BRPI1101387A2

BRPI1101387A2 - sistema e mÉtodo de otimizaÇço de eficiÊncia energÉtica para aplicaÇço em compressores de equipamentos de refrigeraÇço

Info

Publication number: BRPI1101387A2
Application number: BRPI1101387-7A
Authority: BR
Inventors: Guenter Johann Maass
Original assignee: Whirlpool Sa
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2013-05-07
Also published as: WO2012122616A1; EP2686930A1; CN102959819A; CN102959819B

Abstract

SISTEMA E MÉTODO DE OTIMIZAÇçO DE EFICIENCIA ENERGÉTICA PARA APLICAÇçO EM COMPRESSORES DE EQUIPAMENTOS E REFRIGERAÇçO. A presente invenção refere-se a um sistema de otimização de eficiência energética, para aplicação em compressores de equipamentos, de refrigeração. Tal sistema é dotado de pelo menos um circuito principal do inversor de frequência (10) e uma fonte de alimentação de energia elétrica (FAC) associadoseletricamente entre si. O circuito principal do inversor de frequência (10) compreende pelo menos um retificador de onda (4). Além disso, o circuito principal do inversor de frequência (10) compreende pelo menos um capacitor de barramento (CB), associado eletricamente em paralelo ao retificador de onda (4) e ao compressor, carregável eletricamente por uma corrente de carga. Adicionalmente, o circuito principal do inversor de frequência (10) compreende pelo menos um componente passivo (P), associado eletricamente ao retificador de onda (4), capaz de reduzir a corrente de carga do capacitor de barramento (CB) e/ou atenuar o conteúdo harmônico de uma corrente de entrada proveniente da fonte de alimentação de energia elétrica (FAC). O dito sistema compreende pelo menos um meio para obtenção de potência em uma entrada do circuito principal do inversor de frequência (10). Ainda, o dito sistema compreende pelo menos uma unidade de controle (3) associada operativamente ao meio para obtenção de potência. O dito circuito principal do inversor de frequência (10) é provido de um interruptor ativo (K) associável eletricamente em paralelo ao componente passivo (P), sendo que a unidade de controle (3) é configurada para permitir o acionamento do interruptor ativo (K) em função da potência na entrada do circuito principal do inversor de frequência (10). A presente invenção refere-se também a um método de otimização de eficiência energética, para aplicação em compressores de equipamentos de refrigeração.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA E MÉTODO DE OTIMIZAÇÃO DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA PARA APLICA- ÇÃO EM COMPRESSORES DE EQUIPAMENTOS DE REFRIGERAÇÃO".

A presente invenção refere-se a um sistema e a um método capa- zes de proporcionar otimização na eficiência de consumo de energia elétrica de um equipamento de refrigeração através de redução de perdas energéticas quando em operação em baixa potência.

Descrição do estado da técnica

Os compressores de capacidade variável são normalmente utiliza- dos em equipamentos de refrigeração domésticos e comerciais para auxiliar no atendimento aos requisitos de eficiência energética mais exigentes conhecidos atualmente. Esta variação da capacidade de refrigeração é proporcionada por uma variação de velocidade de rotação de um motor elétrico capaz de bombear gás refrigerante a um circuito de refrigeração. Tal variação de velocidade é permitida por meio de um inversor de freqüência, que consiste, em linhas ge- rais, em um circuito eletrônico dotado basicamente de dois estágios principais responsáveis pelo processamento da energia. Em um primeiro estágio, a ten- são alternada da rede elétrica é convertida para uma tensão contínua denomi- nada barramento CC. Conforme pode ser visto nas figuras 1a e 1b, esta con- versão é feita, da forma mais simplificada, através de uma ponte retificadora de diodos 4' e um capacitor de barramento CB', responsável por armazenar a e- nergia entregue pela rede nos semiciclos da tensão alternada. Em um segundo estágio, é feita a conversão da tensão contínua do barramento CC para uma tensão alternada de amplitude e freqüência variáveis, de acordo com a deman- da de rotação e potência exigida pelo motor elétrico.

