BRPI1013472A2 - Método de controle para um compressor linear ressonante e sistema de controle eletrônico para um compressor linear ressonante aplicado a um sistema de refrigeração - Google Patents

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Abstract

MÉTODO DE CONTROLE PARA UM COMPRESSOR LINEAR RESSONANTE E SISTEMA DE CONTROLE ELETRÔNICO PARA UM COMPRESSOR LINEAR RESSONANTE APLICADO A UM SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO. A presente invenção refere-se a um método e a um sistema de controle para compressor linear ressonante, sendo estes especialmente aplicados para o controle de capacidade de um sistema de refrigeração. Tal método compreende, essencialmente, as seguintes etapas: a) ler uma potência de operação de referência (Pref) do compressor (100); b) medir uma corrente de operação (iMED) do motor do compressor (100); c) medir uma tensão de operação de um módulo de controle do compressor (100); d) calcular uma potência de entrada (Pmed) do motor do compressor (100) em função da corrente de operação(iMED) medida na etapa b) e da tensão de operação obtida na etapa c); e) comparar a potência de entrada (Pmed) calculada na etapa anterior com a potência de operação de referência (Pref); f) se a potência de operação de referência (PrefP for maior que a potência de entrada (Pmed), então incrementar uma tensão de operação do compressor (UC); g) se a potência de operação de referência (Pref) for menor que a potência de entrada (Pmed), então decrementar a tensão de operação do compressor (UC)

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO DE CONTROLE PARA UM COMPRESSOR LINEAR RESSONANTE E SISTEMA DE CONTROLE ELETRÔNICO PARA UM COMPRESSOR LINEAR RESSONANTE APLICADO A UM SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO". 5 A presente invenção refere-se a um método e a um sistema de controle para compressor linear ressonante, sendo estes especialmente a-plicados a um sistema de refrigeração para controle de sua capacidade. A solução proposta faz uso de um controle otimizado e apoiado, essencialmente, na potência de entrada do compressor em comparação a 10 uma potência de referência fornecida e/ou calculada para o dito equipamento.
Descrição do Estado da Técnica Os compressores de pistão alternativos geram pressão comprimindo o gás no interior de um cilindro, através do movimento axial de seu 15 pistão, de modo que o gás do lado de baixa pressão (pressão de sucção ou evaporação) entre no interior do cilindro através da válvula de sucção. O referido gás, por sua vez, é comprimido dentro do cilindro pelo movimento do pistão e após comprimido, sai do cilindro pela válvula de descarga para o lado de alta pressão (pressão de descarga ou condensação). 20 Para os compressores lineares ressonantes, o pistão é acionado por um atuador linear, o qual é formado por um suporte e íímãs que podem ser acionados por uma ou mais bobinas, uma ou mais molas que conectam a parte móvel (pistão, suporte e íímãs) à parte fixa (cilindro, estator, bobina, cabeçote e estrutura). As partes móveis e as molas formam o conjunto res-25 sonante do compressor.
Então, o conjunto ressonante acionado pelo motor linear tem a função de desenvolver um movimento alternativo linear, fazendo com que o movimento do pistão no interior do cilindro exerça uma ação de compressão do gás admitido pela válvula de sucção, até o ponto em que ele pode ser 30 descarregado através da válvula de descarga, para o lado de alta pressão. A amplitude de operação do compressor linear é regulada pelo equilíbrio da potência gerada pelo motor e a potência consumida pelo meca- nismo na compressão do gás. Deste modo não existe um limite definido para a máxima amplitude do deslocamento do pistão, sendo necessário medir ou estimar o deslocamento máximo, para que o sistema de controle possa a-cionar o compressor com segurança e evitar o impacto mecânico do pistão 5 com o final de curso. Este impacto podería gerar perda de eficiência, ruído acústico e, inclusive, a quebra do compressor.
Outra característica importante dos compressores lineares ressonantes é a sua frequência de acionamento, uma vez que tal equipamento é projetado para funcionar na frequência de ressonância do chamado siste-10 ma massa/mola do conjunto. Nesta condição, a eficiência do equipamento é máxima, sendo a massa total igual à soma da massa da parte móvel (pistão, suporte e ímãs), e chamada mola equivalente é igual à soma da mola ressonante do sistema, mais a mola gás gerada pela força de compressão do gás. A aludida força de compressão do gás tem um comportamento 15 similar a uma mola variável e não linear, que depende das pressões de evaporação e condensação do sistema de refrigeração, e também do gás usado no sistema.
