Compressores de Velocidade Variavel

Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica

UFMG Universidade Federal de Minas Gerais

lvaro Flvio Santos de vila

Monitoramento e Controle de Cmaras de

Refrigerao via Velocidade Varivel do

Compressor

Belo Horizonte 2011

Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica


Monitoramento e Controle de Cmaras de

Refrigerao via Velocidade Varivel do

Compressor

lvaro Flvio Santos de vila

Dissertao submetida Banca Examinadora

designada pelo Colegiado do Programa de

Ps-Graduao em Engenharia Eltrica da

Universidade Federal de Minas Gerais, como

parte dos requisitos necessrios obteno do

grau de Mestre em Engenharia Eltrica.

Orientador: Fbio Gonalves Jota, Ph.D.- DELT/UFMG

Belo Horizonte

2011

Folha de Aprovao a Ser Anexada.

AGRADECIMENTOS

Agradeo a Deus pela oportunidade de fazer um curso de ps-graduao, por me fornecer

foras para superar os obstculos da vida e por me abenoar incondicionalmente.

Agradeo de forma especial ao meu orientador, Professor Dr. Fbio Gonalves Jota, pelos

ensinamentos, pela dedicao, pela ateno e por me incentivar a desenvolver um trabalho

com dedicao e esforos.

Agradeo Professora Dra. Patrcia Jota do Centro de Pesquisas em Energia Inteligente

(CPEI) do CEFET-MG pela disponibilizao da cmara de refrigerao e outros recursos para

realizao dos ensaios experimentais.

Com grande carinho, agradeo a minha me, Irades de vila, que sempre apoiou minhas

decises e me deu foras para atingir os meus objetivos.

Agradeo tambm aos meus irmos, Alan, Arsio, Alessandro, Ariadna e Alysson pela fora,

apoio e incentivos. Agradeo tambm a minha namorada, Dayane Alves, pela compreenso de

minhas limitaes, pela pacincia e pelo encorajamento.

Gostaria de agradecer tambm Coordenao de Aperfeioamento de Pessoal de Nvel

Superior (CAPES) pelo meu suporte financeiro, a FINEP (CT-ENERG) e a CEMIG pelo

suporte financeiro ao projeto CMUF-R.

Agradeo a todos os colegas do LCPI, em especial Ana Paula, Rodrigo Abreu, Hudson e

Guilherme, pela ajuda, pelo companheirismo e pelo compartilhamento de experincias.

Agradeo aos colegas do PPGEE, aos colegas do CPEI, aos colegas de repblica, aos amigos,

resumindo, agradeo a todos aqueles que, de alguma forma, contriburam para que este

trabalho fosse realizado.

Uma vez que voc prove o voo,

nunca mais caminhar sobre a terra

sem olhar para os cus, pois voc j

esteve l, e para l sua alma deseja

voltar.

Leonardo da Vinci

RESUMO

O sistema de controle liga-desliga convencional comumente empregado em cmaras de

refrigerao, apresenta baixo desempenho e elevado consumo energtico. Este trabalho

apresenta um esquema de controle de temperatura para cmaras de refrigerao baseado na

velocidade varivel do compressor. Para tanto, foi desenvolvida uma plataforma de

experimentos constituda basicamente por trs partes: um sistema de monitoramento e

controle contnuos (CMUF), uma cmara de refrigerao e um inversor de frequncias

capaz de alterar precisamente a velocidade do compressor. No trabalho, so descritas as

funcionalidades de cada parte integrante dessa plataforma de ensaios.

O controle elaborado incorpora informaes sobre a dinmica do sistema e variveis mais

influentes no processo e opera o compressor a uma velocidade que resulta em maior eficincia

e melhor estabilizao da temperatura no valor de referncia desejada. Para isso o controlador

pode operar de trs modos distintos: Contnuo, Hbrido e Liga-Desliga Eficiente.

Para caracterizar a dinmica do sistema com modelos matemticos foram realizados

ensaios de resposta ao degrau para duas diferentes condies de carregamento trmico, sendo

devidamente validado cada modelo obtido.

A capacidade e o potencial da estratgia elaborada so demonstrados e avaliados

aplicando-se um controlador PI, devidamente projetado, para duas sintonias distintas que

foram obtidas com o conhecido mtodo da Sntese Direta.

Para finalizar, so apresentados os resultados experimentais com o controle convencional

e com o controle elaborado. So apresentadas comparaes e anlises entre controladores e

entre as sintonias realizadas. Resultados obtidos indicam vantagens como a melhor

estabilizao da temperatura e aumento da eficincia operacional da cmara.

ABSTRACT

The conventional on-off control system, commonly used in refrigeration chambers,

presents a low performance and a high energy consumption. This work presents a control

scheme of temperature for refrigeration chambers based on the variable speed of the

compressor. For this purpose an experimental platform has been developed. It consists

basically of three parts: a continuous monitoring and control system (CMUF), a

refrigeration chamber and a variable-frequency drive capable of accurately changing the

speed of the compressor. This work describes the features of each part of this experiment

platform.

The control developed incorporates information about the dynamics of the system and

most influential variables in the process and operates the compressor at a speed that results in

greater efficiency and better temperature stabilization in the desired reference value. To

accomplish this, the controller can operate on three modes: Continuous, Hybrid and Efficient

On-Off.

In order to characterize the dynamics of the system with mathematical models, step

response tests were performed for two different loading thermal conditions, and each obtained

model was properly validated.

The capacity and potential of the developed strategy are demonstrated and evaluated by

applying a PI controller, suitably designed for two different tunings that have been obtained

with the known method of direct synthesis.

Finally, the experimental results with both the conventional and the elaborate control are

presented. Also presented are the analysis and comparisons between controllers and tunings.

The results indicate advantages such as better temperature stabilization and operational

efficiency improvement of the chamber.

SUMRIO

1. INTRODUO .......................................................................................................... 15

1.1 Motivao e Objetivos ................................................................................................ 16

1.2 Viso Geral do Trabalho............................................................................................. 17

1.3 Controle de Temperatura de Sistemas de Refrigerao ............................................... 19

1.4 Consideraes Sobre Sistemas Distribudos ................................................................ 22

1.5 A Rede CAN (Control Area Network) ........................................................................ 24

1.6 Organizao do Trabalho ............................................................................................ 24

2. DESCRIO DA BANCADA EXPERIMENTAL E DO PROCESSO .................. 26

2.1 Consideraes Iniciais ................................................................................................ 26

2.2 A Plataforma CMUF ............................................................................................... 27

2.3 A Unidade de Atuao................................................................................................ 29

2.3.1 Variao de velocidade de motores de induo .................................................... 30

2.3.2 O projeto da unidade de atuao .......................................................................... 31

2.3.3 Simulao do funcionamento do inversor monofsico .......................................... 38

2.3.4 Resultados experimentais com a unidade de atuao ............................................ 42

2.4 A Aquisio dos Dados e as Variveis do Processo .................................................... 43

2.4.1 A aquisio dos dados ......................................................................................... 43

2.4.2 As variveis de processo e a instrumentao ........................................................ 44

2.5 Particularidades do Prottipo de Ensaios .................................................................... 46

3. MODELAGEM DO SISTEMA DE REFRIGERAO .......................................... 49


3.2 Modelagem e Validao para Projeto de Controladores .............................................. 49

3.2.1 Modelo para resfriamento com carga elevada ...................................................... 52

3.2.2 Validao da resposta ao degrau para o modelo de carga elevada ......................... 56

3.2.3 Modelo para resfriamento com carga trmica baixa ............................................. 57

3.2.4 Validao da resposta ao degrau para o modelo com carga trmica baixa ............. 58

3.2.5 Modelo para aquecimento com baixa carga trmica ............................................. 60

3.2.6 Validao da resposta ao degrau para o modelo de aquecimento com baixa carga 62

3.3 Consideraes Sobre Ensaios e Modelos Obtidos ....................................................... 63

3.3.1 Aproximao por modelos de primeira ordem ...................................................... 64

3.5 Comentrios Finais ..................................................................................................... 66

4. PROJETO DE CONTROLADORES ........................................................................ 67


4.2 O Controle Proposto ................................................................................................... 67

4.2.1 Estratgia para operao com maior rendimento do motor ................................... 71

4.3 Definio do Controlador ........................................................................................... 74

4.4 Projeto e Sintonia do Controlador ............................................................................... 75

4.4.1 Consideraes e requisitos de sintonia ................................................................. 75

4.4.2 Sintonia A ........................................................................................................... 77

4.4.3 Sintonia B ............................................................................................................ 80

4.5 Implementao do Controlador Digital ....................................................................... 83

4.6 Comentrios Finais ..................................................................................................... 85

5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS ......................................................................... 86


5.2 O Controlador Liga-Desliga Convencional ................................................................. 86

5.2.1 Operao com referncia em -31C (Mximo frio) .............................................. 87

5.2.2 Operao com referncia em -21C (Mnimo frio) ............................................... 89

5.2.3 Operao com referncia em -26,5C (Valor intermedirio) ................................. 90

5.3 Operao do Sistema em Malha Aberta ...................................................................... 92

5.4 O Controle Hbrido..................................................................................................... 93

5.4.1 Resultados experimentais para sintonia A ............................................................ 93

5.4.2 Resultados experimentais para sintonia B .......................................................... 101

5.5 Avaliaes dos Controladores................................................................................... 109

5.5.1 Estabilizao da temperatura interna .................................................................. 109

5.5.2 Consumo de energia .......................................................................................... 111

5.5.3 Anlise de desempenho ..................................................................................... 112

5.5.4 Consideraes sobre os resultados obtidos ......................................................... 116

5.6 Comentrios Finais ................................................................................................... 117

6. CONCLUSES E TRABALHOS FUTUROS ........................................................ 118

6.1 Concluses ............................................................................................................... 118

