t Ese Cassiano

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  • CASSIANO LOBO PIRES

    So Paulo

    2006

    SIMULAO DO SISTEMA DE TRAO ELTRICAMETRO-FERROVIRIA

    Tese apresentada Escola Politcnicada Universidade de So Paulo para aobteno do Ttulo de Doutor emEngenharia Eltrica.

  • CASSIANO LOBO PIRES

    So Paulo

    2006

    SIMULAO DO SISTEMA DE TRAO ELTRICAMETRO-FERROVIRIA

    Tese apresentada Escola Politcnicada Universidade de So Paulo para aobteno do Ttulo de Doutor emEngenharia Eltrica.

    rea de Concentrao:Sistemas de Potncia

    Orientador:Prof. Dr. Silvio Ikuyo Nabeta

  • FICHA CATALOGRFICA

    Pires, Cassiano LoboSimulao do sistema de trao eltrica metro-ferroviria / C.

    L. Pires. -- So Paulo, 2006.424 p.

    Tese (Doutorado) - Escola Politcnica da Universidade deSo Paulo. Departamento de Engenharia de Energia eAutomao Eltricas.

    1.Trao eltrica I.Universidade de So Paulo. EscolaPolitcnica. Departamento de Engenharia de Energia e

    Automao Eltricas II.t.

  • AGRADECIMENTOS

    A Maria Lcia de Alcntara.

    A Coordenao de Aperfeioamento de Pessoal de Nvel Superior, CAPES.

    Ao meu orientador, prof. Silvio Ikuyo Nabeta e ao prof. Jos Roberto Cardoso peloconstante incentivo desde o incio, quando este trabalho era apenas uma idia.

    Ao prof. Ivan Eduardo Chabu que, com a viso de um especialista, revisou o captulosobre acionamentos e ao prof. Hernan Prieto Schmidt que, por ocasio do exame dequalificao, trouxe diversas sugestes e correes ao trabalho.

    Ao colega Mauricio Caldora Costa pela imensa ajuda com as inmeras dvidas emrelao programao C++/MFC e aos colegas Marcelo Facio Palin e MaurcioSalles pelas pequenas grandes ajudas do dia-a-dia.

    Ao colega Mario Leite Pereira Filho pela ajuda com as normas aqui citadas. A AnaAnglica Arajo de Moura, da Biblioteca de Engenharia Eltrica, pela ajuda comgrande parte dos artigos citados.

    Agradeo imensamente aos engenheiros da CPTM Walter Katsumi Sanuki, MotohisaYano, Marcelo Vaz Carneiro, Jos Antnio de Filippi e, principalmente, aoengenheiro Marcelo de Toledo Rodovalho pelos dados fornecidos que tornarampossvel a aferio da simulao de marcha e o estudo de caso aqui apresentado. Sougrato tambm a estes trs ltimos engenheiros por trazerem sugestes e idias paramelhorar a ferramenta desenvolvida.

    Com este mesmo esprito no sentido de tornar o programa mais profissional,agradeo ainda aos engenheiros Peter Ludwig Alouche e Albert Haga do Metr deSo Paulo, aos engenheiros Pierre Decottignies e Luiz Antonio Juns da AlstomMaterial Rodante, aos engenheiros Luiz Carlos Alves, Wilson Ribeiro, Antonio LuizGomes, Sylvio Coura e Patrice Moreau da Alstom Consrcio Via Amarela, aoengenheiro Tadashi Nakagawa da Trends Engenharia e Tecnologia e ao engenheirosJoo Paulo Lacerda e Vito Labate Neto.

    Agradeo aos colegas do LMAG, nominalmente, profa. Viviane Cristine Silva, prof.Luiz Lebensztajn, prof. Carlos Antonio Frana Sartori, prof. Carlos ShinitiMuranaka, Anderson Clemente, Bernardo Pinheiro de Alvarenga, Carina AlexandraRondini Marretto, Eduardo Ferreira da Silva, Fabio Henrique Pereira, MauroMassayoshi Sakamoto, Bruno Amado Rodrigues Filho, Lucas Blattner Martinho,Alvaro Batista Dietrich e Larissa Stefani, alm das vrias pessoas que por lpassaram, pelo convvio dirio durante estes anos.

    A Mara Elena Moncada Acevedo.

    E por fim, agradeo a minha famlia (pai, me e irm), ao sol e ao mar.

  • RESUMO

    A proposta do presente trabalho a simulao do sistema de trao eltrica metro-ferroviria alimentada em corrente contnua.

