Universidade Federal Do Ceará Centro De Tecnologia Departamento De Engenharia Elétrica Programa De Graduação Em Engenharia Elétrica
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA PROGRAMA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA HERIVELTON TÁVORA DE QUEIROZ FILHO DESCRIÇÃO DO SISTEMA DE TRAÇÃO ELÉTRICA APLICADO AO METRÔ DE FORTALEZA (METROFOR) FORTALEZA 2018 HERIVELTON TÁVORA DE QUEIROZ FILHO DESCRIÇÃO DO SISTEMA DE TRAÇÃO ELÉTRICA APLICADO AO METRÔ DE FORTALEZA (METROFOR) Monografia submetida à Universidade Federal do Ceará como parte dos requisitos para obtenção do Diploma de Graduação em Engenharia Elétrica. Orientador: Prof. Dr. Cícero Marcos Tavares Cruz FORTALEZA 2018 1 Dados Internacionais de Catalogação na Publicação Universidade Federal do Ceará Biblioteca Universitária Gerada automaticamente pelo módulo Catalog, mediante os dados fornecidos pelo(a) autor(a) Q44d Queiroz Filho, Herivelton Távora de. Descrição do sistema de tração elétrica aplicado ao metrô de Fortaleza (METROFOR) / Herivelton Távora de Queiroz Filho. – 2018. 83 f. : il. color. Trabalho de Conclusão de Curso (graduação) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Curso de Engenharia Elétrica, Fortaleza, 2018. Orientação: Prof. Dr. Cícero Marcos Tavares Cruz. 1. Trem elétrico. 2. Dinâmica do movimento. 3. Subestação de tração elétrica. 4. Rede aérea de tração. 5. Circuito de acionamento do trem. I. Título. CDD 621.3 HERIVELTON TÁVORA DE QUEIROZ FILHO DESCRIÇÃO DO SISTEMA DE TRAÇÃO ELÉTRICA APLICADO AO METRÔ DE FORTALEZA (METROFOR) Monografia submetida à Universidade Federal do Ceará como parte dos requisitos para obtenção do Diploma de Graduação Engenharia Elétrica. Aprovada em: ___/___/______. BANCA EXAMINADORA ________________________________________ Prof. Cícero Marcos Tavares Cruz (Orientador) Universidade Federal do Ceará (UFC) _________________________________________ Eng. Francisco Mendes de Oliveira Universidade de Fortaleza (Unifor) _________________________________________ Prof. Dr. Ricardo Silva Thé Pontes Universidade Federal do Ceará (UFC) 3 A Deus, Aos meus pais, Herivelton e Joana, minha irmã Hiarglys Távora, eu dedico esse trabalho. 4 AGRADECIMENTO Ao Metrofor e ao Consórcio Metro Service que me abriram as portas. Ao Prof. Dr. Cícero Marcos Tavares Cruz, pela excelente orientação. Aos meus chefes, Eng. Francisco Mendes de Oliveira, Eng. José Geumar Meneses de Queiroz, Eng. Francisco Raimundo de Lima e Eng. Sérgio Fernando Azevedo dos Santos, que me possibilitaram todos os acessos e ensinamentos possíveis. Aos participantes da banca examinadora Francisco Mendes de Oliveira, Prof. Dr. Cícero Marcos Tavares Cruz e Prof. Dr. Ricardo Silva Thé Pontes, pelo tempo, pelas valiosas colaborações e sugestões. Aos professores entrevistados, Sérgio Daher, Fernando Antunes, Carlos Gustavo, Laurinda Lúcia, pelo tempo concedido nas entrevistas. Aos colegas de trabalho que deram de alguma forma sua contribuição, Rafael Tavares, Vanessa Andrade, Amanda Caetano, Gustavo Leonardo, André Sousa, Mylla Abreu, Levi Reinaux, Veronice Braga, Rafael Caetano, Sr. Moises, Ranieri, Emanuel, Caio Correa e todos os colaboradores de campo que sempre foram muito atenciosos. Aos colegas de curso, Felipe Porto, Dalmo Mendes, Clayton Paiva, Enzo Furlan, Matheus Jonathan, Raimundo Vidal, Josedmundo Neto, Tobias Valentim, Fábio Rocha, Davi Pessoa, Mozart Oliveira, Letícia Veras, pelas inúmeras ajudas, noites mal dormidas e estudos focados. À minha namorada Luíza Capelo, que me ajudou nos momentos mais difíceis do curso. Aos meus familiares, em especial, minha madrinha Fabianny Guerra, minhas tias Lúcia e Eloisa, que sempre fizeram tudo por mim. Um muito obrigado a todos! 5 “Nossa vida é uma constante viagem. A paisagem muda, as pessoas mudam, as necessidades se transformam, mas o trem segue adiante.” (Paulo Coelho) 6 RESUMO O presente trabalho faz uma descrição detalhada do sistema de tração elétrica aplicado ao metrô de Fortaleza. A linha sul, única linha do metrô eletrificada é onde acontece o estudo. Foi feito toda uma pesquisa afim de explicar as nuances da dinâmica do movimento do trem e como o sistema se comporta a cada variação do esforço do motor. A zona de retificação da subestação de tração foi minuciada, sendo explicado sua composição física, o motivo do uso de semicondutores de potência (diodos), os circuitos snubbers e os cubículos de proteção, além da planta em anexo em CAD do sistema de tração elétrica. A rede de tração elétrica foi detalhada, sendo mostrada todo os componentes de seu suporte, foi falado também sobre o captor de corrente (pantógrafo) que alimenta os circuitos de acionamento, como é disposto os fios de contato e sua forma transversal, além de mostrar os problemas associados as correntes de fuga sobre as canalizações metálicas e como foi resolvido esse problema. Por