BRPI0804620B1 - sistema e método de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor, compressor de capacidade variável e sistema de refrigeração - Google Patents
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Abstract
a presente invenção refere-se a uma técnica para aumentar a eficiência energética de sistemas de refrigeração equipados com inversor de freqüência. a técnica, conhecida por modulação pwm complementar, realiza o acionamento do interruptor ativo inferior complementar àquele que havia sido previarnente comandado a abrir, fazendo com que a corrente de roda-livre do inversor circule pelo canal do mosfet ao invés da junção do diodo de roda-livre, este último sendo um caminho de maiores perdas por condução. uma das formas de realizar a invenção é através de um método de modulação pwm complementar em um sistema de refrigeração, o sistema compreendendo um motor elétrico (10) de velocidade variável controlado por uma ponte inversora (11) acionada por um sinal em modulação pwm, a modulação pwm tendo dois estágios principais, sendo que no segundo, onde circula a corrente de roda-livre, faz-se o acionamento proposital do interruptor ativo inferior mosfet, complementar àquele previamente comandado a abrir, de modo a reduzir as perdas por condução da corrente de roda-livre e conseqúentemente aumentar a eficiência global do sistema de refrigeração.
Description
(54) Título: SISTEMA E MÉTODO DE ACIONAMENTO DE MOTOR ELÉTRICO DE VELOCIDADE VARIÁVEL PARA COMPRESSOR, COMPRESSOR DE CAPACIDADE VARIÁVEL E SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO (51) lnt.CI.: H02P 7/29; H02P 6/06 (73) Titular(es): WHIRLPOOL S.A.
(72) Inventor(es): GÜNTER JOHANN MAASS (85) Data do Início da Fase Nacional: 28/10/2008
1/20
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para SISTEMA E MÉTODO DE ACIONAMENTO DE MOTOR ELÉTRICO DE VELOCIDADE VARIÁVEL PARA COMPRESSOR, COMPRESSOR DE CAPACIDADE VARIÁVEL E SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO.
[001] A presente invenção refere-se a um sistema e método de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor, um compressor de capacidade variável e um sistema de refrigeração, com o propósito de elevar a eficiência de inversores de freqüência empregados no acionamento de compressores de capacidade variável (VCC) em sistemas de refrigeração, através do acionamento dos interruptores ativos (por exemplo MOSFETs) do estágio de saída (ponte inversora), durante o intervalo de roda-livre da corrente elétrica do motor.
Descrição do Estado da Técnica [002] Para atender aos requisitos mais exigentes de eficiência, sistemas de refrigeração domésticos e comerciais tem como opção o uso de compressores de capacidade variável, que como o próprio nome diz, permitem o ajuste da capacidade de refrigeração através da variação na velocidade de bombeamento de gás refrigerante (ou seja, do fluxo de massa), de acordo com a necessidade do sistema.
[003] Tal compressor de capacidade variável realiza a excursão de um valor mínimo de fluxo de massa à um valor máximo através da variação da rotação de seu motor. A variação de rotação é obtida por meio de controle eletrônico denominado inversor de freqüência, o qual ajusta tensão e freqüência aplicadas ao motor.
[004] Tal inversor de freqüência emprega modulação por largura de pulso (ou Pulse Width Modulation - PWM), ou seja, a largura do pulso de tensão aplicado ao motor é controlada através de um modulador PWM. O modulador PWM define a largura (duração) do pulso proporcional mente à rotação desejada, ajustando-se esta também
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2/20 conforme carga e tensão da rede de alimentação. A tensão aplicada no motor é pulsada, com freqüência de comutação geralmente de alguns kHz.
[005] A modulação PWM é aplicada às fases do motor por meio de uma ponte inversora, formada pelo conjunto de três braços, cada qual responsável por aplicar tensão a uma das três fases do motor. Cada braço da ponte inversora possui dois interruptores de estado sólido ativos (do tipo IGBT ou MOSFET), aqui designados como interruptores ativos, cada qual possuindo em paralelo, um interruptor de estado sólido passivo (DIODO) polarizado, aqui designado como interruptor passivo, de forma a conduzir a corrente pelas fases do motor quando o interruptor ativo complementar, do mesmo braço, estiver em estado de corte (aberto, ou não conduzindo corrente). Nesta configuração clássica de uma ponte inversora trifásica, um dos dois interruptores ativos de cada braço (interruptor superior) está conectado ao potencial positivo do chamado barramento de tensão contínua (ou LINK DC), enquanto que o interruptor complementar (interruptor inferior) está conectado ao potencial negativo do LINK DC. No ponto central dos dois interruptores de um mesmo braço, está conectada a fase do motor.
[006] Ao comandar dois interruptores ativos, um superior e um inferior de braço diferente, há a transferência de energia elétrica do LINK DC para o motor elétrico. A corrente elétrica circula no circuito fechado formado pelo LINK DC (usualmente composto por um estágio de armazenamento de energia obtido com um capacitor eletrolítico), pelo interruptor ativo superior, por uma primeira fase do motor elétrico, por uma segunda fase do motor elétrico, pelo interruptor inferior conectado a esta segunda fase, retornando ao LINK DC.
[007] Como a modulação PWM tem por objetivo ajustar a tensão média instantânea aplicada ao motor por meio da dosagem da tensão
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3/20 do LINK DC em um intervalo de tempo dentro do período de comutação, há dois estados principais: o primeiro conforme já mencionado, onde há a transferência de energia para o motor, e o segundo onde o interruptor ativo superior previamente em condução, é cortado (aberto), deixando de transferir energia ao motor. A corrente elétrica entretanto, continua a fluir devido a natureza indutiva da carga (motor), encontrando um novo caminho de circulação pelo mesmo interruptor ativo inferior e pelo interruptor passivo (DIODO) paralelo ao interruptor ativo complementar àquele previamente em condução. Caso não chegue a zero, a corrente circulará neste circuito até o início do próximo período de comutação onde o interruptor ativo superior é novamente comandado a conduzir. Este período em que não há transferência de energia para o motor (onde há a condução do diodo) é conhecido como estágio de Roda-Livre da corrente do motor, neste intervalo denominada de corrente de roda-livre. Caso a corrente de roda-livre chegue a zero antes do início do próximo período de comutação, o diodo deste circuito de roda-livre bloqueará naturalmente a corrente.
