ELÉTRICOS: O FATOR OCULTO

Observem este filme de um navio de contêineres sendo descarregado.

É possível perceber o frenesi que é o processo de carga e descarga de navios contêiner. Tempo é dinheiro, e o uso de contêineres padronizados agilizam muito o processo de carga e descarga.

Mas há um detalhe nestas imagens que escapa ao senso comum da maioria das pessoas. É muito sutil o fato de que os contêineres são suspensos por cabos de aço flexíveis, e que, apesar disto, eles são movidos de um lado para o outro em alta velocidade, sem que oscilem como um pêndulo.

É evidente que a movimentação dos contêineres não pode gerar oscilações. São cargas pesadas, difíceis de conter a oscilação, e enquanto oscilam, não podem ser posicionadas com precisão no seu lugar de destino, presas por suas travas, quer seja no navio, quer seja sobre a carroceria dos caminhões.

No vídeo seguinte, da carga de um cargueiro no porto de Roterdã, vemos operações de carga e descarga em tempo real, onde podemos perceber nitidamente como o guindaste movimenta o contêiner.

O processo é tão automatizado em Roterdã que o caminhão que vemos trazendo o contêiner é totalmente robotizado, sem motorista.

Toda movimentação é um processo limpo de se ver, mas muito difícil de fazer. Experimente pendurar uma chave em um cordão de uns 30 cm e movimentá-la com a mão de um lado para outro sem deixá-la oscilar. Manualmente é complicado fazer.

Que dizer então de um sistema que movimente contêineres de várias toneladas, e que a cada unidade movimentada tem uma massa diferente a ser acelerada e freada, exigindo que o deslocamento do carro superior se adapte à cada carga transportada?

A reposta completa de como esta mágica é feita é bastante complexa, mas uma das suas peças chave está no acionamento por motores elétricos.

Estes guindastes podem ser alimentados diretamente pela rede elétrica regular, ou possuem grupos geradores acionados por motores Diesel. Esta última configuração não é diferente do usada em locomotivas diesel-elétricas, grandes navios, submarinos, e até em grandes caminhões de mineração.

E não são apenas estes exemplos. No mundo inteiro, e em todos os ramos onde a automação tomou a cena, os acionamentos elétricos e, em menor participação, pneumáticos e hidráulicos substituíram os sistemas originais com inúmeras vantagens.

No ramo das máquinas-ferramenta (máquinas que fabricam outras máquinas, como tornos, fresadoras e plainas), a introdução da automação digital eliminou complexas caixas de engrenagens de sincronização de movimentos simples dos diferentes eixos da máquina, e os substituiu por acionamento direto por motores elétricos especiais (servo-motores). Ao invés de mecanismos rígidos de sincronismo, as máquinas-ferramenta computadorizadas sincronizam movimentos complexos de múltiplos eixos através do software de controle do computador.

Vejam o verdadeiro balé que esta fresadora CNC é capaz de fazer, num processo totalmente automatizado, para esculpir um bloco de motor V-8 a partir de um bloco sólido de alumínio. A precisão do conjunto pode ser vista pela qualidade polida das superfícies geradas:

Estas máquinas até possuem alguns acionamentos pneumáticos e hidráulicos, mas são essencialmente dependentes da flexibilidade, versatilidade, alta eficiência, da natural docilidade ao comando dos motores elétricos, além da sua total compatibilidade com os computadores, com quem compartilham a mesma natureza elétrica.

Máquinas como estas seriam impossíveis de existir neste grau de perfeição se dependessem de motores de combustão interna para o acionamento.

Quem estranha a entrada da tração elétrica nos automóveis desconhece que este é um dos últimos grandes setores onde este fenômeno de penetração dos motores elétricos está ocorrendo. Entretanto, no automóvel o uso do motor elétrico para tração é mais uma aplicação onde suas vantagens sobressaem.

Veja o vídeo a seguir, sobre o controle de tração.

