BR102019018375A2 - Método para otimização da eficiência de condicionadores de ar - Google Patents

Abstract

a presente invenção refere-se a um sistema para otimização da eficiência de equipamentos de refrigeração, tais como condicionadores de ar, refrigeradores, freezers, ilhas de congelados, entre outros, baseado na utilização de compressores herméticos de velocidade variável, controlado eletronicamente. o controle eletrônico do compressor executa um algoritmo de otimização do consumo de energia elétrica, operando de forma autônoma, adaptativa e sem sensor de temperatura, no entanto, mantendo a temperatura ajustada pelo usuário e uma rápida atuação na ocorrência de distúrbios que alterem o ponto de operação em regime permanente. a presente invenção implica em vantagem competitiva por permitir a conversão de um condicionador de ar do tipo on-off em um condicionador de ar do tipo inverter pela simples substituição do compressor de velocidade fixa por um de velocidade variável, acrescentando-se uma placa eletrônica de controle, que excuta um algoritmo de otimização da eficiência energética.

Description

MÉTODO PARA OTIMIZAÇÃO DA EFICIÊNCIA DE CONDICIONADORES DE AR CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se a um método para otimizar a eficiência de sistemas de condicionadores de ar do tipo inverter, ou seja, que utilizam compressores herméticos rotativos, de capacidade variável, tanto em aplicações mini-split, quando as unidades evaporadora e condensadora são separadas, quanto em condicionadores de ar tipo janela, onde condensador e evaporador estão integrados no mesmo gabinete.

[002] O objetivo destes sistemas, uma vez que o ambiente a ser refrigerado atinja a temperatura desejada, é reduzir a velocidade do compressor para reduzir a capacidade de refrigeração gerada pelo compressor. Uma vez que velocidade de rotação do motor do compressor está diretamente relacionada à capacidade de refrigeração, ou seja, quanto maior a velocidade maior será a capacidade e vice-versa, a estratégia de operar em baixas velocidades por longos períodos de tempo leva a um menor consumo de energia elétrica, consequentemente a uma maior eficiência energética.

[003] Uma questão importante é como o sistema convergirá para a condição de baixa velocidade.

[004] As técnicas atuais para controle de condicionadores de ar tipo inverter utilizam circuitos eletrônicos complexos na unidade condensadora, aquela que controla o compressor, com vários sensores de temperatura, para decidir a melhor rotação para operar.

[005] A presente invenção faz uso de uma técnica de software sem sensores de temperatura, para decidir a melhor rotação do motor e assim controlar o compressor no melhor ponto de funcionamento. Controlando o condicionador de ar por meio desta técnica, reduz-se a complexidade e o custo do condicionador de ar e ao mesmo tempo obtêm-se um menor consumo energético para uma dada condição de operação.

DESCRIÇÃO DO ESTADO DA TÉCNICA

[006] Como é bem conhecido da arte anterior, os equipamentos condicionadores de ar possuem uma pluralidade de dispositivos eletromecânicos e/ou eletrônicos para comandar a operação do compressor hermético, responsável pelo bombeamento do fluido refrigerante em tais equipamentos. Dentre estes condicionadores de ar, uma categoria especial utiliza compressores herméticos de capacidade variável, ditos inverter, os quais permitem variar a capacidade de refrigeração em função da carga térmica, para qualquer instante de operação. A possibilidade de variação da capacidade térmica é particularmente interessante quando se deseja reduzir o consumo de energia elétrica, pois uma vez que a temperatura ambiente controlada por um condicionador de ar, atingiu a referência ajustada pelo usuário, pode-se reduzir a capacidade frigorífica gerada pelo compressor, o qual irá operar em regime estacionário apenas para repor as perdas térmicas do ambiente.

[007] Em um compressor hermético, a forma de variar a capacidade de refrigeração é por meio da variação da velocidade de rotação do seu motor elétrico. Da técnica atual sabe-se que a capacidade de refrigeração desenvolvida por um compressor hermético é diretamente proporcional à velocidade de rotação do motor elétrico, desta forma, quanto maior a velocidade, maior será a capacidade de refrigeração e vice-versa.

[008] O compressor hermético para aplicações de velocidade variável é composto, do ponto de vista elétrico, basicamente pelos seguintes componentes: um motor elétrico, tipicamente com imãs permanentes no rotor, chamados “motores síncronos de ímã permanente”, ou no idioma inglês, Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM), um conversor eletrônico, responsável por converter tensão alternada em tensão contínua e tensão contínua em tensão alternada com amplitude e frequência variáveis, filtros e um sistema de processamento digital de sinais. A partir desses componentes a velocidade do motor elétrico é controlada por meio de um conversor eletrônico, dito inversor, tipicamente trifásico, que utiliza uma lógica de software adequada, implementada em seu processador digital de sinais, com objetivo de gerar tensões elétricas com magnitude, frequência e fase controladas para serem aplicadas nos terminais do motor elétrico.