[008] A modulação PWM segue uma certa função a fim de dar formato à tensão e corrente fundamental entregue ao motor. Esta função pode ser de diferentes tipos (senoidal, retangular, trapezoidal, etc.), dependendo do tipo de motor e controle. Porém, independente da forma com que a tensão e corrente são aplicadas ao motor, ou seja, independente da função a qual a modulação PWM segue, sempre haverá condução da corrente de roda-livre pelo diodo paralelo ao semicondutor ativo inferior, a partir do momento em que o interruptor ativo superior deste mesmo braço for cortado (aberto). Portanto, tal corrente de roda-livre produz uma chamada perda de condução localizada neste diodo de roda-livre. Esta perda é proporcional ao valor da corrente de roda-livre e as características de condução do diodo, como tensão de junção em polarização direta e impedância dinâmica.
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4/20 [009] Em sistemas de refrigeração de alta eficiência, que empregam compressores de capacidade variável, as perdas provocadas pela corrente de roda-livre tornam-se relevantes no ponto de operação na qual o sistema permanece operando na maior parte do tempo, ou seja, em condição de baixa rotação do motor interno ao compressor e com potência instantânea baixa (ou potência de regime permanente), existente quando o sistema está em equilíbrio térmico.
[0010] No estado atual da técnica, empregam-se tanto interruptores ativos do tipo IGBT quanto do tipo MOSFET. No caso do IGBT, o diodo de roda-livre é propositadamente colocado em paralelo, geralmente dentro do mesmo encapsulamento do interruptor ativo IGBT. No caso do MOSFET, o diodo de roda-livre está naturalmente presente em paralelo com o mesmo, sendo um componente com características de comutação geralmente ruins (diodo de comutação lenta), e de condução semelhantes ao do diodo utilizado com os IGBTs.
[0011] Em ambos os casos, as perdas por condução neste diodo de roda-livre, além de provocar maiores perdas de energia, também contribui para uma maior elevação de temperatura da ponte inversora e conseqüente impacto negativo na confiabilidade do produto. Por outro lado, fixando-se uma temperatura máxima de operação para os componentes eletrônicos, fixa-se por conseqüência um valor limite de energia processada pela ponte inversora. Neste aspecto, reduzir as perdas de condução contribui para elevar este limite de energia processada, mantendo-se um mesmo valor máximo de temperatura. Objetivos e Breve Descrição da Invenção [0012] A presente invenção tem como objetivos, através do uso da técnica de Modulação PWM Complementar em inversores de freqüência empregados em sistemas de refrigeração equipados com compressores de capacidade variável:
- empregar Modulação PWM Complementar para reduzir as
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5/20 perdas de condução provocadas pela corrente de roda-livre em inversores empregados em compressores de capacidade variável (VCC) em sistemas de refrigeração.
- Elevar a eficiência global do sistema de refrigeração reduzindo as perdas por condução devido a corrente de roda-livre, quando operando em condições de regime permanente.
- Contribuir para que os sistemas de refrigeração equipados com compressores VCC possam atingir os patamares mais elevados de eficiência exigidos pelo mercado.
- Elevar a confiabilidade do circuito eletrônico reduzindo a temperatura de operação por meio da redução das perdas de condução devido a corrente de roda-livre.
- Permitir que a energia máxima processada (limitada pela temperatura máxima segura de operação dos componentes eletrônicos) seja elevada graças a menor elevação de temperatura para um mesmo valor de corrente de roda-livre.
- Possibilidade de se reduzir materiais e/ou custos referentes a dissipação do calor gerado na ponte inversora, por meio da redução das perdas de condução devido a corrente de roda-livre.
[0013] Em linhas gerais, os objetivos da presente invenção são alcançados pelo emprego da técnica de acionamento complementar dos dois interruptores ativos do tipo MOSFET, de um mesmo braço da ponte inversora, método também conhecido como Modulação PWM Complementar, em inversores de freqüência empregados para acionamento de compressores de capacidade variável.
[0014] Uma das formas de se traduzir os objetivos da presente invenção é através do emprego de um método conhecido de redução de perdas de condução localizadas nos semicondutores passivos (DIODOS) que usualmente conduzem correntes de roda-livre. Para alcançar tais objetivos, emprega-se este método, geralmente denominado
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6/20 como Modulação PWM Complementar, na operação de inversores presentes em sistemas de refrigeração de alta eficiência, o sistema compreendendo uma ponte inversora associada eletricamente a um motor elétrico de velocidade variável e acionada por um sinal em modulação PWM, a modulação PWM tendo dois estágios principais identificados pelo período de tempo em que há transferência de energia para o motor (ou período Ton) e pelo período de tempo em que a corrente circula em roda-livre (ou período Toff), o método empregado tendo como ação principal acionar o par de interruptores ativos (MOSFETs), de um mesmo braço, de forma complementar, fazendo com que a corrente de roda-livre não circule pelo diodo de roda-livre, mas sim pelo canal do interruptor ativo MOSFET comandado a conduzir. [0015] Ainda, de acordo com os ensinamentos da presente invenção, os objetivos almejados são alcançados através de um sistema de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor, compreendendo uma ponte inversora associada eletricamente a um motor elétrico, sendo a ponte inversora acionada por uma modulação PWM complementar. A modulação PWM complementar é acionada em uma rotação do motor elétrico substancialmente baixa em relação a uma rotação de referência, e a modulação PWM complementar é acionada em uma potência do motor elétrico substancialmente baixa em relação a uma potência de referência.