Cumpre notar que, com relação ao primeiro estágio acima mencio- nado, é preciso limitar o pico de corrente elétrica necessário para realizar a primeira carga do capacitor de barramento (corrente de In-Rush), a fim de evi- tar dano a algum dos componentes que conduzem a corrente de entrada. Além disso, é necessário também permitir a atenuação do conteúdo harmônico da corrente de entrada, a fim de adequar o equipamento de refrigeração às exi- gências e normas nacionais/internacionais do mercado.

Uma maneira simples e de baixo custo para limitar a corrente de In- Rush e atenuar o conteúdo harmônico da corrente de entrada é através do uso de um elemento resistivo NTC (Negative Temperature Coeffícient), representa- do nas figuras pela letra P', posicionado em série com o caminho da corrente elétrica de entrada, conforme pode ser visto na figura 1a. Inicialmente, este elemento apresenta uma resistência nominal relativamente alta (resistência a frio) que limita o pico de corrente durante a primeira carga do capacitor de bar- ramento CB'. Com o decorrer do tempo, o elemento resistivo aquece devido à corrente que circula por ele, e a sua resistência diminui a uma condição sufici- ente para atenuar o conteúdo harmônico da corrente de entrada. Cabe notar que a atenuação do conteúdo harmônico é uma exigência em alguns merca- dos, como no Europeu. Além disso, as normas existentes, como a IEC61000-3- 2, estabelecem valores máximos permitidos para as harmônicas da corrente elétrica drenada da rede pública por um equipamento, como, por exemplo, um refrigerador. A figura 1b ilustra uma segunda configuração possível de posicio- namento do elemento NTC P', após a ponte retificadora de d iodos 4'.

Em outras palavras, as figuras 1a e 1b mostram um circuito retifi- cador de onda completa, com seus elementos básicos. Nestas configurações de circuito, a rede de tensão alternada FAC' possui uma impedância de saída zero, de modo que o formato da corrente durante a primeira carga do capacitor de barramento CB' é definido pela impedância dos elementos do circuito. Estes elementos podem ser discretos, como no caso do NTC P', ou podem ser intrín- secos (resistência de junção dos diodos retificadores e resistência série equiva- lente do capacitor de barramento). Esta mesma impedância é responsável por atenuar o conteúdo harmônico da corrente de entrada que circula pela rede de tensão alternada FAC'. Assim, a posição do componente passivo (neste caso representado pelo NTC P'), antes ou após a ponte de diodos, produz o mesmo efeito.

Outra forma possível de realizar as funções descritas anteriormente é através do uso de um elemento indutivo, que pode ser associado ou não, a um elemento resistivo como o próprio NTC.

Entretanto, a presença de um componente passivo no circuito acar- reta perdas de energia, uma vez que toda a corrente elétrica de entrada é con- duzida por este. Estas perdas reduzem a eficiência total do equipamento de refrigeração, porém, elas são necessárias para atenuar as harmônicas da cor- rente neste método mais simples e de baixo custo. Há outros métodos para redução do conteúdo harmônico, como, por exemplo, o uso de circuitos con- versores operando em alta freqüência, porém o uso de um componente passi- vo é o de menor custo e complexidade para a faixa de potência usualmente necessária para a operação de um equipamento de refrigeração.

Em outras palavras, as perdas energéticas (perdas Joule) devido ao elemento NTC influenciam significativamente a eficiência do inversor de fre- qüência, assim como na do equipamento de refrigeração. Portanto, quando o componente passivo compreender um elemento NTC, maior será a relevância destas perdas em uma condição de baixa potência, onde a corrente de entrada é baixa e a resistência do NTC possui um valor intermediário, menor que a re- sistência nominal a frio, porém, maior que a resistência a quente, quando o e- Iemento NTC está em torno de 100°C.

