 – VLT em Lisboa (Portugal)

Figura 10 – VLT em Dublin (Irlanda)

11

Figura 11 – VLT em Dubai (Emirados Árabes)

Figura 12 – VLT em Bordeaux (França)

12

Em Sevilla há uma inovação [8] onde não existe nem APS e nem catenária: a carga

do trem funciona a cada parada. Durante o desembarque dos passageiros, o pantógrafo do

bonde é levantado até um ponto energizado, carrega seu capacitor e começa sua viagem

até a próxima parada, onde o ciclo se repete.

Figura 13 – VLT em Sevilla se preparando para começar a carga do capacitor

Figura 14 – VLT em Sevilla carregando o capacitor

13

2. DEFINIÇÕES DE PROJETO

Motivado em resolver um dos problemas da operação do Veículo Leve sobre Trilhos

no Rio de Janeiro, foram levantadas e analisadas algumas propostas de soluções. A

primeira foi inspirada pelo recurso implementado em Sevilla e, para que não houvesse

rede aérea de eletricidade no centro da cidade, optou-se em colocar um motor de

combustão interna em cada uma das paradas do traçado do VLT. A ideia se baseava em

carregar o grupo de capacitores enquanto os passageiros desembarcavam do bonde. A

dificuldade operacional, o ruído na parada e o resfriamento do motor foram os principais

obstáculos.

A segunda opção foi embarcar o motor no trem e a dúvida era se seria dentro ou no

teto do VLT. A primeira opção logo foi descartada, pois, por contrato, o VLT é obrigado

a transportar 420 pessoas por viagem, e colocando o motor dentro de um dos módulos,

essa cláusula não seria atendida. Então, a opção que foi eleita e que será tratada neste

projeto é utilizar o MCI no teto do VLT, e para isso, é necessário ter algumas

preocupações para que a operação comercial não seja impactada.

Como trata-se de um projeto de concepção em um cenário que não existe na realidade,

é preciso levantar algumas hipóteses com a finalidade de simplificar o entendimento da

ideia principal. A seguir são tratados os principais pontos de se embarcar um motor de

combustão interna no VLT.

2.1. Distância das Paradas

Como visto anteriormente, o trajeto do VLT é composto por várias linhas distribuídas

em 28 quilômetros e 31 paradas. Por motivos contratuais, no momento que esse estudo

foi iniciado, somente 8 km e 18 paradas estavam em funcionamento, fazendo com que

ele fosse reduzido e não abrangesse o traçado inteiro.

Observando o trajeto que começa em Praia Formosa e termina em Santos Dumont e

o sentido inverso, nota-se que o caminho não é o mesmo. Assim, os trajetos devem ser

tratados separadamente. Considerando de PFM até SDU como ida e de SDU até PFM

como volta, a distância real entre as paradas está destacada abaixo:

14

PFM-RDV 447,54 m CDS-UTP 747,90 m CDL-SST 432,17 m

RDV-EQD 301,36 m UTP-PNV 268,50 m SST-CRC 385,83 m

EQD-PRE 285,04 m PNV-PMS 695,52 m CRC-CNL 279,72 m

PRE-GMB 494,13 m PMS-SBT 309,75 m CNL-ACL 581,32 m

GMB-CDS 592,02 m SBT-CDL 389,03 m ACL-SDU 603,01 m

Tabela 1 – Distâncias reais entre paradas de ida

Figura 15 – Em verde, o traçado de Ida do VLT Carioca

Figura 16 – Em vermelho, o traçado de Volta do VLT Carioca

15

SDU-ACL 603,01 m CDL-SBT 389,03 m CDS-SCT 433,06 m

ACL-CNL 581,32 m SBT-PMS 309,75 m SCT-CDG 322,41 m

CNL-CRC 279,72 m PMS-PNV 695,52 m CDG-RDV 471,04 m

CRC-SST 385,83 m PNV-UTP 268,50 m RDV-PFM 447,54 m

SST-CDL 432,17 m UTP-CDS 747,90 m

Com a finalidade de alcançar uma isometria na distância entre uma parada e outra e

simplificar a análise posterior, será considerado que as paradas são equidistantes entre

elas (considerando a anterior e a posterior) e esse valor seria a média da distância real

entre elas.

Para a Ida, o valor total da distância entre as paradas terminais foi de 6812,84 metros.

Como há 15 valores nesse sentido, a média foi de 454,19 metros. Para a Volta, a distância

total foi de 6366,80 metros e sua média foi de 454,77 metros, considerando 14 trechos.

Sendo assim, para simplificar a situação, a distância entre uma parada e outra foi definida

como 450 metros gerando, consequentemente, um erro de aproximadamente 1% sobre a

distância total e entre paradas, para ambos os sentidos.

2.2. Velocidade do VLT

Ao longo do traçado, os limites de velocidade são diferentes dependendo da

particularidade de cada trecho: curvas, subidas, trechos com alta ocupação de pedestres e

grandes cruzamentos rodoviários são só alguns exemplos. É fácil chegar à conclusão que

o panorama atual de operação do VLT não permite que ele alcance sua velocidade

máxima em nenhum trecho. Esse cenário é conhecido como operação degradada, onde as

velocidades empregadas são reduzidas em comparação às calculadas no projeto inicial.

Após deliberar com os especialistas em material rodante da Concessionária do VLT

Carioca e refletir em relação ao comportamento do capacitor em diversas velocidades,

chegou-se à conclusão que o bonde andando à velocidade constante de 10 km/h não foge

de um cenário onde as condições normais ainda não estão todas implementadas. Desta

forma, essa velocidade foi a escolhida para o projeto.

Tabela 2 – Distâncias reais entre paradas de volta

16

2.3. Capacitor

O comportamento do capacitor é um ponto crucial para que todo o projeto seja viável.

Basicamente, ele é composto por duas fases [5], onde uma consome energia mais

rapidamente que a outra. Isso se deve porque quanto menos energia armazenada no

capacitor, alguns auxiliares, não tão necessários, são desligados no VLT, como por

exemplo o ar condicionado da cabine do condutor. A evolução desse desligamento pode

ser observado na figura abaixo, onde SOC significa o nível de carga restante no capacitor:

Abaixo nota-se o comportamento do capacitor para diversas velocidades. A fase de

uso se divide em duas retas com coeficientes angulares diferentes [7], mostrando o

desligamento de alguns equipamentos auxiliares, como explicado anteriormente. É

importante lembrar que o sistema de autonomia é calculado para suportar um trecho de

até 62 metros sem o sistema APS. Por isso, no gráfico, as curvas de carga começam a

aumentar quando passam desse valor, exemplificando que o VLT entraria em zona com

APS e a carga do capacitor começaria.

Figura 17 – Fases de Comportamento do Grupo de Capacitores

17

O capacitor foi inserido no projeto para auxiliar o VLT a operar nas zonas de

autonomia. Caso haja interrupção no fornecimento da Concessionária, ele pode atuar

como a principal fonte de energia. Sendo assim, em velocidades maiores, o trem utiliza

menos carga do capacitor, por se entender que o trem atingiria o trecho com APS mais

rapidamente e esse gasto contrabalançaria com o necessário para se chegar a mesma zona

em velocidades mais baixas.

A ideia de acoplar um motor de combustão interna e um gerador aos capacitores é que

eles tenham carga suficiente para que a viagem, interrompida em qualquer trecho, possa

ser finalizada. Assim, o acionamento do sistema de autonomia mantem-se automático,

como já acontece no VLT. Para estabelecer em que momento o motor deve ser acionado,

é necessário estudar um pouco mais a fundo o comportamento do capacitor.

Figura 18 – Gráfico do comportamento dos capacitores para várias velocidades

18

2.3.1. Curvas de Desempenho

Observando a figura 18, destaca-se a linha relacionada à velocidade de 10km/h

(amarela), a qual foi escolhida como velocidade de operação.

A situação contempla dois comportamentos lineares diferentes para o capacitor, onde

são conhecidos 3 pontos (A, B e C), sendo um deles comum aos dois. O próximo passo é

descobrir as equações para estudar mais a fundo a potência necessária para o motor.