[0016] Adicionalmente, os objetivos da presente invenção são alcançados através de um sistema de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor, compreendendo uma ponte inversora associada eletricamente a um motor elétrico, a ponte inversora sendo formada por interruptores ativos, os interruptores ativos sendo associados um a um em paralelo com interruptores passivos, cada interruptor passivo sendo dotado de dois terminais passivos, cada interruptor ativo sendo dotado de dois terminais ativos, cada interruptor atiPetição 870180030824, de 17/04/2018, pág. 9/93
7/20 vo formando um único encapsulamento com o seu respectivo interruptor passivo, os interruptores ativos entrando em condução em um tempo de condução ajustável, os interruptores ativos entrando em condução em função de uma tensão entre os seus terminais ativos substancialmente menor do que a tensão entre os terminais passivos do seu respectivo interruptor passivo.
[0017] Ainda, os objetivos são alcançados através de um método de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor, utilizando uma ponte inversora e um motor elétrico, compreendendo as seguintes etapas: obtenção de um sinal de potência do motor elétrico, obtenção de um sinal de rotação do motor elétrico, comparação do sinal de potência do motor elétrico com um valor de potência de referência, comparação do sinal de rotação do motor elétrico com um valor de rotação de referência e acionamento da ponte inversora através de uma modulação PWM complementar, quando os resultados das comparações de rotação e potência apresentarem valores inferiores aos seus respectivos valores de referência.
[0018] Os objetivos da presente invenção são alcançados ainda através de um compressor de capacidade variável alimentado por um sistema de acionamento ora definido.
[0019] Finalmente, os objetivos são alcançados através de um sistema de refrigeração dotado de um sistema de controle de motor elétrico, conforme os ensinamentos da presente invenção.
Descrição Sumarizada Resumida dos Desenhos [0020] A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base nos desenhos. As figuras mostram:
figura 1 - ilustra um estágio de saída de um inversor de freqüência com seus componentes mais básicos;
figura 2a e 2b - é um exemplo de acionamento PWM convencional mostrando os dois estágios principais Ton e Toff e o camiPetição 870180030824, de 17/04/2018, pág. 10/93
8/20 nho percorrido pela corrente elétrica em uma modulação de acordo com o estado da técnica;
figura 3a e 3b - é um exemplo de acionamento PWM complementar de acordo com o que se quer empregar na presente invenção, mostrando os dois estágios principais, ilustrando que no segundo estágio (figura 2b) faz-se circular a corrente de roda-livre pelo interruptor ativo, obtendo redução das perdas e alcançando os objetivos da invenção para sistemas de refrigeração que empregam compressores de capacidade variável;
figuras 4a e 4b - demonstra os sinais de acionamento dos três interruptores ativos envolvidos no exemplo ilustrado pelas figuras 2a/2b e 3a/3b, com método PWM convencional e método PWM complementar à ser empregado;
figura 5 - ilustra o acionamento complementar aplicado aos três braços da ponte inversora.
Descrição Detalhada das Figuras [0021] A figura 1 exemplifica um estágio de saída de um inversor de freqüência com seus componentes mais básicos. Na figura, mostrase a ponte inversora 11 formada por seis pares de associações paralelas de interruptores ativos e passivos (vide respectivamente Si, S2, S3, S4, S5, S6 e D1, D2, D3, D4, D5, Ü6), nos quais é aplicado um sinal de comando do tipo PWM, o qual pode assumir os estados ON e OFF nos respectivos períodos de tempo Ton e Toff. Constitui ainda o circuito básico, um estágio de armazenamento de energia formado pelo capacitor Clink. O motor elétrico 10 é representado pelos três elementos indutivos 1, 2 e 3, cada qual representando uma fase do motor trifásico.
[0022] A ponte inversora ilustrada na figura 1 distribui às fases do motor a energia armazenada no elemento Clink, o qual recebe energia elétrica de fonte externa através de elementos clássicos aqui nãoPetição 870180030824, de 17/04/2018, pág. 11/93
9/20 ilustrados (por exemplo, de ponte retificadora conectada à rede elétrica de corrente alternada, de outros estágios de conversão de energia conectados a fontes alternativas de energia, etc.). Os elementos indutivos 1, 2 e 3 representam o motor elétrico 10, o qual aciona, por exemplo, uma bomba compressora de gás refrigerante do sistema de refrigeração, ou outra carga qualquer a qual o motor elétrico 10 esteja associado. Fica claro, portanto, que ações para redução de perdas por condução dos interruptores da ponte inversora, trazem aumento na eficiência global do sistema.
[0023] A figura 2a mostra um ciclo convencional de PWM. Em um primeiro estágio, faz-se a transferência de energia para o motor elétrico 10 através do caminho formado pelos interruptores ativos Si e S4, por exemplo do tipo interruptores MOSFET, ocorrendo portanto perdas de energia localizadas em ambos os interruptores devido à resistência de condução dos mesmos. A partir do momento em que S1 é comandada a abrir, a corrente elétrica naturalmente mantém sua circulação através do interruptor passivo D2 (ilustrado com um diodo em antiparalelo a S2 - vide situação ilustrada na figura 2b). Há perda de energia devido à condução respectivamente do interruptor passivo e interruptor ativo D2 e S4. Chegando o período de comutação ao seu fim, inicia-se um novo ciclo com o comando para entrada em condução do interruptor ativo S1.
