volante de inercia flywheel

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Veículos "Eléctricos Puros"

Como se pode depreender, estes veículos são integralmente eléctricos e a sua fonte de energia são as "Flywheel’s". São veículos que não provocam poluição atmosférica e que simplificam, em muito, a mecânica dos mesmos. Pode-se, por exemplo, aplicar motores eléctricos a cada uma das rodas (isto porque os motores eléctricos são de mais fácil construção, muito mais pequenos e baratos) aumentando assim o rendimento porque as perdas de transmissão diminuem.

Perspectivas de Futuro

Os veículos puros são os veículos com perspectivas mais agradáveis e nos quais muitas empresas investem milhões de dólares. No entanto, há ainda algum caminho a percorrer devido a dificuldades, já por nós atrás citadas. A aplicação de "Flywheel" leva a que sejam tomadas em conta medidas de segurança, pois estão em jogo vidas e bens.

Medidas de Segurança

As "Flywheel’s", também chamadas de baterias electromecânicas, recebem energia eléctrica de um motor/gerador, armazenamna como energia cinética (mecânica) num disco (roda) rotativo, e "devolvem-na" ao motor/gerador sempre que precisa como energia eléctrica. As "Flywheel’s" têm níveis de energia eléctrica e mecânica muito elevados e, por isso, têm que se ter em conta questões de segurança relativamente às mesmas no seu projecto. Contudo, questões de ambiente não se põem, uma vez que as "Flywheel’s" não emitem radiações ou resíduos que afectem o meio ambiente. Nesse aspecto são benignas.

Medidas de Segurança Mecânica

A energia que se liberta aquando de uma falha (mecânica) de uma "Flywheel" é enorme. A energia no rotor duma "Flywheel" de 1 kWh é capaz de levantar um veículo de tamanho médio a mais de 30 metros de altura. È por isso que se deverá ter um cuidado especial no desenvolvimento e construção do "contentor" da "Flywheel". Em termos mecânicos, temos que ter em atenção os seguintes aspectos:

Ejecção de fragmentos do rotor quando o contentor quebra durante o seu funcionamento ou acidente com o veículo que a transporta;

O efeito giroscópico da "Flywheel" pode fazer com que o veículo capote numa manobra de viragem;

O mau estado dos pisos afecta o bom funcionamento das "Flywheel’s".

Medidas de Segurança Eléctrica

Devido a necessidades de grandes potências para "Flywheel’s" em veículos automóveis (20 - 40 kW), a tensão necessária é usualmente alta (300 - 500 volts). Devido a estes valores corre-se o risco de existirem choques eléctricos que podem causar graves danos a quem directa ou indirectamente trabalhar com elas se estas forem mal desenvolvidas.

Vamos então abordar as medidas de segurança que se deve ter em conta para o desenvolvimento de uma "Flywheel" a aplicar num veículo.

Em Termos Mecânicos

Contenção do Rotor. O rotor deve ser "contido" durante o funcionamento e durante um acidente. Para evitar situações com eventuais falhas do rotor em altas rotações este deve ser contido num "contentor" que não deve estar separado da sua estrutura de montagem. Dependendo do tipo de material utilizado na feitura da "roda" (aço ou fibras à base de carbono) assim a composição do contentor varia. "Flywheel’s" de rotores compostos serão as que, em princípio, irão ser utilizadas na indústria automóvel porque a sua densidade de energia é superior à densidade de energia dos rotores de aço. Devido a esse facto, os contentores irão também ser construídos à base de materiais compostos, e que trás também a vantagem de diminuir o peso destes.

O momento angular total dum disco em rotação não é alterado quando se desintegra (rebenta). Este momento é transferido para a estrutura do contentor pelo impacto dos fragmentos. O impulso angular pode rachar o material que constitui o contentor causando a abertura e permitindo, assim, a ejecção dos fragmentos do rotor a grandes velocidades. Como estratégia, pode-se utilizar um contentor interno (para suporte da desintegração) que não está ligado ao contentor principal, mas que é livre de rodar a um impulso angular provocado pelos fragmentos desintegrados.

Em suma, a desintegração do rotor pode causar graves danos e um mau projecto pode provocar desastres catastróficos. Por isso, devem ser feitos bastantes testes e simulações de funcionamento de "Flywheel’s" a grandes velocidades e a variados ângulos de inclinação, testando assim a resistência do material do contentor à abertura de fendas.

Efeito Giroscópico. Este é outro aspecto a ter em conta na segurança das "Flywheel’s". A magnitude do momento giroscópico é proporcional ao produto do momento angular da "Flywheel" e da taxa de rotação do eixo. O "centro" da "Flywheel", "raios" (se existirem), e chumaceiras devem estar de tal forma posicionados de forma a resistirem ao momento giroscópico associadas às manobras do veículo. O contentor deverá ser suficientemente firme para minimizar a deflexão do rotor, e suficientemente forte

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para providenciar a quebra do rotor por fadiga deste. O eixo de rotação da "Flywheel" deve ser orientado numa direcção transversal e a direcção de rotação deve ser escolhida de modo a anular os momentos giroscópicos, que podem provocar a instabilidade do veículo.

