Mecnica de Locomotivas II Aula 9 Motores Eltricos

Mecânica de Locomotivas II Aula 9 Motores Elétricos de Tração 1

Mecânica de Locomotivas II 9. 1. Motores Elétricos de Tração Os motores elétricos de tração, normalmente um em cada eixo, devem ser do tipo blindado e são caracterizados pela construção compacta e pelo volume reduzido, pois o espaço disponível para eles é sempre muito limitado. Figura 9. 1 - Motor de tração DC e motor de tração AC 2

Mecânica de Locomotivas II Os motores elétricos de tração são máquinas que convertem a energia elétrica em energia mecânica para movimentar a locomotiva. A energia elétrica é fornecida ao motor através dos cabos de alimentação, que acessam o interior dos mesmos através de dispositivos especialmente vedados. A energia mecânica é disponibilizada pelo motor na ponta de seu eixo. Devido às características do serviço de tração das locomotivas diesel-elétricas de baixa velocidade, possuem regime variável de funcionamento e sua velocidade normal está compreendida entre ������ �� ��. ������. A transmissão do movimento do motor para as rodas é efetuada por meio de um par de engrenagens cilíndricas, denominadas de pinhão e engrenagem. 3

Mecânica de Locomotivas II O pinhão é fixado na ponta do eixo do motor, enquanto que a engrenagem é fixada diretamente no eixo do rodado. A relação de transmissão é estabelecida pela relação entre o número de dentes do pinhão e o número de dentes da engrenagem. Figura 9. 2 - Pinhão e engrenagem O tipo de suspensão feita por meio de mancais de fricção ou de rolamentos no próprio eixo das rodas permite ao motor oscilar sem variar a distância entre o eixo do motor e o eixo da roda. Figura 9. 3 - Rodado completo 4

Mecânica de Locomotivas II A montagem direta do motor sobre o eixo das rodas teria a vantagem de evitar a perda de energia nas engrenagens, mas obrigaria o uso de motores lentos e, por conseguinte, volumosos e de custo elevado. O resfriamento dos motores de tração se dá através da passagem forçada pelo seu interior de certa quantidade de ar, que é produzida por um soprador acionado diretamente pelo eixo do motor diesel ou por um motor elétrico. Figura 9. 4 - Soprador do motor de tração 5

Mecânica de Locomotivas II Os motores destinados à tração elétrica devem possuir as seguintes características: Elevado conjugado de partida, sem que a corrente alcance valores excessivos; Regulação motora variável; Permitir a frenagem elétrica, possivelmente com recuperação de energia; Construção sólida; Rendimento elevado. 6

Mecânica de Locomotivas II Normalmente não têm vida longa, pois são máquinas sujeitas à desgastes pronunciados, uma vez que são submetidas a todas as variações de carga impostas à locomotiva. Sua vida útildepende grandemente do modo como o operador solicita a tração através do acionamento do acelerador e dos freios. O reparo dos motores elétricos de tração é demorado e tem custo altamente significativo. 7

Mecânica de Locomotivas II 9. 2. Motores em corrente contínua Os motores em corrente contínua são compostos fundamentalmente de duaspartes: • Estator; • Rotor. Na figura 9. 5 representa-se em corte um motor de tração em corrente contínua montado, onde podemos ver ilustradas as suas partes fundamentais. 8

Mecânica de Locomotivas II Figura 9. 5 - Representação em corte de um motor de tração em corrente contínua Componentes principais de um motor de tração em corrente contínua: - Duto de ar - Cabos de saída - Porta-escovas - Braço de apoio da caixa de graxa - Comutador - Armadura - Rolamento - Interpolo - Mancal - Campo - Capa do Mancal - Bandagem - Reservatório de óleo de lubrificação do 9 mancal.