[0024] De forma idêntica a descrita pelas figuras 2a e 2b, operam as outras combinações de interruptores superiores e inferiores (do ponto de vista do esquema elétrico apresentado), dependendo das fases às quais se deseja entregar energia elétrica (por exemplo, o mesmo se aplica aos conjuntos S3, S6 e D4; S5, S2 e D6; S1, S6 e D2; etc.). [0025] As figuras 3a e 3b ilustram comparativamente as figuras 2a e 2b, a alteração que se realiza na seqüência de acionamento dos interruptores ativos para obter o objetivo da presente invenção.
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10/20 [0026] É mostrado que a primeira etapa não difere daquela ilustrada na figura 2 (vide parte superior), ou seja, mantém-se o mesmo circuito fechado para circulação da corrente durante a entrega de energia ao motor elétrico 10, mantendo-se também as mesmas perdas por condução de dois interruptores ativos tipo MOSFET. Já no segundo estágio principal do PWM, onde a corrente circula em roda-livre, faz-se o acionamento proposital do interruptor complementar àquele que foi previamente aberto, no caso exemplificado, faz-se o acionamento de S2. Permite-se desta forma, que a corrente elétrica circule pelo canal do interruptor ativo S2 ao invés do interruptor passivo D2.
[0027] A corrente elétrica circulará preferencial mente pelo interruptor ativo S2 nas condições em que a queda de tensão entre os terminais deste interruptor ativo S2 seja menor do que a queda de tensão necessária para a entrada em condução do interruptor passivo D2. Como é objetivo da presente invenção aumentar a eficiência de sistemas de refrigeração principal mente em condições de operação de regime (baixo consumo), denota-se que a corrente a ser conduzida pela ponte inversora será de baixa amplitude, e que portanto, obtém-se a redução das perdas por condução permitindo que a corrente elétrica circule pelos interruptores ativos, ou seja, pelo canal do MOSFET. [0028] Deve-se mencionar que as figuras 3a e 3b ilustram apenas os dois estágios principais do período de comutação PWM, o primeiro onde se faz a transferência de energia ao motor elétrico 10 (vide figura 3a), e o segundo onde a corrente circula em roda-livre (vide figura 3b). No entanto, é de praxe, manter-se um intervalo de tempo mínimo entre a abertura do interruptor ativo superior (neste exemplo, S1) e o acionamento do interruptor ativo inferior do mesmo braço (neste exemplo, S2) para se obter a modulação PWM complementar.
[0029] Tomando-se o exemplo acima, em regras gerais, pode-se estabelecer que os interruptores ativos superiores S1, S3 e S5, podem
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11/20 ser denominados como primeiros interruptores ativos e os interruptores inferiores, S2, S4 e S6, podem ser denominados como segundos interruptores ativos. Dessa forma, quando se implementa os ensinamentos da presente invenção, fazendo-se a alternância entre o estado de tempo de alimentação Ton e o tempo de desligamento Toff, o(s) segundo(s) interruptor(es) ativo(s) S2, S4, S6 é(são) alimentado(s) por um tempo de alimentação complementar Ton-c que deverá ter um tempo de duração ligeiramente menor ao tempo de desligamento Toff do(s) primeiro(s) interruptor(es) ativo(s) S1, S3, S5, devendo-se, preferencialmente, estabelecer que o acionamento do(s) segundo(s) interruptor(es) ativo(s) S2, S4, S6 somente seja realizado após um tempo morto Tm, tal tempo morto Tm sendo contado a partir do desligamento do(s) primeiro(s) interruptor(es) S1, S3, S5.
[0030] A mesma lógica sendo realizada no religamento dos interruptores, onde o(s) segundo(s) interruptor(es) ativo(s) S2, S4, S6 sendo desligado(s) antes que o(s) primeiro(s) interruptor(es) ativo(s) S1, S3, S5 seja(m) acionado(s) novamente, o(s) segundo(s) interruptor(es) ativo(s) S2, S4, S6 sendo desligado(s) pelo tempo morto Tm antes do acionamento do(s) primeiro(s) interruptor(es) ativo(s) S1, S3, S5, ou seja, de forma análoga, utiliza-se este intervalo de tempo mínimo (tempo morto Tm) entre a abertura do interruptor inferior e o acionamento do interruptor superior ao início de um novo período de comutação.
[0031] O intervalo de tempo mínimo Tm, também conhecido como Dead-time tem como principal objetivo, assegurar que não haja condução simultânea de dois interruptores de um mesmo braço, ou seja, por exemplo S2 com S1, S4 com S3 e S6 com S5, já que tal situação provocaria o curto-circuito do capacitor Clink e possível dano permanente aos componentes envolvidos.
[0032] De forma idêntica àquela ilustrada nas figuras 3a e 3b, operam as outras combinações de interruptores superiores e inferiores,
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12/20 dependendo das fases às quais se deseja entregar energia elétrica (por exemplo, o mesmo se aplica aos conjuntos S3, S6 e S4; S5, S2 e S6; S1, S6 e S2; etc.).
[0033] As figuras 4a e 4b demonstram os sinais de acionamento dos três interruptores ativos envolvidos no exemplo ilustrado pelas figuras 2a/2b e 3a/3b, com método PWM convencional e método PWM complementar. Mostra-se que a corrente de roda-livre passa a circular pelo canal do MOSFET quando a modulação complementar é utilizada (a alimentação ocorrendo por um tempo complementar Ton-c respeitando-se o tempo morto Tm também ilustrado na figura 4b). A corrente pelo Dreno de S2 é ilustrada com polaridade negativa no segundo quadro da figura para manter a mesma polaridade definida para o interruptor ativo S1. A corrente, portanto, entra pelo terminal Fonte do interruptor ativo S2 e sai pelo terminal Dreno do mesmo durante o período de roda-livre da corrente, isto é, pelo tempo complementar Ton-c previamente interrompida pelo caminho formado por S1.