[009] Neste aspecto os sistemas eletrônicos que controlam uma unidade condensadora de um condicionador de ar tipo inverter é composta por um circuito inversor, uma pluralidade de entradas para sensores de temperatura, saídas para acionamento de ventilador, válvulas, entre outras. Um segundo aspecto dos sistemas eletrônicos que controlam uma unidade condensadora de um condicionador de ar tipo inverter é a presença de um canal de comunicação serial com a unidade evaporadora, que nas aplicações do tipo mini-split são remotamente montadas, sendo a unidade evaporadora montada no interior do ambiente a ser climatizado e a unidade condensadora no ambiente externo. Um terceiro aspecto dos sistemas eletrônicos que controlam uma unidade condensadora de um condicionador de ar tipo inverter é a presença de um software para comunicar com a unidade evaporadora, gerenciar os sensores, calcular a rotação do compressor em função das informações enviadas pela unidade evaporadora e dos ditos sensores de temperatura e, finalmente, acionar o estágio inversor, que por sua vez alimentará o motor elétrico PMSM do compressor com tensão e frequência variáveis, permitindo a variação da rotação dentro de uma faixa predefinida de velocidade, tipicamente, mas não limitada a, 1800 rpm a 6000 rpm.

[010] Desta forma, como é bem conhecido do estado da técnica, sistemas de condicionamento de ar do tipo inverter são mais complexos e caros que aqueles ditos on/off, ou que utilizam compressores herméticos convencionais, do tipo velocidade fixa, os quais tipicamente utilizam motores elétricos do tipo “indução monofásico”, ou no idioma inglês, Single Phase Induction Motor (SPIM), para aplicações de baixa potência, que atendem os mercados residencial e comercial leve.

[011] Sistemas de condicionamento de ar do tipo on/off, por outro lado, são sistemas mais simples e baratos, mas com desempenho energético inferior que os ditos inverters. Isso se deve ao fato que no sistema de condicionamento de ar do tipo on/off, o SPIM opera em apenas dois estados: ligado ou desligado, sendo que, no estado ligado, o SPIM irá operar abaixo, mas próximo, da sua velocidade síncrona, que para sistemas elétricos operando em 50 Hz é 3000 rpm e para sistemas em 60 Hz é 3600 rpm. Operar entre os estados desligado e velocidade nominal não permite otimização da eficiência, uma vez que a única variável a ser controlada é o tempo que o compressor permanece ligado, o qual é informado pelo termostato (controlador de temperatura), embarcado na unidade evaporadora.

[012] Neste aspecto, a unidade evaporadora do condicionador de ar do tipo on/off, envia um comando para ligar ou desligar o compressor e o ventilador, que estão embarcados na unidade condensadora, os quais permanecerão ligados enquanto a temperatura do ambiente controlado estiver acima da referência ajustada pelo usuário.

[013] Propostas recentes para controle de condicionadores de ar consideram o uso da variação da velocidade do compressor, conforme descrito, por exemplo, na patente US20190047353 a qual impõe uma complexidade no sistema apenas para evitar rotações indesejáveis, mas não explora todo o potencial da técnica. A patente US20190049136 explora apenas a possibilidade de variar a velocidade do ventilador da unidade evaporadora, sem considerar os benefícios de variar a rotação do compressor hermético. Já a patente WO2019011094 é uma melhoria com relação a anterior, pois além de explorar a variação do ventilador da umidade evaporadora, também varia a velocidade do compressor, mas sem explorar lógicas mais sofisticadas de controle, levando a uma solução não ótima. A patente EP3431902 explora a utilização do compressor de velocidade variável operando em conjunto com uma válvula de expansão eletrônica (EEV) que proporciona benefícios termodinâmicos, mas impõe aumento da complexidade de implementação do software de controle da unidade evaporadora, bem como aumenta o custo do sistema pelo uso da EEV. A recém publicada patente US9976766B2 explora de forma mais eficaz a combinação do compressor de velocidade variável operando em conjunto com uma EEV caracterizando como uma evolução do princípio inventivo, quando comparada com a EP3431902, mas ainda sem explorar lógicas mais sofisticadas de controle do compressor de velocidade variável. A patente WO2016167111explora aspectos do hardware para operar condicionadores de ar do tipo inverter, onde claramente se observa a complexidade do sistema a ser controlado. Finalmente, a patente KR20170084303 reivindica direitos sobre aspectos construtivos para um condicionador de ar do tipo inverter, para montagem em janela, novamente sem reivindicar, ou explorar, lógicas controle para o compressor de velocidade variável.

[014] Apesar das inúmeras patentes que aplicam a técnica de compressores tipo inverter, para condicionadores de ar do tipo mini-split, mas não limitado a este, observa-se que o estado da técnica impõe soluções de elevada complexidade, consequentemente custo, não explora a minimização do sistema, com consequente redução de complexidade de montagem e serviço em campo, redução de custo e o aumento da eficiência energética do sistema, por meio do uso de estratégias de software.