Mecânica de Locomotivas II 9. 2. 1. Estator O Estator é formado por: Carcaça A carcaça é uma estrutura de ferro fundido, que tem a finalidade de suportar o conjunto e conduzir o fluxo magnético. Figura 9. 6 - Carcaça do motor Podemos observar da figura, que seu contorno é octogonal, o que possibilita um melhor aproveitamento dos espaços, levando a uma redução do seu volume. Sua forma deve facilitar as inspeções e os eventuais reparos a serem feitos. Figura 9. 7 - Contorno octogonal da carcaça 10

Mecânica de Locomotivas II Polos de excitação Os polos de excitação, ou simplesmente polos, têm a finalidade de gerar o fluxo magnético. São constituídos por condutores retangulares de cobre enrolados, formando uma bobina, sobre um núcleo de lâminas de açosilício, que é chamado de sapata polar, cuja extremidade possui um perfil cilíndrico que se ajusta à curvatura da armadura. Figura 9. 8 - Polo de excitação 11

Mecânica de Locomotivas II Normalmente os motores de tração possuem quatro polos. Polos de comutação Os polos de comutação são constituídos por condutores retangulares de cobre enrolados, formando uma bobina, sobre um núcleo maciço de aço-silício. Têm a finalidade de compensar o efeito da reação da armadura na região de comutação, reduzindo a possibilidade de centelhamento. Para tanto, são colocados na região entre os polos, por isso, também denominados de interpolos, e percorridos pela mesma corrente da armadura. Figura 9. 9 - Pólo de comutação 12

Mecânica de Locomotivas II Porta-escovas e escovas As escovas, compostas de material condutor a base de carvão eletro-grafítico, são centradas, guiadas e devidamente pressionadas contra o coletor por suportes especiais denominados de porta-escovas. As molas mantêm constante a pressão das escovas sobre o comutador à medida que estas sofrem desgaste. Figura 9. 10 - Escovas e porta-escovas 13

Mecânica de Locomotivas II Os porta-escovas são montados sobre pinos de sustentação, os quais são fixados à carcaça através do suporte de porta-escovas, de tal modo a permitir que as escovas, pressionadas por molas, deslizem sobre o comutador quando este gira, proporcionando a ligação elétrica entre a armadura e o exterior. Os porta-escovas são fixados à carcaça de modo que as escovas sejam posicionadas em correspondência com a zona de inversão polar, permitindo assim o funcionamento em marcha à ré do veículo. Figura 9. 11 - Fixação dos porta-escovas na carcaça Figura 9. 12 - Montagem dos polos, dos interpolos e dos porta-escovas no interior da Carcaça 14

Mecânica de Locomotivas II 9. 2. 2. Rotor Na figura 9. 13 vemos o conjunto de um rotor, que também é denominado de armadura. Basicamente é formado por: Eixo O eixo é o elemento que transmite a potência mecânica desenvolvida pelo motor. Moldado em aço carbono, suporta o pinhão em uma de suas extremidades. Figura 9. 13 - Armadura Figura 9. 14 - Eixo do motor de tração 15

Mecânica de Locomotivas II Rotor com enrolamento O rotor é um tambor formado por um pacote de lâminas de aço-silício, centrado no interior da carcaça, com ranhuras axiais na periferia para acomodar o enrolamento da armadura, que é constituído por várias espiras defasadas no espaço, de modo a se obter um conjugado constante durante um giro completo do rotor. Figura 9. 15 - Lâmina, pacote laminado e montagem das bobinas da armadura 16

Mecânica de Locomotivas II Nas aplicações em serviço de tração ferroviária a periferia completa do motor pode ser inacessível para manutenção e reposição das escovas. O enrolamento de a armadura indicado para essa aplicação é o do tipo ondulado, por causa da possibilidade de usar apenas dois conjuntos de escovas, dispostos de forma a serem facilmente acessados. O motor com enrolamento ondulado é recomendado para aplicações em alta tensão e baixa corrente, o que indica que o motor deve operar em altas velocidades. A especificação de tensão é limitada pelo aparecimento de arco elétrico entre os segmentos adjacentes do comutador e pela qualidade do isolamento das bobinas 17 da armadura.