6.2 Trabalhos Futuros ..................................................................................................... 120

Referncias Bibliogrficas ............................................................................................... 122

Apndice A - Fotos da Plataforma de Testes .................................................................. 126

Apndice B - Estimativa do Tempo de Retorno do Investimento .................................. 128

Apndice C - Circuitos Eltricos Desenvolvidos ............................................................. 129

Apndice D - Cmaras de Refrigerao .......................................................................... 131

LISTA DE ILUSTRAES

Figura 1.1 - Consumo percentual de energia por setor no Brasil. .......................................... 16

Figura 1.2 - Percentual de consumo de energia no setor residencial. ..................................... 17

Figura 1.3 - Arquitetura de um sistema distribudo. .............................................................. 23

Figura 2.1- Plataforma de medies. .................................................................................... 26

Figura 2.2 - Arquitetura da plataforma CMUF. .................................................................. 27

Figura 2.3 - Compressor alternativo hermtico ..................................................................... 29

Figura 2.4 - Topologia do conversor projetado. .................................................................... 32

Figura 2.5 - Fluxograma de gerao dos sinais PWM com padro memorizado. ................... 37

Figura 2.6 - Fluxograma de rotinas da unidade de atuao. ................................................... 38

Figura 2.7 - Diagrama de blocos de simulao do inversor monofsico, no Simulink. ....... 39

Figura 2.8 - Alterao da frequncia de alimentao e velocidade do motor. ........................ 41

Figura 2.9 - Simulao de funcionamento do inversor em 45 Hz. ......................................... 41

Figura 2.10 - Forma de onda da tenso aplicada ao conjunto de cargas resistivas.................. 42

Figura 2.11 - Forma de onda da tenso aplicada ao motor-compressor. ................................ 42

Figura 2.12 - Interface de comunicao serial. ...................................................................... 44

Figura 2.13 - Diagrama eltrico de um freezer. ..................................................................... 48

Figura 3.1 - Resposta ao degrau do sistema de refrigerao. ................................................. 53

Figura 3.2 - Forma usada para obter a constante 1. .............................................................. 54

Figura 3.3 - Forma usada para obter a constante 2. .............................................................. 55

Figura 3.4 - Resposta do modelo com elevado carregamento e resposta do sistema real........ 56

Figura 3.5 - Validao do modelo com carga elevada. .......................................................... 57

Figura 3.6 - Resposta do sistema real e do modelo para condio de baixo carregamento

trmico. ........................................................................................................................ 58

Figura 3.7 - Validao do modelo para condio de baixo carregamento trmico. ................ 59

Figura 3.8 - Identificao do modelo de aquecimento. .......................................................... 61

Figura 3.9 - Forma usada para obter a constante . ............................................................... 61

Figura 3.10 - Resposta do sistema real e do modelo de aquecimento. ................................... 62

Figura 3.11 - Validao do modelo de aquecimento com elevado carregamento trmico. ..... 63

Figura 3.12 - Aproximao do modelo de 2 para 1 ordem (baixo carregamento trmico). ... 65

Figura 3.13 - Aproximao do modelo de 2 para 1 ordem (elevado carregamento trmico). 65

Figura 4.1 - Diagrama de blocos do sistema de controle realimentado. ................................. 68

Figura 4.2 - Hardwares integrantes do sistema de controle. .................................................. 68

Figura 4.3 - Diagrama de blocos da estratgia utilizada para controle contnuo..................... 69

Figura 4.4 - Fluxograma de estimao de um ponto de maior rendimento do motor. ............. 73

Figura 4.5 - Diagrama de blocos do sistema de controle realimentado. ................................. 75

Figura 4.6 - Simulao do controlador PI com sintonias obtidas (A). .................................... 80

Figura 4.7- Simulao do controlador PI com sintonias obtidas (B). ..................................... 82

Figura 5.1 - Controle liga-desliga convencional com termostato na posio mximo frio. .... 88

Figura 5.2 - Controle liga-desliga convencional com termostato na posio mnimo frio. ..... 89

Figura 5.3 - Influncia da temperatura externa no controle liga-desliga com termostato em

mnimo frio. ................................................................................................................. 90

Figura 5.4 - Controle liga-desliga convencional com termostato na posio intermediria

(centro da faixa). .......................................................................................................... 91

Figura 5.5 - Resposta do sistema para diferentes frequncias de alimentao do motor. ........ 93

Figura 5.6 - Operao com Controle Hbrido e sintonia A para referncia fixa em -31C. .... 94

Figura 5.7 - Variveis do processo com controle PI para sintonia A e referncia em -31C. .. 95

Figura 5.8 - Ensaio de rejeio a perturbao com sintonia A. .............................................. 96

Figura 5.9 - Variveis do processo com controle PI e sintonia A para ensaio de rejeio

perturbao................................................................................................................... 97

Figura 5.10 - Operao com Controle Hbrido e sintonia A para referncia fixa em -21C.... 98

Figura 5.11 - Variveis do processo com controle PI para sintonia A e referncia em -21C. 98

Figura 5.12 - Operao com Controle Hbrido e sintonia A para referncia fixa em -26,5C. 99

Figura 5.13 - Variveis do processo com controle PI para sintonia A e referncia em -26,5C.

................................................................................................................................... 100

Figura 5.14 - Operao com referncia varivel para sintonia A. ........................................ 101

Figura 5.15 - Operao com Controle Hbrido e sintonia B para referncia fixa em -31C. . 102

Figura 5.16 - Variveis do processo com controle PI para sintonia B e referncia em -31C.

................................................................................................................................... 103

Figura 5.17 - Ensaio de rejeio a perturbao com sintonia B. .......................................... 104


................................................................................................................................... 104

Figura 5.19 - Operao com Controle Hbrido e sintonia B para referncia fixa em -21C. . 105


................................................................................................................................... 106

Figura 5.21 - Operao com Controle Hbrido e sintonia B para referncia fixa em -26,5C.

................................................................................................................................... 107

Figura 5.22 - Variveis do processo com controle PI para sintonia B e referncia em -26,5C.

................................................................................................................................... 108

Figura 5.23 - Operao com referncia varivel para sintonia B. ........................................ 108

Figura 5.24 - Comparao de estabilizao da temperatura entre controladores para referncia

-31C. ........................................................................................................................ 109


-26,5C....................................................................................................................... 110


-21C. ........................................................................................................................ 111

Figura 5.27 - Potncia mdia consumida pelos controladores. ............................................ 112

Figura 5.28 - Avaliao do desempenho do controle convencional. .................................... 114

Figura 5.29 - Avaliao do desempenho do controle Hbrido com sintonia A. .................... 114

Figura 5.30 - Avaliao do desempenho do Controle Hbrido com sintonia B. ................... 115

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 - Parmetros adotados no clculo do barramento DC........................................... 33

Tabela 2.2 - Lgica de chaveamento dos IGBTS do conversor. ........................................... 34

Tabela 4.1 - Influncia da variao da tenso no comportamento do motor (Operao do

motor com tenso abaixo da nominal). ......................................................................... 71

Tabela 4.2 - Sintonias do controlador PI (A). ....................................................................... 80

Tabela 4.3 - Sintonias do controlador PI (B). ........................................................................ 83

Tabela 4.4 - Algoritmo do controlador PI digital. ................................................................. 84

Tabela 4.5 - Resumo das sintonias do PI. ............................................................................. 85

Tabela 5.1 - Organizao dos resultados experimentais. ....................................................... 87

Tabela 5.2 - Avaliao de desempenho dos controladores para SP=-26,5C. ...................... 115

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

C(kT) Temperatura Medida no K-simo Instante de Amostragem

CAN Controller Area Network

CAN-PIC Estao Microcontrolada da Plataforma CMUF

CEFET-MG Centro Federal de Educao Tecnolgica de Minas Gerais

CEMIG Companhia Energtica de Minas Gerais

CMUF Centro de Monitoramento de Usos Finais

CPEI Centro de Pesquisas em Energia Inteligente

E(kT) Erro no K-simo Instante de Amostragem

G(s) Funo de Transferncia do Modelo da Planta

Gc(s) Funo de Transferncia do Controlador

Gmf(s) Funo de Transferncia Desejada em Malha Fechada

IGBT Isolated Gate Bipolar Transistor

K Ganho Proporcional do Modelo da Planta

Kc Ganho Proporcional do Controlador Proporcional e Integral

LCPI Laboratrio de Controle de Processos Industriais

M(kT) Sinal de Controle no k-simo Instante de Amostragem

MARS Mdulo de Aquisio e Retificao de Sinais

NCS Network Control Systems

PI Proporcional e Integral

R(kT) Referncia no k-simo Instante de Amostragem

RC Resposta Complementar

RMS Root Mean Square

SPWM Sinusoidal Pulse Width Modulation

T Perodo de Amostragem

Ti Tempo Integral do Controlador Proporcional e Integral


Constante de Tempo do Modelo da Planta

mf

Constante de Tempo Desejada em Malha Fechada

Tempo Morto

15

CAPTULO 1

1. INTRODUO

Os sistemas de refrigerao so amplamente utilizados nos setores residencial, comercial e

industrial onde assumem o importante papel de condicionar compartimentos para conservao

de produtos (cmaras frias, freezers, geladeiras) ou para conforto trmico (sistemas de ar

condicionado).

Atualmente, a grande maioria dos sistemas de refrigerao opera com um sistema de

controle liga-desliga comandado por termostato (PROCEL, 2007) que, apesar de ser

amplamente empregado e ter um custo relativamente baixo, no muito eficiente, j que

produz variaes relativamente grandes na temperatura controlada (temperatura interna) e

apresenta elevado consumo energtico. Alm de no permitir a escolha efetiva da temperatura

interna desejada em alguns casos (por exemplo, em geladeiras), no controle liga-desliga

convencional, o compressor do sistema de refrigerao funciona velocidade fixa

independente da condio externa ou de carregamento trmico, que exatamente o que

conduz a um elevado consumo de energia.