[015] Mesmo considerando a grande variedade de soluções envolvendo o uso de compressores herméticos de velocidade, ou de capacidade variável, as técnicas atuais possuem limitações ou particularizações que a presente invenção se propõe a solucionar, principalmente aquelas envolvendo a simplificação do sistema e o aumento da eficiência por meio de estratégias de software.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO

[016] É, portanto, o propósito da atual invenção prover uma estratégia de controle para compressores herméticos de velocidade variável, aplicados em condicionadores de ar do tipo inverter, por meio de uma técnica de software que otimize a operação em toda a faixa de velocidade do compressor, operando em alta velocidade quando se faz necessário um rápido abaixamento da temperatura do ambiente climatizado e logo após reduzindo sistematicamente a velocidade para que o compressor opere na menor velocidade possível, para redução do consumo de energia elétrica.

[017] Em consonância com o primeiro objetivo, um segundo objetivo da atual invenção é propor uma estratégia, aplicada condicionadores de ar concebidos para operar em velocidade fixa, na qual o compressor de velocidade fixa é substituído por um de velocidade variável, em um processo tipicamente conhecido como “drop-in”, de forma a criar um condicionador de ar do tipo inverter a partir de um de velocidade fixa.

[018] Em consonância com o primeiro e segundo objetivos, um terceiro objetivo da atual invenção é propor uma estratégia de software que determina e comanda a melhor velocidade de operação para o motor do compressor, baseado apenas no ciclo liga/desliga do termostato.

[019] Em consonância com os objetivos anteriores, um quarto objetivo da atual invenção é propor uma solução para condicionadores de ar do tipo capacidade variável, de menor complexidade e sem o uso de sensores de temperatura no condensador do condicionador de ar, tais como aqueles do tipo inverter, tanto do tipo mini-split, quanto do tipo de janela, mas não limitado a estes, podendo ser aplicado a outros sistemas de condicionamento de ar, tais como aqueles utilizados em aplicações móveis.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[020] Os objetivos da atual invenção são alcançados através de uma placa eletrônica para controle de motor elétrico do tipo PMSM que compõe o compressor hermético, doravante denominada “inversor”, a qual será embarcada em um condicionador de ar do tipo inverter ou do tipo velocidade fixa.

[021] O inversor é implementado por uma pluralidade de conversores eletrônicos dotados pelo menos de um estágio de processamento de energia, denominado estágio de potência e pelo menos de um estágio de processamento digital de sinais e, sendo que este estágio possui pelo menos um dispositivo programável, o qual pode ser implementado por uma pluralidade de processadores, tais como microcontroladores (MCU), processadores digital de sinais (DSP), entre outros. O referido dispositivo programável executa um algoritmo de controle do motor PMSM, que é acoplado a um algoritmo adaptativo para maximização da eficiência energética, com o objetivo de encontrar a menor velocidade necessária para manter o ambiente refrigerado, na temperatura selecionada pelo usuário, ou seja, a menor capacidade de refrigeração para atender uma determinada carga térmica imposta ao sistema de condicionamento de ar.

[022] Uma vantagem da presente invenção, com relação ao estado da técnica, é que a implementação de um condicionador de ar do tipo inverter fica substancialmente mais simples.

[023] Uma vez encontrada a menor velocidade a ser comandada ao motor, o referido estágio de processamento de energia composto de pelo menos um estágio de filtro CA, um estágio retificador, um estágio intermediário contendo um filtro CC e um estágio inversor, mas não limitado a estes, comanda essa velocidade ao compressor hermético de velocidade variável com imãs permanente no rotor. O comando da menor velocidade necessária à geração da capacidade de refrigeração requerida pela carga térmica tem por objetivo reduzir as perdas do sistema e com isso o objetivo final desta invenção é alcançado, por meio da maximização da eficiência energética do condicionador de ar.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[024] Figura 1: Diagrama de blocos simplificado do circuito elétrico para o estado da técnica do controle de condicionadores de ar do tipo mini-split inverter.

[025] Figura 2: Diagrama de blocos simplificado do circuito elétrico para o estado da técnica do controle de condicionadores de ar do tipo mini-split on-off.

[026] Figura 3: Diagrama de blocos simplificado do circuito elétrico proposto pela presente invenção para simplificar o controle de condicionadores de ar do tipo mini-split inverter.

[027] Figura 4: Diagrama de blocos simplificado do circuito elétrico proposto pela presente invenção para transformar um condicionador de ar do tipo mini-split on-off em um condicionador de ar do tipo mini-split inverter, de baixo custo e baixa complexidade.

[028] Figura 5: Diagrama de blocos simplificado da lógica de otimização de velocidade e consumo de energia elétrica.

[029] Figura 6: Resposta temporal típica do sistema de otimização de velocidade.

