BR102015030840B1

BR102015030840B1 - Sistema para redução de conteúdo harmônico em circuito elétrico de potência e compressor para refrigeração

Info

Publication number: BR102015030840B1
Application number: BR102015030840-0A
Authority: BR
Inventors: Edson Jeske
Original assignee: Embraco Indústria De Compressores E Soluções Em Refrigeração Ltda
Priority date: 2015-12-09
Filing date: 2015-12-09
Publication date: 2022-04-19
Also published as: JP2017108621A; EP3179618A2; CN106856367A; US20170194852A1; EP3179618B1; US10148165B2; CN106856367B; EP3179618A3; BR102015030840A2; ES2817058T3; BR102015030840A8

Abstract

SISTEMA PARA CORREÇÃO DE CONTEÚDO HARMÔNICO EM CIRCUITO ELÉTRICO DE POTÊNCIA, SISTEMA PARA CONTROLE DE MOTORES ELÉTRICOS, E COMPRESSOR PARA REFRIGERAÇÃO A presente invenção se situa nos campos da eletrônica de potência e de motores elétricos, e descreve um sistema de correção de conteúdo harmônico em sistemas de potência. A invenção resolve o problema de espaço e peso associados ao núcleo de um indutor de correção de conteúdo harmônico, proporcionando também vantagens de desempenho de motores elétricos, como maior tensão disponível na carga máxima e maior velocidade de rotação na carga máxima. A invenção é particularmente útil em compressores de refrigeração compreendendo um dispositivo de chaveamento (M) associado a um elemento reativo (L).

Description

Campo da Invenção

[0001] A presente invenção se situa nos campos da eletrônica de potência e de motores elétricos. Mais especificamente, a presente invenção descreve um sistema de correção de conteúdo harmônico em circuito elétrico de potência, um sistema para controle de motores elétricos e um compressor para refrigeração. O sistema da presente invenção proporciona a proteção de um componente reativo (L) e evita seu superdimensionamento. A invenção é particularmente útil no controle de motores elétricos de compressores.

Antecedentes da Invenção

[0002] Atualmente, diversos tipos de motores elétricos, geralmente os de corrente alternada, utilizam um dispositivo chamado de inversor de frequência para controlar o motor, tal como controle de velocidade, de partida, e de outros parâmetros.

[0003] No entanto, inversores apresentam uma função de tensão e corrente não linear, ou seja, que não obedecem a uma reta. Elementos não lineares atuam em sua rede de alimentação contaminando-a com grande número de harmônicas de baixa ordem, distorcendo a alimentação e provocando redução na qualidade de energia e sobre-dimensionamento da rede de distribuição.

[0004] Devido ao efeito das distorções de corrente e tensão, pode ocorrer um aumento de perdas elétricas nas instalações e o sobreaquecimento de seus componentes (cabos, transformadores, banco de capacitores, motores, etc.), bem como uma redução do fator de potência. Levando em conta as ditas circunstâncias, um elemento reativo, como um indutor, é adicionado na entrada da rede para proporcionar uma redução no conteúdo das harmônicas.

[0005] Sistemas de potência podem ser quaisquer tipos de motores elétricos, refrigeradores, compressores e/ou outros dispositivos que absorvem e dissipam potência. Especificamente em circuitos que dissipam muita potência, correntes elétricas elevadas passam pelo referido indutor, que dissipa quantidade elevada de energia na forma de calor. O dimensionamento deste indutor de forma a manter suas características de indutância, mesmo para regimes transitórios, impacta diretamente no núcleo do indutor, e desta forma no tamanho do indutor e na dissipação de energia. Sendo assim, o indutor ocupa um maior espaço em um circuito, tornando-o caro, pesado e/ou muito volumoso, muitas vezes inviabilizando economicamente um equipamento ou acarretando maior consumo de energia.

[0006] A presente invenção proporciona uma solução para estes problemas. Do que se depreende da literatura pesquisada, não foram encontrados documentos antecipando ou sugerindo os ensinamentos da presente invenção, de forma que a solução aqui proposta possui, aos olhos dos inventores, novidade e atividade inventiva frente ao estado da técnica.