[0034] A modulação PWM complementar ilustrada nas figuras 4a e 4b, pode ser mantida ou não diante de diferentes pontos de operação do inversor. Em condições de maior carga, onde a corrente do motor elétrico é mais elevada, a tensão entre os terminais do MOSFET em condução poderá ser maior do que a tensão direta de condução do diodo de roda-livre em paralelo. Nesta situação, a corrente naturalmente irá circular pelo diodo, independente do comando dado ao interruptor em antiparalelo.
[0035] Para o objeto de invenção ora proposto, um sistema de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor compreende uma ponte inversora 11 associável eletricamente a um motor elétrico 10, sendo a ponte inversora 11 acionada, como já mencionado, por uma modulação PWM complementar.
[0036] A dita modulação PWM complementar é acionada, como
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13/20 será descrita em maiores detalhes na seqüência, em uma rotação do motor elétrico 10 substancialmente baixa em relação a uma rotação de referência e em uma potência do motor elétrico 10 substancialmente baixa em relação a uma potência de referência.
[0037] A ponte inversora 11 do presente sistema de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor é dotada de interruptores ativos (Si, S2, S3, S4, S5, Se), associados um a um em paralelo com interruptores passivos (D1, D2, D3, D4, D5, De), sendo que cada interruptor passivo é dotado de dois terminais passivos e cada interruptor ativo (S1, S2, S3, S4, S5, Se) é dotado de dois terminais ativos. Preferencialmente, os ditos interruptores passivos são dispositivos semicondutores de diodos.
[0038] Na presente invenção, a modulação PWM é formada por períodos de tempo em que os interruptores ativos e passivos são ligados a uma tensão elétrica (Vm) que é alimentada ao motor elétrico 10, sendo a dita tensão elétrica (Vm) ligada por um período de tempo de alimentação (Ton) e desligada por um período de tempo (Toff).
[0039] Segundo os ensinamentos da presente invenção, os interruptores ativos (S1, S2, S3, S4, S5, Se) são eletricamente conectados entre si em série, e em pares, para seletivamente e seqüencialmente alimentar o motor elétrico 10. Como já mencionado, os interruptores ativos e passivos são associados entre si formando um grupo de primeiro(s) interruptor(es) ativo(s) (S1, S3, S5) e um grupo de segundo(s) interruptor(es) ativo(s) (S2, S4, S6).
[0040] Assim, na presente invenção, o(s) primeiro(s) interruptor(es) ativo(s) (S1, S3, S5) é(são) acionado(s) em modulação PWM pelos tempos de alimentação e desligamento (Ton,Toff), sendo o sistema configurado para que o(s) segundo(s) interruptor(es) ativo(s) (S2, S4, Se) respectivamente associado(s) em série e em par com o(s) primeiro(s) interruptor(es) ativo(s) (S1, S3, S5) seja(m) alimentado(s) duPetição 870180030824, de 17/04/2018, pág. 16/93
14/20 rante o tempo de desligamento (Toff) do(s) primeiro(s) interruptor(es) ativo(s) (Si, S3, S5).
[0041] Para cada par interruptor ativo e passivo tem-se um único conjunto ou encapsulamento físico. Ademais, pode-se afirmar que os interruptores ativos entram em condução em um tempo de condução ajustável, tendo como base uma tensão entre os seus terminais ativos substancialmente menor do que a tensão entre os terminais passivos do seu respectivo interruptor passivo. Define-se, neste instante, uma potência de referência para o acionamento do motor elétrico de velocidade variável.
[0042] A redução das perdas na ponte inversora devido à corrente de roda-livre é obtida com resultados mais ou menos significativos dependendo do ponto de operação em que o compressor de capacidade variável está operando. A rotação do motor interno ao compressor, a potência processada, o nível da tensão alternada da rede de alimentação, e outros fatores definem a amplitude da corrente elétrica processada pela ponte inversora, e portanto, o quanto se faz relevante o emprego da modulação PWM complementar.
[0043] Pode-se portanto, limitar o emprego de tal modulação apenas aos pontos de operação mais relevantes, reduzindo a complexidade do controle da ponte inversora em situações onde a modulação PWM complementar se faz desnecessária. Tais pontos de operação são empregados como pontos de referência para o trabalho do compressor, a fim de determinar a operação otimizada para o inversor. [0044] Os principais parâmetros que podem ser utilizados para determinar os pontos de referência do inversor são descritos abaixo para melhor entendimento:
- Perda de condução do diodo: PD = (P/ON ' Iavg )+(rÍoE Irms )
- Perda de condução do MOSFET: PMOS = RDSON · lKMS 2
- Corrente de roda-livre média de um ciclo de chaveamento:
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IAVG ~ IpK ' O- -^)
- Corrente de roda-livre eficaz (RMS) de um ciclo de chaveamento:
Irms = Ιρκ '
Onde:
VjON - Tensão de junção do diodo de roda-livre (interruptor passivo) rjON - Resistência de condução da junção do diodo de roda-livre lPK - Valor de pico da corrente de roda-livre
D - Razão cíclica, a qual depende principalmente da rotação (quanto menor a rotação, menor a razão cíclica).
[0045] Como a utilização da modulação PWM complementar é vantajosa quando Pmos < Pd, determina-se uma rotação de referência proporcional à razão cíclica D de acionamento da ponte inversora 11 e uma potência de referência proporcional às correntes Iavg e Irms[0046] A definição dos pontos de operação pode ainda ser feita de forma experimental, monitorando os ganhos de eficiência energética do inversor de freqüência ao se varrer as diferentes variáveis envolvidas, sem e com o emprego da modulação PWM complementar.