DESCRIÇÃO DETALHADA DO INVENTO

[030] A presente invenção será descrita em detalhes através das Figuras de 1 a 6, as quais ilustram concepções preferenciais, mas não obrigatórias e/ou limitadas a estas, para implementação da presente invenção.

[031] A Figura 1 ilustra o diagrama de blocos simplificado do circuito elétrico de um sistema condicionador de ar do tipo mini-split inverter tradicional, tal como descrito pelo estado da técnica, o qual é considerado na presente invenção como subsídio para que se possa entender o princípio inventivo ora proposto. Tal sistema é constituído por uma unidade evaporadora (1), instalada no ambiente a ser refrigerado e conectada à unidade condensadora (2), instalada remotamente no ambiente externo.

[032] A unidade evaporadora (1) possui uma placa eletrônica de controle (3), a qual possui pelo menos um dispositivo programável do tipo processador digital de sinais (4), sendo que a placa eletrônica de controle (3) faz interface com todos os sensores e comanda todos os atuadores desta unidade. A placa de controle (3) é conectada na rede elétrica (5), de forma que, em uma variante construtiva, a unidade condensadora (2) recebe energia elétrica via unidade evaporadora (1). Tipicamente uma unidade evaporadora possui dois sensores de temperatura do tipo NTC, mas não limitado a este, sendo que um primeiro sensor (6) é responsável pela medida da temperatura do ambiente a ser refrigerado e um segundo sensor (7) mede a temperatura na saída de ar do evaporador, não mostrado na Figura 1. Um ventilador (8) é responsável pela circulação do ar refrigerado, forçando a passagem do ar pelo evaporador. Um motor (9) movimenta as aletas do difusor de ar, não mostrado na Figura 1, para facilitar a homogeneização do ar refrigerado. Como característica adicional, tais condicionadores de ar, tipicamente, possuem a função de aquecimento, que pode ser obtido por meio de uma resistência de aquecimento (10), mas não limitado a esta. Ainda como característica adicional, tais condicionadores de ar possuem um controle remoto (11) para ajuste da temperatura de referência, entre outras funcionalidades, por parte do usuário. Sendo a temperatura de referência utilizada por um algoritmo de controle de temperatura, dito termostato eletrônico (12), embarcado no software do processador digital de sinais (4) da placa de controle (3), o qual será responsável pela definição da velocidade com que o compressor de velocidade variável deverá operar. A referência de velocidade é enviada a uma interface serial (13) que envia um sinal codificado para a unidade condensadora (2) via cabo de comunicação (14), que interliga as duas unidades. Um cabo de força (15) fornece energia elétrica proveniente da unidade evaporadora (1) para a unidade condensadora (2), no qual, tipicamente está instalado um reator, ou indutor (16) , que faz parte do corretor de fator de potência da placa de controle (17) , da unidade condensadora. A placa eletrônica de controle (17), a qual possui pelo menos um dispositivo programável do tipo processador digital de sinais (18), sendo que o dito processador digital de sinais (18) recebe o comando de velocidade, via interface serial (19) e o envia ao circuito inversor (25). Ainda, a placa eletrônica de controle (18), por meio do processador digital de sinais (19) faz interface com todos os sensores e comanda todos os atuadores da unidade condensadora. Tipicamente uma unidade condensadora possui três sensores de temperatura do tipo NTC, mas não limitado a este, sendo que um primeiro sensor (20) é responsável pela medida da temperatura do ambiente externo, um segundo sensor (21) mede a temperatura do condensador e um terceiro sensor (22) mede a temperatura do tubo de descarga do compressor (24). Um ventilador (23) é responsável pela circulação do ar através do condensador para otimizar a troca de calor entre este e o meio externo. Um compressor hermético do tipo velocidade variável (24) é acionado por meio de um circuito inversor (25), embarcado na placa de controle (17), sendo que em uma variante construtiva, mas não limitado a esta, o processador digital de sinais (18) implementa a lógica de controle e acionamento do motor PMSM, embarcado no referido compressor (24). Acoplado externamente ao compressor (24), um protetor térmico (26), tipicamente do tipo bimetálico, mas não limitado a este, monitora a temperatura da carcaça do compressor (24), caso a temperatura deste ultrapasse um determinado limite, neste caso, um sinal lógico indicando a falha é enviado ao processador digital de sinais (18), ou a alimentação do compressor (24) é interrompida, por motivos de segurança. Ainda em uma variante construtiva, a unidade condensadora (2) pode conter uma válvula de expansão eletrônica (27) e uma válvula de reversão (28) para controle dos ciclos frio e quente, dependendo da versão do ar condicionado.

[033] Na concepção ilustrada através da Figura 1 não estão representados os componentes que fazem parte do sistema de refrigeração do condicionador de ar, tais como: evaporador, condensador, filtro, entre outros, por não serem determinantes para os objetivos da presente invenção.