Sumário da Invenção

[0007] A presente invenção tem por objetivo resolver os problemas constantes no estado da técnica a partir de um sistema para correção de conteúdo harmônico de corrente em sistemas de potência que se caracteriza por compreender ao menos um dispositivo de chaveamento (M) associado a ao menos um elemento reativo (L), protegendo o referido indutor e evitando o superdimensionamento do mesmo. O chaveamento visa proteger o indutor da operação acima de seus limites operacionais. Por exemplo, quando corrente ou potência acima de seu limite. Essa proteção viabiliza o projeto e uso de um indutor adequado à operação em regime. Isso também proporciona um sistema com dimensões, peso, e custo menores em relação aos indutores convencionais.

[0008] O conceito inventivo comum a todos os contextos de proteção reivindicados se refere a um sistema de controle de motores elétricos que evita a sobrecarga e o superdimensionamento de um primeiro componente reativo (L) utilizado para a redução do conteúdo harmônico, através de um dispositivo de chaveamento (M) que protege o componente reativo (L) para que este opera na condição de regime (21) sem superdimensionamento.

[0009] É um dos objetos da presente invenção um sistema para correção de conteúdo harmônico de corrente em circuito elétrico de potência que compreende um dispositivo de chaveamento (M) associado a um elemento reativo (L).

[0010] É outro dos objetos da presente invenção um sistema para controle de motores elétricos compreendendo um circuito para a correção de conteúdo harmônico de corrente dotado de um dispositivo de chaveamento (M) associado a um elemento reativo (L).

[0011] É outro dos objetos da presente invenção compressor para refrigeração compreendendo um sistema de controle do motor elétrico que tem um circuito para a correção de conteúdo harmônico de corrente, incluindo compreende um dispositivo de chaveamento (M) associado a um elemento reativo (L).

[0012] Estes e outros objetos da invenção serão imediatamente valorizados pelos versados na arte e pelas empresas com interesses no segmento, e serão descritos em detalhes suficientes para sua reprodução na descrição a seguir.

Breve Descrição das Figuras

[0013] As seguintes figuras são apresentadas com o intuito de melhor definir e esclarecer o conteúdo do presente pedido de patente:

[0014] A figura 1 mostra um diagrama de uma concretização do sistema apresentado na presente invenção.

[0015] A figura 2 mostra os gráficos comparativos de corrente elétrica, fluindo no primeiro componente reativo (L) e no dispositivo de chaveamento (M), bem como o gráfico de operação do controlador (10).

Descrição Detalhada da Invenção

[0016] Em diversas aplicações ligadas a sistemas elétricos de potência, o motor elétrico apresenta uma variação na sua corrente de consumo, ou seja, o referido motor utiliza uma corrente de operação e, em determinado momento, o mesmo necessita de mais potência, impactando em um aumento de corrente. Este aumento é momentâneo e em geral apresenta um pequeno tempo de duração.

[0017] A presente invenção proporciona um sistema para correção de conteúdo harmônico de corrente em sistemas de potência que se caracteriza por compreender um indutor dimensionado para operar em ciclo de regime, sendo protegido por um dispositivo de chaveamento (M), o que permite que o indutor possua dimensões, peso, e custo menores em relação aos indutores convencionais.

[0018] É um dos objetos da presente invenção um sistema para correção de conteúdo harmônico de corrente em circuito elétrico de potência que compreende um dispositivo de chaveamento (M) associado a um elemento reativo (L).

[0019] Em uma concretização, o referido sistema compreende: a. ao menos um sistema de retificação; b. ao menos um primeiro componente reativo (L) para a redução do conteúdo harmônico; c. ao menos um segundo componente reativo (Cp); d. ao menos um dispositivo de chaveamento (M) associado ao primeiro componente reativo (L); e. ao menos um controlador associado ao referido dispositivo de chaveamento (M); e f. ao menos um conversor para o controle do motor.

[0020] Em uma concretização, o referido primeiro componente reativo é um indutor. Em uma concretização, o referido dispositivo de chaveamento é um relé, uma chave lógica, um temporizador, um MOSFET, ou uma combinação dos mesmos. Em uma concretização, o referido conversor é um inversor de frequência.

[0021] Em uma concretização, o sistema de controle retifica o sinal proveniente da fonte de alimentação (13), direciona o sinal retificado ao segundo componente reativo (Cp) e o encaminha a um inversor (11). Dependendo de um sinal, que pode ser tempo, um sinal elétrico resultante de aumento de tensão ou outro sinal relacionado à ocorrência de regime em carga máxima, o dispositivo de chaveamento (M) é acionado, fazendo com que a corrente não passe pelo indutor (L). Quando o dispositivo de chaveamento (M) é desativado, a corrente passa pelo indutor (L).