Mecânica de Locomotivas II No enrolamento ondulado, cada bobina do enrolamento da armadura está em contato elétrico com uma determinada lâmina do comutador. Comutador O comutador, mais comumente chamado coletor, é uma peça vital de todos os motores de corrente contínua. O comutador é o conversor mecânico que transfere a energia elétrica ao enrolamento da armadura, possibilitando a circulação de corrente alternada pelo mesmo quando alimentado por uma fonte de corrente contínua. Figura 9. 16 - Comutadores 18

Mecânica de Locomotivas II Os comutadores de motores de tração são construídos pelo princípio denominado Arc Bound, isto é, é constituído por um elevado número de lâminas de cobre (barras) em forma de cunha, com seção trapezoidal de �� ���� de espessura, ajustadas em forma de cilindro e separada eletricamente uma das outras por meio de lâminas de mica de muito boa qualidade de �� , �� ���� de espessura. As lâminas de mica são rebaixadas em relação à superfície das barras para não interferirem no deslizamento das escovas sobre a superfície do coletor. O elevado número de lâminas obriga o uso de comutadores com diâmetro quase igual ao do rotor. 19

Mecânica de Locomotivas II Cada barra possui uma bandeira em uma de suas extremidades, onde é feita a ligação com a bobina da armadura. As barras são mantidas em posição pela ação de aperto de uma tampa de aço aparafusada em uma carcaça também em aço. Figura 9. 17 - Detalhes do comutador 20

Mecânica de Locomotivas II Os cones de mica, com contorno adequado para se encaixarem entre a tampa e a carcaça, isolam eletricamente as barras da terra. Uma bandagem de teflon ou de resina epóxi, denominado de colarinho, aplicada sobre o isolamento exposto do cone de mica, protege a mica contra avarias e apresenta uma superfície lisa de isolamento superficial que é fácil de ser mantida limpa. Figura 9. 18 - Detalhe da fixação das barras do comutador 21

Mecânica de Locomotivas II Na ocorrência de arco (flash) durante uma falha de comutação, o ar se torna ionizado, criando um caminho de curto circuito entre os porta-escovas positivos e negativos e posteriormente na direção da tampa do comutador. Devido a corrente em direção a terra, as temperaturas nos pontos de passagem se elevam bastante, carbonizando o colarinho. A troca das escovas e a limpeza do comutador são feitas através de janelas apropriadas na carcaça, providas de tampa com fechamento hermético, facilmente removível. 22

Mecânica de Locomotivas II Os comutadores exercem três funções básicas: Fornecem o contato elétrico deslizante indispensável entre as escovas fixas e a armadura em rotação; Atuam como chave de reversão. À medida que as pontas das bobinas de armadura passam pelas escovas, o comutador transfere-as de um circuito para outro, fazendo com que todas as bobinas sejam atravessadas por corrente elétrica, fluindo sempre na direção correta. Conduzem à superfície das escovas a voltagem de cada bobina da armadura do circuito. Essas voltagens são adicionadas, lâmina por lâmina, entre as escovas. Em consequência, a voltagem total de operação da máquina aparece nas 23 escovas.

Mecânica de Locomotivas II Durante a manufatura dos comutadores a palavra chave é denominada pressão de arco, pois é ela que assegura a estabilidade do comutador depois de concluído, garantindo que as lâminas não se movimentarão entre si. As boas práticas dos fabricantes mundiais de máquinas recomendam que para estabilizarmos um comutador, devemos submetê-lo a um processo denominado de sazonamento dinâmico ou simplesmente sazonamento. Como o nome sugere, este é um processo no qual são aplicados ao conjunto completo do comutador diversos ciclos de aquecimentos, apertos a alta temperatura, giros e resfriamentos, até que se obtenha a estabilização mecânica. 24

Mecânica de Locomotivas II Um grande número de comutadores para motores e geradores de tração é sazonado em cavaletes de rotação, depois de terem sido montados nas armaduras e de estas terem recebido as bobinas. Nesses cavaletes, os comutadores são submetidos a ciclos sucessivos de aquecimento e esfriamento durante sua rotação, a velocidades que excedem de cerca de 20% à máxima velocidade de funcionamento. Esse ciclo é repetido diversas vezes, até serem obtidos os resultados desejados. O sazonamento dinâmico previne: - A perda de estabilidade mecânica a longo termo; - O risco de levantamento de lâminas; - O maior consumo de escovas; 25 - A dificuldade de comutação.