[0047] Um motor para compressor foi testado, a fim de validar a presente proposta e identificar os pontos ótimos de acionamento da ponte inversora. No caso, o motor foi acionado nas rotações de 1200 rpm e 1600 rpm. A modulação PWM complementar foi desenvolvida em uma freqüência de comutação de 2,5 kHz. Os testes foram realizados em uma temperatura ambiente de 25° C, utilizando-se transistores MOSFET do tipo IRF840AS. Para a presente invenção foram utilizados, preferencialmente, transistores MOSFETS do tipo IRF840AS, todavia outros tipos de transistores podem ser empregados para a implementação da ponte inversora.
[0048] As tabelas 1 e 2 abaixo permitem uma comparação entre a eficiência alcançada com o emprego da modulação PWM complemenPetição 870180030824, de 17/04/2018, pág. 18/93
16/20 tar (B), e aquela relacionada à modulação convencional (A).
[0049] Tabela 1. Dados obtidos no acionamento do motor a partir de uma comutação convencional e uma comutação PWM complementar em 1200 rpm
| Rotação do compressor: 1200 rpm | |||
| Comutação convencional, com MOSFET IRF840AS (A) | |||
| Pin (W) | Pout (W) | Perda (W) | Eficiência (%) |
| 20 | 18,33 | 1,67 | 91,64 |
| 30 | 27,98 | 2,02 | 93,28 |
| 40 | 37,60 | 2,40 | 93,99 |
| Comutação PWM complementar, com MOSFET IRF840AS (B) | |||
| Pin (W) | Pout (W) | Perda (W) | Eficiência (%) |
| 20 | 18,68 | 1,32 | 93,40 |
| 30 | 28,25 | 1,75 | 94,17 |
| 40 | 37,82 | 2,18 | 94,56 |
Tabela 2. Eficiência comparada no acionamento do motor usando uma comutação convencional e uma comutação PWM complementar (1200 rpm)
| Pin (W) | Aumento de eficiência (B-A) (%) |
| 20 | 1,76 |
| 30 | 0,89 |
| 40 | 0,57 |
[0050] Os dados apresentados nas tabelas 1 e 2 mostram que a eficiência alcançada pela modulação complementar PWM em menor potência é superior à eficiência em 40 W, ratificando a condição de melhor operação do sistema ora proposto em baixa potência. De maneira análoga, as tabelas 3 e 4 abaixo mostram a eficiência alcançada pelo emprego da modulação PWM para uma rotação de 1600 rpm. Tabela 3. Dados obtidos no acionamento do motor a partir de uma
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17/20 comutação convencional e uma comutação PWM complementar em
1600 rpm
| Rotação do compressor: 1600 rpm | |||
| Comutação convencional, com MOSFET IRF840AS (A) | |||
| Pin (W) | Pout (W) | Perda (W) | Eficiência (%) |
| 20 | 18,68 | 1,32 | 93,39 |
| 30 | 28,27 | 1,73 | 94,24 |
| 40 | 37,78 | 2,22 | 94,45 |
| Comutação PWM complemen | tar, com MOSFET IRF840AS (B) | ||
| Pin (W) | Pout (W) | Perda (W) | Eficiência (%) |
| 20 | 18,77 | 1,23 | 93,83 |
| 30 | 28,41 | 1,59 | 94,71 |
| 40 | 38,06 | 1,94 | 95,14 |
Tabela 4. Eficiência comparada no acionamento do motor usando uma comutação convencional e uma comutação PWM complementar (1600 rpm)
| Pin (W) | Aumento de eficiência (B-A) (%) |
| 20 | 0,44 |
| 30 | 0,47 |
| 40 | 0,69 |
[0051] Os dados apresentados nas tabelas 3 e 4 também demonstram que a modulação PWM complementar apresenta maior rendimento quando comparada à modulação convencional para uma rotação de 1600 rpm, muito embora tal rendimento seja inferior àquele obtido para o motor operando em baixa rotação (1200 rpm).
[0052] Cabe ressaltar que, a corrente média conduzida pelo interruptor passivo (diodo) e a corrente eficaz conduzida pelo dispositivo interruptor ativo (transistor MOSFET) dependem da amplitude da corrente e do seu tempo de condução, razão pela qual os seus valores
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18/20 são diretamente influenciados pela rotação do motor.
[0053] Os dados apresentados nas tabelas 1 a 4 comprovam o aumento de eficiência para o inversor com base nos ensinamentos da presente invenção. Ademais, cumpre notar que tal aumento de eficiência é obtido exclusivamente para o inversor e não para o motor, uma vez que a eficiência do motor não é alterada quer seja para uma modulação PWM, quer seja por meio de uma modulação convencional. De todo o modo, como mencionado anteriormente, verifica-se que a partir dos ensinamentos da presente invenção um aumento de eficiência global para todo o sistema é alcançado por meio da solução da modulação PWM complementar.
[0054] Logo, o presente sistema de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor é acionado por uma modulação PWM complementar (aplicada na ponte inversora 11) no momento em que o motor elétrico 10 opera em uma rotação substancialmente baixa em relação a uma rotação de referência. Para o ensaio experimental ora descrito, a rotação de referência foi determinada em torno de 2300 rpm, portanto, para valores de rotação abaixo desta referência, verificou-se o aumento de eficiência obtido para a ponte inversora. Preferencialmente, tal acionamento é realizado em uma potência do motor elétrico 10 substancialmente baixa em relação a uma potência de referência, determinada em função das correntes Iavg e Irms.
[0055] Como mencionado anteriormente, a modulação PWM complementar aplica-se para os três pares de interruptores ativos superiores e inferiores (três braços da ponte inversora).