Para isso, será utilizado o recurso de sistema linear [9] e de função afim, pois como

temos apenas dois pontos para cada comportamento, teremos uma equação de primeiro

grau para cada um. Neste método, precisamos substituir os pontos conhecidos na equação

geral de primeiro grau: 𝑦 = 𝑎𝑥 + 𝑏.

Como podemos ver na figura 19, temos os pontos A = (0 ; 1,23), B = (31 ; 0,65) e

C = (62 ; 0,3) e assim, podemos inferir:

Figura 19 – Gráfico do comportamento dos capacitores para 10 km/h

1

2

19

Para 1:

y = ax + b

1,23 = 𝑏 (1)

0,65 = 31a + b (2)

Substituindo (1) em (2), teremos:

0,65 = 31𝑎 + 1,23 (3)

E assim:

a = −0,0187 (4)

Por fim:

Y = − 0,0187x + 1,23 (5)

x y

0 1,23

31 0,65

Para 2:

y = ax + b

0,65 = 31𝑎 + 𝑏 (1)

0,3 = 62a + b (2)

Fazendo (1) x 2 – (2), teremos:

1 = 𝑏 (3)

Substituindo em (1):

0,65 = 31a + 1 (4)

E assim:

a = −0,0113 (5)

Por fim:

Y = − 0,0113x + 1 (6)

x y

31 0,65

62 0,3

20

Então, como é possível notar no gráfico abaixo:

• 1 (quadrado laranja): y = - 0,0187x + 1,23

• 2 (círculo azul): y = - 0,0113x + 1

2.3.2. Potência do Motor

Com essas informações, pode-se calcular a potência mínima que o motor de

combustão interna deve ter para recarregar corretamente o capacitor e assegurar que a

energia armazenada nunca acabe. É possível também calcular a taxa de descarga de cada

comportamento do capacitor, que nada mais é que os coeficientes angulares de cada reta.

Sendo a velocidade do VLT:

V = 10 𝑘𝑚/ℎ = 10 ∗ 1000

3600= 2, 7778 m/s

Para 1:

• 𝑉1’ = ቚ(1,23−0,65)

(0−31)ቚ = 0,0187 kWh/m

Para 2:

• 𝑉2’ = ቚ(0,65−0,3)

(31−62)ቚ = 0,0113 kWh/m

Figura 20 – Comportamento 1 em laranja (quadrado) e comportamento

2 em azul (círculo)

21

Temos, para 1:

𝑉1 = 0, 0187 kWh/m ∗ 2,7778 m/s = 0,0519 kWh/s

É sabido que, no comportamento 1, a variação de energia é de 1,23 kWh até 0,65 kWh

– onde o capacitor muda de comportamento. Assim, com essa velocidade de descarga e

para essa quantidade de energia (1,23 - 0,65 = 0,58 kWh), o capacitor gasta 11,1753 s.

Para 2:

𝑉2 = 0,0113 kWh/m ∗ 2,7778 m/s = 0,0314 kWh/s

O comportamento 2 varia de 0,65 kWh até 0 kWh, assim, com a velocidade de

descarga destacada no início da página e para essa quantidade de energia (0,65 - 0 = 0,65

kWh), o capacitor gasta 20,7006 s.

A potência depende da energia e do tempo gasto – traduzido pela fórmula E = Pot x t

– calcula-se a potência necessária para cada comportamento.

Após esse estudo, fica definido que o motor de combustão deve ter no mínimo 187

kW para garantir que o capacitor não chegue ao nível zero de energia e o bonde pare sua

viagem. Pensando em uma margem de segurança confortável de 10% para suprir

eventuais desvios que o cenário real traz, fica definido que a potência do motor de

combustão interna será de 205 kW.

Para 1:

• 𝑃𝑜𝑡1 = 0,58 ∗ 3600

11,1753

• Pot1 = 186,8406 Kw

Para 2:

• 𝑃𝑜𝑡2 = 0,65 ∗ 3600

20,7006

• Pot2 = 113,0402 Kw

22

2.3.3. Carga e Descarga

Aprofundando um pouco mais na situação de carga do capacitor, em questões

quantitativas, deve-se levar em conta as duas hipóteses que foram feitas: paradas

equidistantes e distantes 450 metros, e velocidade de 10 km/h (2,7778 m/s). Com isso, o

VLT demora 450

2,7778 = 162 segundos para ir de uma a outra.

Pensando na pior hipótese de onde o motor deve ser acionado: a situação em que o

fornecimento de energia tem uma interrupção assim que o VLT sai de uma parada,

fazendo com que ele tenha que percorrer os 450 metros somente com o sistema de

autonomia.

Para 2 (Situação entre 0,65 kWh e 0 kWh):

Carga

o Pot = 205 kW

Descarga

o V2 = 0,0314 kWh/s

o V2’ = 0,0113 kWh/m

Em 1 segundo:

• Carga: Ec = Pot * t = 205

3600 = 0,0569 kWh

• Descarga: Ed = V2 * 1s = 0,0314 kWh

• Fluxo de Energia: ET = 0,0569 - 0,0314 = 0,0327 kWh (positivo)

• VCARGA2 = 0,0327 kWh/s (positivo)

Tempo gasto para carregar 0,65 kWh:

• t = 0,65

𝑉𝐶𝐴𝑅𝐺𝐴2 =

0,65

0,0327 = 19,8777 s

Para 1 (Situação entre 1,23 kWh e 0,65 kWh):

Carga

o Pot = 205 kW

Descarga

o V1 = 0,0519 kWh/s

23

o V1’ = 0,0187 kWh/m

Em 1 segundo:


3600 = 0,0569 kWh





• t = 0,58

𝑉𝐶𝐴𝑅𝐺𝐴1 =

0,58

0,0070 = 82,8571 s

Agora, é necessário aferir em qual momento o motor deve ser acionado e como isso

acontecerá. Os motores a combustão interna necessitam de um motor de partida [10]

(também conhecido como motor de arranque) para que a inércia de seus equipamentos

seja vencida e ele comece a trabalhar normalmente.

O motor de arranque será acionado por uma das baterias embarcadas no VLT e dará

a rotação inicial necessária para o MCI partir e começar a gerar energia. Utilizando um

embasamento conservador, foi estipulado o tempo de 10 segundos para o motor de partida

conseguir acionar o motor de combustão interna corretamente. Assim, a linha de tempo

de todo o trabalho pode ser observada abaixo.

Como é utilizada uma potência fixa do motor, uma capacidade fixa de armazenamento

de energia e uma velocidade constante, entende-se que esse ciclo sempre vai se repetir. É

possível ter uma ausência de qualquer umas das fases assim que o VLT sai da parada, o

MP é acionado

MCI começa a carga

MCI acaba a carga

VLT chega no destino

21 s 10 s 20 s 82 s 29 s


capacitores por completo

VLT inicia a viagem

24

que não influencia as contas sobre a potência do motor. A única consequência é que o

motor pode ser acionado nas seguintes situações: VLT parado na estação, VLT no meio

do caminho, VLT saindo de uma das paradas e VLT chegando no seu destino.

Assim, as definições básicas do projeto foram estabelecidas, fazendo com que seja

possível analisar a hipótese de se colocar um motor de combustão interna em cima do

VLT. São elas:

Velocidade do VLT constante de V = 10 km/h

16 paradas equidistantes entre si e com distância entre elas igual a 450 metros na Ida

15 paradas equidistantes entre si e com distância entre elas igual a 450 metros na

Volta

Potência do MCI igual a 200 kW

Capacitor com dois comportamentos diferentes que dependem da quantidade de

energia armazenada

o y = - 0,0187x + 1,23 (Im(y) = [1,23;0,65] e Dm(x) = [0;31])

o y = -0,0113x + 1 (Im(y) = [0,65;0] e Dm(x) = [31;88])

O MCI é acionado quando a capacidade de energia do capacitor chega em 0,2782

kWh (quando restam 10 segundos de carga)

3. SELEÇÃO DO MOTOR

No capítulo 2, após cálculos iniciais sobre a potência necessária (item 2.3.2) e estudo

sobre como funciona a carga e a descarga do capacitor (item 2.3.3), foi visto que é

possível utilizar um motor de combustão interna como fonte de energia para o VLT.