Cada pneu tem uma determinada capacidade de tração e que pode variar a cada instante. Quando a potência transferida para a roda pela transmissão ultrapassa essa capacidade de tração, o pneu desgarra e acelera. Com o escorregamento, a potência transferida para a roda é diminuída.

Quando desgarra, o atrito do pneu com o solo passa de atrito estático, mais alto, para atrito dinâmico, mais baixo, mantendo a roda girando com uma força de tração inferior à da roda aderida ao solo.

Desacelerar a roda é uma necessidade para eliminar o escorregamento, porém, quando a roda para de escorregar, a potência transferida está bem aquém da limite.

Para aproveitar ao máximo a capacidade de tração do pneu, seria necessário operar no limiar de escorregamento, e quando escorregar, perceber a aceleração e a diminuição da potência numa fração ínfima de tempo e atuar sobre o motor para evitar o disparo.

Esta condição ideal é difícil de ser alcançada usando um motor de combustão interna. Este tipo de motor é uma máquina térmica complexa, com a potência sendo controlada por meios indiretos e muito imprecisos.

Sendo uma máquina que opera em estágios cíclicos (tempos), só é possível controlar a potência gerada no ciclo seguinte, o que representa um intervalo de tempo considerável para o fenômeno de perda de aderência do pneu.

Um exemplo numérico: num carro andando a 10 metros por segundo (36 km/h), usando um motor de 4 cilindros, 4 tempos, girando a 3000 rpm. Nele temos um intervalo entre ignições de 10 ms. Neste exemplo, se o pneu desgarrar no exato instante da ignição, ele irá escorregar por 10 cm antes que a ignição corrigida do cilindro seguinte tente recuperar a tração do pneu. E se esta nova ignição não for suficiente, o pneu continuará escorregando por outros 10 cm antes que uma nova tentativa, com correção mais severa, seja feita.

Depois que a tração foi recuperada, as correções de redução de potência tem de ser retiradas aos poucos para evitar novo escorregamento.

Para piorar ainda mais este quadro, o controle principal de potência de um motor de ciclo Otto, a borboleta de aceleração, oferece uma resposta ainda mais lenta que esta calculada para ser utilizada num controle de tração.

A tecnologia atual de controle de tração usa principalmente uma redução do avanço de ignição e um grande enriquecimento de mistura como formas de reduzir a potência por meio de uma diminuição da eficiência do motor. Porém, a cada diferente situação de carga, é completamente indeterminado o quanto se perde de potência por se diminuir em "X" graus o avanço de ignição e aumentar em "Y" ms o tempo de injeção de combustível.

Em resumo, como o motor de combustão interna oferece uma velocidade de resposta da mesma ordem de grandeza do fenômeno de perda de tração, e as alterações dos parâmetros de funcionamento do motor causam variações desconhecidas na potência, é necessário que o controle de tração corte acentuadamente a potência para depois recuperá-la vagarosamente, fazendo o conjunto de tração operar numa potência média bem abaixo da limite.

Para os especialistas em automação, acostumados com sistemas eletrônicos que operam em milionésimos de segundo , o motor de combustão interna é uma máquina de caraterísticas muito ruins para controle fino.

A indústria automobilística tem investido bilhões de dólares nas últimas décadas para desenvolver controles de tração eficientes, porém ainda estão longe do ideal, já que estão tentando compensar na tecnologia de controle eletrônico uma deficiência natural e incontornável do motor de combustão interna.

Se um sistema de tração pudesse reagir com uma velocidade de resposta 100 vezes superior ao do motor de combustão interna, poderia operar tranquilamente no limiar de tração do pneu, mesmo com variações bruscas neste limiar (passar de asfalto seco para grama molhada, por exemplo), e sem um sistema de controle tão complexo.

O motor elétrico pode operar desta forma, e fazê-lo de uma forma melhor que o motor de combustão interna.