Mecânica de Locomotivas II 9. 2. 3. Motor em corrente contínua com excitação série O comportamento dos motores de tração pode ser representado por meio de curvas que reproduzem graficamente as relações entre as diferentes grandezas elétricas e mecânicas que caracterizam o motor. Tais curvas são chamadas de Características do Motor de Tração. A característica mais importante de um motor de tração é a que apresenta o conjugado mecânico desenvolvido pelo motor na ponta do eixo com a variação da corrente de alimentação do motor com a potência de entrada mantida igual à nominal. Esta curva é chamada de Característica Mecânica do Motor de Tração. 26

Mecânica de Locomotivas II Outras características importantes são: Tensão x corrente; Velocidade do eixo x corrente; Rendimento x corrente. Os motores de corrente contínua possuem dois circuitos: Circuito de armadura- constituído pelas quatro bobinas de interpolo ligadas em série com a bobina de armadura. Circuito de campo -constituído pelas quatro bobinas de campo ligadas em série. 27

Mecânica de Locomotivas II Os motores de corrente contínua que possuem as características mais apropriadas para atender o serviço de tração são os de excitação série. O circuito de campo dos motores de corrente contínua com excitação série está ligado em série com o circuito de armadura, isto é, a corrente que circula pelo circuito de armadura também circula pelo circuito de campo, sendo responsável pelo fluxo magnético gerado. 28

Mecânica de Locomotivas II 9. 2. 3. 1. Conjugado no eixo do motor Na figura 9. 19, representamos esquematicamente um rodado de uma locomotiva acionado por um motor de tração de corrente contínua com ligação de campo série, em regime estacionário, desde os seus terminais de alimentação até o contato roda trilho. Figura 9. 19 - Esquemático do rodeiro acionado por um motor de tração de corrente contínua com ligação de campo série 29

Mecânica de Locomotivas II O funcionamento de um motor de corrente contínua está baseado nas forças produzidas pela interação entre o campo magnético e a corrente de armadura, que tendem a mover o condutor da armadura num sentido que depende do sentido do campo e da corrente na armadura. Com o deslocamento dos condutores da armadura no campo, surgem tensões induzidas, forças contra-eletromotriz, atuando no sentido contrário ao da tensão aplicada. Do circuito de campo em estado de regime permanente, composto pela resistência de campo em paralelo com a resistência do shunt, podemos obter a seguinte equação: 30

Mecânica de Locomotivas II Vemos que a introdução do resistor de shunt produz uma redução da corrente de campo e, conseqüentemente, um enfraquecimento do campo magnético. Fazendo: Obtemos: Considerando o efeito da saturação, o fluxo magnético do motor é uma função da corrente de campo expressa por: onde �� são constantes do motor. Para o circuito elétrico do motor podemos definir a seguinte equação: onde ���� é a resistência elétrica total do motor. 31

Mecânica de Locomotivas II A força contra-eletromotriz é diretamente proporcional ao produto do fluxo magnético pela velocidade angular do eixo do motor: Onde a constante da força contra-eletromotriz é dada pela expressão: Onde: �� - Número de pólos do motor; �� - Constante do motor. 32

Mecânica de Locomotivas II Substituindo a expressão do fluxo magnético na expressão da força contraeletromotriz e fazendo, obtemos: Substituindo essa expressão na equação do circuito elétrico do motor, obtemos: que é a expressão da velocidade de rotação do motor em função da tensão aplicada aos seus terminais e da corrente de alimentação do motor. 33

Mecânica de Locomotivas II Na partida da locomotiva a velocidade de rotação do motor é nula. Para que isso seja verdadeiro é necessário que a equação abaixo seja satisfeita, isto é: Como solução dessa equação, temos: O que demonstra que no instante da partida da locomotiva, a corrente do motor de tração é limitada pela tensão aplicada aos seus terminais e pela resistência elétrica total do motor. 34

Mecânica de Locomotivas II A soma das forças que atuam sobre os condutores da armadura cria um conjugado eletromagnético diretamente proporcional ao produto do fluxo magnético pela corrente da armadura, dado por: Onde a constante do conjugado é expressa por: �� - Número de pólos do motor; �� - Número de condutores periféricos da armadura; ���� - Número de caminhos em paralelo na armadura. 35

