BRPI1100026A2 - sistema e mÉtodo de controle para compressores reciprocos - Google Patents

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Abstract

SISTEMA E MÉTODO DE CONTROLE PARA COMPRESSORES RECÍPROCOS. A presente invenção refere-se a um sistema de controle para compressor hermético para refrigeração, que inclui um compressor recíproco (3) e um controle eletrônico (2) para o compressor recíproco (3), o controle eletrônico (2) ser configurado para, após comandar o desligamento (32) do compressor (3), perceber se a rotação (33) de giro do eixo (10) está abaixo de um limite (34) predefinido, passando a aplicar um torque de frenagem (36), provocando a desaceleração (37) do eixo antes que se completar o próximo giro do eixo. Em outras palavras, a invenção consiste em provocar uma desaceleração controlada do eixo do compressor após seu desligamento parando o eixo durante seu último giro mecânico, provocando a desaceleração ao longo de pelo menos 180 graus de giro, evitando que ocorra desaceleração em um ângulo muito reduzido e consequente solavancos. A invenção consiste em perceber a rotação do eixo durante a desaceleração e aplicar frenagem abaixo de uma rotação predefinida, logo após o último ciclo de compressão acima dessa mínima predefinida.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA E MÉTODO DE CONTROLE PARA COMPRESSORES RECÍPROCOS".
A presente invenção refere-se a sistema e a um método que permite controlar o comportamento de parada de um compressor recíproco.
DESCRIÇÃO DO ESTADO DA TÉCNICA
Compressores herméticos para do tipo recíproco, dotados de mecanismos do tipo biela manivela e pistão com movimento alternativo são amplamente usados na indústria de equipamentos de refrigeração doméstica e comercial.
Esses compressores podem ser do tipo capacidade fixa ou de
capacidade variável, e sua operação é comandada por algum dispositivo eletromecânico ou circuito eletrônico, que responde a uma programação de- pendente das variáveis a serem controladas no equipamento de refrigera- ção, predominantemente a temperatura interna dos compartimentos, sendo que o compressor atua em ciclos alternados de operação e parada.
Durante os períodos de operação esses compressores recípro- cos são responsáveis pela circulação do gás refrigerante através do circuito de refrigeração, sendo que o mecanismo de biela-manivela e pistão execu- tam movimentos cíclicos nos quais o pistão eleva a pressão do gás durante seu avanço, ao que corresponde um esforço contrário aplicado sobre o me- canismo e ao eixo girante. Esse esforço sobre o pistão e conseqüente rea- ção sobre o mecanismo e eixo varia de forma muito significativa ao longo de um giro do eixo, proporcionalmente aos valores de pressão do gás refrige- rante, tanto maior quanto maior for a diferença entre as pressões de evapo- ração (lado frio) e de condensação (lado quente) do circuito de refrigeração. Para esses equipamentos de refrigeração usando compressores do tipo re- cíproco, cada vez que o compressor é desligado, o mecanismo ainda pode executar alguns poucos giros devido a inércia do conjunto, principalmente a inércia do rotor do motor que impõe o movimento girante, sendo que ocorre- rá um solavanco nesta parada do compressor devido a um impulso contrário sobre o pistão causado pela diferença de pressão do gás, impulso esse cau- sado pela parada abrupta do eixo ou pelo movimento de giro em sentido o- posto na ultima volta do eixo, pelo fato do pistão não ser capaz de vencer a pressão, comprimindo e descomprimindo o gás em um movimento alternado.