[0056] Um exemplo do método da modulação PWM complementar é ilustrado pela figura 5. Neste caso, mostra-se a seqüência de acionamento dos interruptores ativos para uma aplicação com motor de imãs permanentes, sem escovas (ou Brushless DC Motor). Fica claro na figura a modulação PWM complementar aplicada aos pares de inPetição 870180030824, de 17/04/2018, pág. 21/93
19/20 terruptores Si,S2; S3, S4; e Ss.Se. No caso exemplificado pela figura 5, mantém-se razão cíclica (razão Ton/Toff) constante durante o acionamento de cada conjunto de fases do motor elétrico 10. No entanto, a modulação PWM complementar pode ser aplicada à variações do caso exemplificado, onde a razão cíclica á ajustada conforme qualquer outra função temporal ou discreta, como é o caso, por exemplo, da modulação senoidal da razão cíclica, ou modulações diversas aplicadas à razão cíclica para ajustes de carga, compensações, etc.
[0057] Adicionalmente, um método de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor, utilizando uma ponte inversora 11 e um motor elétrico (10), compreende as etapas de:
i. obtenção de um sinal de potência do motor elétrico 10 ;
ii. obtenção de um sinal de rotação do motor elétrico 10;
iii. comparação do sinal de potência do motor elétrico 10 com um valor de potência de referência;
iv. comparação do sinal de rotação do motor elétrico 10 com um valor de rotação de referência;
v. acionamento da ponte inversora 11 através de uma modulação PWM complementar, quando os resultados das comparações iii e iv apresentarem valores inferiores aos valores de referência.
[0058] Em termos de implementação da presente invenção, devese prever que o sistema seja provido de um circuito de controle eletrônico (não-mostrado), capaz de controlar um motor elétrico 10, aplicável, por exemplo, a um compressor de capacidade variável VCC através de PWM, controlado por intermédio de uma ponte inversora. Para realizar o aumento de eficiência do sistema de refrigeração, o circuito de controle eletrônico deve ser configurado para acionar o par de interruptores ativos (MOSFETs) de um mesmo braço, de forma complementar (PWM complementar), fazendo com que a corrente de rodalivre não circule pelo diodo de roda-livre, mas sim pelo canal do interPetição 870180030824, de 17/04/2018, pág. 22/93
20/20 ruptor ativo (MOSFET) comandando a conduzir.
[0059] Assim, o objeto definido na presente invenção, bem como os resultados oriundos do ensaio experimental, comprovam que a eficiência global do sistema de refrigeração é elevada com a redução de perdas por condução. A modulação PWM proposta para o acionamento de motores, particularmente aplicada em compressores, oferece maior confiabilidade para o circuito eletrônico de acionamento e para todo o sistema, tendo em vista ainda uma menor temperatura de operação para o equipamento.
[0060] Um compressor de capacidade variável dotado de um sistema de acionamento conforme os ensinamentos da presente invenção é previsto, bem como um sistema de refrigeração dotado do presente sistema de acionamento.
[0061] Finalmente, diante da necessidade e dificuldade em se reduzir perdas nos equipamentos de refrigeração atuais, nota-se que a presente invenção apresenta um considerável aumento de eficiência para os sistemas de refrigeração com o emprego da metodologia PWM complementar, quando comparada àquela alcançada pelas soluções de técnica anterior, notadamente pelo uso de modulação convencional.
[0062] Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferido, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possíveis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações apensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.
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Claims (20)
- REIVINDICAÇÕES1. Sistema de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor, compreendendo uma ponte inversora (11) associável eletricamente a um motor elétrico (10), o motor elétrico (10) é acionado pela ponte inversora (11) formada pelos interruptores ativos (Si, S2, S3, S4, S5, δθ), os interruptores ativos (S1, S2, S3, S4, S5, δδ) sendo associados um a um, em paralelo, com interruptores passivos (D1, D2, D3, D4, D5, Ü6), em que um braço é formado entre dois interruptores ativos (S1, S2, S3, S4, S5, S6), em que o sistema é caracterizado pelo fato de que:a ponte inversora (11) é acionada por uma modulação PWM complementar, a modulação PWM complementar configurada para operar um par de interruptores ativos (S1, S2, S3, S4, S5, δδ) do mesmo braço de forma complementar, de modo que uma corrente de roda livre circule pelos interruptores ativos (S1, S2, S3, S4, S5, δδ), evitando que a corrente de roda livre circule pelos interruptores passivos (D1, D2, D3, D4, D5, ϋδ), a modulação PWM complementar sendo acionada em uma rotação do motor elétrico (10) mais baixa em relação a uma rotação de referência e em uma potência do motor elétrico (10) mais baixa em relação a uma potência de referência.
- 2. Sistema de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a rotação de referência é determinada em função de uma razão cíclica de acionamento da ponte inversora e a potência de referência é determinada em função de uma corrente de roda livre média (Iavg) e uma corrente de roda livre eficaz (Irms).
- 3. Sistema de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a modulação PWM é formada por períodos de tempo em que os interruptores de acionamento ativos e passivos sãoPetição 870180030824, de 17/04/2018, pág. 24/932/5 ligados a uma tensão elétrica (Vm) que é alimentada ao motor elétrico (10), a tensão elétrica (Vm) sendo ligada por um tempo de alimentação (Ton) e desligada por um tempo de desligamento (Toff).