Mecânica de Locomotivas II Substituindo a expressão do fluxo na expressão do conjugado e fazendo: obtemos: e para �� = �� : Da expressão acima, vemos que para o motor fornecer o elevado conjugado de partida exigido pela locomotiva, é necessário que a corrente assuma valores também elevados. Devido ao aquecimento não uniforme do comutador quando parado, que pode causar uma ovalização do comutador, é recomendado que a corrente não assuma valores excessivos e que sua aplicação não exceda um tempo máximo em função da carga. 36

Mecânica de Locomotivas II A partir da equação do conjugado podemos traçar as curvas dos motores de tração GM D 31 e GE 761 ANR 5 utilizados em locomotivas de bitola métrica Figura 9. 20 Curvas conjugado x corrente dos motores GM D 31 e GE 761 37

Mecânica de Locomotivas II 9. 2. 3. 2. Esforço de tração no rodado Partindo de que: O conjugado é igual ao produto da força pela distância do ponto de aplicação da mesma: A potência desenvolvida num eixo que gira é igual ao produto do conjugado pela velocidade angular: 38

Mecânica de Locomotivas II A potência mecânica entregue pelos motores de tração as rodas: podemos obter: Ou: Lembrando que: temos: Substituindo a expressão do conjugado desenvolvido no eixo, na expressão acima, temos a expressão do esforço de tração desenvolvido no rodeiro em função da corrente entregue a cada um dos motores de tração: 39

Mecânica de Locomotivas II Figura 9. 21 - Curvas esforço de tração x Corrente dos motores GM D 31 e GE 761 ANR 5 40

Mecânica de Locomotivas II Da Figura 9. 21 se pode verificar que, enquanto não é atingida a saturação magnética, a velocidade do motor aumenta de forma quase inversamente proporcional à intensidade da corrente de armadura, de onde se pode concluir para o caso da carga se tornar muito pequena, a velocidade do motor se torna tão grande que as forças centrífugas podem destruir sua armadura. Por isso, quando por alguma razão o eixo do motor perde o engrenamento com o eixo do rodeiro, acontece a desintegração da armadura do motor. 41

Mecânica de Locomotivas II 9. 2. 3. 3. Esforço de tração da locomotiva Para uma locomotiva de �� rodeiros, o esforço de tração desenvolvido pela locomotiva em função da corrente entregue a cada um dos motores de tração é dado por: Normalmente, ao especificarem uma locomotiva, os fabricantes indicam apenas dois valores de força de tração: - Força de tração na partida; - Força de tração contínua. - A curva de esforço de tração em ponto 8 de aceleração. 42

Mecânica de Locomotivas II Conhecendo-se as características do motor de tração, do engrenamento e da roda, podemos traçar as curvas de força de tração x velocidade para cada ponto de aceleração da locomotiva utilizando a expressão acima e: Utilizando a expressão traçamos as curvas de esforço de tração de uma locomotiva de ��. ������ , com seis motores de tração GE 761 ANR 5, para cada um dos oito pontos de aceleração, conforme mostrado na figura. As potências referenciadas em [���� ], são as fornecidas pelo motor diesel em cada um de seus oito pontos de aceleração. 43

Mecânica de Locomotivas II Figura 9. 22 - Curvas de esforço de tração x velocidade de uma locomotiva diesel-elétrica de 3. 000 hp com seis motores de tração GE 761 ANR 5 44

Mecânica de Locomotivas II Conforme pode ser verificado da figura, o esforço de tração produzido pelo motor com excitação em série decresce à medida que a velocidade aumenta, e vice-versa. A curva representativa da variação do esforço de tração com a velocidade é hiperbólica. Assim sendo, após a partida, em que é solicitado um esforço de tração elevado, o esforço de tração diminui automaticamente enquanto a velocidade aumenta. Numa sobrecarga, o acréscimo de resistência mecânica que se opõe à rotação é facilmente vencido, pois o motor automaticamente diminui a velocidade, mantendo a potência absorvida quase constante. Podemos concluir que o motor de excitação série modifica a sua velocidade ao variar a carga, adaptando seu funcionamento às necessidades de serviço, sem provocar elevadas variações de corrente na linha que o alimenta. 45