Quando o sistema opera na frequência de ressonância, a corrente do motor está em quadrature com o deslocamento, ou a corrente do motor 20 está em fase com a força contra-eletromotriz do motor, pois esta é proporcional àa derivada do deslocamento.
Como a frequência de acionamento é ajustada na frequência de ressonância, é sabido que, para variar a capacidade de refrigeração é necessário variar a amplitude do deslocamento do pistão, variando assim o 25 volume do gás deslocado por ciclo, e a capacidade de refrigeração do compressor. A maioria das soluções hoje disponíveis no estado da técnica para controle de capacidade combina soluções de medição ou estimação do curso, com um sistema de controle do deslocamento máximo, ajustando este 30 deslocamento para modificar a capacidade de refrigeração.
Assim, algumas soluções propostas para obter o curso do compressor é o uso de sensores de posição, tais como aquelas descritas nos documentos PI0001404-4, PI0203724-6, US 5.897.296, JP 1336661 e US 5.897.269.
Vale frisar que, todas as soluções com sensor de posição para medir o curso tem uma maior complexidade, um custo mais elevado, além 5 de necessitar de uma maior número de fios e conexões externas ao compressor. Como os compressores de refrigeração são herméticos e podem estar sujeitos a temperaturas e pressões elevadas, então a necessidade de conexões extras é uma grande dificuldade, além do fato do ambiente interno do compressor também estar sujeito a uma grande variação de temperatura, 10 o que também dificulta o uso de sensores. Adicionalmente, pode ser necessário um processo de calibração dos ditos sensores durante a produção ou durante o seu funcionamento.
Outros tipos de soluções não utilizam sensores de posição, como os casos de patente US 5.342.176, US 5.496.153, US 4.642.547. Os do-15 cumentos US 6.176.683, KR 96-79125 e KR 96-15062, similares as três soluções anteriores, também não empregam sensores de posição em seus objetos.
Deste modo, cabe destacar que, as soluções sem sensor de posição não têm uma boa precisão ou estabilidade de operação, e, em geral, 20 necessitam de outros tipos de sensores, como sensores de temperatura ou acelerômetro para detecção de impacto. Ademais, a construção do compressor também pode necessitar de uma solução mecânica que torne o compressor mais resistente ao impacto mecânico, o que em geral sacrifica a performance do compressor ou agrega custos adicionais. 25 Frente ao acima exposto, é proposta a presente invenção com a finalidade de prover um método e um sistema de controle para compressor ressonante capazes de oferecer um controle mais eficiente e mais otimizado para o equipamento no âmbito do controle de capacidade de um sistema de refrigeração. 30 Objetivos da Invenção Um primeiro objetivo da presente invenção é propor um método de controle para compressor linear ressonante capaz de prover um controle de capacidade do equipamento.
Um segundo objetivo da presente invenção é prover um sistema de controle eletrônico para um compressor linear, especialmente aplicado a um sistema de refrigeração, sendo este capaz de eliminar a necessidade de 5 sensores, ou de métodos complexos de estimação do curso do pistão, para grandes faixas de amplitude de deslocamento.
Um objetivo adicional da presente invenção refere-se a um método e a um sistema de controle orientado para reduzir o custo final do compressor. 10 Adicionalmente, é um objetivo da presente invenção reduzir os picos de ruído do compressor e melhorar a sua estabilidade de operação.
Finalmente, é outro objetivo da presente invenção implementar uma solução simples, quando comparada às técnicas anteriores, para a produção em escala industrial do referido controle. 15 Breve descrição da invenção Uma maneira de alcançar os objetivos da presente invenção é através da provisão de um método de controle para um compressor linear ressonante aplicado a um sistema de refrigeração, de modo que tal método compreenda as seguintes etapas: 20 a-) ler uma potência de operação de referência do compressor; b-) medir uma corrente de operação do motor do compressor; c-) medir uma tensão de operação de um módulo de controle do compressor; d-) calcular uma potência de entrada do motor do compressor 25 em função da corrente de operação medida na etapa b) e da tensão de operação obtida na etapa c); e-) comparar a potência de entrada calculada na etapa anterior, com a potência de operação de referência; f-) se a potência de operação de referência for maior que a po- 30 tência de entrada, então incrementar uma tensão de operação do compressor; g) se a potência de operação de referência for menor que a po- tência de entrada, então decrementar a tensão de operação do compressor.