Em mdia, no Brasil, existe um refrigerador por residncia, sendo que 97,3% so de uso

permanente (PROCEL, 2007). Estes dados indicam que existe uma grande quantidade de

equipamentos de refrigerao em uso operando com o sistema de controle convencional.

Desta forma, sob a tica da eficincia energtica, torna-se imprescindvel a adoo de um

sistema de controle para cmaras de refrigerao que proporcione reduo de desperdcios e

melhor controle da temperatura.

A aplicao de tcnicas de controle de processos industriais uma alternativa potencial

para reduo ou at mesmo eliminao de deficincias presentes no atual sistema de controle

convencional. Estas tcnicas conduzem ao aumento da eficincia operacional e da qualidade

do condicionamento dos produtos. Vale ressaltar que o aperfeioamento e a reduo de custos

de equipamentos e componentes eletrnicos de forma geral viabilizam a aplicao de tcnicas

de controle aos sistemas de refrigerao de pequeno porte.

Portanto, o sistema de controle liga-desliga convencional mostra-se ineficiente, e isto

representa uma abertura para o emprego de outras tcnicas ou estratgias viveis que

poderiam melhorar o desempenho dos sistemas de refrigerao de pequeno porte.

16

1.1 Motivao e Objetivos

A motivao para o desenvolvimento de um sistema de controle de temperatura de

cmaras de refrigerao nasceu da constatao de que, com o emprego de tcnicas

elementares de controle associadas a uma instrumentao eletrnica simples seria possvel

atender necessidade de manter produtos dentro de limites de temperatura confiveis para o

no comprometimento da qualidade dos mesmos (em particular, na armazenagem de sangue e

seus derivados em hemocentros (Jota et al., 2011)) e com reduo do consumo de energia.

Alm disso, tem-se a possibilidade de aprimorar o processo de refrigerao de cmaras de

pequeno porte por meio do aumento de sua eficincia com melhorias na estabilizao na

temperatura interna, quando comparados s tcnicas atualmente empregadas.

Os sistemas de refrigerao de pequeno porte assumem uma parcela significativa do

consumo de energia nos diversos setores. Segundo o Balano de Energia Nacional (EPE,

2010) o consumo final no setor residencial representa 23,9% do total, enquanto o setor

industrial responsvel por 43,7% do total. A Figura 1.1 apresenta a participao percentual

dos setores no total de energia consumido no Brasil.

Figura 1.1 - Consumo percentual de energia por setor no Brasil.

Fonte: (EPE, 2010).

Os sistemas de refrigerao representam uma grande parcela no consumo de energia do

Brasil, conforme mostra Figura 1.2, que apresenta a participao percentual dos

eletrodomsticos no total do consumo de energia para o setor residencial. Em particular, no

setor residencial, os condicionadores de ar representam 20% do consumo mdio enquanto as

geladeiras e freezers domsticos consomem o equivalente a 27% do consumo mdio de

energia (PROCEL, 2007). Observa-se na Figura 1.2 que as cmaras de refrigerao

17

juntamente o chuveiro eltrico so os equipamentos domsticos que mais consomem energia

no setor residencial.

Figura 1.2 - Percentual de consumo de energia no setor residencial.

Fonte: (PROCEL, 2007).

fundamental ressaltar a importncia do condicionamento adequado e da estabilizao da

temperatura interna em cmaras de refrigerao, pois determinados produtos necessitam de

condies adequadas para no perderem sua qualidade, como, por exemplo, no setor

residencial, podem ser citados os produtos alimentcios. No setor comercial, a exigncia do

condicionamento ainda maior, pois produtos danificados podem levar a prejuzos

irreparveis, como, por exemplo, alguns tipos de remdios, vacinas, sangue e seus derivados

(nos hemocentros), entre outros.

Sendo assim, sistemas para monitoramento contnuo podem assegurar a qualidade do

condicionamento para estes tipos de produtos e consequentemente evitar a prejuzos ou

situaes de riscos geradas por produtos comprometidos.

Diante da importncia dos sistemas de refrigerao de pequeno porte e da ineficincia do

sistema de controle convencional, objetivou-se com este trabalho o desenvolvimento de um

sistema de controle de temperatura de cmaras de refrigerao visando melhorias na

estabilizao da temperatura interna e o aumento da eficincia operacional em relao ao atual

sistema de controle convencional utilizado.

1.2 Viso Geral do Trabalho

A presente dissertao faz parte de um projeto denominado CMUF (Centro de

Monitoramento de Usos Finais, marca registrada da UFMG), que nasceu de uma parceria

18

entre a Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), a Companhia Energtica de Minas

Gerais (CEMIG) e o Centro Federal de Educao Tecnolgica de Minas Gerais (CEFET-

MG). O projeto CMUF surgiu da necessidade da Companhia Energtica do Estado de

Minas Gerais (CEMIG) de um sistema de baixo custo para monitoramento e controle de

cargas eltricas (Batista, 2006). O sistema de monitoramento proposto, projetado e

desenvolvido especialmente para atender aos requisitos do projeto CMUF, consiste de um

conjunto do que se poderia chamar de nano-computadores, de baixssimo custo e

baixssimo consumo de energia, com capacidade de realizao de funes de converso

analgico-digital e comunicao por meio de uma rede de prpria (Jota et al., 2006).

O CMUF uma ferramenta de baixo custo, para suporte ao gerenciamento de energia,

que visa suprir as dificuldades de um acompanhamento contnuo e setorizado do desempenho

energtico e termo-luminoso das edificaes (Batista, 2006).

Ao longo do desenvolvimento e implantao da plataforma CMUF diversos trabalhos,

desde trabalhos de fim de curso tese de doutorado, foram realizados (Batista, 2006; Jota et

al., 2011; Jota et al., 2006; vila e Jota, 2011, Martins, 2009; Martins e Jota, 2009)

demostrando resultados benficos para a tecnologia desenvolvida.

De forma resumida, o CMUF possibilita o monitoramento de grandezas eltricas como

Tenso, Corrente, Fator de Potncia e variveis ambientais (Temperatura, umidade, claridade)

e possibilita tambm o controle de sistemas. Os dados do monitoramento podem ser acessados

em tempo real, j que todas as medidas ficam disponveis em um Banco de Dados, acessvel

de qualquer parte do mundo, via Internet. Maiores detalhes sobre a plataforma CMUF so

apresentados no Captulo 2, onde so descritas as caractersticas tcnicas deste sistema.

Atualmente, o projeto CMUF encontra-se instalado e totalmente operacional no edifcio

do DER em Belo Horizonte - MG, no Hemoninas em Belo Horizonte MG (Hemocentro-

BH), no edifcio-sede da CEMIG em Belo Horizonte - MG, no estdio de futebol Joaquim

Henrique Nogueira (Arena do Jacar) em Sete Lagoas - MG, na UFMG (no Instituto de

Cincias Biolgicas - ICB e no LCPI), no CEFET-MG (CPEI), entre outros locais.

Em continuidade ao projeto CMUF, em 2010, foi iniciado pela equipe da UFMG e do

CEFET-MG o projeto de pesquisa e desenvolvimento intitulado Desenvolvimento de

Sistema de Monitoramento e Controle Contnuos a Baixo Custo de Unidades de Refrigerao

Industriais financiado pelo CEMIG/ANEEL, P&D-263.

Dentro do projeto P&D-263, este trabalho refere-se, especificamente, ao controle e

monitoramento contnuo de temperatura de cmaras de refrigerao, sendo um tema bastante

19

abrangente que rene assuntos relacionados engenharia de controle, sistemas de

refrigerao, eletrnica de potncia, acionamentos eltricos, eficincia energtica,

instrumentao, redes e sistemas distribudos. Todos estes assuntos so abordados ao longo

desta dissertao e cada assunto tem sua contribuio para que o trabalho se torne mais

completo, fundamentado e organizado.

O trabalho desenvolvido caracteriza-se como uma pesquisa experimental cujos resultados

foram obtidos em uma plataforma projetada e desenvolvida para os ensaios. No trabalho so

apresentadas as ferramentas utilizadas e aquelas que foram desenvolvidas para atingir os

objetivos propostos.

1.3 Controle de Temperatura de Sistemas de Refrigerao

O controle de temperatura de sistemas de refrigerao a velocidades variveis do

compressor no recente, sendo a importncia do tema destacada tanto do ponto de vista da

eficincia operacional quanto do controle da temperatura interna (Tassou e Quereshi, 1994;

Aprea et al., 2004; Batista, 2006; Moreno, 2006; Silva, 2009; Kizilkan, 2011; vila e Jota,

2011). A operao de um sistema de refrigerao de grande porte com velocidade varivel do

compressor pode levar a um melhor e mais estvel controle de temperatura associado

respostas mais rpidas frente s mudanas bruscas de carga (Tassou e Quereshi, 1994).

Apesar da significativa parcela de energia consumida pelos sistemas de refrigerao de

pequeno porte, conforme demonstrado com a Figura 1.2, poucos trabalhos so encontrados na

literatura sobre controle de temperatura de cmaras de refrigerao de pequeno porte via

variao da velocidade do compressor. Entretanto, no contexto de controle de temperatura de

sistemas de refrigerao via variao da velocidade do compressor so encontrados diversos

trabalhos sobre sistemas de refrigerao de grande porte, como por exemplo, os sistemas de

condicionamento de ar (Tassou e Quereshi, 1994; Batista, 2006; Moreno, 2006; Garcia e

Bandarra Filho, 2006).