[034] No entanto, a Figura 1 destaca um importante elemento do sistema de refrigeração que é o termostato (12), que nesta concepção é do tipo eletrônico implementado em software, em contraposição aos termostatos eletromecânicos, sendo que o referido termostato (12) é responsável pelo controle da temperatura do ambiente climatizado, a partir de uma referência de temperatura indicada pelo usuário, via controle remoto (11). Em aplicações contendo compressores herméticos de velocidade variável, faz-se necessário determinar uma referência de velocidade para operação do compressor, para que a temperatura do ambiente climatizado seja mantida de acordo com a desejada pelo usuário. Uma vez definida a referência de velocidade, ela é disponibilizada ao algoritmo de controle (29) que faz interface com o inversor (25), para operação do motor do compressor (24). Será objeto da presente invenção discutir a determinação da melhor referência de velocidade de operação do compressor, o que será detalhado na Figura 5.

[035] Em uma segunda concepção, a Figura 2 ilustra o diagrama de blocos simplificado do circuito elétrico do condicionador de ar do tipo mini-split on-off tradicional, tal como descrito pelo estado da técnica, o qual também é considerado na presente invenção como subsidio para que se possa entender o princípio inventivo ora proposto. Semelhante ao descrito na Figura 1, tal sistema também é constituído por uma unidade evaporadora (30), instalada no ambiente a ser refrigerado e conectada a uma unidade condensadora (31), instalada remotamente no ambiente externo.

[036] A unidade evaporadora (30) possui uma placa eletrônica de controle (32), a qual tipicamente possui pelo menos um dispositivo programável do tipo processador digital de sinais (33), sendo que a placa eletrônica de controle (32) faz interface com todos os sensores e comanda todos os atuadores desta unidade. A placa de controle (32) é conectada na rede elétrica (34), de forma que, em uma variante construtiva, a unidade condensadora (31) recebe energia elétrica via unidade evaporadora (30). Tipicamente uma unidade evaporadora possui dois sensores de temperatura do tipo NTC, mas não limitado a este, sendo que um primeiro sensor (35) é responsável pela medida da temperatura do ambiente a ser refrigerado e um segundo sensor (36) mede a temperatura na saída de ar do evaporador. Um ventilador (37) é responsável pela circulação do ar refrigerado, forçando a passagem do ar pelo evaporador. Um motor (38) movimenta as aletas do difusor de ar para facilitar a homogeneização do ar refrigerado no ambiente. Como característica adicional, tais condicionadores de ar, tipicamente, possuem a função de aquecimento, que pode ser obtido por meio de uma resistência de aquecimento (39), mas não limitado a esta. Ainda como característica adicional, tais condicionadores de ar possuem um controle remoto (40) para ajuste da temperatura de referência, entre outros parâmetros, por parte do usuário. Sendo a temperatura de referência utilizada por um algoritmo de controle de temperatura, dito termostato eletrônico (41), cuja saída é um relé eletromecânico, o qual será responsável por acionar o compressor (43) e o ventilador (44) da unidade condensadora (31). Nesta variante construtiva não existe a geração da referência de velocidade para o compressor (43), uma vez que este é do tipo velocidade fixa e opera em apenas dois estados: compressor desligado ou compressor ligado, não permitindo ajustes de velocidade. Um cabo de força (42) envia energia elétrica da unidade evaporadora (30) para a unidade condensadora (31), por meio do relé de saída do termostato (41). Quando o termostato (33) detecta, por meio do sensor (35), que o ambiente climatizado está acima do valor desejado pelo usuário, seu relé de saída é acionado e comanda ao mesmo tempo o compressor (43) e o ventilador (44), até que a temperatura desejada seja atingida. Como característica adicional, um protetor térmico (45) do tipo bimetálico protege o compressor (43) para o caso de aquecimento anormal.

[037] Em uma concepção inovadora, a Figura 3 ilustra de forma semelhante o diagrama de blocos simplificado do circuito elétrico da unidade evaporadora (1), descrito na Figura 1, para o sistema condicionador de ar do tipo mini-split inverter tradicional, que é utilizado na presente invenção como uma concepção preferencial, mas não obrigatória, sendo que esta concepção não deve ser entendida como limitadora, de qualquer forma, dentro do escopo do presente invento. De acordo com os ensinamentos da Figura 1, a Figura 3 também possui uma unidade condensadora (2), instalada remotamente no ambiente externo, que por sua vez também possui uma placa eletrônica (46), significativamente mais simples que aquela descrita na Figura 1. A placa eletrônica (46) possui um processador digital de sinais (47) que se comunica através de um canal serial, mas não limitado a este, com a unidade evaporadora (1), por meio da interface serial (48), a qual fornece referência de operação para o algoritmo de otimização da eficiência (49), que será descrito na Figura 5, o qual por fim, gera a melhor referência de rotação para operar o motor PMSM, embarcado no compressor de velocidade variável (51), por meio da lógica de acionamento e de um circuito inversor (50). Como se verá nos ensinamentos da Figura 5, esta estratégia é significativamente mais simples que aquela utilizada na Figura 1, por dispensar os sensores utilizados na unidade evaporadora da Figura 1. Ainda como parte da placa de controle (46), um protetor térmico (52), tipicamente do tipo bimetálico, mas não limitado a este, monitora a temperatura da carcaça do compressor (51), caso a temperatura deste ultrapasse um determinado limite, um sinal lógico é enviado ao processador digital de sinais (47), ou a alimentação do compressor (51) é interrompida, por motivos de segurança. De forma análoga aos ensinamentos anteriores, um ventilador (53) é responsável pela circulação do ar através do condensador para otimizar a troca de calor entre este e o meio externo.