A escolha do elemento NTC para atenuação de harmônicas da cor- rente de entrada leva em consideração a máxima potência de operação na qual se deseja atender aos limites estabelecidos por Normas, como, por exemplo, a IEC61000-3-2. Assim, especifica-se a resistência do elemento NTC quando a corrente de entrada for a correspondente a esta máxima potência. Entretanto, quando o equipamento de refrigeração estiver operando em baixa potência, a resistência do elemento NTC aumenta, enquanto que a corrente apresentará um valor menor (menor aquecimento do corpo do NTC). Desta maneira, o ele- mento NTC apresentará um valor de resistência acima do necessário para a- tender aos limites do conteúdo harmônico da corrente de entrada em uma con- dição de operação em baixa potência, o que ocasiona a perda energética men- cionada anteriormente, que, naturalmente, é indesejada.

Uma solução que considera o acionamento de um interruptor dis- posto paralelo a um elemento NTC de entrada está sugerida no documento W02008/120928, com o objetivo de reduzir a corrente elétrica que percorre pelo NTC após a partida do compressor, o que reduz sua temperatura e, por conseqüência, aumenta sua resistência de condução para limitar a corrente em uma próxima partida do compressor. Desta maneira, a solução sugerida em W02008/120928 indica o uso de um contato de relê eletromecânico para redu- zir a corrente pelo elemento NTC e obter os ganhos esperados. No entanto, a técnica do pedido de patente W02008/120928 não é capaz de prover um au- mento significativo da eficiência do equipamento de refrigeração, por conta da redução das perdas Joule no caminho de circulação da corrente elétrica de en- trada do inversor de freqüência, uma vez que o acionamento do relê demanda uma quantidade relativamente elevada de energia elétrica. Desta maneira, a solução apresentada pelo W02008/120928 atende ao objetivo de reduzir a temperatura do elemento NTC e aumentar sua resistência, a fim de limitar a corrente de carga em uma partida do motor. Porém, esta solução não é capaz de aumentar a eficiência do inversor de freqüência, uma vez que haverá o con- sumo da bobina do relê para manter o contato fechado.

Objetivos da invenção É um objetivo da presente invenção prover uma técnica de baixo custo de implementação, capaz de permitir a otimização de eficiência energéti- ca de um equipamento de refrigeração, e, além disso, atender a requisitos pre- estabelecidos referentes ao conteúdo harmônico de uma corrente de entrada de um compressor do dito equipamento de refrigeração.

É também um objetivo da presente invenção prover um sistema e um método capazes de proporcionar redução de perdas energéticas em inver- sores de freqüência utilizados no acionamento de motores de compressores de capacidade variável de um equipamento de refrigeração.

Breve descrição da invenção

Um ou mais objetivos acima mencionados são alcançados através de um sistema de otimização de eficiência energética, para aplicação em com- pressores de equipamentos de refrigeração, de acordo com a técnica da pre- sente invenção. Tal sistema é dotado de pelo menos um circuito inversor de freqüência e uma fonte de alimentação de energia elétrica associados eletrica- mente entre si. O circuito inversor de freqüência compreende pelo menos um retificador de onda. Além disso, o circuito inversor de freqüência compreende pelo menos um capacitor de barramento, associado eletricamente em paralelo ao retificador de onda, carregável eletricamente por uma corrente de carga. Adicionalmente, o circuito inversor de freqüência compreende pelo menos um componente passivo, associado eletricamente ao retificador de onda, capaz de reduzir a corrente de carga do capacitor de barramento e/ou atenuar o conteú- do harmônico de uma corrente de entrada proveniente da fonte de alimentação de energia elétrica. O dito sistema compreende pelo menos um meio para ob- tenção de potência em uma entrada do inversor de freqüência. Ainda, o dito sistema compreende pelo menos uma unidade de controle associada operati- vamente ao meio para obtenção de potência. O dito circuito inversor de fre- qüência é provido de um interruptor ativo associável eletricamente em paralelo ao componente passivo, sendo que a unidade de controle é configurada para permitir o acionamento do interruptor ativo em função da potência na entrada do inversor de freqüência.