Sendo assim, rumou-se para o segundo passo do projeto: selecionar o motor que será

utilizado. Após breve pesquisa e conversas com especialistas nessa área, o nome da

Cummins foi levantado e selecionado, por ser uma empresa tradicional no setor e por se

tratar de um projeto de concepção.

25

3.1. Cummins

Desde a década de 70 atuando no Brasil, a Cummins [11] não investe só na produção

de motores. Eles oferecem uma gama de outros equipamentos, tais como filtros, turbos e

geradores de energia. Sua filial no Brasil se encontra em Guarulhos, São Paulo e no

mundo ela está presente em mais de 190 países.

Em 2012, a Cummins lançou a linha Euro V que emite três vezes menos poluentes

que as normas anteriores. Também neste ano, a região da América do Sul começou a ser

tratada de forma integrada e no começo de 2016 foi formada a Cummins América Latina,

mostrando maior integração.

A Cummins separa seus motores por potência. Há aqueles com potência média (18-

360 HP) usados basicamente em caminhões e ônibus; aqueles de potência pesada (381-

600 HP) usados em grande parte em equipamentos agrícolas e de construção, e aqueles

de alta potência (601-5000HP), usados em máquinas de mineração. Seguindo nossas

definições, o motor que procuramos está no primeiro grupo.

3.1.1. ISL

A Cummins conta com uma gama de motores: ISC, ISBe 6, QSB, ISL, ISF etc. Após

análise das características principais e informações disponíveis, um bom concorrente para

a vaga no projeto foi eleito: Motor ISL. Com características totalmente compatíveis com

o esperado, se trata de um motor com ignição por compressão, quatro tempos e ciclo

Diesel. As características completas se encontram no item 9 – ANEXO II.

Figura 22 – Motor ISL da Cummins

26

Potência (máxima) 238 kW (400 CV) @ 2100 rpm

Torque (máximo) 1700 Nm @1100 rpm

Velocidade de Rotação 900 ~2100 rpm

Número de Cilindros 6 (em linha)

Diâmetro do Cilindro 114 mm

Curso do Pistão 144,5 mm

Cilindrada 8,85 l

Massa seca 706 kg

Altura 1157 mm

Comprimento 1124 mm

Largura 763 mm

O motor escolhido supre todas as necessidades levantadas pelo projeto inicial.

Escolhendo como velocidade de operação 1800 rpm, resulta em um torque de 1400 N.m

e uma potência de aproximadamente 350 CV, a qual é suficiente baseada nos cálculos

anteriores. Agora será possível estudar as diferenças que esse aumento de potência irá

gerar, em questão da recarga do capacitor.

Tabela 3 – Principais Características do motor ISL

Figura 23 – Curvas de Potência e Torque para diversas velocidades de rotação do

motor ISL

27

3.2. Ciclo Diesel

Quando o assunto é ciclo termodinâmico, as primeiras referências são Otto e Diesel,

mas apesar de ambos tratarem de ciclos de potência, os dois tem algumas diferenças. Para

entender suas peculiaridades, é preciso, primeiro, entender o que é um ciclo ideal ou

padrão.

As análises necessárias dos ciclos reais são muito complexas e para que estude-se o

fenômeno de uma maneira mais simplificada, foram criadas aproximações que tornam

essa análise possível. O ciclo ideal, ou padrão, deve compartilhar o mesmo

comportamento em relaçao às variações de parâmetros importantes e cumprir algumas

hipóteses para que o modelo seja válido [12]. São elas:

• Ciclo Fechado - Massa constante de ar circulando em todo o ciclo e moléculas

sempre com a mesma composição

• Fluido de trabalho se comporta como gás ideal

• Combustão substituída por adição de calor

• Exaustão substituída por uma rejeição de calor que faz o fluido de trabalho

retornar ao estado inicial do ciclo

• Processos reversíveis

Figura 24 – Descritivo dos 4 tempos de um Ciclo Diesel Real

28

O motor escolhido trabalha com o ciclo Diesel (quatro tempos) e por isso, é necessário

entender um pouco mais como esse equipamento funciona. Em primeiro lugar,

elucidando o que são os quatro tempos [13]: essa expressão se refere aos quatro estágios

que compõem a combustão em motores desse tipo - admissão do ar, compressão do ar

(início da injeção de combustível), expansão do pistão após a combustão e exaustão dos

produtos.

O descrito anteriomente faz referência ao ciclo real, porém, o estudo focará no ciclo

ideal, onde a admissão e a exaustão são substituídos por trocas de calor, e a compressão

e a exaustão são isentrópicas [12]. Abaixo estão exemplificadas essas aproximações em

forma de gráficos.

Os processos mostrados na figura 25 são:

• 1→2 Compressão Isentrópica

• 2→3 Adição de Calor a Pressão Constrante

• 3→4 Expansão Isentrópica

• 4→1 Rejeição de Calor a Volume Constante

Figura 25 – Gráficos PxV e Txs característicos do Ciclo Diesel Ideal

29

Após entender a base de como funciona termicamente um motor diesel, é necessário

focar nas condições operacionais. Este funciona com ignição de compressão [13], ou seja,

em nenhum momento há uma faísca que faz com que a mistura de combustível e ar entre

em combustão. O que acontece é que a razão de compressão com que o motor trabalha é

tão alta que faz com que a temperatura da mistura suba à um nivel maior do que a

temperatura de auto-ignição, entrando em combustão.

Outro fator a se destacar é a mistura de combustível e ar [13]. Em motores que

funcionam com o ciclo Otto, há uma pré-mistura entre o ar e o combustível antes de eles

serem injetados na câmara de combustão. Isto faz com que a combustão se desenvolva

mais facilmente. Já nos motores a ciclo Diesel, o ar é captado e jogado na câmara de

combustão e, somente quando a compressão é iniciada, o combustível é injetado. A forma

como o processo é feito justifica a pré-compressão que o ar sofre para ajudar a combustão

acontecer mais rapidamente dentro da câmara. O fato de não haver uma mistura

homogênea de combustível e ar, torna a combustão nos motores Diesel mais complexa.

3.3. Carga e Descarga

Retomando os cálculos do item 2.3.3, página 23, nota-se que ter uma potência maior

que a calculada tem como consequência um tempo menor de recarga dos capacitores.

Assim:

Para 2 (Situação entre 0,65 kWh e 0 kWh):

Carga

o Pot = 350 CV = 257 kW

Descarga

o V2 = 0,0314 kWh/s

o V2’ = 0,0113 kWh/m

Em 1 segundo:


3600 = 0,0714 kWh




30


• t =0,65

𝑉𝐶𝐴𝑅𝐺𝐴2=

0,65

0,0400 = 16,2500 s

Para 1 (Situação entre 1,23 kWh e 0,65 kWh):

Carga

o Pot = 257 kW

Descarga

o V1 = 0,0519 kWh/s

o V1’ = 0,0187 kWh/m

Em 1 segundo:


3600 = 0,0714 kWh



• VCARGA1 = 0,0195 kWh/s


• t =0,58

𝑉𝐶𝐴𝑅𝐺𝐴1=

0,58

0,0195 = 29,7436 s

Logo, com a nova definição de potência, o MCI é capaz de carregar os capacitores

em 77 segundos. Como a viagem entre uma parada e outra demora 162 segundos, esse

ciclo de recarga se repetirá durante esse trajeto, independente de qual seja a carga do

capacitor quando ele sair de uma parada.

MCI começa a carga MCI acaba a carga

MP é acionado VLT chega no

destino

10 s 21 s 16 s 30 s 85 s


capacitores por completo, com a nova potência

VLT inicia a viagem

31

3.4. Tanque de Combustível

No cenário em que o VLT está inserido, o fornecimento da energia proveniente da

Concessionária Local não pode ser considerado estável. Desta forma surge o problema de

dimensionar um motor de combustão interna para o trem: uma maneira que ele não pare

no meio do trajeto quando não tiver energia elétrica à disposição.

Sendo assim, é razoável colocar um tanque de combustível tão grande quanto a pior

situação em que o motor tenha que entrar em ação: quando o motor é acionado assim que

ele começa a viagem comercial, na estação Praia Formosa, e é utilizado até o final da

linha, na estação Santos Dumont (o sentido Ida é maior que o sentido Volta). Não seria

necessário mais do que isso, pois quando acabasse a viagem, o tanque seria reabastecido.