Mecânica de Locomotivas II A curva de esforço de tração em ponto oito de aceleração oferece os seguintes pontos singulares: Esforço de Tração Contínuo da locomotiva. ������ @ ���� , ���� /�� e ������ �� – ���� í������ É o esforço de tração que a locomotiva pode desenvolver indefinidamente, sem risco de superaquecimento dos seus motores de tração. A corrente de ������ �� é a corrente nominal dos motores de tração. A velocidade de ���� , ���� /�� corresponde a Velocidade Mínima Contínua da 46 locomotiva.

Mecânica de Locomotivas II A locomotiva pode, entretanto, por curtos intervalos de tempo utilizar um esforço de tração maior, sem perigo de superaquecimento dos seus motores de tração. ������ @ ���� , ���� /�� e ������ �� − ������ : É o esforço de tração que a locomotiva pode desenvolver por um período de �� ����. É conhecido como regime uni-horário. ������ @ ���� , ���� /�� e ������ �� − ������ : É o esforço de tração que a locomotiva pode desenvolver por um período de ���������. 47

Mecânica de Locomotivas II 9. 2. 4. Sentido de rotação do motor de tração Os motores de tração devem funcionar em ambos os sentidos de rotação, horário e antihorário, sem prejuízo da ventilação, do conjugado ou da potência. Para inverter o sentido de rotação do motor, deve-se inverter a polaridade da ligação da armadura ou do campo. A inversão de ambos ao mesmo tempo não trará resultados. Figura 9. 22 - Ligação do circuito de campo para definição do sentido de rotação 49

Mecânica de Locomotivas II Normalmente a inversão do sentido de rotação é obtida através da inversão do sentido da corrente no circuito de campo. Isso é executado pelos contatores do armário elétrico da locomotiva. Para a realização da operação de definição do sentido de deslocamento da locomotiva, é necessário um conjunto de chaves, que devem possuir contatos com capacidade de conduzirem a corrente máxima solicitada pelo motor de tração e serem operadas sempre com corrente zero em seus contatos. Figura 9. 23 - Chave reversora e chave P 50

Mecânica de Locomotivas II 9. 2. 5. Ligação dos motores de tração Eletricamente, os motores de tração de uma locomotiva podem ser associados em série, paralelo e série-paralelo, sendo mais comuns as duas últimas. O tipo de ligação a ser utilizada é definido pelos limites nominais de tensão e corrente do gerador de tração. Se para toda a faixa de velocidades da locomotiva, a corrente total exigida por todos os motores de tração para suprir a carga, for menor que a corrente nominal do gerador de tração, podemos manter os motores de tração associados através de uma ligação em paralelo, o que resulta num melhor aproveitamento da aderência. Caso contrário, necessitamos reduzir a corrente exigida do gerador de tração pelos motores. 51

Mecânica de Locomotivas II A ação tomada para que isso ocorra é denominada de transição, que pode ser obtida através: Da alteração da ligação em paralelo para uma ligação em série-paralelo dos motores de tração; Da alteração da ligação em série-paralelo para uma ligação em paralelo dos motores de tração. 9. 2. 5. 1. Ligação dos motores de tração em paralelo Nesse tipo de ligação, todos os motores são ligados diretamente aos terminais do alternador de tração. 52

Mecânica de Locomotivas II Figura 9. 24 - Ligação dos motores de tração em paralelo Do circuito da Figura 9. 24 podemos observar que a tensão sobre os motores de tração é igual à tensão na saída do alternador de tração, isto é: ������ = ������ enquanto que cada um dos motores demanda 1/6 da corrente total produzida pelo alternador de tração, ou seja: ������ = �� ∙ ������ 53

Mecânica de Locomotivas II 9. 2. 5. 2. Ligação dos motores de tração em série-paralelo Nesse tipo de ligação, cada associação de dois motores em série é ligada diretamente aos terminais do alternador de tração. Figura 9. 25 - Ligação dos motores de tração em série-paralelo 54