O motor elétrico tem uma natureza completamente diversa daquela do motor de combustão interna. Ao invés de uma máquina complexa, cheia de mecanismos e dispositivos auxiliares, o motor elétrico nada mais é que um transformador de potência elétrica para mecânica e vice-versa, já que é uma máquina reversível.

A potência que este motor transforma em mecânica provém de uma fonte, que pode ser uma simples bateria, um dispositivo completamente passivo, ou vir de um inversor eletrônico ativo.

É esta característica que coloca o motor elétrico muito acima do motor de combustão interna em termos de controle, pois nele controla-se diretamente a potência que é transformada num dispositivo externo a ele, e não parâmetros indiretos que influenciam nela.

Nos inversores, a potência elétrica é controlada em frequências de alguns quilohertz, muito acima dos poucos Hertz de operação dos motores de combustão interna, permitindo controlar o limite de aderência do pneu ao solo em frações de milímetro.

Vamos dar mais um passo. Vejam este vídeo sobre ABS:

Nele vemos nitidamente que o sistema convencional de freios com ABS sofre da mesma limitação que o o sistema de controle de tração. A baixa velocidade de resposta do sistema ainda causa um travamento perceptível da roda, mesmo depois de mais três décadas de pesquisas incessantes sobre ele.

Modular a pressão hidráulica das pinças é um meio indireto e impreciso de controlar a potência de frenagem.

No motor elétrico, a diferença entre tracionar e frear depende exclusivamente do balanceamento entre potência mecânica fornecida pela roda e a potência elétrica fornecida pelo inversor. As características de alta velocidade de resposta e controle direto de potência presentes durante a tração são exatamente as mesmas para a frenagem. A frenagem através do motor elétrico pode ser feita mais próxima do limite do conjunto de pneu e piso do que com o sistema ABS convencional, e o veículo consegue parar num espaço ainda mais curto.

E ainda temos que considerar que a frenagem pelo motor elétrico é regenerativa, reaproveitando a energia cinética do carro, que vira calor nos freios convencionais.

O uso moderno de motores de corrente alternada na tração possui outra grande vantagem.

Quando usado um motor de combustão interna com potência suficiente para o pneu perder a aderência, a redução súbita do torque resistente da roda a faz disparar. Para readquirir a aderência, a roda precisa ser freada para reduzir novamente sua velocidade, o que nunca é instantâneo por causa da sua inércia.

O mesmo se verifica na atuação dos freios convencionais, com a roda tendendo ao travamento.

Já motores de corrente alternada tem sua rotação dependente da frequência de alimentação. Estamos acostumados a ligar na tomada os mais variados tipos de motores, e não os vemos disparando, mas sim atingindo uma rotação de regime.

Eles reagem apenas ao torque resistente, mesmo com uma fonte de alimentação não controlada (tomada) de frequência fixa (60 Hz).

No automóvel, se o motor elétrico aplicar potência suficiente para o pneu desgarrar, não será verificado nenhum disparo de rotação da roda, mas sim uma diminuição da potência exigida do inversor pela redução do torque resistente. Sem o disparo, fica para o inversor apenas a função de recalibrar a potência fornecida ao motor para recuperar a aderência, e o veículo segue tracionando no limite de sua capacidade. O mesmo ocorre na frenagem regenerativa.

Por natureza, os motores de corrente alternada agem de modo estabilizante, colaborando com o inversor e diminuindo o esforço do software de controle em manter a roda aderida ao solo no limite de tração.

Já os sistemas atuais de ABS e controle de tração lutam contra a natureza instabilizante do motor de combustão e dos freios, fato que tem pesado negativamente no desenvolvimento destes sistemas.

A tecnologia dos carros convencionais tirou proveito de todo sistema já instalado de ABS e controle de tração para dar um passo adiante, criando os sistemas de estabilidade.

Uma vez que num carro convencional não possuímos controle de potência por roda, o controle de estabilidade utiliza individualmente os freios de cada roda para criar uma tração desbalanceada e ajudando o veículo a fazer uma curva no limite de aderência, tirando proveito dos pneus ainda aderidos ao piso.