Uma segunda maneira de alcançar os objetivos da presente invenção é através da provisão de um sistema de controle eletrônico para um compressor linear ressonante aplicado a um sistema de refrigeração, o com-5 pressor linear ressonante compreendendo um motor elétrico e um pistão de deslocamento, o motor elétrico do compressor sendo acionado a partir de uma tensão de operação de compressor, o sistema compreendendo um dispositivo eletrônico processador configurado para medir uma corrente de operação do motor elétrico do compressor, o dispositivo processador sendo con-10 figurado para prover uma potência de entrada do compressor em função da corrente de operação do motor medida, e comparar esta potência de entrada com um valor de potência de operação de referência, o sistema sendo configurado para incrementar ou decrementar a tensão de operação do compressor a partir de uma diferença de potência calculada entre a potência de en-15 trada e a potência de operação de referência.
Breve Descrição dos Desenhos A presente invenção será descrita a seguir em mais detalhes, com referência aos desenhos anexos, nos quais: a figura 1 — representa uma vista esquemática de um compres-20 sor linear ressonante; a figura 2 - ilustra um diagrama de blocos do controle do sistema de refrigeração, objeto da presente invenção; a figura 3 — ilustra um diagrama de blocos simplificado do controle eletrônico, objeto da presente invenção; 25 a figura 4 - mostra um diagrama de blocos do controle com a- cionamento por inversor, conforme os ensinamentos da presente invenção; a figura 5 - mostra um diagrama de blocos do controle com a-cionamento por dispositivo tipo TRIAC; a figura 6 - mostra um fluxograma do sistema de controle, objeto 30 da presente invenção; e a figura 7 — mostra as formas de onda da pressão de descarga, identificando a potência e o deslocamento máximo do pistão, para o controle por potência versus o controle por curso, objeto da presente invenção. Descrição Detalhada das Figuras Conforme já mencionado anteriormente, a maioria das soluções empregadas para o controle de capacidade combina as conhecidas técnicas 5 de medição, ou estimação do curso, com um sistema de controle de deslocamento máximo do pistão, ajustando este deslocamento para atuar na capacidade de refrigeração do sistema.
Adicionalmente, tais técnicas levam em conta, em muitos casos, o uso de sensores de posição, a fim de medir o curso do pistão, acarre-10 tando assim em considerável aumento de custo para o produto final.
De outro lado, as soluções sem sensor de posição não apresentam uma boa precisão, ou estabilidade de operação, sendo necessária muitas vezes a utilização de dispositivos adicionais, tais como sensores de temperatura e acelerômetro para detecção de impacto. Esta construção im-15 plica em um equipamento de maior custo e maior tempo de manutenção. A presente invenção emprega um método e um sistema inovadores para o controle de compressor linear ressonante 100, sendo tal compressor ilustrado na figura 1. O referido método de controle é, preferencialmente, aplicado a um sistema de refrigeração, sendo o mesmo idealizado 20 para operar segundo as seguintes etapas: a-) ler uma potência de operação de referência Pref do compressor 100; b-) medir uma corrente de operação Ímed do motor do compressor 100; 25 c-) medir uma tensão de operação de um módulo de controle do compressor 100; d-) calcular uma potência de entrada Pmed do motor do compressor 100 em função da corrente de operação íMed medida na etapa b) e da tensão de operação obtida na etapa c); 30 e-) comparar a potência de entrada PMed calculada na etapa an- terior, com a potência de operação de referência Pref; f-) se a potência de operação de referência Pref for maior que a potência de entrada Pmed, então incrementar uma tensão de operação do compressor UC; g) se a potência de operação de referência Pref for menor que a potência de entrada Pmed, então decrementar a tensão de operação do 5 compressor UC. A aludida potência de operação de referência Pref é lida, ou a-presentada, ao presente sistema, via operador ou usuário do equipamento final. De outra forma, tal potência de operação Pref é calculada em função de um sinal oriundo do termostato eletrônico do sistema de refrigeração, tal co-10 mo ilustrado na figura 2. A mesma figura ilustra um diagrama de blocos do controle do sistema de refrigeração, destacando os seus principais blocos, ou etapas operacionais, necessários ao correto funcionamento do objeto ora proposto. A figura 3, por sua vez, mostra um diagrama em blocos mais 15 simplificado, evidenciando as etapas essenciais do sistema reivindicado.