Mecânica de Locomotivas II Do circuito da Figura podemos observar que a tensão desenvolvida sobre cada um dos motores de tração é igual à metade da tensão do alternador de tração, isto é: ������ = �� ∙ ������ enquanto que cada um dos motores demanda 1⁄3 da corrente total produzida pelo alternador de tração, ou seja: ������ = �� ∙ ������ 55

Mecânica de Locomotivas II 9. 2. 5. 3. Transição Para baixas velocidades da locomotiva, uma associação de todos os motores de tração em paralelo pode demandar uma corrente maior do que o limite nominal de corrente do gerador de tração. Quando isso ocorre, devemos reduzir a corrente exigida do gerador de tração, sob pena do mesmo não ter condições de manter constante a potência fornecida. No momento em que o limite de corrente do gerador de tração está para ser alcançado, podemos promover uma transição através da passagem da ligação em paralelo para a ligação em série-paralelo dos motores de tração. 56

Mecânica de Locomotivas II A fim de garantir uma transição suave, isto é, sem que haja redução e nem aumento da velocidade da locomotiva durante a transição, a corrente que circula nos motores de tração deve ser a mesma antes e após a transição, de modo a manter o conjugado constante. Mantendo na ligação em série-paralelo, o mesmo valor da corrente que circula em cada um dos os motores de tração na ligação em paralelo, resulta numa redução da corrente do gerador de tração, conforme demonstrado a seguir: 57

Mecânica de Locomotivas II Da curva tensão-corrente do gerador de tração, vemos que uma redução da corrente, implica numa elevação da tensão, a fim de manter a potência constante. Figura 9. 26 - Curva tensão x corrente 58

Mecânica de Locomotivas II A potência fornecida pelo gerador de tração em cada um dos tipos de ligação dos motores de tração é dada pelas seguintes expressões: Mantendo a potência do gerador de tração após a transição igual à potência antes da transição, ou seja: temos, que a tensão no gerador de tração para a ligação em série-paralelo é o dobro da tensão para a ligação em paralelo, isto é: 59

Mecânica de Locomotivas II Essa elevação de tensão resultante será dividida igualmente entre os motores de cada uma das ligações série, de modo que a potência em cada um dos motores também será mantida constante. Assim, na partida da locomotiva, quando há uma maior solicitação de corrente, os motores estarão ligados em série-paralelo. À medida que a locomotiva ganha velocidade, cresce a força contra-eletromotriz dos motores, fazendo com que a corrente diminua. O gerador aumenta a tensão para contrabalançar a queda da corrente, pois a potência é mantida constante. O estágio seguinte consiste em fechar os contatores de enfraquecimento de campo dos motores de tração para novamente aumentar a corrente que circula pelos motores, e com isso aumentar o conjugado motor e continuar elevando a velocidade da locomotiva. 60

Mecânica de Locomotivas II Chega-se num instante em que a força contra-eletromotriz limita a corrente nos motores. A partir daí se deve aplicar uma transição, passando para a ligação em paralelo com campo pleno, de modo que os motores recebam a tensão plena do gerador de tração, aumentando mais o conjugado motor. Durante essa transição, é necessário que a corrente de campo da excitatriz seja retirada e, por conseguinte dos motores de tração, para que o conjunto de chaves e contatores de acionamento sejam operados. Somente depois de completada a nova ligação é que os motores voltarão a serem alimentados pelo Gerador de Tração. 61

Mecânica de Locomotivas II Durante esse período de tempo a locomotiva deixará de tracionar, podendo provocar choques no trem quando do restabelecimento da tração. Quando acopladas com locomotivas sem transição ou com transição em velocidades diferentes, poderão provocar deslizamento de rodas e perda de tração. Na Figura 9. 27 vemos a curva de esforço de tração em ponto 8 de aceleração, de uma locomotiva de 2. 000 hp, com 6 motores tração, onde são destacadas as faixas de velocidade de cada uma das transições de enfraquecimento de campo e de troca de ligação dos motores de tração. 62