[0022] É outro dos objetos da presente invenção um sistema para controle de motores elétricos compreendendo um circuito para a correção de conteúdo harmônico de corrente dotado de um dispositivo de chaveamento (M) associado a um elemento reativo (L).

[0023] É outro dos objetos da presente invenção um compressor para refrigeração compreendendo um sistema de controle do motor elétrico que tem um circuito para a correção de conteúdo harmônico de corrente incluindo um dispositivo de chaveamento (M) associado a um elemento reativo (L).

[0024] Em uma concretização, o compressor é de capacidade variável. Em uma concretização, compressor tem um indutor (L) que não recebe corrente durante o ciclo de pull down (10) do compressor, devido ao acionamento do dispositivo de chaveamento (M), proporcionando, dentre outras vantagens, a operação do compressor com rotação em carga máxima superior à obtida quando não se usa um indutor associado ao dispositivo de chaveamento.

[0025] O sistema da invenção é aplicável a diversos sistemas elétricos de potência, como motores elétricos - incluindo motores de compressores para refrigeração.

[0026] Motores elétricos usados em compressores de refrigeradores, por exemplo, são submetidos a dois ciclos: o ciclo de pull-down (10) e o ciclo de regime (11), ou ciclo de operação normal. O ciclo de pull-down (10) consiste no abaixamento de temperatura do refrigerador de acordo com uma temperatura desejada, que ocorre no instante em que o refrigerador é iniciado pela primeira vez, ou quando o mesmo fica por muito tempo desligado. Sendo assim, o ciclo de pull-down (10) não ocorre durante a operação do refrigerador. Porém, tal ciclo requer uma potência elevada e uma corrente elétrica intensa, o que em geral implica no superdimensionamento do indutor para a correção de conteúdo harmônico de corrente.

[0027] Os exemplos a seguir são apresentados apenas com o intuito de facilitar a compreensão do conceito inventivo da presente invenção em algumas de suas concretizações, não devendo ser interpretados como limitativos do escopo da invenção.

Exemplo 1 - Sistema para correção de conteúdo harmônico de corrente em circuito elétrico de potência em um compressor de refrigeração

[0028] A presente invenção apresenta um sistema de correção de conteúdo harmônico em circuitos elétricos de potência compreendendo um indutor (L) como componente reativo. O núcleo do referido indutor é dotado de dimensões reduzidas, contudo atendendo aos requisitos de corrente elétrica no regime de carga normal. Nesta concretização, quando o regime é de carga máxima ou de pull-down (10), também ocorre a máxima temperatura de operação do motor. Nesta concretização, o indutor (L) não recebe corrente devido ao acionamento do dispositivo de chaveamento (M), que protege o indutor. Com isso, o indutor é dimensionado para operação no regime normal de um compressor de capacidade variável.

[0029] Fazendo-se referência à figura 1, tem-se que nessa concretização da invenção evita-se a sobrecarga e o aumento demasiado de tamanho do primeiro componente reativo (L) devido à associação de um sistema de retificação (12); um primeiro componente reativo (L), um segundo componente reativo (Cp), um dispositivo de chaveamento (M), um sistema de controle (10) e um inversor (11).

[0030] O sistema de retificação (12) é interligado a uma fonte (13) de corrente alternada, que é a própria rede elétrica. O sistema de retificação (12) retifica o sinal alternado provindo da fonte (13) convertendo-o em sinais DC. Um segundo componente reativo (Cp) é associado ao sistema de retificação (12) e ao inversor (11), de forma que o segundo componente reativo (Cp) atua como um filtro de frequências.

[0031] Um primeiro componente reativo (L) é associado ao segundo componente reativo (Cp) e ao inversor (11). Tal componente reativo (L), em uma concretização é um indutor. Assim, tal indutor (L) é disposto para reduzir o impacto do conteúdo harmônico, da corrente do inversor (11) e do componente reativo (Cp), na rede elétrica (13).

[0032] Em diversas aplicações, o motor elétrico apresenta uma variação na sua corrente de consumo, ou seja, o referido motor utiliza uma corrente de operação e, em raros momentos, o mesmo necessita de mais potência, impactando em um aumento de corrente, em que este aumento é momentâneo e apresenta um pequeno tempo de duração. Para evitar que o referido indutor (L) apresente uma geometria com um porte muito elevado, por ser dimensionado para suportar este aumento de corrente, e que ocorra uma sobrecarga do mesmo, um dispositivo de chaveamento (M) é associado ao dito indutor (L), de forma que ambos são conectados em paralelo. Um controlador (10) é associado ao referido dispositivo de chaveamento (M).