Vale destacar que, o método de controle em tela compreende ainda, de maneira alternativa, as seguintes etapas: g) detectar um valor de deslocamento do pistão Dpis do compressor 100; 20 h) comparar o deslocamento do pistão DPjS com um valor de des- locamento máximo Dpmax; i) verificar se o valor de deslocamento do pistão DPjS é maior que o valor de deslocamento máximo Dpmax, e, em caso positivo, executar em sequência as etapas “d”, “e” e T anteriores; e 25 j) verificar se o valor de deslocamento do pistão Dpis é menor que o valor de deslocamento máximo Dpmax, e em caso afirmativo, então decrementar a tensão de operação do compressor UC. A figura 6 mostra, por meio de um fluxograma, as principais etapas envolvidas no método de controle proposto. 30 As etapas “g” a “j” são empregadas de modo a prever um siste- ma de proteção, ou detecção do limite de curso do pistão, evitando assim o impacto do pistão com o seu final de curso. Para a presente aplicação, é importante avaliar se o cursor atingiu, ou não, o limite máximo para proteção do sistema, e não necessariamente valores intermediários de deslocamento.
No âmbito da presente invenção ainda, é prevista a medição de corrente de operação ímed do motor do compressor 100 e o cálculo da po-5 tência de entrada Pmed, através de um dispositivo eletrônico processador 200. O dito dispositivo eletrônico 200 em conjunto com um módulo de controle, ou dispositivo eletrônico de potência 300, opera o motor elétrico do compressor linear ressonante 100 dentro dos ensinamentos da presente in-10 venção.
Mais particularmente, tem-se que a tensão de operação do compressor UC é incrementada ou decrementada a partir do dispositivo eletrônico de potência 300, sendo este do tipo inversor ou TRIAC. As figuras 4 e 5 mostram as duas concretizações possíveis para a etapa de potência do pre-15 sente método. A figura 7, por sua vez, mostra um fluxograma de todo o método de controle abarcando as etapas essenciais para o controle de capacidade de um sistema de refrigeração. O objeto ora reivindicado prevê ainda um sistema de controle 20 eletrônico para um compressor linear ressonante 100, especialmente aplicado a um sistema de refrigeração. O referido sistema leva em conta o fato de que o compressor linear ressonante 100 compreende um motor elétrico e um pistão de deslocamento, de forma que o motor elétrico do compressor 100 seja acionado a 25 partir de uma tensão de operação de compressor UC.
De uma maneira mais ampla, nota-se que o sistema proposto opera segundo as etapas do método já descrito anteriormente.
Cabe destacar que, o aludido sistema compreende um dispositivo eletrônico processador 200 configurado para medir uma corrente de ope-30 ração do motor elétrico do compressor 100.
Por seu turno, o dispositivo processador 200 é configurado para prover uma potência de entrada Pmed do compressor 100 em função da cor- rente de operação medida do motor, e comparar esta potência de entrada Pmed com um valor de potência de operação de referência Pref.
Em linha com o método desenvolvido, o presente sistema é configurado para incrementar ou decrementar a tensão de operação do com-5 pressor UC a partir de uma diferença de potência Djfp0t calculada entre a potência de entrada Pmed e a potência de operação de referência Pref. A tensão de operação do compressor UC é incrementada ou decrementada a partir de um dispositivo eletrônico de potência 300 do tipo inversor ou TRIAC, como mostram as figuras 4 e 5. 10 Preferencialmente, tem-se que o dispositivo eletrônico proces- sador 200 é configurado para um controle digital de todo o sistema.
Mais uma vez, vale salientar que o ajuste da tensão de operação do compressor UC é dado a partir da comparação da potência de operação de referência Pret com a potência de entrada Pmed-15 Mais detalhadamente, cabe destacar que a tensão de operação do compressor UC é incrementada quando um valor de potência de operação de referência Pref é maior que a potência de entrada Pmed- De modo análogo, a tensão de operação do compressor UC é decrementada na condição em que um valor de potência de operação de referência Pref é menor 20 que a potência de entrada Pmed- De modo preferível ainda, a tensão de operação do compressor UC é incrementada ou decrementada a partir de um controle de modulação por largura de pulso PWM. Todavia, outros tipos de sinal de controle podem ser empregados sem prejuízo para o funcionamento de todo o sistema, con-25 forme os ensinamentos da presente invenção.
Frente ao acima exposto, o objeto ora reivindicado alcança os seus objetivos na medida em que um método e um sistema de controle para compressor linear ressonante são propostos e capazes de eliminar a necessidade de sensores, ou métodos complexos de estimação do curso do pistão 30 para grandes faixas de amplitude de deslocamento.
Adicionalmente, vale destacar que a invenção em tela além de reduzir o custo do compressor, frente às soluções hoje disponíveis, permite ainda reduzir eventuais picos de ruído do compressor, bem como melhorar a sua estabilidade de operação. Tal estabilidade é obtida na medida em que para a mesma referência a potência se mantém constante.