Assim, em linhas gerais, o sistema é provido de um interruptor ati- vo, posicionado eletricamente em paralelo a um componente passivo (indutân- cia ou resistência como a de um elemento NTC) utilizado em uma entrada de um circuito eletrônico do inversor de freqüência, sendo que a impedância total desta associação paralela é menor do que a impedância do componente passi- vo, porém, com um valor suficiente para atenuar as harmônicas da corrente de entrada do inversor de freqüência. Tal interruptor ativo é acionado quando o equipamento de refrigeração estiver operando em baixa potência.

Particularmente, a unidade de controle aciona o interruptor ativo sempre que a potência de entrada for menor que um determinado valor de refe- rência. Por outro lado, a unidade de controle desabilita o interruptor ativo quan- do a potência de entrada ultrapassar um valor de referência, a partir do qual, necessita-se de um maior valor de impedância para realizar a atenuação do conteúdo harmônico da corrente de entrada.

Um ou mais objetivos acima mencionados são também alcançados através de um método de otimização de eficiência energética, para aplicação em compressores de equipamentos de refrigeração, de acordo com a técnica da presente invenção. Tal compressor é associado eletricamente a uma fonte de alimentação de energia elétrica por meio de um circuito inversor de freqüên- cia provido de um interruptor ativo e um componente passivo. O método com- preende as seguintes etapas de:

- medir a potência de entrada do inversor de freqüência;

- associar eletricamente o interruptor ativo em paralelo ao compo- nente passivo quando a potência de entrada do inversor de freqüência for me- nor que um primeiro valor de referência predeterminado; e

- dissociar eletricamente o interruptor ativo ao componente passivo quando a potência de entrada do inversor de freqüência for maior que um se- gundo valor de referência predeterminado, o segundo valor de referência pre- determinado sendo maior que o primeiro valor de referência predeterminado.

Desta maneira, o método da presente invenção considera o contro- le de um interruptor ativo associado em paralelo a um componente passivo uti- lizado no circuito eletrônico de entrada do inversor de freqüência para fins de atenuação do conteúdo harmônico da corrente de entrada e/ou limitação da corrente de carga dos capacitores do barramento de tensão contínua. Em con- dições de operação em que a presença do componente passivo não é neces- sária, o interruptor ativo é acionado para reduzir a impedância equivalente da associação paralela, de maneira a reduzir as perdas provocadas pela condu- ção da corrente elétrica de entrada do inversor de freqüência.

Breve descrição dos desenhos

A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base nos desenhos anexos. As figuras mostram:

a figura 1a - ilustra, de forma simplificada, os principais elementos de um retificador CA-CC empregado em um inversor de freqüência do estado da técnica, em uma primeira configuração; a figura 1b - ilustra, de forma simplificada, os principais elementos de um retificador CA-CC empregado em um inversor de freqüência do estado da técnica, em uma segunda configuração;

a figura 2 - ilustra um sistema de otimização de eficiência energéti- ca para aplicação em compressores de equipamentos de refrigeração de acor- do com uma primeira concretização preferencial da presente invenção;

a figura 3 - ilustra um sistema de otimização de eficiência energéti- ca para aplicação em compressores de equipamentos de refrigeração de acor- do com uma segunda concretização preferencial da presente invenção;

as figuras 4 e 5 - ilustram as grandezas elétricas mensuradas para

determinar a potência sendo processada pelo inversor de freqüência;

a figura 6 - ilustra uma seqüência inicial de eventos quando da ini- cialização do sistema de acordo com a segunda concretização preferencial da presente invenção;

a figura 7 - ilustra uma seqüência de eventos subsequentes aos

eventos da figura 6;

a figura 8 - ilustra um exemplo de níveis de potência de aciona- mento ou desligamento do interruptor ativo do sistema da presente invenção, considerando a existência de histerese;

a figura 9 - ilustra um fluxograma do método de acionamento do in-

terruptor ativo do sistema da presente invenção;

a figura 10 - ilustra um gráfico comparativo dos ganhos de eficiên- cia obtidos quando o MOSFET está ligado e desligado, em uma implementação do sistema/método da presente invenção;

a figura 11 - ilustra um gráfico comparativo da eficiência do inver-

sor da solução proposta na presente invenção em relação à técnica conhecida do estado da técnica; e

a figura 12 - ilustra um gráfico do conteúdo harmônico de uma cor- rente de entrada do inversor de freqüência do sistema da presente invenção.