[0033] Em uma concretização, o referido dispositivo de chaveamento (M) é um selecionado dentre: é um relé, uma chave lógica, um temporizador, um MOSFET, ou uma combinação dos mesmos.

[0034] O controlador (10) é configurado para acionar o dispositivo de chaveamento (M), o que pode ser feito de diversas formas. Em uma concretização o acionamento é dado pelo transcorrer de um tempo predeterminado, da sinalização de um termostato, pela energização do sistema, pelo torque do motor, pela potência do inversor, ou por qualquer sinal associado ao início e/ou fim do ciclo de carga máxima de um motor elétrico ou de pull down (20) de um refrigerador. Em uma concretização, o controlador (10) detecta o início do ciclo de pull down (20) a partir da leitura da potência do inversor (11), uma vez que quando o refrigerador entra no ciclo de pull down (20), o mesmo necessita de maior potência. Com isso, no momento em que o controlador (10) detecta que a potência do inversor (11) ultrapassa um valor pré- determinado, o mesmo envia um sinal de controle para o dispositivo de chaveamento (M), fazendo com que a corrente de retorno passe toda pelo dito dispositivo de chaveamento (M). Ou seja, quando o dispositivo de chaveamento (M) entra no circuito, o primeiro elemento reativo (L) é desativado, ou seja, tirado de operação.

[0035] A característica de controle do acionamento do dispositivo de chaveamento (M) protege o indutor (L) e viabiliza seu dimensionamento para operar no ciclo de regime (21), pois as correntes elevadas do ciclo de pull down (20) passam pelo dispositivo de chaveamento (M). Desta forma, o indutor (L) é opera com uma corrente elétrica mais baixa, apresentando um tamanho reduzido e, consequentemente, um custo de manufatura menor, devido ao fato que a quantidade de material para produzir o dito indutor (L) é reduzida. Além disso, a dissipação de energia no indutor é menor, proporcionando melhor eficiência energética ao conjunto.

[0036] A figura 2 apresenta um gráfico para a comparação da corrente elétrica no dispositivo de chaveamento (M) e no primeiro componente reativo (L). É notório que quando o controlador (10) é acionado no ciclo de pull down (20) a corrente passa pelo dispositivo de chaveamento (M) e não pelo primeiro componente reativo (L). No momento em que o sistema de refrigeração retorna ao ciclo de regime (21) o dispositivo de chaveamento (M) é desativado e a corrente volta a fluir pelo primeiro componente reativo (L).

[0037] Ainda na figura 2, o gráfico do controlador (10) mostra que o mesmo envia um sinal de ligamento “ON” para o dispositivo de chaveamento (M), e, posteriormente, envia um sinal de desligamento “OFF” para o dito dispositivo de chaveamento (M). O controlador (10) detecta o momento em que a potência do inversor (11) está abaixo de um valor pré- definido, para que assim envie o sinal de desligamento “OFF”.

[0038] A presente invenção também proporciona um método de controle de motores elétricos em que compreende o dimensionamento de um primeiro elemento reativo (L) para operação em ciclo de regime (21). Com isso, o sistema é iniciado e compreende a etapa de retificação do sinal provindo da rede elétrica (13), através de um sistema de retificação (12), convertendo o dito sinal para DC.

[0039] O sinal é então, direcionado para um segundo componente reativo (Cp), no qual o mesmo é encaminhado para um inversor (11). O controlador (10) detecta o início do ciclo de pull down (20) do refrigerador, e aciona o dispositivo de chaveamento (M), fazendo com que a corrente do ciclo de pull down (20) percorra pelo dito dispositivo de chaveamento (M).

[0040] Em uma concretização, o início do ciclo de pull down (20) é associado à variação de potência do inversor (11), assim, no momento em que o valor da potência do inversor (11) é maior do que um valor pré-determinado, o controlador (10) aciona o dispositivo de chaveamento (M), fazendo com que a corrente percorra pelo mesmo.