Por fim, vale mencionar ainda que, os picos de pressão durante 5 a partida do compressor são reduzidos, conforme os ensinamentos da presente invenção, enquanto a potência é mantida constante, ao contrário da técnica de controle por curso, normalmente utilizada nas técnicas anteriores, que gera um pico de consumo e um “overshot’ na pressão de descarga, como mostra a figura 7. Cabe mencionar que, para reduzir ainda mais picos de 10 pressão, os quais podem contribuir para a geração de ruídos elevados durante a partida, é possível introduzir uma rampa para a potência, conforme os ensinamentos da presente invenção, limitando ainda mais o “overshot na pressão.
Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferido, 15 deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possíveis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações apenas, aí incluídos os possíveis equivalentes.

Claims (10)

1. Método de controle para um compressor linear ressonante (100) aplicado a um sistema de refrigeração, o método sendo caracterizado pelo fato de que compreende as seguintes etapas: 5 a-) ler uma potência de operação de referência (Pref) do com- pressor (100); b-) medir uma corrente de operação (ímed) do motor do compressor (100); c-) medir uma tensão de operação de um módulo de controle do 10 compressor (100); d-) calcular uma potência de entrada (Pmed) do motor do compressor (100) em função da corrente de operação (ímed) medida na etapa b) e da tensão de operação obtida na etapa c); e-) comparar a potência de entrada (Pmed) calculada na etapa 15 anterior com a potência de operação de referência (Pref); f-) se a potência de operação de referência (Pref) for maior que a potência de entrada (Pmed), então incrementar uma tensão de operação do compressor (UC); g-) se a potência de operação de referência (Pref) for menor que 20 a potência de entrada (Pmed), então decrementar a tensão de operação do compressor (UC).
2. Método de controle de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende as seguintes etapas: h) detectar um valor de deslocamento do pistão (Dpis) do com-25 pressor (100); i) comparar o deslocamento do pistão (DPjS) com um valor de deslocamento máximo (DPmax); j) se o valor de deslocamento do pistão (DPjS) for maior que o valor de deslocamento máximo (Dpmax), então executar na sequência as eta- 30 pas e , f e g . k) se o valor de deslocamento do pistão (DPiS) for menor que o valor de deslocamento máximo (Dpmax) então decrementar a tensão de ope- ração do compressor (UC).
3. Método de controle de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo fato de que a medição de corrente de operação (Ímed) do motor do compressor (100) e o cálculo da potência de entrada (Pmed) são 5 executados em um dispositivo eletrônico processador (200).
4. Método de controle de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a tensão de operação do compressor (UC) é incrementada ou decrementada a partir de um dispositivo eletrônico de potência (300) do tipo inversor ou TRIAC.
10 5. Sistema de controle eletrônico para um compressor linear res- sonante (100) aplicado a um sistema de refrigeração, o compressor linear ressonante (100) compreendendo um motor elétrico e um pistão de deslocamento, o motor elétrico do compressor (100) sendo acionado a partir de uma tensão de operação de compressor (UC), o sistema sendo caracteriza- 15 do pelo fato de que compreende um dispositivo eletrônico processador (200) configurado para medir uma corrente de operação do motor elétrico do compressor (100), o dispositivo processador (200) sendo configurado para prover uma potência de entrada (Pmed) do compressor (100) em função da corrente de operação do motor medida, e comparar esta potência de entrada 20 (Pmed) com um valor de potência de operação de referência (Pref), o sistema sendo configurado para incrementar ou decrementar a tensão de operação do compressor (UC) a partir de uma diferença de potência (Djfpot) calculada entre a potência de entrada (Pmed) e a potência de operação de referência (Pref).
25 6. Sistema de controle eletrônico para um compressor linear res- sonante (100) de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a tensão de operação do compressor (UC) é incrementada ou decrementada a partir de um dispositivo eletrônico de potência (300) do tipo inversor ou TRIAC.
30 7. Sistema de controle eletrônico para um compressor linear res- sonante (100) de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o dispositivo eletrônico processador (200) é configurado para um contro- le digital.
8. Sistema de controle eletrônico para um compressor linear ressonante (100) de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a tensão de operação do compressor (UC) é incrementada para um va- 5 lor de potência de operação de referência (Pref) maior que a potência de entrada (PMed).
9. Sistema de controle eletrônico para um compressor linear ressonante (100) de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a tensão de operação do compressor (UC) é decrementada para um 10 valor de potência de operação de referência (Pref) menor que a potência de entrada (Pmed)-
10. Sistema de controle eletrônico para um compressor linear ressonante (100) de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a tensão de operação do compressor (UC) é incrementada ou de- 15 crementada a partir de um controle de modulação por largura de pulso (PWM).
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