Entretanto, por utilizar o sistema de freios, o controle de estabilidade atual sofre dos mesmos limites impostos pelo ABS, além do fato de não poder atuar aumentando a tração onde é possível.

O controle de estabilidade também só atua quando o carro sensivelmente demonstra que perdeu sua capacidade direcional normal, não controlando as potências de tração e de frenagem, e não colaborando em momento algum durante a condução normal do veículo.

Num veículo de tração elétrica com motores independentes nas 4 rodas, um sistema central pode coordenar a potência em cada roda a cada curva, tanto em tração como em frenagem e em sincronismo com os movimentos do veículo, facilitando sua condução mesmo bem longe dos limites de aderência e tirando um proveito maior e mais seguro dos pneus.

Este é o caminho apontado pelo Mercedes-Benz SLS AMG na sua versão elétrica.

Este carro usa dois conjuntos duplos de motores e redutores totalmente independentes, porém integrados numa mesma caixa, fabricada pela Getrad.

Entre suas especificações, cada um destes motores possui potência nominal (constante) de 77 kW (~105 cv), potência máxima de 150 kW (~204 cv), e torque máximo de 300 Nm (~30,6 kgfm) e rotação máxima de 12.000 rpm.

O inversor do conjunto já possui software de balanceamento de potência ("balanceamento de torque") para estabilidade direcional (chamado pelo fabricante de controle vetorial) do veículo em linha reta, o que já mostra o começo da evolução da tração elétrica que temos comentado até aqui.

É interessante notar a simplicidade construtiva deste carro possibilitada pela modularização de seus componentes chaves (powertrain, inversores e baterias).

Os motores elétricos são bem menores e de formato muito mais conveniente (puramente cilíndricos) que motores de combustão interna equivalentes, permitindo que sua instalação fique rente ao assoalho, abaixando e balanceando o centro de gravidade do veículo, e dispensando um grande espaço sob o capô, obrigatório para o modelo a gasolina. Eles também possuem torque suficiente ao longo de uma faixa bem ampla de rotações para exigirem apenas de um pequeno redutor de relação fixa, ao invés de um câmbio complexo.

Este conjunto dispensa uma série de itens de manutenção periódica e de desgaste existentes nos automóveis a combustão interna, como óleos, filtros, velas, embreagem etc.

Por serem componentes elétricos, inversores e baterias podem ser instalados onde forem convenientes, diferente dos componentes mecânicos que necessitam de alinhamento perfeito entre as partes e possuem ordem certa de montagem.

Enquanto num automóvel convencional é preciso uma central eletroidráulica complexa e cara para o ABS, num veículo elétrico como o SLS com motores nas 4 rodas, a mesma função pode ser desempenhada por um software que opera no processador do inversor.

Num automóvel convencional já fabricado, quando há uma evolução na tecnologia do ABS, um upgrade só é possível através da substituição completa da central eletroidráulica, o que geralmente é caro demais. Num veículo como o SLS elétrico basta um upgrade de software como o que estamos acostumados a fazer em nossos computadores.

Comparativamente, é o mesmo processo de substituição das caixas de engrenagens, de automação rígida e limitada das máquinas-ferramenta, por um sistema flexível muito mais avançado, eficiente e simples.

Porém, o SLS está muito distante de ser o modelo de referência para os futuros carros de tração elétrica.

Muitas tecnologias hoje presentes nos automóveis convencionais ainda precisam ser adaptadas e desenvolvidas, assim como os conceitos que precisarão evoluir.

Vejam neste vídeo como a Siemens, uma das maiores e mais importantes fabricantes mundiais de motores e equipamentos elétricos, pensa sobre um possível futuro veículo de tração elétrica:

A concepção da Siemens, viável tecnologicamente hoje, só é possível graças à enorme versatilidade de projeto de motores elétricos.