Esse solavanco de parada é típico nesse tipo de compressor, recíproco de refrigeração, sendo que o sistema de molas de suspensão in- terno ao compressor, e que sustenta todo o conjunto é projetado de forma a absorver esse impulso e atenuá-lo de forma a não causar quebra dessas molas ou ruídos de parada do compressor por cheques entre as partes. Quanto maior for a diferença de pressão sob a qual o compressor está ope- rando, tanto maior será esse impulso. Tipicamente a solução de engenharia para esse problema de
solavanco na parada do compressor é o projeto equilibrado das molas de suspensão. Essas molas de suspensão têm como principal função atenuar a transmissão das vibrações geradas durante a operação normal no sistema de bombeamento devido ao movimento alternado do pistão, evitando que essas vibrações se transmitam ao corpo externo do compressor e conse- quentemente ao refrigerador, causando ruído. Essas molas devem então ser macias o suficiente para atenuar a vibração de funcionamento normal e tam- bém absorverem o impulso de parada, mas não excessivamente macias a ponto de permitir grande deslocamento do conjunto interno durante esse impulso de parada e conseqüente choque nos batentes mecânicos e assim elevado ruído. O projeto também deve ser adequado de forma a não provo- car esforço excessivo nas molas a ponto de provocar fadiga e quebra des- sas molas de suspensão do conjunto interno do compressor recíproco.
Esse solavanco de parada tende a ser mais intenso em com- pressores que operem com maiores diferenças de pressão, como também em compressores que tenham menor massa interna de seus componentes. Além desses fatores ligados a condição de pressão e a massa do conjunto, a dificuldade do projeto das molas de suspensão será mais elevado quanto mais se queira atenuar as vibrações da operação normal, especialmente na operação em baixas rotações, o que conduz a condições de contorno ainda mais severas e difíceis de serem atendidas. Em projetos onde ocorram si- multaneamente condições severas de pressão, minimização do peso do con- junto e necessidade de reduzir consideravelmente o nível de vibração de operação em baixa rotação, a solução pode não ser possível. OBJETIVOS DA INVENÇÃO
Portanto é um primeiro objetivo dessa invenção prover um sis- tema e um método que permita reduzir a rigidez das molas do sistema de suspensão consideravelmente minimizando o nível de vibração durante a operação normal.
É outro objetivo desta invenção prover um sistema e um método que reduz a exigência de robustez do sistema de suspensão, mantendo o mesmo resultado final de confiabilidade e vida esperada das molas, evitando sua quebra.
Outro objetivo desta invenção prover um sistema e um método que permite o compressor opere em condições de elevada diferença de pressão, podendo ser desligado sob essas condições sem que sejam gera- dos impactos e ruídos indesejados durante a parada do compressor. BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
Os objetivos da invenção são atingidos através de um sistema e um método que reduz significativamente ou até elimina o solavanco sobre o conjunto mecânico do compressor durante a sua parada, através da desace- leração controlada do conjunto móvel ao longo de todo o último giro do eixo, evitando que o pistão desacelere bruscamente ao longo de um pequeno an- gulo de giro durante o último ciclo incompleto de compressão do gás, com conseqüente geração de impulso torcional elevado. DESCRIÇÃO SUMARIZADA DOS DESENHOS A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descri-
ta com base em figuras:
Figura 1 - Representação do sistema;
Figura 2-0 controle do compressor e principais subsistemas internos ao compressor; Figura 3 - Detalhes do subsistema mecânico do compressor
recíproco;
Figura 4 - Representação processo compressão e da velocida- de do eixo do compressor;
Figura 5 - Representação processo compressão e da velocida- de do eixo do compressor durante a parada segundo a técnica atual; e
Figura 6 - Representação processo compressão e da velocida- de do eixo do compressor durante a parada segundo a nova técnica propos- ta.
DESCRIÇÃO DETALHADA DAS FIGURAS E DA INVENÇÃO
De acordo com a figura 1, um sistema de refrigeração alimenta- do por uma rede de energia elétrica 1 é formado por um controlador eletrôni- co 2 que controla a operação do compressor 3, que provoca um fluxo 7 de gás refrigerante no interior do condensador 5, sendo que o gás percorre o dispositivo de restrição de fluxo 6, que pode ser um tubo capilar, seguindo para o evaporador 4, e retornando ao compressor.