Em (Tassou e Quereshi, 1994) foram investigados os ganhos com alterao da velocidade

do motor-compressor empregando inversor de frequncias e, tambm foi investigada a

influncia destes inversores na rede. Para aquela poca no era muito interessante, do ponto

de vista de eficincia energtica, fazer controle de temperatura com velocidades variveis,

isso por que o aumento global nas perdas na unidade de refrigerao com velocidade reduzida

compensavam eventuais ganhos de eficincia do compressor. Entretanto, trabalhos mais

20

recentes mostram que possvel obter eficincia a velocidade variveis do compressor com

sistemas de grande porte (Batista, 2006; Moreno, 2006; Garcia e Bandarra Filho, 2006).

Conforme comprovado em (Tassou e Quereshi, 1994), o sistema de refrigerao melhora

segundo requisitos de controle de temperatura com a operao do compressor velocidades

variveis, indicando assim, aspectos positivos para este modo de operao.

Alguns trabalhos relevantes sobre controle de temperatura de sistemas de refrigerao via

velocidade varivel do compressor so apresentados a seguir. Observa-se que, nos trabalhos

voltados para sistemas de condicionamento de ar, foram empregados inversores de

frequncias comerciais para o controle da velocidade do motor de induo do sistema de

refrigerao. Apenas um dos trabalhos encontrados focou-se no controle da temperatura de

sistemas de refrigerao de pequeno porte baseado na variao da velocidade do compressor

por meio da reduo da tenso de alimentao. A seguir so apresentados alguns aspectos

importantes destes trabalhos.

Em (Aprea et al., 2004) o controle da capacidade de refrigerao de um sistema de grande

porte feito com um algoritmo de controle baseado na Lgica Fuzzy, justificado pela

capacidade do algoritmo de solucionar problemas de controle sem o conhecimento exato do

modelo matemtico. O algoritmo Fuzzy usado capaz de selecionar a velocidade mais

adequada operao em funo do carregamento trmico. Para isso foi utilizado um inversor

trifsico e a frequncia de alimentao do motor foi variada na faixa de 30 Hz a 50 Hz, no

sendo possvel considerar valores abaixo de 30 Hz devido a problemas de lubrificao do

compressor. Resultados apresentados indicam economia de at 13% associada a melhor

estabilizao da temperatura interna.

Em (Moreno, 2006) foi realizado um estudo de carter experimental de um sistema de

condicionamento de ar com utilizao de equipamentos e hardwares existentes no mercado.

As variveis manipuladas foram a velocidade do compressor e a abertura da vlvula de

expanso. Para variar a velocidade do compressor utilizado um inversor de frequncias

comercial. Foram utilizadas diferentes tcnicas de controle, inclusive tcnicas de controle

adaptativo. Os resultados indicam que, para a faixa de frequncia utilizada (de 40 Hz a 55

Hz), obteve-se boa capacidade de refrigerao e baixo consumo de energia. O controle

convencional liga-desliga com velocidade fixa a principal causa da perda de eficincia

energtica (Moreno, 2006). As vantagens do uso dos sistemas de refrigerao com velocidade

varivel sob o ponto de vista de reduo de consumo de energia representam um

melhoramento energtico e econmico, que beneficia os usurios em distintas aplicaes.

21

J em (Garcia e Bandarra Filho, 2006), foi elaborado um controlador para o sistema de

refrigerao baseado em um algoritmo Fuzzy que faz o controle da temperatura por meio da

alterao da velocidade do compressor. Os resultados obtidos indicam economia de 35,3% de

energia para um compressor da Hitachi e 21,3% de economia para compressor da Bitzer, em

relao ao sistema convencional (controle liga-desliga). A simulao da carga trmica no

sistema de refrigerao realizada de forma controlada atravs da energia trmica dissipada

por um resistor.

A variao da velocidade do compressor a forma mais eficiente para controlar a

capacidade de refrigerao de sistema, isso porque a capacidade de refrigerao se adapta

carga (Tassou e Quereshi, 1994). Sendo assim, para uma condio de baixo carregamento, o

equipamento de refrigerao pode reduzir a velocidade do compressor, fazendo com que as

perdas sejam reduzidas e menor potncia seja absorvida da rede.

Uma vantagem dos sistemas de refrigerao de velocidade varivel do compressor a

possibilidade de alterar, continuamente, a capacidade de refrigerao do equipamento

(Kizilkan, 2011). Em (Kizilkan, 2011) foi concludo que o desempenho do sistema de

refrigerao pode ser melhorado para a operao na frequncia ideal do compressor,

alterando-se a velocidade do equipamento para certa condio de carregamento trmico.

Outro trabalho de grande relevncia nesse contexto de controle de temperatura de sistemas

de refrigerao encontrado em (Batista, 2006). Assim como em (Moreno, 2006), o trabalho

foi realizado sobre sistemas de condicionamento de ar (HVAC), onde o controle de

temperatura realizado atravs da alterao da velocidade de rotao do compressor. Em

(Batista, 2006) no manipulada a vlvula de expanso, de maneira que no h alterao

fsica do equipamento, mantendo-se as caractersticas do fabricante do equipamento. O

algoritmo de controle que foi utilizado em (Batista, 2006) o PI (Proporcional e Integral) e a

atuao sobre o sistema realizada atravs de um inversor comercial trifsico, aproveitando-

se da vantagem do compressor ser trifsico. Uma grande diferena entre os trabalhos citados

que aquele observado em (Batista, 2006) utiliza um ambiente real para fazer os estudos

conduzindo assim condies fsicas e ambientais so mais realsticas. Os resultados

apresentados em (Batista, 2006) indicaram uma economia de 20,16% de energia aps uma

anlise criteriosa dos resultados obtidos utilizando o controlador PI em comparao ao

sistema de controle liga-desliga original do equipamento.

Em (Silva, 2009) feito o controle de temperatura de um sistema de refrigerao de

pequeno porte (freezer vertical) usando um atuador desenvolvido para alterar a tenso

22

aplicada ao motor do compressor. Devido s limitaes do prprio atuador, o sistema altera

muito pouco a velocidade do ciclo de refrigerao do equipamento forando uma operao

liga-desliga (mas com tenso inferior nominal). Apesar das limitaes do atuador, o controle

elaborado obteve uma reduo de 34% no consumo de energia do equipamento utilizando-se

um controlador do tipo PID (Proporcional, Integral e Derivativo), entretanto, o sistema de

controle de velocidade pelo mtodo de reduo da tenso deixa a desejar no controle da

temperatura interna.

Um mtodo de controle de temperatura para refrigeradores residenciais baseado em um

algoritmo Fuzzy foi apresentado em (Choi et al., 1998). Neste trabalho no foram investigados

ganhos com variaes de velocidade do compressor, e sim devido melhor operao do

controle liga-desliga empregando um algoritmo Fuzzy. O controlador usado para manter

constante a temperatura no interior do refrigerador mesmo com mudanas ambientais

(temperatura externa) e volume de produtos armazenados. Os resultados obtidos, por

simulao, indicam melhorias na estabilizao da temperatura interna, j os ganhos com

eficincia no foram quantificados.

Em suma, todos os trabalhos pesquisados conseguiram reduo de gastos energticos por

meio da alterao da velocidade do compressor, alm de significativa melhoria na

estabilizao da temperatura controlada comparado ao sistema liga-desliga convencional,

evidenciando as falhas do sistema de controle convencional.

Os itens 1.4 e 1.5 apresentam conceitos importantes para melhor compreenso da

plataforma CMUF.

1.4 Consideraes Sobre Sistemas Distribudos

Em funo do constante crescimento dos sistemas, o nmero de equipamentos para

controle e monitoramento cresce significativamente, aumentando a complexidade dos

sistemas. Nos sistemas centralizados, o aumento do nmero de equipamentos implica em

menor flexibilidade e maiores possibilidades de falhas.

Para garantir confiabilidade e rpidas respostas dos sistemas de controle, houve a

necessidade de descentralizar a comunicao entre os dispositivos distribuindo o sistema em

vrios subsistemas inteligentes com comunicao em rede de modo a obter um controle final

mais amplo, confivel e rpido (S et al., 2005). Solues em rede (arquitetura distribuda)

apresentam diversas vantagens em relao a arquitetura centralizada, como menor quantidade

23

de cabos, maior flexibilidade, facilidade de alterao e manuteno, facilidade de deteco de

falhas, reduo de perdas eltricas, maior imunidade rudos entre outras vantagens.

Existem diversos protocolos e tipos de rede que so utilizados em sistemas distribudos. O

protocolo (e rede) CAN (Control Area Network) tem grande aceitao no mercado devido

principalmente a sua robustez, eficincia, simplicidade e custo. Esse protocolo foi

desenvolvido pela Bosch na dcada de 80 com objetivo de simplificar os sistemas eltricos de

veculos. Por ser uma rede de baixo custo e com atuao eficiente em ambientes ruidosos, ela

oferece requisitos para controlar e monitorar sistemas distribudos em tempo real (S et al.,

2005).

Basicamente, um sistema distribudo composto de estaes (tambm chamadas de ns),

dotados de hardware e software que realizam funes especficas (monitoramento, controle,

atuao) e se comunicam atravs de uma rede com um protocolo padro. A Figura 1.3 mostra

a configurao bsica de um sistema distribudo em rede CAN.

Figura 1.3 - Arquitetura de um sistema distribudo.

Em sistemas distribudos, o processamento das informaes distribudo ao longo da

rede, ao contrrio do que acontece em sistemas centralizados, nas quais todas as informaes

so tratadas em um nico processador. O processamento dos sinais acontece localmente em

sistemas distribudos, assim a fiao do sistema se reduz quando comparado ao sistema

centralizado, e, desta forma no h necessidade de transmitir sinais de sensores a longas

distncias, reduzindo a influncia de rudos nos sinais. A desvantagem que os mdulos

eletrnicos tem que ser distribudos pela plataforma (Hedman et al., 2003).