Porém, é exatamente esta versatilidade que cria um "santo graal" que a indústria automotiva tem procurado. Embora a tecnologia de tração elétrica esteja plenamente disponível hoje, ninguém realmente sabe qual a configuração nem a disposição ideais destes componentes em um automóvel. As opções são inúmeras, cada uma com vantagens e desvantagens.

Grandes fabricantes, como BMW, Ford, Peugeot e Nissan já destinaram cifras bilionárias para pesquisas no campo dos carros elétricos e híbridos para achar a melhor configuração. Entretanto ainda é nítida a enorme diferença entre os projetos de cada um deles, mostrando que os conceitos de cada equipe ainda não convergem para um modelo ideal.

Por outro lado, com o constante aperto das margens legais de emissões de poluentes, estes mesmos fabricantes vem se ressentindo da "crise de meia idade tecnológica" do motor de combustão interna.

As promessas de melhorias para ele ainda são muitas, e boa parte delas, reais. Entretanto, não se menciona que tudo o que era fácil e barato de ser feito já foi feito, e que há pouco a se ganhar em desempenho máximo, mas sim em regimes intermediários.

Esta máquina, há 40 anos um símbolo da simplicidade mecânica, hoje está cercada de toda uma parafernália de fios, sensores e atuadores de todos os tipos, tal qual um doente terminal em uma UTI.

A tecnologia capaz de elevar a novos níveis de rendimento, potência e emissões dos motores a pistão, o sistema eletromagnético de abertura controlada de válvulas, ainda é apenas uma experiência de laboratório. Seu substituto provisório, o variador de fase das árvores de comando não é unanimidade entre os fabricantes nem mesmo dentro de suas próprias linhas de motores, e quando são adotados, não há formas de não impactar no custo final do motor.

Outra grande promessa tecnológica de mais de 30 anos, a da injeção direta de combustível, também só aparece em automóveis onde o alto custo do sistema pode ser diluído, e, portanto, está longe dos modelos mais populares.

A indústria também não encontrou alternativa aos caríssimos catalisadores de cerâmica a base de metais raros, e deles os motores estão cada vez mais dependentes.

Muitas destas dificuldades técnicas estão ligadas a uma incompatibilidade entre a natureza e o uso que se faz do motor de combustão interna no automóvel, agravada pelos parâmetros de legislações ambientais cada vez mais rigorosos.

Motores de combustão interna são mais eficientes num ponto bem específico de rotação e carga, porém o uso que fazemos hoje dele no automóvel exige ampla variação de rotações e de potências. As fábricas, ao projetarem motores tem que atender a esta resposta ampla para melhoria da dirigibilidade, o que piora o rendimento e as emissões, se veem obrigadas a usar tecnologias sofisticadas e caras para atender às normas de emissões sem deixar de atender aos desejos dos consumidores.

A atual tendência de usar motores menores com turbo e acelerador eletrônico ("drive-by-wire") no lugar de motores maiores aspirados (downsizing), e os sistemas de vários catalisadores e várias sondas lambda demonstram este ponto.

Alguns carros híbridos partem de princípios opostos a estes. Ao usar unicamente motores elétricos na tração, o motor de combustão interna deixa sua função tradicional para virar um "burro de carga" que aciona um gerador elétrico para a alimentação de motores e recarga das baterias. Este motor pode operar na maior parte do tempo nas suas condições mais favoráveis de rotação e potência, independente do regime em que o veículo estiver sendo usado, já que o excedente de potência é direcionado para a recarga das baterias. E uma vez que a recarga tenha sido completada, o motor de combustão pode ser desligado.

Como este motor opera na maior parte do tempo em regimes bem definidos, todo seu projeto pode ser otimizado para estes poucos pontos, dispensando muitas tecnologias que usamos nos motores atuais e ficando mais simples. Ele também pode ser menor, já que a potência máxima que os motores elétricos necessitam pode vir da soma das potências do motor de combustão e das baterias.