[038] Em uma segunda concepção inovadora, a Figura 4 ilustra o mesmo diagrama de blocos simplificado do circuito elétrico da unidade evaporadora (30), descrito na Figura 2 para o sistema condicionador de ar do tipo mini-split on-off tradicional, que será utilizado na presenta invenção como uma concepção preferencial, mas não obrigatória, sendo que esta concepção não deve ser entendida como limitadora, de qualquer forma, dentro do escopo do presente invento. De acordo com os ensinamentos da Figura 2, um condicionador de ar do tipo mini-split on-off utiliza um compressor hermético de velocidade fixa, o qual será substituído por um compressor hermético de velocidade variável (59). De acordo com a concepção da presente invenção, a Figura 4 também possui uma unidade condensadora (31), instalada remotamente no ambiente externo, conectada à unidade evaporadora (30) por meio de um cabo de força (54) responsável por alimentar a unidade condensadora (31), a qual recebe o sinal de comando do relé do termostato (41) embarcado na placa de controle (32), a qual se conecta na placa eletrônica (56) por meio do cabo (55) . De acordo com a concepção da presente invenção, a placa eletrônica (56) é significativamente mais simples que aquela descrita na Figura 1. A placa eletrônica (56) possui um processador digital de sinais (57) que recebe um sinal ligado/desligado (on-off) do relé do termostato (41), mas não limitado a este, o qual fornece referência de operação para o algoritmo de otimização da eficiência embarcado no processador (57), que será descrito em detalhes na Figura 5, o qual por fim, gera a melhor referência de rotação para operar o motor PMSM, embarcado no compressor de velocidade variável (59), por meio da lógica de acionamento e de um circuito inversor (58). Como se verá nos ensinamentos da Figura 5, esta estratégia se mostrará significativamente mais simples que aquela utilizada na Figura 1 e permite transformar um condicionador de ar do tipo mini-split on-off em um condicionador de ar do tipo mini-split inverter, pela substituição direta de um compressor de velocidade fixa por um de velocidade variável, acrescentando-se uma placa de controle (56) na unidade condensadora (31). Ainda como parte da placa de controle (56), um protetor térmico (60), tipicamente do tipo bimetálico, mas não limitado a este, monitora a temperatura da carcaça do compressor (59), caso a temperatura deste ultrapasse um determinado limite, um sinal lógico é enviado ao processador digital de sinais (57), ou a alimentação do compressor (59) é interrompida, por motivos de segurança. De forma análoga aos ensinamentos anteriores, um ventilador (61) é responsável pela circulação do ar através do condensador para otimizar a troca de calor entre este e o meio externo, no entanto esse ventilador não precisa ser controlado pela placa de controle (56), podendo ser conectado diretamente no rele de saída do termostato (41), sendo que esta concepção não deve ser entendida como limitadora, de qualquer forma, dentro do escopo do presente invento.

[039] Cabe ressaltar que a presente invenção pode ser aplicada a uma pluralidade de sistemas de condicionadores de ar, tais como, mas não limitado a estes, o já citado mini-split inverter, mini-split on/off, condicionadores de ar do tipo “janela” (onde o evaporador e condensador estão na mesma unidade do equipamento), tanto do tipo inverter quanto do tipo on/off, tanto para uso residencial quanto para comercial. Em uma concepção preferencial, mas não obrigatória, as variantes construtivas representadas pelas Figuras 3 e 4, objetos da presente invenção, referem-se a sistemas mini-split, sem restringir seu uso em condicionadores de ar do tipo janela.

[040] Em uma terceira concepção inovadora, a Figura 5 ilustra o diagrama de blocos simplificado do algoritmo de otimização da eficiência (49), aplicado em equipamentos de refrigeração que utilizam compressores de velocidade variável, tal como exemplificado na presente invenção, mas não limitado às aplicações em condicionadores de ar, podendo também ser aplicado em equipamentos destinados à refrigeração doméstica, comercial ou industrial, de forma que a concepção construtiva aqui apresentada não deve ser entendida como limitadora de qualquer forma, dentro do escopo do presente invento.