fim, é falado do circuito de acionamento dos motores, como, a introdução teórica ao motor de indução trifásico, a forma de controle associada com inversores de frequência, as frenagens dinâmicas e regenerativa e o controle da frenagem regenerativa através dos choppers de frenagem, sendo concluído com um esquemático de acionamento do trem feito pelo próprio autor. Palavras-chave: trem elétrico, dinâmica do movimento, subestação de tração elétrica, rede aérea de tração, circuito de acionamento do trem. 7 ABSTRACT The present work gives a detailed description about the electric traction system applied on the Fortaleza subway. The southern line is the only line electrified. All research was done to explain the nuances of the train's motion dynamics and how the system behaves at every variation of the engine effort. The rectification zone of the traction substation was minuted, explaining its physical composition, the reason for the use of power semiconductors (diodes), the snubbers circuits and the protection cubicles, besides the attached plant in CAD of the electric traction system. The electric traction network was scanned, showing all the components of its support, it was also spoken about the current sensor (pantograph) that feeds the drive circuits, how the contact wires were arranged and their cross-sectional shape, besides showing the problems associated with leakage currents on the metal pipes and how this problem was solved. Finally, it is spoken of the motor drive circuit, such as theoretical introduction to the three-phase induction motor, the form of control associated with frequency inverters, dynamic and regenerative braking and regenerative braking control through the brake choppers, being concluded with a schematic of activation of the train made by the author. Keywords: electric train, motion dynamics, electric traction substation, aerial traction net, train drive circuit. 8 LISTA DE FIGURAS Figura 1 − Estações da linha Sul ..................................................................................... 16 Figura 2 − TUE (Trem de unidade elétrica) alimentado pela catenária .......................... 17 Figura 3 − Mapa Metroviário de Fortaleza ...................................................................... 18 Figura 4 − Entrada da estação José de Alencar ............................................................... 19 Figura 5 − Via Permanente do Centro de Manutenção (Parque de Manobra) ................ 20 Figura 6 − Centro de controle operacional ...................................................................... 21 Figura 7 − Como se comporta do sistema de energia ..................................................... 22 Figura 8 − Direções das possibilidades do movimento ................................................... 23 Figura 9 − Sapata de freio e roda do trem ....................................................................... 30 Figura 10 − Decomposições da força peso no trem durante o aclive ................................ 32 Figura 11 − Rodeiros ......................................................................................................... 33 Figura 12 − Ação da conicidade das rodas ........................................................................ 34 Figura 13 − Truque ............................................................................................................ 34 Figura 14 − Comportamento de todas as variáveis durante o ciclo de tração ................... 36 Figura 15 − Retificador de doze pulsos ............................................................................. 40 Figura 16 − Retificador trifásico de doze pulsos ............................................................... 42 Figura 17 − Forma de onda da corrente na fase A ............................................................ 42 Figura 18 − Espectro de harmônicas de entrada ................................................................ 43 Figura 19 − Trasformador especial de três enrolamentos da SE Benfica .......................... 44 Figura 20 − Retificador da subestação Benfica ................................................................. 45 Figura 21 − Snubber Passivo ............................................................................................. 46 Figura 22 − Disjuntor de proteção da rede aérea .............................................................. 47 Figura 23 − Controle e comando do cubículo de proteção ................................................ 48 Figura 24 − Diagrama de blocos da posição do cubículo de proteção .............................. 48 9 Figura 25 − Disposição das subestações de tração e cabines de seccionamento e paralelismo...................................................................................................... 51 Figura 26 − Pantógrafo assimétrico