Absorção de Choques Mecânicos. Como é evidente, nem todos os caminhos são auto-estradas. Alguns são verdadeiros caminhos de "cabras", pelo que é necessário prever este aspecto e providenciar amortecedores (de choques) para absorção de cargas dinâmicas dos caminhos referidos.

Pelo atrás exposto, a maior preocupação dos construtores é o contentor da "Flywheel". Em Termos Eléctricos:

eléctricos (choques, curto-circuito, etc).

Quanto a este aspecto, deve ser implementada uma boa massa eléctrica da "Flywheel"; os bornes de alta tensão não devem ser acedidos com facilidade pelas pessoas; devem ser implementados sistemas de protecção eléctrica contra eventuais acidentes Circuitos de Electrónica Adicional Variação dos Valores de Tensão à Saída da "Flywheel"

Devido à elevada potência requerida pelas "Flywheel’s", nomeadamente em aplicações automotivas (20-40 Kw), a tensão necessitada é usualmente elevada (300-500 Volts).

Consequentemente, esta alta tensão pode ser uma "arma perigosa" e pode causar choques eléctricos a condutores, passageiros, serviços pessoais e equipamento de emergência se o sistema for mal projectado e/ou mal desenvolvido.

Para resolver tal problema, utilizam-se normalmente filtros de acoplamento contínuo, que não são mais do que filtros activos similares a tantos outros.

A sua diferença fundamental reside na sua topologia, a qual emprega apenas 50% dos componentes utilizados nos filtros convencionais.

Avaliação de um filtro de acoplamento contínuo em sistemas de tracção AC

Particularmente, vamo-nos referir a este filtro (embora sumariamente) quando é utilizado um sistema "Flywheel" em máquinas de tracção AC.

Ele não é mais do que um "Buffer" entre a alimentação à entrada do sistema, que é muito instável, devido a uma alimentação monofásica, e a tensão constante à sua saída. Com alguma facilidade, ele pode funcionar como filtro de corrente em altas frequências transmitidas no acoplamento contínuo devido aos harmónicos existentes nas linhas de tensão.

Juntamente com as suas vantagens, podemos mencionar a possibilidade de se utilizar o mesmo tipo de filtro para diferentes frequências nas linhas. Surgem ainda problemas devido a ressonâncias entre os diferentes constituintes do acoplamento contínuo que podem ser também reduzidos por este tipo de filtro.

Para melhorar o seu funcionamento foi introduzida ainda uma nova aproximação no controlo do filtro controlando a sua corrente de indução (que é um "sinal" muito instável) através de um controlador de tolerância de bandas. Assim, consegue-se obter um sistema linear e, obviamente, com melhores características. Desta forma, a frequência de comutação é reduzida cerca de 30 %, quando comparada com o controlo de um simples filtro indutor de corrente.

Os estudos em como escolher os parâmetros para os sistemas; as relações entre a tensão máxima de ripple no acoplamento contínuo; a indutância do filtro; a banda de tolerância e a corrente maxima induzida pelo filtro foram efectuados através de simulações por computador.

O grande "contra" da utilização deste filtro reside na elevada corrente que causa grandes perdas.

Outro problema causado com o nível de corrente é encontar mecanismos que façam uma boa utilização desta à frequência de comutação escolhida.

Algumas Curiosidades:

A "Flywheel" em veículos eléctricos híbridos (HEV) A equação que "rege" o armazenamento de energia num sistema com "flywheel" é

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onde I (Kg.m2) é o momento de inércia do sistema e w (rad/s) a velocidade angular da "flywheel".

A energia típica armazenada pelas "Flywheel", e utilizada em aplicações automotivas, varia entre os 0,5 kWh e os 2,0 kWh.

Esta quantidade de energia armazenada é relativamente pequena quando comparada com aquela que é armazenada por outros dispositivos como as baterias. No entanto, a energia de um sistema utilizando "Flywheel" pode ser libertada num período de tempo relativamente pequeno.

A energia dissipada por um sistema com "Flywheel" pode ser calculada segundo a equação: Potência (w) = (Energia Armazenada (Joules)) / (Tempo de Dissipação da Energia (s))

A Tabela 1 mostra a potência libertada quando a energia armazenada numa "flywheel" de 1,0 kWh é dissipada ao longo de diferentes períodos de tempo.

Tabela 1

Mesmo que o sistema pare em 5 segundos, a quantidade de Potência gerada, 720kW, pode causar estragos elevados na caixa que envolve a "flywheel" e o próprio veículo, antes que seja dissipada.

A energia cinética de um veículo é determinada por:

Ec=0,5.m.v2 onde m é a massa (Kg) do veículo e v (m/s) a sua velocidade.

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