Existem vários artigos falando dos carros elétricos e híbridos, chamando-os de ecológicos ("verdes") e da grande economia de combustível que proporcionam. Sendo escritos por quem não é da área de engenharia elétrica, ou mesmo por quem quer apenas criar uma imagem para uma nova categoria de veículos, pecam por não expor toda a realidade técnica.

Em todos os ramos em que entrou, acionamentos elétricos comandados por computadores introduziram tantas características inovadoras desejáveis sobre os sistemas precedentes, que estabeleceram um degrau tecnológico que não pode ser acompanhado pelos sistemas mais antigos, e passaram a dominar aquele ramo.

Não foi só a eficiência energética que se impôs, mas sua flexibilidade, a alta sensibilidade e a alta docilidade ao comando mesmo nos sistemas mais potentes, a ausência ou a simplicidade de acessórios e sistemas de apoio, a quase ausência de manutenção são apenas algumas caraterísticas vencedoras entre tantas outras que este sistema oferece.

O automóvel, enquanto peça de engenharia, não é diferente das outras aplicações, e sistemas de tração elétrica são capazes de levá-lo a novos patamares de estabilidade e desempenho.

Em outras áreas, bastou o sistema evoluir e sobressair pelas suas vantagens para começar a imperar.

No automóvel, enquanto elemento fornecedor de energia mecânica para as rodas, o motor elétrico é um rival sem precedentes para o motor a combustão.

Embora o motor a combustão tenha vencido a disputa no começo da história do automóvel, hoje ele se vê encurralado entre o desejo dos consumidores, as normas de emissões de poluentes e o custo de fabricação. Enquanto isso, o motor elétrico evoluiu muito em outras áreas e encontrou um parceiro ideal nos computadores. Agora está retornando ao campo de batalha completamente renovado.

É muito comum haver opiniões contrárias à tração elétrica, e as críticas quase sempre apontam para os mesmos elementos: as baterias.

Entretanto, por mais que estas críticas estejam corretas sobre elas, acabam falhando por generalizarem e condenarem o sistema como um todos, sem considerarem que as baterias não são tão vitais ao sistema.

Locomotivas Diesel-elétricas acionam seus motores elétricos de tração diretamente pelo grupo gerador e não usam baterias, e nem por isso deixam de ser convenientes. O mesmo ocorre com navios e os grandes caminhões de mineração.

Um automóvel pode funcionar no mesmo esquema das locomotivas diesel-elétricas e usufruir de todas as vantagens da tração elétrica mesmo sem a instalação de um grande conjunto de baterias.

Este mesmo esquema pode trazer de volta as turbinas a gás, muito mais eficientes que as máquinas térmicas a pistão. Testadas no Chrysler Turbine, não se adaptaram às necessidades de ampla variação de rotações e cargas dos automóveis e foram abandonadas.

Porém, acionando um gerador elétrico, sua alta eficiência em condições favoráveis de rotação e potência cria interesse em sua aplicação num automóvel.

A entrada da tração elétrica nos automóveis será lenta e gradual, porém, se repetir o feito em outras aplicações, será um caminho sem volta.

Quem associa esta tendência de carros elétricos e híbridos a modismos e brinquedos, é bom se preparar. O motor elétrico é como um gato que tem uma pata muito macia, mas deixa bem ocultas as garras afiadas.

AAD

Obs: Para quem quer ter uma noção do que é uma tração e frenagem feitas por um motor elétrico, tente andar num elevador de alto padrão bem ajustado. É possível transitar por vários andares sem sequer perceber que a cabine se moveu. Estes elevadores de alto padrão, para manter esta sensação, só acionam o freio mecânico de estacionamento após 3 segundos da cabine nivelada no andar, garantindo que os passageiros não tenham qualquer sensação adversa. Todo movimento, da partida em um andar até a parada total em outro, é totalmente feito através do motor elétrico de tração.

O elevador de hoje será o carro de tração elétrica de amanhã.