- 4. Sistema de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que os interruptores ativos (Si, S2, S3, S4, S5, Se) sendo eletricamente conectados entre si em série, e em pares, para seletiva e seqüencialmente alimentar o motor elétrico (10), os interruptores ativos e interruptores passivos sendo associados entre si formando um grupo de um ou mais primeiros interruptores ativos (S1, S3,55) e um grupo de um ou mais segundos interruptores ativos (S2, S4,
- 56) .5. Sistema de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o(s) primeiro(s) interruptor(es) ativo(s) (S1, S3, S5) é(são) acionado(s) em modulação PWM pelos tempos de alimentação e desligamento (Ton,Toff), sendo o sistema configurado para que o(s) segundo(s) interruptor(es) ativo(s) (S2, S4, Se) respectivamente associado(s) em série e em par com o(s) primeiro(s) interruptor(es) ativo(s) (S1, S3, S5) seja(m) alimentado(s) durante o tempo de desligamento (Toff) do(s) primeiro(s) interruptor(es) ativo(s) (S1, S3, S5).
- 6. Sistema de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a alimentação do(s) segundo(s) interruptor(es) ativo(s) (S2, S4, Se) é configurada para ocorrer por um tempo de alimentação complementar (Τον-c), o tempo de alimentação complementar tendo um tempo de duração ligeiramente menor ao tempo de desligamento (Toff) do primeiro interruptor ativo (S1, S3, S5).
- 7. Sistema de acionamento de motor elétrico de velocidadePetição 870180030824, de 17/04/2018, pág. 25/933/5 variável para compressor de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que os interruptores passivos (Di, D2, D3, D4, D5, Ü6) são diodos, os diodos tendo uma tensão de condução maior que a queda de tensão entre um terminal dreno e um terminal fonte durante a condução dos interruptores ativos (S1, S2, S3, S4, S5, Se).
- 8. Sistema de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que uma corrente de roda livre circula pelos terminais dreno e fonte de um dado interruptor ativo (S1, S2, S3, S4, S5, Se) em uma condição na qual a queda de tensão entre os seus terminais dreno e fonte seja menor do que a queda de tensão do seu respectivo interruptor passivo (D1, D2, D3, D4, D5, De).
- 9. Método de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor, utilizando uma ponte inversora (11) e um motor elétrico (10), caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de:i. obtenção de um sinal de potência do motor elétrico (10);ii. obtenção de um sinal de rotação do motor elétrico (10);iii. comparação do sinal de potência do motor elétrico (10) com um valor de potência de referência;iv. comparação do sinal de rotação do motor elétrico (10) com um valor de rotação de referência;v. acionamento da ponte inversora (11) através de uma modulação PWM complementar, quando os resultados das comparações iii e iv apresentarem valores inferiores aos valores de referência, a modulação PWM complementar configurada de modo que uma corrente de roda livre circule por interruptores ativos (S1, S2, S3, S4, S5, Se) da ponte inversora (11) e de modo a evitar que a corrente de roda livre circule por interruptores passivos (D1, D2, D3, D4, D5, Ü6) da ponte inversora (11).Petição 870180030824, de 17/04/2018, pág. 26/934/5
- 10. Método de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que os interruptores ativos (Si, S2, S3, S4, S5, S6) são eletricamente conectados entre si em série, e em pares, formando um grupo de um ou mais primeiros interruptores ativos (S1, S3, S5) e um segundo grupo de um ou mais segundos interruptores ativos (S2, S4, Se), para seletiva e seqüencialmente alimentar o motor elétrico (10).
- 11. Método de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que os interruptores ativos são associados um a um em paralelo com os interruptores passivos (D1, D2, D3, D4, D5, ϋδ).
- 12. Método de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que cada interruptor ativo é dotado de dois terminais ativos e cada interruptor passivo é dotado de dois terminais passivos associados aos seus respectivos interruptores ativos e formando um único encapsulamento para cada par interruptor ativo e passivo.
- 13. Método de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a potência de referência é definida quando a tensão entre os terminais ativos do interruptor ativo é menor que a tensão entre os terminais do seu respectivo interruptor passivo.
- 14. Método de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o(s) segundo(s) interruptor(es) ativo(s) (S2, S4, Se) é (são) aquele (s) que está (ao) ligado (s) em série com o seu respectivo par do grupo do(s) primeiro(s) interruptor(es) ativo(s) (S1, S3, S5).
- 15. Método de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor de acordo com a reivindicação 10, caracteriPetição 870180030824, de 17/04/2018, pág. 27/935/5 zado pelo fato de que a etapa de acionamento do(s) segundo(s) interruptores) ativo(s) (S2, S4, Se) é realizada durante o tempo de desligamento (Toff) do(s) primeiro(s) interruptor(es) (S1, S3, S5).
- 16. Método de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o(s) segundo(s) interruptor(es) ativo(s) (S2, S4, Se) é (são) alimentado (s) por um tempo de alimentação complementar (Ton-c) com tempo de duração menor ou igual ao tempo de desligamento (Toff) do(s) primeiro(s) interruptor(es) ativo(s) (S1, S3, S5).
- 17. Método de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o acionamento do(s) segundo(s) interruptor(es) ativo(s) (S2, S4, Se) é realizado após um tempo morto (Tm) a ser contado a partir do desligamento do(s) primeiro(s) interruptor(es) (S1, S3, S5).
- 18. Método de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o(s) segundo(s) interruptor(es) ativo(s) (S2, S4, Se) é (são) desligado (s) antes que o(s) primeiro(s) interruptor(es) ativo(s) (S1, S3, S5) seja (m) acionado (s) novamente, o(s) segundo(s) interruptor(es) ativo(s) (S2, S4, S6) sendo desligado(s) um tempo morto (Tm) antes do acionamento do(s) primeiro(s) interruptor(es) ativo(s) (S1, S3, S5).
- 19. Compressor de capacidade variável, caracterizado pelo fato de que é alimentado por um sistema de acionamento como definido nas reivindicações 1 a 8.
- 20. Sistema de refrigeração, caracterizado pelo fato de que compreende um sistema de acionamento de um motor elétrico (10) como definido nas reivindicações 1 a 8.Petição 870180030824, de 17/04/2018, pág. 28/931/5 /
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