[0041] O controlador detecta o término do ciclo de pull down (20), e assim, envia um sinal de controle para o dispositivo de chaveamento, realizando o desacionamento do mesmo. Com isso, ainda na concretização do ciclo de pull down (20) associado à potência do inversor (11), no momento em que a potência do inversor (11) é menor que um valor pré- determinado, o sistema de controle (10) desaciona o dispositivo de chaveamento (M), fazendo com que a corrente torne a passar pelo primeiro componente reativo (L).

[0042] Desta forma, a solução proposta na presente invenção permite que o primeiro componente reativo (L) seja dimensionado para operar na corrente de regime (21), que é a corrente de operação normal de um motor. O primeiro elemento reativo (L), assim, compreende um tamanho diminuído e um custo de manufatura reduzido, devido ao fato de necessitar de menor quantidade de material para a produção do mesmo.

[0043] Na presente invenção, o sistema de controle tem tamanho e peso reduzidos, respeitando às condições de operação do compressor durante o ciclo de pull down (10) de, por exemplo, um refrigerador, a qual o compressor de capacidade variável é instalado. Dentre outras vantagens decorrentes da utilização deste indutor para um compressor de capacidade variável, o aumento da capacidade (rotação) do compressor em máxima carga merece destaque, pois o indutor tem reduzida indutância e o impacto na queda de tensão disponível para o compressor se torna menor. A invenção proporciona diminuição detectável da indutância durante o regime de operação de carga máxima. A rotação em carga máxima é superior à obtida quando não se usa o sistema da invenção.

[0044] Os versados na arte valorizarão os conhecimentos aqui apresentados e poderão reproduzir a invenção nas modalidades apresentadas e em outras variantes, abrangidas no escopo das reivindicações anexas.

Claims

1. Sistema para redução de conteúdo harmônico de corrente em circuito elétrico de potência, compreendendo: a. ao menos um retificador configurado para retificar um sinal AC a partir de uma fonte de alimentação (13) e convertê-lo em um sinal CC; b. ao menos um indutor (L) para a redução do conteúdo harmônico; c. ao menos um capacitor (Cp) conectado em série com o dito pelo menos um indutor (L), o dito capacitor (Cp) e o dito indutor (L) estando conectados de modo a serem alimentados pelo referido pelo menos um retificador; d. ao menos um dispositivo de chaveamento (M) conectado ao indutor (L); e. ao menos um controlador associado ao referido dispositivo de chaveamento (M) para ligá-lo/desligá-lo; e f. ao menos um conversor para o controle do motor, o referido conversor sendo acoplado ao dito pelo menos um capacitor (Cp), caracterizado pelo fato de que, o dito dispositivo de chaveamento (M) está eletricamente conectado em paralelo com o indutor (L), de modo que o dito pelo menos um indutor (L) para redução do conteúdo harmônico é curto-circuitado quando o dispositivo de chaveamento (M) é ligado; o controlador (10) é configurado para detectar a potência do pelo menos um conversor, e no momento em que o controlador (10) detecta que a potência do conversor excede um valor predeterminado, o controlador é adicionalmente configurado para enviar um sinal para o dispositivo de chaveamento (M) para ligar o dispositivo de chaveamento (M), de modo que nenhuma corrente passa pelo indutor (L), e, no momento em que o controlador (10) detecta que a potência do conversor é inferior a valor predeterminado, o controlador é adicionalmente configurado para enviar um sinal para o dispositivo de chaveamento (M) para desligar o dito dispositivo de chaveamento (M).

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o referido dispositivo de chaveamento é um relé, uma chave lógica, um temporizador, um MOSFET, ou uma combinação dos mesmos.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o referido conversor é um inversor de frequência (11).

4. Compressor para refrigeração, compreendendo: um motor elétrico; um sistema de controle de motores elétricos com um sistema para redução de conteúdo de corrente harmônica em um circuito elétrico de potência conforme definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o controlador (10) é configurado para detectar a potência do pelo menos um conversor para detectar o início de um ciclo de operação pull down do dito motor elétrico, e no momento em que o controlador (10) detecta que a potência do conversor excede um valor predeterminado, o controlador é adicionalmente configurado para enviar um sinal para o dispositivo de chaveamento (M) para ligar o dispositivo de chaveamento (M), de modo que nenhuma corrente passa pelo indutor (L), e, no momento em que o controlador (10) detecta que a potência do conversor é inferior a valor predeterminado, o controlador é adicionalmente configurado para enviar um sinal para o dispositivo de chaveamento (M) para desligar o dito dispositivo de chaveamento (M).

5. Compressor, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que é um compressor de capacidade variável.