De acordo com a figura 2, o compressor 3 é formado pela sua carcaça 3, por molas 11 de suspensão responsáveis pelo amortecimento da vibração mecânica gerada pelo movimento do conjunto 12 formado pelo mo- tor 9 e mecanismo de compressão 8, interligados mecanicamente pelo eixo de transmissão do torque e movimento giratório. As vibrações mecânicas geradas pelo mecanismo 8, devido aos desbalanceamentos e variação do torque são filtradas pelas molas de suspensão 11, sendo que essas molas são projetadas de maneira a serem o mais macias possível, com baixo coe- ficiente elástico, para aumentarem a efetividade da filtragem das vibrações, mas isso traz o inconveniente de aumentar a amplitude do transitório de os- cilação e deslocamento do kit durante a parada do compressor, podendo levar ao choque mecânico entre o sistema 12 de acionamento e compressão (kit) contra a carcaça 3 do compressor gerando ruído acústico, e também causar fadiga nas molas e conseqüente quebra.
De acordo com a figura 3, o mecanismo de compressão 8 é for- mado pelo eixo e massa girante 10, no qual a biela 16 está acoplada, e que modifica o movimento giratório do eixo 10 em movimento recíproco, que a- ciona o pistão 15. O pistão 15 movimenta-se dentro do cilindro 13, fazendo com que o gás comprimido circule pela placa de válvulas 14. Esse meca- nismo gera a compressão, que envolve diferenças de pressão elevadas e picos elevados de torque de reação. O movimento giratório do eixo e massa girante 10 é mantido pela sua própria inércia, e velocidade média é mantida pela geração de torque pelo motor.
De acordo com a figura 4, o torque 20 gerado pelo motor 9 en-
contra um torque de reação 21 do mecanismo de compressão, o que provo- ca uma variação da velocidade de giro 23 do eixo e massa girante 10 do compressor. Essa velocidade 23 do eixo 10 varia ao longo de um ciclo de compressão, que se inicia no ponto morto inferior do pistão, quando o ângulo de giro é zero (0), atingindo o Máximo de compressão e Máximo de torque de reação 21 quando num ângulo inferior e próximo a 180 graus de giro, o que causa a desaceleração do eixo.
De acordo com a figura 5, durante o processo de parada do compressor, segundo a técnica atual, no momento 22 em que o motor 9 dei- xa de gerar torque, o mecanismo 8 continua seu movimento inercial alimen- tado pela energia cinética armazenada no eixo e massa girante 10, sendo que a velocidade 23 do eixo decresce gradativamente, cada vez mais rapi- damente a cada ciclo de compressão que se completa, extraindo energia cinética da massa girante e eixo 10, até o ponto 24 em que devido a rotação muito reduzida, não há mais energia suficiente no eixo e massa girante 10 para completar o ciclo de compressão, levando o eixo a perder velocidade de giro rapidamente, ou seja, uma elevada desaceleração (rpm/s), o que causa um impulso 24 reverso no mecanismo. Essa desaceleração do meca- nismo em um período te tempo muito pequeno, além de impulsionar todo o conjunto mecânico, pode fazer com que o eixo gire em sentido oposto. Essa energia cinética do eixo e massa girante 10 depende da rotação ao quadra- do, e do momento de inércia desse eixo e massa girante. O impulso reverso que ocorre nessa parada brusca causa um forte impulso no conjunto 12 for- mado pelo motor e mecanismo de compressão, e que pelo fato de estarem apoiadas nas molas 11 de suspensão, causa um grande deslocamento e possível choque mecânico entre conjunto 12 e a carcaça 3, causando ruído e fadiga das molas. De acordo com a figura 6, onde é ilustrada a invenção, durante o processo de parada do compressor, segundo a nova técnica proposta, no momento 32 em que o motor 9 deixa de gerar torque, o mecanismo 8 conti- nua seu movimento inercial alimentado pela energia cinética armazenada no eixo e massa girante 10, sendo que a velocidade 23 do eixo decresce grada- tivamente, até que a rotação do eixo seja inferior a um valor predefinido 34, quando o controlador eletrônico percebe que a rotação do eixo 10 atingiu o nível 34, e logo após isso, por exemplo no momento 35, aplica um torque 36 em sentido oposto ao giro do mecanismo, que se