    Para isto, o trabalho iniciado com uma caracterizao das instalaes mveis efixas do sistema de trao eltrica. Sobre as instalaes mveis, o trabalho dedica umcaptulo sobre a dinmica do movimento e outro sobre os acionamento alimentadosem corrente contnua. Sobre as instalaes fixas, um captulo trata dos elementos econfiguraes da rede de alimentao alm de trazer clculos simples da queda detenso. Outro captulo dedicado exclusivamente ao circuito de retorno eaterramento.

    Aps esta caracterizao, o trabalho traz, baseado nos captulos anteriores, umcaptulo sobre a modelagem e a simulao das instalaes fixas e mveis. Por fim,um estudo de caso feito para ilustrar o que foi apresentado.

  • ABSTRACT

    The proposition of this work is the simulation of DC-fed railway and subwaysystems.

    To achieve this proposition, this work starts with the characterization of rolling stockand fixed installations. For rolling stock characterization, this work presents onechapter about train dynamics and other chapter about DC-fed traction drives. Forfixed installations characterization, this work presents one chapter about fixedinstallation components, its configuration and also shows some simple voltage dropcalculations. The following chapter describes the traction ground system.

    After these characterizations, the next chapter deals with modeling and simulation ofthe entire system. To illustrate this work a case study is presented.

  • SUMRIO

    LISTA DE FIGURAS

    LISTA DE TABELAS

    LISTA DE SMBOLOS

    1. INTRODUO ................................................................................................................. 1

    2. ESTADO DA ARTE.......................................................................................................... 4

    3. DINMICA DO MOVIMENTO..................................................................................... 14

    3.1 EQUAO DO MOVIMENTO ................................................................................................ 163.2 ACELERAO E SOLAVANCO............................................................................................. 213.3 ESFORO MOTOR............................................................................................................... 233.3.1 Consideraes sobre a freagem mecnica (por atrito) .................................................... 263.4 ESFORO RESISTENTE........................................................................................................ 273.4.1 A problemtica das resistncias especficas .................................................................... 273.4.2 Resistncias normais ........................................................................................................ 293.4.2.1 Resistncias elementares.................................................................................................................. 293.4.2.1.1 As resistncias devido ao rolamento e todos os atritos mecnicos .................................................. 293.4.2.1.2 Resistncia do ar .............................................................................................................................. 303.4.2.2 Resistncias globais ......................................................................................................................... 323.4.2.2.1 Frmulas de Davis ........................................................................................................................... 353.4.2.2.2 Frmulas de Strahl ........................................................................................................................... 403.4.2.2.3 Resistncia de partida no arranque .................................................................................................. 433.4.3 Resistncias suplementares .............................................................................................. 443.4.3.1 Resistncia devido s rampas........................................................................................................... 443.4.3.2 Resistncia devido s curvas............................................................................................................ 473.4.3.3 Resistncias suplementares combinadas .......................................................................................... 563.5 LIMITAO DO ESFORO MOTOR: A FORA DE ADERNCIA ............................................... 583.5.1 Expresso da fora de aderncia ..................................................................................... 613.5.2 Explicao fsica da fora de aderncia .......................................................................... 633.5.3 Coeficiente de aderncia .................................................................................................. 673.5.3.1 Valores do coeficiente de aderncia ................................................................................................ 693.5.3.2 Meios para melhorar o coeficiente de aderncia roda-triho ............................................................. 723.5.4 Consideraes finais sobre a fora de aderncia ............................................................ 733.5.4.1 Descarregamento dos eixos devido ao esforo motor (cabragem) ................................................... 743.5.4.2 Influncia dos motores de trao na patinagem ............................................................................... 823.6 CONSIDERAES FINAIS SOBRE OS ESFOROS MOTOR E RESISTENTE ................................. 843.7 CARACTERSTICA DO ESFORO MOTOR EM FUNO DA VELOCIDADE................................ 853.8 CONSUMO DE ENERGIA...................................................................................................... 90

    4. ACIONAMENTOS ALIMENTADOS EM CORRENTE CONTNUA ......................... 95

    4.1 MOTORES DE CORRENTE CONTNUA .................................................................................. 984.1.1 Princpio de funcionamento ............................................................................................. 984.1.2 Equacionamento do motor de corrente contnua ........................................................... 1004.1.3 Tipos de motores de corrente contnua .......................................................................... 1024.1.4 Controle dos motores do ti

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