No sistema descentralizado, as tarefas ficam distribudas ao longo da plataforma de

maneira que o processamento torna-se mais rpido. Outra vantagem que deve ser citada a

facilidade de adicionar ou remover mdulos na rede, ou seja, facilidade de ampliar o sistema.

24

1.5 A Rede CAN (Control Area Network)

A rede CAN foi projetada pela empresa BOSCH, com o objetivo de satisfazer os

requisitos dos sistemas eletrnicos de controles automotivos. Algumas caractersticas da rede

CAN so o acesso ao barramento priorizado, flexibilidade na reconfigurao e alta

confiabilidade em ambientes ruidosos (Stemmer e Santos, 2002).

O protocolo CAN atualmente encontrado em muitos campos de aplicao como nos

setores automobilstico e industrial. O protocolo refere-se s padronizaes das informaes,

ou seja, a codificao das informaes, a sequencia, a prioridade e o significado de cada

mensagem. O protocolo CAN possui comunicao serial do tipo multi-mestre, onde vrios

mdulos podem acessar ao meio de transmisso (barramento) simultaneamente, cada ponto de

acesso rede definido como um n ou estao. As mensagens na rede so direcionadas a um

receptor identificado por meio de endereos fsicos, alm da possibilidade de mensagens do

tipo broadcast (para todos os ns simultaneamente).

1.6 Organizao do Trabalho

Esta dissertao est organizada em seis captulos e quatro apndices.

No segundo captulo apresentada a plataforma experimental que foi desenvolvida para

realizao dos testes prticos deste trabalho. As trs principais partes integrantes da

plataforma experimental so: a plataforma CMUF, a unidade de atuao e a cmara de

refrigerao. As partes integrantes da plataforma montada so descritas neste segundo

captulo, sendo apresentadas as funes e as principais caractersticas de cada uma. Neste

mesmo captulo so apresentadas as variveis de interesse envolvidas no processo e as

caractersticas dos sensores que foram empregados para aquisio dos dados.

No terceiro captulo focou-se na modelagem do processo de refrigerao. Neste captulo

so apresentados os objetivos da modelagem empregada, os modelos obtidos, as

consideraes realizadas sobre o sistema durante a modelagem, as limitaes dos modelos e o

mtodo empregado para a modelagem. Apresenta-se tambm a validao dos modelos

obtidos, algumas observaes sobre o comportamento dinmico da planta e algumas

aproximaes realizadas para os modelos obtidos.

O quarto captulo dedicado ao controle do sistema e sua operao. Neste captulo

descrito o controlador elaborado, seus modos de operao, as particularidades e as estratgias

25

adotadas para sua operao. So apresentadas as sintonias do controlador elaborado e o

algoritmo prtico implementado.

No quinto captulo so descritos os resultados experimentais obtidos com ensaios

realizados na plataforma desenvolvida. Primeiramente so apresentados os resultados com o

controle convencional e a seguir apresentam-se os resultados com o controlador elaborado

para os diferentes modos de operao, para duas sintonias distintas obtidas no quarto captulo.

So apresentadas no mesmo captulo, comparaes entre controladores e anlises dos

resultados enfatizando as melhorias obtidas com controle elaborado comparado ao sistema de

controle convencional.

No sexto captulo, so apresentadas as concluses obtidas. So apresentadas algumas

contribuies sobre o controle de temperatura sistemas de refrigerao de pequeno porte via

velocidades variveis do compressor e sugestes de trabalhos futuros dentro deste contexto.

No Apndice A so apresentadas trs fotografias: a primeira mostra a plataforma de

ensaios, a segunda mostra a simulao de baixo carregamento trmico e a terceira mostra a

simulao de elevado carregamento trmico no sistema de refrigerao. No Apndice B

apresentado o clculo do tempo de retorno do investimento no sistema de controle elaborado.

No Apndice C so apresentados os circuitos eltricos desenvolvidos para a unidade de

atuao projetada (inversor de frequncias monofsico) e no Apndice D so apresentados

fundamentos do funcionamento e algumas caractersticas importantes dos sistemas de

refrigerao de pequeno porte.

26

CAPTULO 2

2. DESCRIO DA BANCADA EXPERIMENTAL E DO PROCESSO

2.1 Consideraes Iniciais

Neste captulo so descritas as caractersticas da plataforma de ensaios e do processo. A

plataforma de ensaios que foi montada para realizao dos experimentos constituda por trs

partes principais: a plataforma CMUF, a unidade de atuao e a cmara de refrigerao. A

plataforma CMUF foi empregada no monitoramento e controle do processo, a unidade de

atuao foi projetada e desenvolvida com objetivo de controlar precisamente a velocidade do

compressor e a cmara de refrigerao um equipamento comercial (freezer vertical, modelo

F-250 da Electrolux (Electrolux, 2000)). A Figura 2.1 mostra o diagrama simplificado da

plataforma experimental.

Figura 2.1- Plataforma de medies.

27

2.2 A Plataforma CMUF

A plataforma CMUF (marca registrada da UFMG) um sistema que se destaca pela

possibilidade de monitoramento e controle de sistemas (em tempo real) via internet

desenvolvida em projetos anteriores (Jota et al., 2002; Jota et al., 2005; Jota et al., 2006;

Batista, 2006). composta por unidades remotas de aquisio e atuao, denominadas

estaes CAN-PIC, interligadas entre si por meio de uma rede CAN. Atravs de um mdulo

dedicado (denominado gateway), que funciona como um roteador, a conexo entre a rede

CAN e a internet realizada. Desta forma, comandos podem ser enviados a rede local ou

dados serem enviados internet e armazenados em banco de dados.

Os dados enviados pelas estaes podem ser visualizados por meio de uma pgina

(http://150.164.32.155/cmuf10) da internet que foi desenvolvida especialmente para a

plataforma CMUF. Nessa pgina podem ser gerados relatrios de diversos tipos, como

textos e grficos, que facilitam as anlises dos gerentes de energia, alm da comodidade do

acesso, que pode ser realizado em qualquer local do mundo bastando apenas estar conectado

internet, ter um usurio cadastrado e senha de acesso ao sistema. A Figura 2.2 mostra a

arquitetura da plataforma CMUF.

Figura 2.2 - Arquitetura da plataforma CMUF.

Conforme a arquitetura da plataforma CMUF apresentada na Figura 2.2, observa-se que

ela composta por estaes interligadas entre si por meio de uma rede CAN. Essas estaes

28

so unidades microcontroladas de aquisio e atuao que possuem autonomia para

tratamento e comunicao em rede, caracterizando o CMUF como um sistema distribudo.

Ainda analisando a Figura 2.2, verifica-se que a rede CAN comunica-se internet por

meio de um Web Server dedicado que possui acesso ao servidor. Assim os dados de medies

enviados pelas estaes remotas podem ser armazenados em bancos de dados e ento

visualizados por meio da pgina do CMUF. Por questes de segurana, os dados so

replicados para um segundo banco de dados garantindo uma cpia dos dados originais.

O protocolo utilizado na plataforma foi desenvolvido pela equipe do CMUF

especialmente para a plataforma sendo denominado NCS (Network Control System) (Martins

e Jota, 2010), e, j sofreu diversas alteraes para atender requisitos de monitoramento e

controle.

As estaes (ou ns) que compem a plataforma so:

Estao de Medio Esta estao da rede possui a funo de fazer medidas de campo

(tenso, corrente, temperatura, potncia, etc.), as medidas so realizadas em intervalos

regulares programados. Cada estao possui sete canais de medio com entrada em tenso

para a faixa de 0 a 5 V e resoluo de 10 bits. Sendo a leitura da estao em tenso, para que o

sinal de um determinado sensor seja medido corretamente, primeiro ele deve passar por um

tratamento para adequ-lo para a faixa de tenso de leitura da estao. Geralmente, esse

tratamento realizado por uma placa dedicada denominada MARS (Mdulo de Aquisio e

Retificao de Sinais) que integra o conjunto de medio, como pode ser verificado na Figura

2.1.

Estao Gateway Esta estao funciona como um roteador na rede, interligando a rede

CAN a um Web Server por meio de uma comunicao serial, conforme verifica-se na Figura

2.2. Todas as informaes da rede CAN que so enviadas internet passam pela estao

Gateway e ento so encaminhadas ao Web Server. O gateway tambm possui outras funes

como o ajuste do sincronismo dos ns e encaminhamento de mensagens na rede. Sendo assim,

o fluxo de mensagens nesta estao pode ser elevado, tornando-se um elemento limitador do

tamanho e da velocidade da rede.

Estao de Atuao Esta estao encarregada de fazer a atuao nos sistemas

controlados. Geralmente, para atuao nos sistemas, so utilizadas sadas PWM

disponibilizadas no microcontrolador da estao e sadas digitais (conforme configurao). O

29

microcontrolador utilizado possui 2 sadas PWM configurveis e sete canais que podem ser

configurados como sadas digitais ou analgicas.

Estao de Atuao e Medio Esta estao funciona tanto como medio quanto atuao.

Neste tipo de estao alguns canais so utilizados para entrada e outros para sada, por

exemplo, uma estao pode fazer a leitura de um sensor com um canal e atuar sobre o sistema

com outro. Essa configurao possui a vantagem de reduzir a quantidade de ns na rede e o

nmero de mensagens entre estaes.

2.3 A Unidade de Atuao

O compressor alternativo hermtico geralmente empregado em sistemas de refrigerao

de pequeno porte como freezers e geladeiras. Este tipo de compressor tem o motor e a unidade

compressora montados em um mesmo eixo, os quais so instalados dentro de um corpo de

ao, cuja tampa soldada hermeticamente aps a montagem do conjunto. Os motores

utilizados nestes compressores so motores de induo, monofsicos e de dois plos

(Henklein, 2006). O compressor representa o principal elemento do sistema de refrigerao

sendo responsvel por forar a circulao do fluido no sistema de refrigerao.