Assim, o motor será utilizado durante todo o percurso de 6812,84 metros que liga

Praia Formosa ao Santos Dumont, e considerando uma velocidade constante de 10 km/h

do VLT, que demoraria 40 minutos e 52 segundos, não havendo parada.

A hipótese de realizar a viagem completa sem parada não é utópica. O projeto do VLT

[14] contempla os cruzamentos rodoviários com um sistema que se chama Sistema de

Sinalização Viária. Basicamente, o SSV é composto por vários sensores espalhados pela

via (4 por trecho de cruzamento) que seguem uma lógica que faz com que o VLT tenha

prioridade no cruzamento com os carros.

Os 4 sensores são concretados na via, ao lado dos trilhos, e sua ordem é Baliza de

Aproximação, Baliza de Confirmação, Baliza de Presença e Baliza de Liberação. Cada

uma tem uma função para que a prioridade consiga ser feita. A BA tem como objetivo

avisar que o VLT está vindo, a BC de confirmar que não houve nenhum imprevisto no

meio do caminho e que o VLT está mais perto do cruzamento. A BP é o elemento final

que realmente confirma que o VLT vai passar o cruzamento e a BL é uma resposta para

que a liberação dos carros seja feita com a certeza que o VLT já passou pelo cruzamento.

Abaixo é elucidada a disposição delas na via.

32

Sendo assim, deve-se calcular um tanque de combustível que dure 40 minutos e 52

segundos, além do tempo de desembarque dos passageiros em cada parada,

aproximadamente 20 segundos. Como o trecho é composto por 16 paradas no sentido de

Ida, isso acresce um tempo de 5 minutos e 20 segundos, consequentemente 46 minutos e

12 segundos para o trajeto completo.

Quando contatada, a Cummins relatou que a autonomia dos seus motores depende

da aplicação para qual serão utilizados e não deram maiores informações. Sendo assim,

foram procuradas mais informações em outras fontes e foi encontrada uma empresa que

faz locação de grupos geradores a diesel. Por falta de informações reais da Cummins,

serão utilizados os valores que se aproximam da realidade.

Segundo a empresa A Geradora [15], a autonomia de um conjunto gerador depende

de certas características, como a potência e o tipo do motor, além do seu regime de uso.

Os valores de autonomia apresentados são consequência de análise dos próprios produtos

alugados. A Geradora não possui motor com potência de 257 kWh, porém possui de 180

kVA e 260 kVA. Com isso, fazendo uma interpolação:

Figura 27 – Localização das Balizas em um cruzamento

300 m 120 m 10 m 0 m 10 m 450 m

33

Na tabela encontrada no site, o valor de autonomia relacionado a potência de 170 kVA

é de 40 l/h, já a encontrada para 180 kVA é de 37 l/h. Deduziu-se que se tratava de um

erro de digitação e foi corrigido com uma interpolação entre os valores de 170 kVA e 260

kVA.

Potência (kVA) Autonomia (l/h)

170 40

180 X

260 59

X = 40 + (59 − 40)

(260 − 170)∗ (180 − 170) = 42 l/h (2)

Agora, é possível encontrar, pelo mesmo método de interpolação, o valor de

autonomia para o nosso motor com potência de 257 kWh. Considerando que o fator de

potência é um, o motor escolhido tem 257 kVA. Assim:

Potência (kVA) Autonomia (l/h)

180 42

257 X

260 59

X = 42 + (59 − 42)

(260 − 180)∗ (257 − 180) = 58 l/h (3)

Assim, como o deslocamento total demora 2772 segundos, necessita-se de um tanque

que comporte 44,7 litros. Pensando em possíveis atrasos no desembarque dos passageiros

ou em alguns cruzamentos, será adotado um tanque com 50 litros, perfazendo um

aumento de cerca de 10%, suficiente para operar por mais 4 minutos e 35 segundos. Como

a densidade do diesel é 0,853 kg/l [16], o combustível do tanque representa uma carga de

0,853 x 44,6 = 38,13 quilogramas a mais. Somando-se a massa do tanque, teremos uma

carga de extra de no máximo 60 kg. A fim de distribuir o peso extra, optou-se por colocar

o tanque de combustível no módulo NM. Discutiremos melhor esse assunto no Capítulo

5.

Tabela 4 – Interpolação entre Potência e Autonomia de motores Diesel

(correção dos valores do site)

Tabela 5 – Interpolação entre Potência e Autonomia de motores Diesel

34

3.5. Outros Parâmetros

Além da potência e do tanque de combustível acoplado ao motor, deve-se levar em

consideração a captura e exaustão do ar, bem como sua refrigeração. A aspiração do ar

para a câmara de combustão conta com um turbo que acelera o ar, o que já faz com que

haja uma pequena transferência de calor, elevando a temperatura do ar. A exaustão conta

com uma certificação Conama P7, que data de 2012, e estabelece [17] que os

combustíveis Diesel produzidos a partir da sua homologação deveriam reduzir a

quantidade de poluentes. Não há registros de resoluções posteriores. O motor também

conta com o seu próprio sistema de refrigeração [18] para que não haja temperaturas

muito elevadas, comprometendo os equipamentos próximos do motor.

35

4. SELEÇÃO DO GERADOR ELÉTRICO

Para a escolha do fornecedor do alternador que será acoplado ao motor de combustão

interna, foram utilizados os mesmos critérios para a seleção da Cummins. Foi procurada

uma empresa tradicional e que pudesse cobrir as definições técncias que o projeto impõe.

Assim, após conversa com pessoas do ramo e uma breve pesquisa, foi escolhida a WEG.

4.1. WEG

Fundada no final de 1961 com o nome de Eletromotores Jaraguá [19], a WEG tinha

como principal produto os motores elétricos. Com o passar do tempo, ampliou seu leque

de opções e hoje é reconhecida como uma das maiores frabricantes de equipamentos

elétricos do mundo.

A WEG separa seus geradores por sua aplicação, as linhas que eles trabalham são:

Industrial; G Aircraft, usado para manutenções prolongadas de aeronaves; G Rail, usado

em aplicações ferroviárias e rodoviárias e G Truck, usado para alimentação do sistema

elétrico da bomba de gás criogênico em caminhões. Há também os usados no ramo naval,

para geração principal, auxiliar ou de emergência e os Alternadores Fechados, usados em

indústria pesada (mineração, petróleo e gás).

4.1.1. Industrial

Por mais que o nome G Truck e G Rail levem a crer que são os mais indicadas para

o propósito do projeto, a WEG garante que a linha Industrial é a mais correta, por contar

com um número maior de varíaveis que podem ser modificadas a gosto do cliente. A

tensão de saída se destaca na seleção deste alternador. O VLT é alimentado por 750 V

pelo APS e, para dimensionar um alternador que tivesse essa tensão de saída, a operação

envolveria custos da engenharia. A própria WEG orientou a utilizar este

dimensionamento por não apresentar riscos operacionais. O catálogo produzido pela

WEG se encontra no item 10 – ANEXO III, onde encontram-se todas as informações do

modelo GTA252AI49 que será utilizado neste projeto.

36

Tabela 6 – Principais Características do Alternador Industrial

Número/Tipo de polos 4 / saliente

Passo do enrolamento do estator 2/3

Grau de Proteção IP21

Tensão de Saída (V) 220/380/440/480

Massa (kg) 725

Velocidade de Rotação (rpm) 1800

Fator de Potência 0.8 à 1.0

Comprimento (mm) 1017

Altura (mm) 695

Profundidade (mm) 500

Figura 28 – Alternador Síncrono da Linha Industrial

37

4.1.2. Velocidade de Rotação

Como é sabido, a velocidade de rotação do motor de combustão interna e do

alternador síncrono dever ser a mesma para que tenha-se um acoplamento sem defeitos.

Como dito no item 3.1.1, (página 27), a velocidade de rotação para operação do motor foi

escolhida em 1800 rpm. Será escolhido este valor a partir do alternador, visto que o motor

tem uma gama maior de velocidades que podem ser escolhidas.