Mecânica de Locomotivas II Figura 9. 27 - Curva de esforço de tração x velocidade com transição 63

Mecânica de Locomotivas II Podemos analisar a operação dessa locomotiva, descrevendo seu funcionamento em cada estágio de velocidade. Primeiro estágio A partida da locomotiva se dá com o gerador de tração fornecendo sua corrente máxima a uma ligação 3 paralelo de 2 motores de tração em série, sem shuntamento de campo, isto é, corrente de campo de 100%. Segundo estágio É aplicada uma redução na corrente de campo dos motores de tração para 83, 33%, mantendo a ligação dos motores em 3 paralelos de 2 séries. 64

Mecânica de Locomotivas II Terceiro estágio É aplicada nova redução na corrente de campo dos motores de tração para 66, 66%, mantendo a ligação dos motores em 3 paralelos de 2 séries. Quarto estágio Como a tensão de saída do gerador de tração atinge seu valor máximo no final do terceiro estágio, se faz necessário alterar a ligação para 6 motores de tração em paralelo, com corrente de campo de 100%. O gerador de tração volta a fornecer a máxima corrente. Quinto estágio É aplicada novamente uma redução na corrente campo dos motores de tração para 83, 33%, mantendo a ligação dos motores em 6 paralelos. 65

Mecânica de Locomotivas II O enfraquecimento da corrente de campo é realizado através da ligação de um resistor em paralelo com o circuito de campo do motor, com o objetivo de fazer motor alcançar no estágio uma velocidade final maior. Durante o tempo de passagem do terceiro para o quarto estágio, quando a ligação dos motores de tração é alterada de 3 paralelos de 2 séries para 6 paralelo, a corrente de excitação de campo do gerador de tração é retirada e, por conseguinte, dos motores de tração, para que o conjunto de chaves e contatores de acionamento sejam operados com segurança. O mesmo acontece quando da passagem inversa, isto é, do quarto para o terceiro estágio. 66

Mecânica de Locomotivas II É introduzida uma histerese na velocidade de saída e retorno de cada estágio, ou seja, a velocidade em que ocorre a saída de um estágio para outro é diferente da velocidade de retorno de cada estágio para o anterior. A função da histerese de velocidade é a de garantir que durante a transição de um estágio para outro, a variação de velocidade da locomotiva não provoque o retorno a condição anterior, o que pode causar patinações e choques internos no trem. Nas locomotivas que utilizam alternadores o efeito da transição pode ser obtido pela alteração do modo de ligação dos retificadores na saída do alternador, em série ou paralelo. 67

Mecânica de Locomotivas II Figura 9. 28 - Ligação em paralelo e ligação em série dos retificadores 68

Mecânica de Locomotivas II Nesse tipo de transição, é necessário que a corrente de campo da excitatriz seja retirada e, por conseguinte dos motores de tração, para que o conjunto de chaves e contatores de acionamento sejam operados. Somente depois de completada a nova ligação é que os motores voltarão a serem alimentados pelo gerador de tração. Durante esse período de tempo a locomotiva deixará de tracionar, podendo provocar choques no trem quando do restabelecimento da tração. Quando acopladas com locomotivas sem transição ou com transição em velocidades diferentes, poderão provocar deslizamento de rodas e perda de tração. 69

Mecânica de Locomotivas II Em locomotivas de grande potência, mantendo os motores de tração ligados em paralelo em toda a faixa de velocidades da locomotiva, pode resultar numa velocidade mínima contínua relativamente alta, incompatível com a velocidade mínima das locomotivas das outras frotas. Para proporcionar a compatibilidade das velocidades mínimas é aplicada uma redução de potência nas velocidades baixas da locomotiva, denominado de Power Match. Este tipo de transição é realizado pelo circuito de controle de excitação e potência de forma automática, sem acionamento de contatores para modificação da ligação dos motores de tração. 70

Mecânica de Locomotivas II Na Figura vemos a curva de esforço de tração de uma locomotiva de 3. 600 hp com 8 motores operando com transição de potência. Figura 9. 29 - Curva de esforço de tração x velocidade com Power Match 71

Mecânica de Locomotivas II 72