[041] De acordo com os ensinamentos da Figura 5, a qual representa o método para otimização do consumo de energia elétrica (49), doravante denominado “TAL” - acrônimo para Tecumseh Adaptive Logic -método este que utiliza técnicas de aprendizado de máquina, de forma que é possível analisar dados automaticamente por meio de uma estratégia de tomada de decisões, com características adaptativa, ou seja, é independente do tipo de sistema de refrigeração no qual é aplicado. O objetivo final do algoritmo TAL é determinar a velocidade de operação para o compressor hermético de velocidade variável, que minimiza o consumo de energia elétrica, para um determinado ponto de operação do sistema térmico, de acordo com as variações da carga térmica e da temperatura ambiente, que de acordo com os ensinamentos já descritos na presente invenção, pode ser aplicado a um equipamento de refrigeração sem qualquer alteração adicional, tal como a adição de sensores de temperatura ou outros. O método TAL permite ainda a substituição rápida e direta de compressores de velocidade fixa por um de velocidade variável, sendo que a utilização deste método proporciona as seguintes vantagens competitivas: rápido abaixamento da temperatura, rápida recuperação da temperatura após transientes de carga, rápida recuperação da temperatura após quedas de energia, manutenção da estabilidade da temperatura na carga térmica em regime permanente, tolerância contra distúrbios de temperatura e transientes de carga.

[042] Em uma concepção preferencial, mas não obrigatória, ainda de acordo com os ensinamentos da Figura 5, o método de otimização TAL recebe por meio da entrada (62), os dados provenientes do controlador de temperatura do sistema e do inversor utilizado, tais como: a tensão do barramento CC do inversor, fluxo magnético do motor de ímã permanente, tensão elétrica aplicada e corrente do compressor, bem como informações do ciclo do termostato, tais como o tempo que o compressor deve permanecer ligado e tempo de desligado. Uma vez que o algoritmo recebeu estas informações ele pode operar em quatro estados, sendo o primeiro o estado (63) aquele que faz o tratamento dos dados recebidos do sistema térmico e do inversor, de forma que, ao realizar a análise do comportamento do sistema de refrigeração com base nestes dados, é possível caracterizar momentaneamente o sistema de refrigeração em operação. Em uma concepção adicional, o estado (63) mantém o compressor operando na rotação máxima por um número subsequente de ciclos liga-desliga do termostato. A seguir, o controle muda para um segundo estado (64), denominado manutenção da temperatura, no qual armazena as características do sistema a partir dos dados de entrada, atualiza os parâmetros de controle e define a velocidade angular de rotação do compressor (67) como sendo máxima.

[043] Uma vez realizado o abaixamento da temperatura, por meio do estado (63), ocorre uma mudança no estado de operação do algoritmo para o terceiro estado (65), denominado abaixamento da rotação, que é o recurso no qual o algoritmo reduz sistematicamente a rotação do compressor, com isso reduz sua capacidade de refrigeração, sempre observando as grandezas elétricas do compressor e o ciclo de operação do termostato. Neste estado atinge-se a menor rotação para uma determinada carga térmica e consequentemente o menor consumo de energia elétrica. Após atingir a menor rotação o algoritmo muda de estado para a manutenção da temperatura (64), onde o sistema de refrigeração opera normalmente, mantendo a carga térmica na temperatura ajustada pelo usuário. Se o algoritmo não detectar distúrbios na temperatura, ele permanece no estado (64), mantendo a rotação de operação do compressor.

[044] Caso um distúrbio seja identificado, pela mudança dos parâmetros elétricos e/ou no comportamento dos ciclos do termostato, por exemplo, mas não limitado a isso, o algoritmo volta para o estado (63) e comuta para o quarto estado (66), o qual reage a distúrbios, tais como aqueles provenientes de aberturas de portas, variações da carga térmica ou da ocorrência de uma operação de degelo do sistema térmico, dependendo do tipo da aplicação. A identificação de um distúrbio leva o algoritmo a comandar velocidade máxima novamente e, desta forma, o controle muda novamente para o estado (64), mantendo a velocidade máxima até que o estado (65) possa ser escalonado novamente e a velocidade seja reduzida para o ponto de menor consumo.

[045] O conceito do algoritmo TAL pode ser melhor compreendido por meio da Figura 6, que em uma concepção preferencial, mas não limitada a esta, mostra um gráfico da rotação do compressor em função do tempo (68), denominado resposta temporal da velocidade do compressor hermético, o qual mostra de forma cíclica um primeiro instante (69), que equivale à operação em máxima velocidade, imposta pelo estado (63) da Figura 5. Um segundo instante (70) mostra o abaixamento da rotação, imposto pelo estado (65) da Figura 5. Finalmente um terceiro estado (71), mostra a manutenção da mínima velocidade, imposta pelo estado (64) da Figura 5. Por meio desta figura é exemplificado uma operação real do algoritmo (49).

[046] Os exemplos e descrições mencionados na atual invenção são meramente ilustrativos e não devem ser entendidos como limitadores de qualquer forma, dentro do escopo do invento e de acordo com as reivindicações a seguir.