A Figura 2.3 apresenta um compressor alternativo hermtico com a indicao de algumas

das partes integrantes do conjunto.

Figura 2.3 - Compressor alternativo hermtico

Fonte: (Henklein, 2006).

30

Teoricamente, o mtodo mais eficiente de controle de temperatura de cmaras de

refrigerao por meio da velocidade do compressor que, continuamente, altera a capacidade

de refrigerao do equipamento (Kizilkan, 2011). Sendo assim, buscou-se desenvolver uma

unidade de atuao que alterasse precisamente a velocidade do compressor para um efetivo

controle da temperatura.

2.3.1 Variao de velocidade de motores de induo

A utilizao de inversores de frequncia, atualmente, compreende o mtodo mais eficiente

para controlar a velocidade dos motores de induo. Os inversores alm de possibilitar a

variao de velocidade ainda so uma alternativa interessante para reduzir o consumo de

energia, melhorar o fator de potncia e reduzir custos de manuteno (Latt e Win, 2009).

Os inversores transformam a tenso da rede, de amplitude e frequncia constantes, em

uma tenso modulada de amplitude e frequncia variveis. Variando-se a frequncia da tenso

de alimentao de motores de induo, varia-se tambm a velocidade do campo girante e

consequentemente a velocidade mecnica de rotao da mquina.

Para se manter o conjugado da mquina constante, independente da velocidade de

operao, preciso manter o fluxo magntico no entreferro do motor constante (Andrade,

2009).

O fluxo magnetizante ou magntico, desprezando-se a queda de tenso ocasionada pela

resistncia e pela reatncia dos enrolamentos do estator, calculado conforme equao 2.6

(Fitzgerald, 1975).

F

V kmm (2.6)

onde:

V Tenso no estator

F - Frequncia de alimentao

Km Constante (depende do material e do projeto da mquina)

Analisando a equao 2.6 pode ser concludo que, para manter o fluxo no entreferro

constante e para que a mquina no perca conjugado em sua operao, se for alterada a

31

frequncia da alimentao da mquina, ser necessrio alterar proporcionalmente sua tenso

de alimentao, j que Km uma constante que depende do material e do projeto da mquina.

Um modo de controle de velocidade de motores de induo conhecido como escalar

baseia-se no conceito de impor ao motor uma determinada relao de tenso/frequncia (V/F)

constante para que o motor opere com fluxo e torque constantes (Andrade, 2009).

Geralmente, no controle escalar, a variao da relao V/F feita linearmente at a

frequncia nominal do motor. Para frequncias acima da frequncia de alimentao nominal,

seriam necessrios nveis de tenso acima do valor da tenso nominal do motor para manter a

relao V/F constante, entretanto, aplicar tenso maior que a nominal poderia danificar o

motor. Sendo assim comum, a partir da frequncia nominal do motor, aumentar a frequncia

da alimentao enquanto se mantm constante a tenso de alimentao do motor no valor

nominal do equipamento. Desta forma, o motor de induo opera acima da sua velocidade

base com relao V/F reduzida, e consequentemente com reduo na capacidade de produo

de conjugado. a regio de operao conhecida como regio de enfraquecimento de campo

(fluxo) (Andrade, 2009).

A operao com V/F constante ao longo de toda a faixa de variao de velocidade do

motor no oferece sempre o melhor rendimento. A operao com V/F tima pode minimizar

perdas do motor em cada frequncia de operao e aumentar seu rendimento (Munoz et al.,

1998).

Para alterao da velocidade do compressor do sistema de refrigerao foi projetada e

desenvolvida uma unidade de controle de velocidade de motor de induo monofsico

baseado na tcnica de controle escalar apresentada. A seguir, descrito o projeto da unidade

de atuao.

2.3.2 O projeto da unidade de atuao

Para a atuao no sistema de refrigerao optou-se pelo desenvolvimento de um conversor

esttico (inversor de frequncia) visando maior flexibilidade na operao deste equipamento,

por exemplo, a escolha dos limites de operao, alterao da relao V/F, operao em regio

de enfraquecimento de campo, alterao apenas da tenso ou apenas da frequncia, j que esta

flexibilidade no seria obtida com a aquisio de um equipamento comercial.

A Figura 2.4 mostra a topologia do conversor (inversor de frequncias monofsico) que

foi projetado e desenvolvido para atuar no sistema de refrigerao.

32

Figura 2.4 - Topologia do conversor projetado.

Como pode ser observado na Figura 2.4, o circuito eltrico do conversor composto

basicamente por quatro partes: a ponte de diodos, o circuito de pr-carga e descarga do banco

de capacitores, o banco de capacitores (ou link DC) e a ponte inversora (H-bridge).

Na entrada da alimentao (rede) tem-se a primeira parte do conversor, ela composta por

um circuito de retificao com quatro diodos dispostos em ponte, sendo a corrente nominal de

cada diodo 35 A. Em seguida, tem-se a segunda parte, que composta por um circuito de pr-

carga e descarga do banco de capacitores.

A terceira parte do conversor composta por um banco de capacitores que possui a funo

de armazenamento de energia para a regulao da tenso retificada. O dimensionamento

adequado do banco de capacitores importante para evitar grandes oscilaes da tenso no

barramento DC, pois, estas oscilaes podem reduzir a tenso mdia aplicada na carga e, ao

mesmo tempo, no sobrecarregar os diodos da seo de retificao. Sendo assim, a

capacitncia do barramento calculada de forma que a ondulao na tenso esteja dentro do

limite imposto. Para o clculo da capacitncia do barramento DC foram utilizados os valores

relacionados na Tabela 2.1.

33

Tabela 2.1 - Parmetros adotados no clculo do barramento DC.

Potncia Nominal do Motor Pmotor =1/4 HP

Frequncia da Rede Frede = 60 Hz

Tenso de Alimentao (Entrada) Vin = 127 V RMS

Tenso Mxima de Sada Vo = 127 V RMS

Ondulao de Tenso Mxima Vo=7%.Vo

Corrente Nominal do Motor Imotor=1,46 A

O clculo da capacitncia mnima para o barramento DC realizado conforme equao

2.7.

orede

motorbar

VF

IC

..2 ( 2.7)

Substituindo os dados apresentados na Tabela 2.1 na equao 2.7, foi obtido o valor de

Cbar=965F para a capacitncia do barramento. Entretanto, na prtica foram utilizados trs

capacitores de 330 F em paralelo resultando em 990 F.

Como o valor da capacitncia elevado para o nvel de tenso do barramento DC que

aproximadamente 179 V, fez-se necessrio o circuito de pr-carga do banco para evitar

correntes elevadas durante a carga inicial do banco de capacitores, conforme

dimensionamento dos diodos retificadores. No circuito de pr-carga e descarga do banco de

capacitores foi utilizado um rel de dois contatos (normal fechado e normal aberto), que

comandado pela estao CAN-PIC por meio de uma sada digital. Este rel retira ou insere

um resistor de 250 que ligado em srie com os capacitores do banco atravs do contato

normal aberto . Durante a carga inicial do banco, o resistor de 250 inserido e, assim que

os capacitores so carregados, o resistor de 250 retirado do circuito do conversor. Este

mesmo rel citado tambm utilizado para descarga do banco dos capacitores quando o

circuito de pr-carga desativado, para isto, foi utilizado o contato normalmente fechado do

rel. Quando o rel desativado (desligado), um segundo resistor de 57 K inserido em

paralelo com o banco para descarga dos capacitores. No Apndice C, apresentado o circuito

34

de pr-carga e descarga do banco de capacitores que foi explicado juntamente com os demais

circuitos do inversor.

A ltima parte do conversor composta por IGBTs dispostos em ponte (ponte H). Nesta

parte a tenso retificada proveniente do banco de capacitores convertida em alternada

modulada, com tenso e frequncia variveis.

Os IGBTs utilizados so de alta frequncia de chaveamento do tipo IRG4PC50UD e

possuem corrente nominal de 27 A. O comando do inversor mantm, em cada brao vertical,

um s IGBT ligado, impedindo um curto-circuito no barramento DC.

O chaveamento dos dispositivos (IGBTs) da ponte H realizado com pulsos de largura

senoidalmente variveis, obtidos com a programao do microcontrolador PIC (16F876A) da

estao de atuao (CAN-PIC). Para compreenso do funcionamento da converso da tenso

DC proveniente do banco de capacitores em AC na sada da ponte H, so apresentados os

quatro diferentes estados de chaveamento dos IGBTs da ponte na Tabela 2.1.

Tabela 2.2 - Lgica de chaveamento dos IGBTS do conversor.

Apesar de a tenso de sada ser modulada, quando ela aplicada a um motor (carga

fortemente indutiva), o prprio motor ir funcionar como um filtro fazendo com que a

corrente seja aproximadamente senoidal nos enrolamentos do motor.

O conversor desenvolvido um inversor de frequncias monofsico e possibilita tanto

partidas como paradas controladas do motor mantendo-se a relao tenso sobre frequncia

(V/F) constante aplicando o controle escalar. Este inversor possibilita em sua operao a

alterao tanto da frequncia quanto da tenso independentes ou atravs da relao V/F

constante, mesmo um valor diferente do nominal. Esta flexibilidade de alterao dos

parmetros de operao do motor (tenso e frequncia) de forma independente ou no, uma

das grandes vantagens do desenvolvimento do equipamento.