entende por grande parte do último giro do eixo, iniciando um período 37 de frenagem do eixo e massa girante 10, evitando que o último ciclo de compressão ocorra, evitando o for- te impulso reverso no mecanismo. Dessa forma a desaceleração do eixo ocorre distribuída ao longo de todo o último giro, de forma controlada, resul- tando em um valor (rpm/s) de desaceleração substancialmente inferior aque- Ia observada na técnica atual. Essa técnica permite que as molas de sus- pensão do conjunto mecânico possam ser projetadas de forma a terem baixo coeficiente elástico, sendo muito efetivas para filtrar a vibração, e evitar que ocorra o choque do conjunto de compressão (kit) de encontro a carcaça do compressor, e impedindo elevados deslocamentos deste conjunto mecânico durante o transitório de parada, minimizando a solicitação mecânica e fadiga causada as molas. Esse nível 34 de rotação deve ser o suficiente para que a energia cinética armazenada no eixo e massa girante 10 do compressor seja suficiente para completar um ciclo completo de compressão, evitando a de- saceleração súbita e solavanco do mecanismo.

Claims (10)

1. Sistema de controle para compressor hermético para refrige- ração, o sistema compreendendo: um compressor recíproco (3); um controle eletrônico (2) para o compressor recíproco (3), ca- racterizado pelo fato do controle eletrônico (2), após comandado o desliga- mento (32) do compressor (3), perceber se a rotação (33) de giro do eixo (10) está abaixo de um limite (34) predefinido, passando a aplicar um torque de frenagem (36), provocando a desaceleração (37) do eixo antes que se completar o próximo giro do eixo.
2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o controle (2) comandar a frenagem (36) do eixo (10) abaixo de uma rotação mínima (34) na qual a inércia do conjunto girante (10) garante que um ciclo completo de compressão ocorra.
3. Sistema de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de a aplicação do torque de frenagem (36) iniciar num momento (35) logo após concluído um ciclo de compressão e durar essencialmente até o momento que um próximo ciclo de compressão estiver prestes a iniciar.
4. Sistema de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo fato do torque de frenagem (36) ser tal que cause a desaceleração gra- dual, estendendo a desaceleração 37 do eixo 10 até que um próximo ciclo de compressão esteja iniciando, fazendo com que neste ponto essencial- mente atinja rotação zero.
5. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da frenagem (36) do eixo (10) ser causada por um torque em sentido oposto ao giro do eixo.
6. Método de controle para compressor hermético para refrigera- ção, caracterizado pelo fato de compreender etapas de: - após comandar o desligamento (32) de um compressor (3), perceber se a rotação (33) de giro do eixo (10) está abaixo de um limite (34) predefinido; e - passar a aplicar um torque de frenagem (36), provocando a desaceleração (37) do eixo antes que se completar o próximo giro do eixo.
7. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender uma etapa de o controle (2) comandar a frenagem (36) do eixo (10) abaixo de uma rotação mínima (34) na qual a inércia do conjun- to girante (10) garante que um ciclo completo de compressão ocorra.
8. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de compreender uma etapa de iniciar a aplicação de torque de frenagem (36) em um momento (35) logo após concluído um ciclo de compressão e durar essencialmente até o momento que um próximo ciclo de compressão estiver prestes a iniciar.
9. Método de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizado pelo fato de na etapa do torque de frenagem (36), tal torque de frenagem (36) ser tal que cause a desaceleração gradual, estendendo a desacelera- ção 37 do eixo 10 até que um próximo ciclo de compressão esteja iniciando, fazendo com que neste ponto essencialmente atinja rotação zero.
10. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de a frenagem (36) do eixo (10) ser causada por um torque em sentido oposto ao giro do eixo.
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