Claims (11)

1. Método para otimização da eficiência de condicionadores de ar caracterizado por possuir um circuito eletrônico (47) que executa pelo menos um algoritmo de controle (50) para acionar de forma conveniente um compressor hermético de velocidade variável (51), sendo o dito compressor parte integrante de uma pluralidade de sistemas de refrigeração, tais como refrigeradores e freezers de uso residencial ou comercial, condicionadores de ar do tipo janela ou do tipo "split".
2. Método para otimização da eficiência de condicionadores de ar, conforme a reivindicação 1, caracterizado por possuir pelo menos um circuito eletrônico (47), constituído por pelo menos um processador digital de sinal, o qual executa um algoritmo de otimização da eficiência (49) de compressores herméticos de velocidade variável, denominado "TAL - Tecumseh Adaptive Logic", o qual pode ser aplicado a uma multiplicidade de equipamentos de refrigeração tais como, refrigeradores, freezers, ilhas de congelados, etc., bem como a condicionadores de ar, mas não limitado a estes.
3. Método para otimização da eficiência de condicionadores de ar, conforme a reivindicação 2, caracterizado por possuir o algoritmo de otimização da eficiência TAL (49), o qual define a velocidade de rotação do compressor hermético sem a necessidade de uma referência real da temperatura do ambiente refrigerado, ou da medida da temperatura da carga térmica, portanto permitindo a operação do algoritmo sem sensor de temperatura.
4. Método para otimização da eficiência de condicionadores de ar, conforme a reivindicação 3, caracterizado por possuir o algoritmo de otimização da eficiência TAL (49), cuja lógica é realizada sobre os sinais recebidos por uma interface de entrada (63), cujos sinais podem ser tanto de natureza analógica como digital, recebendo como entrada uma referência de liga-desliga do termostato, tensão e corrente de operação do compressor.
5. Método para otimização da eficiência de condicionadores de ar, conforme a reivindicação 4, caracterizado por possuir o algoritmo de otimização da eficiência TAL (49), que determina a velocidade de operação do compressor hermético de velocidade variável que fornece ao sistema o menor consumo de energia elétrica em que a relação entre a potência fornecida ao compressor de velocidade variável e o tempo de operação seja ótimo.
6. Método para otimização da eficiência de condicionadores de ar, conforme a reivindicação 5, caracterizado por possuir o algoritmo de otimização da eficiência TAL (49), cuja lógica é realizada sobre os sinais recebidos por uma interface de entrada (63), por meio de um algoritmo de controle auto adaptativo, em que os parâmetros internos se ajustam automaticamente de forma que a variação de rotação é determinada pelo próprio algoritmo, independente do sistema de refrigeração, sem interferência humana e/ou configuração adicional.
7. Método para otimização da eficiência de condicionadores de ar, conforme a reivindicação 6, caracterizado por possuir o algoritmo de otimização da eficiência TAL (49), que uma vez realizado o abaixamento inicial da temperatura (63), executa uma função de abaixamento da rotação do compressor (65), que é o recurso no qual o algoritmo reduz sistematicamente a rotação do compressor, com isso reduz sua capacidade de refrigeração, sempre observando as grandezas elétricas do compressor e o ciclo de operação do termostato.
8. Método para otimização da eficiência de condicionadores de ar, conforme a reivindicação 7, caracterizado por possuir o algoritmo de otimização da eficiência TAL (49), que uma vez realizado o abaixamento da rotação (65), executa uma função de manutenção da temperatura (64), onde o sistema de refrigeração opera normalmente, em regime permanente, mantendo o ambiente refrigerado, ou a carga térmica, na temperatura ajustada pelo usuário.
9. Método para otimização da eficiência de condicionadores de ar, conforme a reivindicação 8, caracterizado por possuir o algoritmo de otimização da eficiência TAL (49), que reage a perturbações externas (66), sejam estas variações da carga térmica ou da temperatura ambiente, proporcionando novo ajuste de temperatura para função de manutenção da temperatura (64).
10. Método para otimização da eficiência de condicionadores de ar, conforme a reivindicação 9, caracterizado por possuir o algoritmo de otimização da eficiência TAL (49), o qual possui um algoritmo inteligente que se baseia em uma curva de potência, capacidade de refrigeração, corrente fornecida pelo compressor sejam estas pré-configuradas ou geradas conforme o equipamento está em operação e que calcula a rotação mais adequada à aplicação em condições de abaixamento rápido da temperatura (69), busca da menor rotação (70) ou manutenção da menor rotação (71).
11. Método para otimização da eficiência de condicionadores de ar, conforme a reivindicação 10, caracterizado por transformar um condicionador de ar do tipo on-off em um condicionador de ar do tipo inverter, pela substituição direta do compressor de velocidade fixa por um de velocidade variável, acrescentando-se uma placa de controle (56) que executa o algoritmo de otimização da eficiência TAL (57) , idêntico ao (49).

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