ESTADOS IGBT1 IGBT2 IGBT3 IGBT4 TENSO APLICADA

1 LIGADO DESLIGADO DESLIGADO LIGADO +V

2 DESLIGADO LIGADO DESLIGADO LIGADO 0V

3 DESLIGADO LIGADO LIGADO DESLIGADO -V

4 DESLIGADO LIGADO DESLIGADO LIGADO 0V

35

Com a flexibilidade citada, a alterao da frequncia foi utilizada para mudar a velocidade

do compressor para controle da temperatura da cmara, enquanto a alterao da tenso foi

utilizada para operar a cmara de forma mais eficiente, conforme ser demonstrado no

Captulo 4.

Alm das protees realizadas com disjuntor e fusvel foi programada uma proteo

contra sobrecarga e curto-circuito no conversor, garantindo mais segurana tanto para o motor

quanto para o inversor. O circuito completo (comando e potncia) que foi montado para a

unidade de atuao apresentado no Apndice C.

Em aplicaes de motores eltricos com cargas de elevadas inrcias, durante a frenagem,

em inversores tradicionais comum a utilizao do mtodo da frenagem reosttica (com

resistor). Neste mtodo, o excesso de energia regenerada pelo motor ao banco de capacitores

do inversor dissipado sob a forma de calor em um resistor.

No projeto do inversor monofsico apresentado julgou-se desnecessrio adicionar um

resistor de dissipao da energia regenerada durante a frenagem devido baixa potncia do

motor, a baixa inrcia da carga acoplada ao eixo do motor e ao pequeno tempo de parada do

compressor. Alm destes fatores existe a possibilidade de paradas controladas (por meio da

reduo da velocidade).

2.3.2.1 Controle do inversor (conversor)

Os mtodos conhecidos como Modulao por Largura de Pulso (PWM) so muito

diversificados. H duas classes importantes desta tcnica de modulao: Modulao sub-

harmnica e Padro memorizado (Palma, 1999).

Na modulao sub-harmnica, a cada instante, a configurao do conversor decidida

pela intercesso de sinais (modulantes) com amplitude e frequncia desejada com outros de

frequncia mais elevada e, geralmente, com forma triangular (portadoras). H essencialmente

duas formas: modulao senoidal (clssica) e modulao vetorial.

No padro memorizado, uma sequncia de estados do conversor fica armazenada em uma

memria que lida ciclicamente, desencadeando aes e atuaes dos dispositivos. A

frequncia obtida depende da frequncia da leitura da memria.

O padro (ou forma) das grandezas previamente calculado de modo a proporcionar a

amplitude ou satisfazer algum objetivo.

36

Neste trabalho, a classe adotada para controle do conversor foi o padro memorizado com

algumas adaptaes. Essa classe mostrou-se menos complexa para implementao prtica,

mais rpida e mais adequada para o microcontrolador empregado.

A unidade de controle uma estao CAN-PIC que controla o tempo que cada IGBT

permanece ligado, este tempo tambm conhecido como ciclo de trabalho (Duty cicle). A

alterao do ciclo de trabalho dos IGBTs altera o valor da tenso mdia de sada; j a

alterao do perodo altera a frequncia da tenso de sada.

Como no padro memorizado (padro que foi adotado) uma sequencia de estados

previamente calculada, foram obtidos 20 pontos para metade do perodo de uma senide (o

segundo semi-ciclo igual ao primeiro com sinal invertido) e organizados em uma tabela,

denominada Tabela Senoidal. Como a Tabela Senoidal possui um nmero de elementos fixo,

para variar a frequncia de alimentao do motor, alterou-se o perodo de leitura desta tabela e

no o nmero de elementos dessa, isto faz com que a frequncia do sinal PWM seja alterada.

Desta forma, a frequncia do sinal de modulao por largura de pulso no foi constante. Na

medida do possvel deve-se deixar a frequncia do PWM mais prxima do limite inferior, pois

assim so reduzidas as interferncias eletromagnticas geradas pelo inversor (Palma, 1999).

A faixa de frequncia de chaveamento foi selecionada levando-se em considerao a reduo

de interferncias eletromagnticas do inversor em outros sistemas eletrnicos. Para seleo da

frequncia de operao do PWM foram avaliados os limites dos registradores do perodo de

ciclo, os valores possveis de pr-escala e o perodo do cristal do microcontrolador. Nessas

condies, a faixa de frequncia do sinal PWM selecionada foi de 1.4 KHz a 2.6 KHz.

Os limites adotados para variaes de frequncias de alimentao do motor foram de 65

Hz a 35 Hz. O limite inferior foi obtido por limitaes fsicas do motor, j que abaixo de 35

Hz, a vibrao do compressor era muito significativa e havia a possibilidade de danific-lo

devido a problemas de lubrificao, j o limite superior foi imposto por limitaes do

microcontrolador empregado.

O fluxograma apresentado na Figura 2.5 apresenta a lgica empregada para gerar a

modulao por largura de pulso (PWM) utilizando o padro memorizado.

37

Figura 2.5 - Fluxograma de gerao dos sinais PWM com padro memorizado.

38

A Figura 2.6 apresenta os fluxogramas de algumas rotinas programadas no

microcontrolador da estao CAN-PIC para o controle da unidade de atuao.

Figura 2.6 - Fluxograma de rotinas da unidade de atuao.

2.3.3 Simulao do funcionamento do inversor monofsico

As simulaes do inversor monofsico propiciam um entendimento mais detalhado do

funcionamento deste equipamento e tambm permite anlises mais amplas para operao em

diferentes condies e modos de operao.

39

Para a simulao do funcionamento do conversor foi utilizado o software Simulink. Na

simulao foi elaborado um inversor monofsico com controle realizado atravs da

modulao por largura de pulso senoidal (SPWM) empregando a tcnica de modulao sub-

harmnica. Na simulao foi utilizada uma portadora triangular de frequncia 2 Khz para

comparao com uma onda senoidal de amplitude e frequncia desejada. O resultado da

comparao entre a portadora e modulante resulta nos sinais PWM de controle da ponte

inversora (ponte de IGBTs).

Para avaliar o inversor elaborado na simulao utilizou-se um motor monofsico de

potncia de 1/4 HP, tenso nominal de 127 V, frequncia nominal de 60 Hz e partida com

capacitor. A Figura 2.8 mostra o digrama de blocos utilizado para simulao do inversor

monofsico.

Figura 2.7 - Diagrama de blocos de simulao do inversor monofsico, no Simulink.

A Figura 2.8 apresenta os perfis da corrente, tenso RMS, velocidade (RPM) e frequncia

de alimentao que foram medidos na simulao de 15 segundos. Como pode ser verificado, o

motor gastou aproximadamente 3s para partir completamente, e, aps a partida da mquina a

corrente solicitada se reduz.

O motor utilizado nesta simulao do tipo monofsico com partida a capacitor e chave

centrfuga; desta forma, pode-se observar uma alterao no comportamento da corrente do

40

motor nas proximidades de 3,5 segundos que o momento em que o capacitor de partida do

motor retirado do circuito, fazendo com que a corrente solicitada da rede seja reduzida.

Nesta simulao apresentada, o motor parte com frequncia de 35 Hz sendo aumentada

at 60 Hz com uma taxa de 5 Hz/s. Como pode ser verificado na Figura 2.8, a relao V/F

mantida constante at 60 Hz, isso garante o fluxo no entreferro do motor seja praticamente

constante e tenha torque elevado para frequncias abaixo da frequncia nominal (Palma,

1999). Para frequncias maiores que a nominal no possvel manter a relao V/F constante,

pois, como a frequncia maior que a nominal para manter a relao V/F constante seria

necessrio colocar tenso maior que a nominal no motor, e isto poderia danific-lo. Sendo

assim, para frequncias maiores que a nominal, o motor passa a operar em uma regio

denominada regio de enfraquecimento de campo e medida que a frequncia de alimentao

aumentada o motor perde conjugado. Nos resultados da simulao, observa-se que a partir

do instante 11s a frequncia aumentada, mas, a tenso aplicada mantida constante no valor

nominal do motor.

A Figura 2.9 mostra com detalhes o comportamento das variveis de interesse na

simulao (corrente, tenso real, frequncia e velocidade do motor) para o funcionamento do

inversor com frequncia 60 Hz para o intervalo de tempo de 7 a 7.1 segundos na simulao.

Como pode ser observada, a forma de onda da tenso que aplicada carga so pulsos

retangulares senoidalmente espaados, entretanto, a corrente tem formato de uma onda

senoidal.

41

Figura 2.8 - Alterao da frequncia de alimentao e velocidade do motor.

Figura 2.9 - Simulao de funcionamento do inversor em 45 Hz.

0 5 10 15-20

0

20

Co

rre

nte

0 5 10 1550

100

150

Te

ns

o R

MS

0 5 10 1520

40

60

80

Fre

qu

en

cia

Tempo(s)

0 5 10 15-1000

0

1000

2000

Ve

loc

(rp

m)

7 7.01 7.02 7.03 7.04 7.05 7.06 7.07 7.08 7.09 7.1-10

0

10

Co

rre

nte

7 7.01 7.02 7.03 7.04 7.05 7.06 7.07 7.08 7.09 7.1-200

0

200

Te

ns

o

7 7.01 7.02 7.03 7.04 7.05 7.06 7.07 7.08 7.09 7.159

60

61

Fre

qu

en

cia

Tempo(s)

7 7.01 7.02 7.03 7.04 7.05 7.06 7.07 7.08 7.09 7.10

1000

2000

Ve

loc

(rp

m)

42

2.3.4 Resultados experimentais com a unidade de atuao

Para demonstrar a capacidade do inversor monofsico desenvolvido, foram utilizadas duas

cargas com caractersticas diferentes para teste do equipamento, sendo a primeira resistiva e a

segunda indutiva (um motor-compressor).

A Figura 2.10 mostra a forma de onda da tenso aplicada pelo conversor a um conjunto de

cargas resistivas de resistncia total 69 aproximadamente. A tenso em RMS aplicada foi

de 127 V e a frequncia fundamental foi de 60 Hz.