𝑓 =𝑝 ∗ 𝑛

120

A fórmula acima refere-se à frequência de operação das máquinas. Como esta é fixa

em 60 Hz, tem-se parâmetros suficientes para descobrir qual deverá ser a velocidade de

rotação (n).

𝑛 =𝑓 ∗ 120

𝑝=

60 ∗ 120

4= 1800 𝑟𝑝𝑚

4.1.3. Fator de Potência

Toda máquina tem uma eficiência diferente de 1, isto quer dizer que os cálculos que

são realizados em relação aos seus parâmetros operacionais são apenas ideais e que não

correspondem fielmente à realidade.

Para consertar isso e ter uma previsão que mais se aproxime da situação real, visando

dimensionar todos os parâmetros que envolvem uma operação de engenharia, foram

criados coeficientes que fazem essa correção. No presente trabalho, o parâmetro que mais

deve ser estudado por esta perspectiva é a potência do motor e a do alternador.

Para o motor, não houve essa preocupação pois o catálogo já possuía o valor corrigido,

porém para o alternador não era esta a situação. Para o alternador dimensionado pela

WEG [20], o fator de potência varia entre 0,8 e 1,0 e sua potência nominal é de 300 kW.

Em 3.1.1, (página 27), também nota-se que para a velocidade de rotação de 1800 rpm,

o valor da potência do motor ISL é de aproximadamente 350 CV ou 257 kW. Comparando

com o valor nominal de 300 kW, chega-se em 257

300= 0,8567 e assim, certifica-se que os

cálculos de carga e descarga feitos no item 3.3 (página 30) são válidos.

38

4.1.4. Interfaces

Para que todo o projeto seja bem sucedido, é necessário ter um cuidado especial com

a ligação entre todos os equipamentos. Entre o motor e o alternador, existe uma interface

mecânica que pode ser um acomplamento direto ou elástico. No presente projeto, será

utilizado o primeiro através de discos flexíveis e flange, conforme imagem abaixo.

Ao calcular o valor do acoplamento, são estabelecidos os critérios mínimos para a

aquisição das peças corretas. A potência pode ser calculada da seguinte forma em

equipamentos acoplados [28]:

𝑃𝑜𝑡 = 2 ∗ 𝜋 ∗ 𝑛 ∗ 𝐶

Onde Pot é a potência do motor, dado em Watt, n é a rotação do motor em rps e C é

o conjugado nominal do motor em Nm, o qual está sendo calculado. De acordo com o

material consultado, elaborado pela WEG, o acoplamento direto tem 100% de

rendimento, fazendo com que não seja necessária uma correção no valor de C. Assim:

𝐶 =𝑃𝑜𝑡

2 ∗ 𝜋 ∗ 𝑛

Figura 29 – Acoplamento direto

39

Como visto no item anterior, tem-se n = 1800 rpm = 30 rps e Pot = 257 x 10³ W,

resultando em:

𝐶 =257000

2 ∗ 3,1415 ∗ 30= 1363,4676 𝑁𝑚

Outra interface que deve ser levada em consideração é entre o alternador e o banco de

capacitores. Aqui será necessário um novo equipamento: um retificador. O propósito do

retificador é transformar e estabilizar, com ajuda de filtros, a corrente alternada produzida

pelo conjunto motor-gerador em corrente contínua, utilizada pelo VLT para energizar

todos os seus equipamentos. A ligação entre eles é bem simples e feita com plugs dos

cabos em seus terminais.

4.1.5. Seleção do Retificador

Como feito para o alternador e o motor de combustão interna, foi procurado um

fornecedor tradicional quando o assunto é retificadores. A empresa que fornece um

sistema parecido com o explicado acima para as subestações do projeto do VLT é a

Secheron e assim, foi utilizada como referência. Entretanto, por se tratar de uma empresa

internacional sem filial no Brasil, não foi possível entrar em contato e pedir o

dimensionamento de um retificador para este projeto. Mas é possível ver em qual classe

o retificador se encaixa, segundo a Secheron. Conforme figura abaixo, nota-se que a linha

apta ao nosso projeto é a “Tramways Trolleybus”.

Figura 30 – Linhas de retificador da

Secheron

40

Após isso, a WEG foi contatada, por se tratar de uma fornecedora de equipamentos

eletrônicos. Todavia, ela não possui um retificador de prateleira que possua as

características necessárias – como, por exemplo, tensão de saída de 750V para energizar

os equipamentos auxiliares e motores de tração do trem. Sendo assim, foi solicitado um

dimensionamento especial para este trabalho, porém o mesmo não foi elaborado pois

envolvia custos da equipe de engenharia.

Com isso, para o objetivo final ser alcançado, o contato com a equipe da França da

Secheron deve ser estabelecido ou deve-se desembolsar uma quantia para que a equipe

da WEG elabore uma ficha técnica do equipamento. Com isso, é listada abaixo as

informações técnicas que o retificador necessita ter para que o funcionamento do grupo

gerador não seja dificultado.

Tensão de Entrada (V) 440

Tensão de Saída (V) 750

Número de pulsos 12

Correnta máxima (A) 350

Tabela 7 – Características do Retificador

41

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS

5.1. Peso

Um dos maiores problemas em se colocar um motor, um alternador, um retificador e

um tanque de combustível em cima do VLT é a preocupação estrutural dos módulos.

A análise de tensões deveria levar em consideração as tensões provenientes da

interação entre VLT e as cargas extras que estão sendo colocadas em seu teto,

principalmente considerando o cenário dinâmico. Como se trata de um projeto de

concepção, uma análise mais simples será realizada, muito devido à baixa velocidade que

o VLT viajará.

A fornecedora de material rodante, Alstom, faz um teste de pesagem onde ela

confere quais os limites de peso para cada módulo [21]. Os módulos CC, C1 e C2 não são

considerados, por serem suspensos e, assim, só aguentarem o seu próprio peso e de seus

passageiros.

O teste é feito em uma via de testes idêntica a via operacional onde o VLT

trafegará. Em um trecho de aproximadamente 10 metros são instalados 4 sensores na

posição onde as rodas serão estacionadas. Assim tem-se a leitura de quanto peso cada

roda está aguentando, e é comparado com o valor que o fornecedor indica. Além disso,

cada eixo é numerado de 1 à 8 para identificação. Abaixo observa-se o desenho

esquemático do teste e seus resultados.

42

Figura 31 (a) – Desenho esquemático do teste de pesagem; (b) - Resultado do teste

de pesagem para o trem 122

(a) (b)

43

Como é possível notar acima, os resultados são muito claros [22]. Cada eixo consegue

suportar mais 1000 kg aproximadamente, ou seja, cada módulo pode suportar, no

máximo, mais 2000 kg. Aliando os resultados do teste à baixa velocidade de operação do

VLT, conclui-se que não haverá problemas estáticos em incluir um motor de combustão

interna, um alternador, um motor de arranque e um retificador – que juntos somam

aproximadamente 1800 kg - em cima do módulo NP do bonde.

5.2. Probabilidade de Tombamento

Outra grande preocupação do projeto é quanto a possibilidade de tombamento do VLT

ao entrar em uma curva fechada, por conta da carga extra, consequência de todos os

equipamentos que serão instalados em seu teto. Com isso, será necessário estudar a parte

dinâmica do projeto, visto que a parte estática já foi superada.

Ao se procurar na literatura de ferrovias e trens não foi possível achar nenhum

trabalho com características similares ao VLT, como inserção urbana e trilhos

concretados. Assim, serão utilizados conceitos de ferrovias, extrapolando seus detalhes

para o cenário do VLT.

A preocupação com o tombamento de um trem precisa ser estudada a partir da

velocidade em que ele opera. Esta é, basicamente, a tese de mestrado de Leonardo Souza

Soares [23], aluno do IME, que estudou a velocidade máxima autorizada em uma ferrovia

de transporte de carga, com o objetivo de aumentar a produtividade da M.R.S. Logística

S.A. Soares se apoia em uma literatura clássica, uma das principais quando o assunto é

ferrovia: trata-se de Helvécio Brina [24].

Brina correlacionou a velocidade máxima permitida em um trecho com a bitola e

a superelevação da via, e o centro de gravidade do veículo. É sabido que em ferrovias, as

curvas são projetadas para que o trilho externo fique um pouco mais alto que o trilho

interno, com o objetivo de aliviar a força centrípeta e o trem não descarrilar, além de

garantir o conforto para o passageiro. Como o VLT é inserido no meio urbano, isso fica

impossibilitado, pois os cruzamentos devem manter o nível da rua, prezando pela sua

homogeneidade. Isso justifica a enorme diferença das velocidades de operação do VLT e

de trens de minério, por exemplo. Brina considera a bitola da via como a distância entre

os dois trilhos e a superelevação como a diferença de altura entre eles.

44

𝑉𝑀Á𝑋 =√

127 ∗ (ℎ𝑚á𝑥

𝐵 +

𝐵2

− 𝑑

𝐻 ∗ 𝑛) ∗ √𝑅 (1)

A fórmula acima é a que Brina descreve em “Estradas de Ferro 1”, onde B é a bitola

da via, h é a superelevação, H é o centro de gravidade, d é o deslocamento do centro de

gravidade, n é o coeficiente de segurança e R é o raio da curva. A dedução completa desta

fórmula pode ser encontrada na seção 8 – ANEXO I. Com isso, foram mapeadas as curvas

com menores raios do traçado. Ao todo, o projeto tem 18 curvas que precisam ser

estudadas com mais cautela. Abaixo é possível observar a relação das curvas e o mapa

com algumas delas destacadas.

Figura 32 – Curvas com os menores raios do traçado

45

Como é visto na figura 32, o menor valor para o raio da curva no traçado do VLT é

de 25 metros. Adotando o valor de projeto para a bitola de 1,435 m e considerando que

a superelevação do trilho seja zero, como explicado anteriormente, é preciso apenas do

valor do centro de gravidade do trem com o motor e o alternador em cima. A literatura

aconselha a utilização de 0,10 m como valor aproximado para d.

Como o VLT está inserido em um cenário onde o campo gravitacional pode ser

considerado como constante, o centro de gravidade coincide com o centro de massa [25].

Assim como essa, serão assumidas outras hipóteses para este cálculo.

Para um corpo com volume V e densidade ρ, seus elementos infinitesimais tem massa

dm = ρdV e sendo assim, as coordenadas do centro de massa (x’, y’ e z’) do objeto são

dadas por:

𝑥′ = ∫ 𝑥 ∗ ρ𝑑𝑉

∫ ρdV 𝑦′ =

∫ 𝑦 ∗ ρ𝑑𝑉

∫ ρdV 𝑧′ =

∫ 𝑧 ∗ ρ𝑑𝑉

∫ ρdV

Os objetos de estudo nesse tópico serão o trem, o motor de combustão interna e o

alternador, pois entende-se que os outros elementos tem uma massa pequena quando

comparadas com as desses elementos, podendo ser desprezada para este cálculo.

Figura 33– Localização de algumas curvas de menor raio de curvatura do traçado

1

2

3

4

46

Sendo assim, a densidade ρ dos três elementos será assumida como constante e que

eles podem ser representatos por paralepípedos no espaço, mantendo suas dimensões

reais. Por simetria, é fácil descobrir o centro de massa dos três objetos: ele será a

intersecção dos planos simétricos em cada direção. As figuras abaixo elucidam essa

questão.

Figura 34 – Planos de simetria para o trem

Figura 35 – Planos de simetria para o motor/alternador

47

Utilizando as figuras acima e as dimensões dos equipamentos como referência [26],

é facil inferir as coordenadas do centro de massa de cada um, separadamente.

Dimensões Trem (1) Motor (2) Alternador (3)

Comprimento (x) 44000 mm 763 mm 500 mm

Largura (y) 2650 mm 1124 mm 1017 mm

Altura (z) 2770 mm 1157 mm 695 mm

Massa (kg) 59220 706 725

Centro de Massa Trem (1) Motor (2) Alternador (3)

x’ 22000 mm 29465 mm 28068,5 mm

y’ 1325 mm 1325 mm 1325 mm

z’ 1385 mm 3348,5 mm 3117,5 mm

Agrora, para descobrir as coordenadas do centro de massa do conjunto inteiro, será

aplicado o princípio dos momentos [25], que diz:

(𝑚1 + 𝑚2 + 𝑚3) ∗ 𝑋 = 𝑚1 ∗ 𝑥1′ + 𝑚2 ∗ 𝑥2′ + 𝑚3 ∗ 𝑥3′

(𝑚1 + 𝑚2 + 𝑚3) ∗ 𝑌 = 𝑚1 ∗ 𝑦1′ + 𝑚2 ∗ 𝑦2′ + 𝑚3 ∗ 𝑦3′

(𝑚1 + 𝑚2 + 𝑚3) ∗ 𝑍 = 𝑚1 ∗ 𝑧1′ + 𝑚2 ∗ 𝑧2′ + 𝑚3 ∗ 𝑧3′

x

y

z

A M

Figura 36 – Desenho esquemático do MCI, Alternador e Trem

Trem

Tabela 8 – Características dos equipamentos

Tabela 9 – CM dos equipamentos

48

Onde o índice 1 representa o trem, o índice 2 representa o motor e o índice 3 representa

o alternador e assim:

(59.220 + 706 + 725) ∗ 𝑋 = 59.220 ∗ 22.000 + 706 ∗ 29.465 + 725 ∗ 28.068,5

60.651 ∗ 𝑋 = 1.343.991.951

𝑋 = 22.159,4 𝑚𝑚

(59.220 + 706 + 725) ∗ 𝑌 = 59.220 ∗ 1.325 + 706 ∗ 1.325 + 725 ∗ 1.325

60.651 ∗ 𝑌 = 80.362.575

𝑌 = 1.325 𝑚𝑚

(59.220 + 706 + 725) ∗ 𝑍 = 59.220 ∗ 1.385 + 706 ∗ 3.348,5 + 725 ∗ 3.117,5

60.651 ∗ 𝑍 = 86.643.928

𝑍 = 1.428,6 𝑚𝑚

A coordenada Z do centro de massa do conjunto trem-motor-alternador é o parâmetro

que faltava – H, altura do centro de gravidade - para calcular a velocidade limite para a

circulação do trem. Então, voltando a (1) e substituindo os valores de B, d, h e H:

VMÁX = √127 ∗ 25 ∗(1,435

2 − 0,1)

1428,6 ∗ 𝑛

Para valores de n entre 1 e 5:

n VMÁX (m/s) VMÁX (km/h)

1 37,05 133,37

2 26,20 94,30

3 21,39 77,00

4 18,52 66,68

5 16,57 59,64

Tabela 10 – Valores para VMÁX para diferentes valores de coeficientes de segurança

49

Como a velocidade do bonde para este projeto é de 10 km/h, constata-se que para o

coeficiente de segurança mais cauteloso, ainda está muito abaixo do limite máximo para

a prevenção de acidentes na via, como tombamentos.

Os cálculos feitos acima levam em consideração a massa do VLT vazio, sem

transportar nenhum passageiro. Para obter um resultado mais fiel ao panorama de

operação, é necessário fazer uma alteração no valor de m1. O VLT consegue transportar

no máximo 420 pessoas ao mesmo tempo, assumindo que cada pessoa possui 70 kg, a

carga extra é de 420 x 70, ou seja, 29400 kg, perfazendo um total de 88620 kg. Sendo

assim, refazendo os cálculos:

(88.620 + 706 + 725) ∗ 𝑋 = 88.620 ∗ 22.000 + 706 ∗ 29.465 + 725 ∗ 28.068,5

90.051 ∗ 𝑋 = 1.990.791.953

𝑋 = 22.107,4 𝑚𝑚

(88.620 + 706 + 725) ∗ 𝑌 = 88.620 ∗ 1.325 + 706 ∗ 1.325 + 725 ∗ 1.325

90.051 ∗ 𝑌 = 119.317.575

𝑌 = 1.325 𝑚𝑚

(88.620 + 706 + 725) ∗ 𝑍 = 88.620 ∗ 1.385 + 706 ∗ 3.348,5 + 725 ∗ 3.117,5

90.051 ∗ 𝑍 = 127.362.929

𝑍 = 1.414,3 𝑚𝑚

Voltando a (1) e substituindos os valores de B, d, h e o novo H, temos:

VMÁX = √127 ∗ 25 ∗(1,435

2 − 0,1)

1414,3 ∗ 𝑛

50

Para valores de n entre 1 e 5:

n VMÁX (m/s) VMÁX (km/h)

1 37,23 134,03

2 26,33 94,78

3 21,50 77,38

4 18,62 67,02

5 16,65 59,40

Após realizar um breve estudo dinâmico do projeto de instalação de um grupo gerador

como principal fonte de energia para o VLT, conclui-se que, mesmo com a carga mínima

ou com a máxima de passageiros, não há possbilidades paupáveis de tombamento. Como

previsto, a velocidade de operação escolhida está muito abaixo dos limites, até para o

coeficiente mais cauteloso.