Figura 2.10 - Forma de onda da tenso aplicada ao conjunto de cargas resistivas.

A segunda carga em que foi avaliado o comportamento do conversor foi um motor-

compressor de uma cmara de refrigerao. Para a realizao desse experimento foi retirado

de uma cmara de refrigerao um motor-compressor com caractersticas semelhantes ao que

seria utilizado no prottipo de ensaios da plataforma. Este motor-compressor hermtico,

possui potncia nominal de 1/4 HP e tenso nominal de 115 V. A Figura 2.11 mostra a forma

de onda da tenso aplicada cuja frequncia fundamental foi de 45 Hz.

Figura 2.11 - Forma de onda da tenso aplicada ao motor-compressor.

43

interessante salientar que neste experimento o motor no estava completamente sem

carga em seu eixo, pois, mesmo depois do motor-compressor ter sido retirado da cmara de

refrigerao, o compressor ainda est acoplado ao eixo do motor. Para esta condio

apresentada, a corrente solicitada pelo motor foi de 1,33 A.

2.4 A Aquisio dos Dados e as Variveis do Processo

Para o monitoramento das variveis de interesse e controle da temperatura foi utilizada

uma estao da plataforma CMUF. Para isto, a estao CAN-PIC da plataforma foi

configurada para medio e atuao simultaneamente. Os dados de medies desta estao

so recebidos por meio de uma interface serial que detalhada a seguir.

2.4.1 A aquisio dos dados

Para aquisio dos dados foi desenvolvido um programa em C# (CSharp) que comunica-

se com a estao Gateway da plataforma CMUF usando comunicao serial e protocolo de

comunicao NCS (Network Control Systems). Atravs deste programa desenvolvido, que se

caracteriza como uma forma de interao com o processo, as informaes do processo so

recebidas e aquelas mais relevantes so apresentadas em tempo real na tela da interface em

grficos e/ou caixas de texto para melhor compreenso e caracterizao do comportamento do

sistema de refrigerao ou do controlador. Com o programa desenvolvido tambm possvel

alterar parmetros de operao do controlador, o perodo de amostragem dos sensores e do

controlador, o modo de operao (automtico/manual) e enviar comandos diretos ao inversor

desenvolvido como, por exemplo, os comandos de liga/desliga, aumenta/reduz frequncia,

aumenta/reduz tenso e etc.

Todos os dados de medies recebidos so armazenados em arquivos de registros para

posteriores anlises. A Figura 2.12 mostra a tela principal da interface elaborada.

44

Figura 2.12 - Interface de comunicao serial.

2.4.2 As variveis de processo e a instrumentao

Neste trabalho, a temperatura no interior da cmara foi definida como varivel controlada,

j que um dos objetivos o controle da temperatura da cmara de refrigerao. A temperatura

no interior da cmara no uniformemente distribuda (Silva, 2009). Por este motivo julgou-

se que era melhor fixar o sensor para monitoramento da temperatura interna no ponto central

da cmara por se tratar de um ponto em que a temperatura um valor intermedirio.

O sensor empregado para monitoramento da temperatura interna do tipo termopar. Em

conjunto com este sensor foi utilizado um transmissor que converte o sinal do termopar em

um sinal linear de 4 mA a 20 mA, que neste caso, corresponde a faixa do sensor de -100C a

40C. Conforme explicado, a estao CAN-PIC da plataforma faz a medio em tenso (0 V a

5 V) e para adequar a medio foi utilizado um resistor de 250 para a converso do sinal de

corrente do transmissor para a faixa de 1 a 5 V para leitura na estao da rede.

A varivel manipulada a frequncia de alimentao do motor da cmara. A variao da

frequncia de alimentao causa alterao da velocidade do compressor e consequentemente

do perodo do ciclo de refrigerao.

Outra varivel de interesse a temperatura externa, sendo monitorada por meio de um

sensor do tipo LM-35D que foi devidamente fixado na parte superior da cmara (ver

localizao deste sensor no Apndice A). A importncia do monitoramento desta varivel est

relacionada necessidade de anlises das reais influncias da temperatura externa no sistema

de refrigerao, tanto no controle convencional quanto no controle elaborado.

45

Para o monitoramento da temperatura ambiente foi utilizado o sensor LM-35D, que possui

sada em tenso linear de 10mV/C com preciso de 0.5C. Este sensor possui a faixa de

temperatura de 0C a 100C, que atende perfeitamente medio da temperatura ambiente.

Como a tenso de sada possui amplitude relativamente baixa para ser monitorada diretamente

na estao CAN-PIC fez-se necessrio empregar um tratamento na tenso de sada do LM-

35D para adequ-la leitura na estao. Este tratamento feito atravs de uma placa

denominada MARS (Mdulo de Amplificao e Retificao de Sinais), na qual a tenso

medida pelo sensor amplificada 10 vezes (aplica-se ganho 10 no sinal de entrada). Desta

forma, o valor a ser medido na estao CAN-PIC adquire uma amplitude adequada para a

medio (ordem de volt) para medida da temperatura ambiente.

A placa MARS faz parte da plataforma CMUF e foi desenvolvida para o tratamento de

sinais para adequ-los medio na estao CAN-PIC. Esta placa foi desenvolvida

especificamente para tratamento de sinais alternados oriundos de TCs na medio de

corrente. Entretanto, ela tambm pode ser usada para tratamentos de outros tipos de sensores,

bastando fazer adequaes ao circuito do MARS para o tipo de sinal a ser tratado. Nesta

placa, um determinado sinal de entrada pode ser amplificado conforme necessidade para a

medio, isto feito por meio da configurao de resistores da placa MARS que ajustam o

ganho do canal de um amplificador operacional que tambm integra esta placa. Alm de

amplificados, alguns sinais tambm so retificados e filtrados nesta mesma placa,

condicionando o sinal para a medio. A amplificao de determinados sinais, como o sinal

de tenso do LM-35D, importante porque possibilita que sinais com amplitude muito baixa

possam ser medidos com preciso melhor, j que os sinais de sada ficam em uma faixa mais

adequada para a leitura na estao.

A corrente e a tenso so variveis necessrias para o clculo do consumo de energia,

desta forma, essas variveis tambm foram devidamente monitoradas. Alm do valor de

tenso medida, foi monitorada tambm a tenso calculada (valor terico da tenso aplicada)

para anlises e comparaes posteriores.

A medio de corrente foi realizada por um transformador de corrente (toride) e o

condicionamento do sinal tambm foi realizado na placa MARS descrita.

Para o monitoramento da tenso aplicada ao motor foi elaborado um circuito capaz de

fazer o tratamento da tenso e adequ-la medio. Com objetivo de reduzir os nveis de

tenso na medio e prover isolao eltrica entre as partes de comando e potncia foi

utilizado um transformador de 120 V para 9 V. Tendo em mente que a tenso aplicada pelo

46

inversor no motor modulada (SPWM), no primrio do transformador foi inserido um filtro

de primeira ordem constitudo por um resistor e um capacitor de forma a eliminar as

componentes de alta frequncia na medio. No secundrio do transformador empregou-se

um circuito divisor de tenso constitudo por resistores e uma retificao de meia-onda. Esse

sinal retificado tratado na citada placa MARS onde um ganho (ganho de 6.8) inserido no

sinal retificado. Aps o tratamento completo conforme descrito, o sinal de sada do MARS

ento medido na estao CAN-PIC. No Apndice C apresenta-se o diagrama eltrico do

circuito elaborado para medio da tenso com os valores dos componentes do projeto.

Todo o sistema de medio foi devidamente calibrado usando equipamentos adequados

para evitar eventuais erros sistemticos na medio.

2.5 Particularidades do Prottipo de Ensaios

O cuidado em identificar pontos crticos no processo imprescindvel para evitar

eventuais problemas inesperados durante a operao do sistema, sendo assim, foram

levantadas algumas particularidades do sistema de refrigerao.

A cmara de refrigerao utilizada para os ensaios possui uma proteo trmica contra

sobrecarga do motor do compressor que limita o tempo entre o desligamento e o religamento

do motor. Isso acontece porque enquanto o motor est ligado, a passagem da corrente eltrica

pela proteo trmica faz com que ela se aquea e dilate parcialmente, que no o suficiente

para o desligamento do motor. Porm, a corrente de partida significativamente maior que a

nominal e isso faz com que a proteo trmica se dilate mais na partida que durante a

operao contnua. Conforme condio trmica inicial da proteo durante um religamento, a

corrente elevada da partida poder causar a atuao da proteo trmica desligando o motor.

Desta forma, aps o desligamento do motor necessrio um tempo para que a proteo

trmica adquira a uma condio trmica adequada e no atue na partida seguinte.

Por meio de experimentos de religamentos (com tenso e frequncia nominais), foi

constatado que o tempo mnimo entre um desligamento e um religamento da cmara sem que

a proteo trmica descrita atue de aproximadamente cinco minutos. No controle elaborado,

a tenso aplicada na partida menor que a nominal (partida mais suave), isto faz com que a

corrente de partida do motor seja menor que quela da partida direta e consequentemente a

dilatao trmica da proteo menor no controle elaborado. Apesar desta vantagem, o tempo

47

mnimo considerado para o religamento com o controle elaborado foi de 5 minutos por

questo de garantia do religamento.

O motor de induo da cmara de refrigerao utilizada nos ensaios monofsico e o

mtodo de partida empregado o de Fase Auxiliar. Este tipo de motor possui dois

enrolamentos no estator, um principal e um auxiliar com seus eixos deslocados 90 graus

eltricos no espao (Fitzgerald, 1975). O enrolamento principal e o auxiliar possuem

diferentes relaes de reatncia e r

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