A título de curiosidade, para atingir o limite de velocidade de 10 km/h, o valor do

coeficiente de segurança deveria ser de 178 para a situação de VLT vazio e de 180 quando

trafega com ocupação de passageiros no seu limite.

5.3. Lógica de Controle

Após analisar todos os parâmetros que interferem na ligação do grupo gerador ao

banco de capacitores, surge a necessidade de implantar uma lógica de controle adicional

que execute as manobras necessárias para a energização correta. É importante citar que o

trem possui um equipamento que se chama Caixa de Comutação Principal, onde já existe

uma lógica de controle adequada para o cenário atual.

Como dito anteriormente, o Trem pode ser energizado por 3 vias: catenária, APS ou

capacitor, porém somente uma de cada vez. Atualmente, os contatores eletrônicos C1, C2

e C3 fazem este serviço de alternância entre as fontes de energia. Como mostrado na

figura 37, as setas indicam o sentido que a energia trafega: do APS/Catenária para a CCP

e dela para a tração, auxiliares e recarga do capacitor.

Tabela 11 – Valores para VMÁX para diferentes valores de coeficientes de segurança

51

Quando o Capacitor está ativo, ele só transfere energia para os auxiliares e motores

de tração do trem, não energizando a catenária/APS.

Com a inserção do grupo gerador, será necessário adicionar mais um – C4 – para que

ele controle, exclusivamente, a recarga do capacitor e não deixe essa energia se espalhar

para os demais equipamentos antes de completar a carga do capacitor. Ou seja, o C4 só

pode ser ativado se C1 e C2 estiverem abertos.

Por conta de como é feito a comutação entre as fontes de energia do trem, chega-se a

conclusão que o contator C4 tem características iguais ao C3. Isso se deve ao fato de os

dois controlarem a carga do capacitor, um pelo APS/Catenária e o outro pelo Grupo

Gerador.

Ao entrar em contato com o fornecedor do trem, ele não disponibilizou informações

sobre os equipamentos ligados à CCP, explicando que envolve uma tecnologia própria.

Porém, é possível deduzir que os parâmetros mais importantes para um contator são a

tensão e a corrente que passam por ele [29]. Sendo assim, para conseguir o contator extra

de classe de trabalho AC2, é necessário que ele suporte uma tensão de 750V e uma

corrente de 350 A.

Pensando que a interrupção do fornecimento de energia da concessionária local é

apenas uma fase do panorama geral, sensores ( ) podem ser instalados nas sapatas e no

pantógrafo e ligados à lógica de controle. Assim, o sistema ativaria automaticamente o

banco de capacitores quando não houvesse energia nem no trilho APS e nem na catenária,

como informado no item 1.

Capacitor

Auxiliares Tração

Caixa de

Comutação

Principal

Catenária

APS

C1

C2

C3

Sapata Sapata

Figura 37 – Lógica de Controle atual do VLT

52

5.4. Instalação

O último parâmetro a ser tratado é a instalação física de todos esses equipamentos no

teto do VLT. Como visto no item 3.4 (página 35), o tanque de combustível será instalado

no módulo NM para não haver uma sobrecarga de peso no módulo do supercapacitor,

pois este já receberá o motor e o gerador.

Para que seja possível colocar o motor de combustão interna e o alternador no módulo

NP, deve-se retirar o pantógrafo, que mede 2028 mm de comprimento e 1410 mm de

largura, para aumentar o espaço disponível. Com isso, será possível colocar o motor, que

tem dimensão 1124 mm de comprimento e 763 mm de largura, e o alternador, que mede

1017 mm de comprimento e 500 mm de largura, nesse espaço vazio. Vale lembrar que o

NP mede 4578 mm de comprimento por 2650 mm de largura. Assim, deve-se instalá-los

como a figura abaixo.

Capacitor

Auxiliares Tração

C3

Grupo

Gerador

C4C1

C2

Caixa de

Comutação

Principal

Catenária

APS

Sapata Sapata

Figura 38 – Proposta de lógica de controle com a inserção do grupo gerador

53

2650 mm

4578 mm

2028 mm

MOTOR &

ALTERNADOR

1410 mm

2550 mm

CAPACITOR

Figura 39 – Desenho esquemático da instalação dos equipamentos no

teto do NP

1410 mm

2028 mm

1124 mm

763 mm

MOTOR

1017 mm

500 mm

ALTERNADOR

Figura 40 – Desenho esquemático da instalação do motor e do alternador

NP

54

6. CONCLUSÃO

O presente trabalho teve como motivação um dos maiores empecilhos da operação do

VLT Carioca: a variação no fornecimento de energia ao bonde. Assim, foram levantadas

possíveis soluções e geradas novas dificuldades, que foram estudadas e também

solucionadas.

Por se tratar de um projeto de concepção, a parte aprofundada foi a que envolvia, em

qualquer parâmetro, o dimensionamento e seleção dos equipamentos necessários. Os

demais assuntos foram tratados superficialmente e devem ser estudados com mais

profundidade para que o projeto seja factível.

Mesmo assim, foi possível estudar o cenário dinâmico, mesmo com uma baixa

velocidade, e chegar à conclusão que é possível colocar um grupo motor-gerador em cima

do teto do VLT sem maiores consequências operacionais. Foi feito o dimensionamento

do tanque de combustível levando em consideração prováveis perdas de prioridade

semafórica do VLT, além de outras causas. Um possível problema de peso foi descartado,

graças aos resultados do teste de pesagem realizado pela fornecedora.

Uma forma de aprofundar a análise dinâmica, seria elaborar e resolver as equações de

movimento, possivelmente com a ajuda de um software, por se tratarem de equações

diferenciais não lineares. Neste caso, um recurso que poderia ser implementado a nível

de segurança é o uso de sensores de distância instalados no próprio eixo ou roda do VLT.

Eles mediriam a distância do eixo à via e, quando atingisse um determinado limite, os

freios de emergência seriam ativados, com a preocupação de um possível tombamento.

Infelizmente, por utilizar equipamentos de grandes fornecedoras, algumas

informações ficaram aquém, por conta de uma difícil comunicação com os responsáveis

técnicos das empresas. Obviamente, o projeto poderá sofrer alterações, principalmente

com o adendo dos estudos técnicos das áreas não abordadas por este trabalho e novas

informações advindas dos fornecedores.

Por fim, o projeto apresentado acima é viável e poderia ser implementado levando em

consideração as hipóteses levantadas anteriormente. Com isso, seria possível dar

prosseguimento a uma viagem do VLT interrompida por problema no fornecimento de

energia da Concessionária Local.

55

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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<http://www.portomaravilha.com.br/portomaravilha>

2 "Veículo Leve sobre Trilhos" [Online]. Disponível em:

<http://www.portomaravilha.com.br/veiculolevesobretrilhos>

3 "Apresentação do Projeto do Porto Maravilha" [Online]. Disponível para

dowload em: <http://www.portomaravilha.com.br/veiculolevesobretrilhos>

4 " Layout da cobertura do VLT " Documento da Concessionária do VLT Carioca

<VLT1-1.0-D400-AMR-L000-DES-0070-A0>

5 "Explicação básica do Sistema de Autonomia" Documento da Concessionária do

VLT Carioca < VLT1-3.2-D200-AMR-L000-APR-0577-A0>

6 "Como funciona uma locomotiva elétrica?" [Online]. Disponível em:

<https://www.youtube.com/watch?v=euYvTvFkJDY>

7 " Informações Básicas Sistema de Autonomia" Documento da Concessionária do

VLT Carioca <VLT1-1.0-D400-AMR-L000-ESP-0068-C0>

8 "Sevilla Tram T1 - CAF ACR wire free demonstration line" [Online].

Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=DfvvaMsqNGI>

9 RUGGIERO, M.A.G. et al. Cálculo Numérico - Aspectos Teóricos e

Computacionais. 2 ed São Paulo, Makron, 1996

10 "Motor de Partida" [Online]. Disponível em:

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11 "Cummins" [Online]. Disponível em: <http://www.cummins.com.br/nossa-

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12 VAN WYLEN, G. J. et al. Fundamentos da Termodinâmica Clássica. 6 ed.

São Paulo, Editora Blucher, 2009

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56

13 HEYWOOD, J. B. Internal Combustion Engine Fundamentals. 1 ed. Estados

Unidos, McGraw-Hill, 1988

14 Design Review Documento da Concessionária doo VLT Carioca

15 "A Geradora" [Online]. Disponível em: <http://www.ageradora.com.br/quanto-

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16 "Diesel" [Online]. Disponível em: <https://pt.wikipedia.org/wiki/Diesel>

17 "Resolução da Conama" [Online]. Disponível em:

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18 "Catálogo do motor ISL com dimensões"

19 "WEG" [Online]. Disponível em:

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20 "Catálogo do Alternador Industrial"

21 "Procedimento do teste de tipo e série de pesagem" Documento da

Concessionária do VLT Carioca <VLT1-1.0-T200-AMR-L000-PRT-0298-B0>

22 "Resultado Teste de Pesagem" Documento da Concessionária do VLT Carioca

23 SOARES, L. S., Procedimento para determinação da velocidade máxima

autorizada. Monografia para Curso de Especialização em Transporte Ferroviário

de Carga, IME, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, 2006

24 BRINA, H. L., Estradas de Ferro 1. 1 ed. Rio de Janeiro, LTC - Livros

Técnicos e Científicos Editora S.A., 1983

25 MERIAM, J.L. et al. Mecânica - Estática. 5 ed. Rio de Janeiro, LTC - Livros

Técnicos e Científicos Editora S.A., 2004

26 "Cortes Transverssais" Documento da Concessionária do VLT Carioca <VLT1-

1.0-D400-AMR-L000-DES-0223>

27 "Catálogo do Motor ISL" [Online]. Disponível para dowload em:

http://www.cummins.com.br/produtos/motores/mid-range-18-380-hp/isl

http://www.mma.gov.br/port/conama/legiabre.cfm?codlegi=591

57

28 "WEG_Modulo1_Comando_e_Protecao_Capitulo2_Especificacao" [Online].

Disponível para dowload em:

<http://www.joinville.udesc.br/portal/professores/nied/materiais/WEG_Modulo1

_Comando_e_Protecao_Capitulo2_Especificacao_de_MI_.pdf>

29 “Como especificar corretamente um contator?” [Online].

<http://www.schneider-electric.com.br/pt/faqs/FA291108/>

58

8. ANEXO I – Demonstração Fórmula de Brina

Dentro do assunto velocidade máxima permitida em uma ferrovia, encontramos

diversos critérios que podemos usar como base na nossa análise. Eles se dividem em

critérios empíricos e racionais.

Para o presente trabalho, foi escolhido o critério da segurança e como dito

anteriormente, ele consiste em dar à superelevação para a velocidade máxima, um valor

menor do que o teórico (ht). Desse modo, parte da força centrífuga não é equilibrada, mas

a estabilidade é garantida por conta de um coeficiente de segurança. A figura abaixo

elucida a situação abordada.

Critérios Empíricos

• V = 0,67* VMÁX

• V = 0,75* VMÁX

• 𝑉 = ට𝑡1∗𝑉1+𝑡2∗𝑉2+⋯

𝑡1+𝑡2+𝑡3+⋯ ; onde

ti = tonelagem do trem na

velocidade Vi (Bélgica)

• hp = 0,7*h e V = 0,836* VMÁX

• 𝑉 = ට𝑉2𝑀𝐴𝑋+𝑉²𝑀𝐼𝑁

2(Itália)

• 𝑉 = ට𝑉2𝑀𝐴𝑋

2= 0,71 ∗ 𝑉2𝑀𝐴𝑋

Critérios Empíricos

• Critério de Segurança ou estabilidade do

veículo na curva

o Consiste em dar à superelevação

para a velocidade máxima, um valor

menor do que o teórico.

• Critério do Conforto

o A superelevação prática é dada de

modo que o valor da aceleração

centrífuga não equilibrada não cause

desconforto ao passageiro.

FC → Força Centrífuga

F’ → Componente do peso, na direção de FC

H → Altura do centro de gravidade em

relação ao trilho

G → Centro de gravidade (CG)

G’ → Centro de gravidade deslocado

d → deslocamento do CG, devido à maior

contração das molas de um lado

α

G G’

d

hp

B

P

FC F’

P*cosα

P*senα

H

Figura 41 – DCL do Trem fazendo uma curva

59

Lembrando que para ângulos α pequenos, podemos considerar cosα = 1. Nesta

situação, podemos considerar o ângulo da superelevação pequeno pois se trata de uma

medida na esfera das dezenas de milímetros. As equações que modelam nossa situação

são:

𝐹𝑐 = 𝑚 ∗ 𝑣²

𝑅=

𝑃 ∗ 𝑣²

𝑔 ∗ 𝑅=

𝑃 ∗ 𝑉²

127 ∗ 𝑅

𝐹′ = 𝑃 ∗ 𝑠𝑒𝑛𝛼 ∗ 𝑐𝑜𝑠𝛼 = 𝑃 ∗ 𝑠𝑒𝑛𝛼 = 𝑃 ∗ℎ𝑝

𝐵

Então, (1) – (2):

∆𝐹 = 𝐹𝑐 − 𝐹′ = 𝑃 ∗ 𝑉

2

127 ∗ 𝑅− 𝑃 ∗

ℎ𝑝𝐵

Tomando-se os momentos em relação ao trilho externo (mais elevado):

𝑀𝑟 = ∆𝐹 ∗ 𝐻 = (𝑃 ∗ 𝑉2

127 ∗ 𝑅− 𝑃 ∗

ℎ𝑝𝐵

) ∗ 𝐻

𝑀𝑒 = 𝑃 ∗ 𝑐𝑜𝑠𝛼 ∗ (𝐵

2− 𝑑) = 𝑃 ∗ (

𝐵

2− 𝑑)

Fazendo (5) = (4)*n, onde n é o coeficiente de segurança contra tombamento,

teremos:

𝑃 ∗ (𝐵

2− 𝑑) = 𝑛 ∗ (

𝑃 ∗ 𝑉2

127 ∗ 𝑅− 𝑃 ∗

ℎ𝑝𝐵

) ∗ 𝐻

𝐵

2− 𝑑 = 𝑛 ∗ 𝐻 ∗ (

𝑉2

127 ∗ 𝑅−

ℎ𝑝𝐵

)

1

𝑛 ∗ 𝐻∗ (

𝐵

2− 𝑑) =

𝑉2

127 ∗ 𝑅−

ℎ𝑝

𝐵

ℎ𝑝

𝐵=

𝑉2

127 ∗ 𝑅−

1

𝑛 ∗ 𝐻∗ (

𝐵

2− 𝑑)

ℎ𝑝 =𝐵 ∗ 𝑉

2

127 ∗ 𝑅−

𝐵𝑛 ∗ 𝐻

∗ (𝐵

2− 𝑑)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

60

Como nosso objetivo é achar a velocidade máxima permitida na via para que não haja

tombamento, devemos considerar a superelevação máxima também. Elucidando a

velocidade no ítem 5.2:

𝑉𝑀𝐴𝑋 = √127 ∗ (ℎ𝑚𝑎𝑥

𝐵 +

𝐵2

− 𝑑

𝑛 ∗ 𝐻) ∗ √𝑅

(7)

61

9. ANEXO II – Catálogo Motor

63

10. ANEXO III – Catálogo Alternador

avaliaÇÃo da possibilidade de acoplar um motor … · acoplado a um gerador que carregará o...

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