Descrição detalhada das figuras

O sistema de otimização de eficiência energética, para aplicação em compressores de equipamentos de refrigeração, de acordo com uma pri- meira e uma segunda concretizações preferenciais da presente invenção está ilustrado esquematicamente nas figuras 2 e 3, respectivamente. Tal sistema é dotado de pelo menos um inversor de freqüência dotado de um circuito princi- pal 10 e uma fonte de alimentação de energia elétrica FAC associados eletri- camente entre si. Preferencialmente, o compressor consiste em um compres- sor de capacidade variável, porém, outros tipos de compressor podem ser utili- zados.

Conforme pode ser visto nas figuras 2 e 3, o circuito principal do in- versor de freqüência 10 compreende pelo menos um retificador de onda 4.

Além disso, o circuito principal do inversor de freqüência 10 com- preende também pelo menos um capacitor de barramento CB, associado ele- tricamente em paralelo ao retificador de onda 4, carregável eletricamente por uma corrente de carga.

Adicionalmente, o circuito principal do inversor de freqüência 10 compreende pelo menos um componente passivo P, associado eletricamente ao retificador de onda 4, capaz de reduzir a corrente de carga do capacitor de barramento CB e/ou atenuar o conteúdo harmônico de uma corrente de entra- da proveniente da fonte de alimentação de energia elétrica FAC. Preferencial- mente, o componente passivo P consiste em um elemento NTC.

Ainda, o circuito principal do inversor de freqüência 10 é provido de um interruptor ativo K associável eletricamente em paralelo ao componente passivo P. Preferencialmente, o interruptor ativo K consiste em um componente semicondutor do tipo transistor MOSFET.

O sistema da presente invenção compreende pelo menos um meio para obtenção ou medição de potência em uma entrada do circuito principal do inversor de freqüência 10.

Ainda de acordo com as figuras 2 e 3, o sistema da presente in- venção compreende também pelo menos uma unidade de controle 3, associa- da operativamente ao meio para obtenção de potência, configurada para permi- tir o acionamento do interruptor ativo K em função da potência na entrada do circuito principal do inversor de freqüência 10. Tal meio para obtenção ou me- dição de potência compreende pelo menos um sensor de corrente configurado para medir uma corrente de barramento IB1 conforme pode ser visto na figura 4. Além disso, o meio para obtenção ou medição de potência compreende também pelo menos um sensor de tensão configurado para medir uma tensão de barramento VB correspondente a uma tensão sobre o capacitor de barra- mento CB, conforme pode ser visto na figura 5.

Particularmente, a unidade de controle 3 é configurada para calcu- lar uma potência ativa entregue ao compressor em função da medição de cor- rente de barramento IB e da medição da tensão de barramento VB. Mais espe- cificamente, a unidade de controle 3 é configurada ainda para calcular a potên- cia na entrada do circuito principal do inversor de freqüência 10 adicionando-se a potência ativa entregue ao compressor com as perdas de potência no retifi- cador de onda 4, no componente passivo P e/ou no interruptor ativo K.

Adicionalmente, o sistema compreende pelo menos um circuito de acionamento 5 associado operativamente à unidade de controle 3 e ao inter- ruptor ativo K, sendo que a unidade de controle 3 é configurada também para enviar um comando ao circuito de acionamento 5 para acionar o interruptor ati- vo K quando a potência medida na entrada do inversor de freqüência for menor que um primeiro valor de referência predeterminado. Por outro lado, a unidade de controle 3 é configurada ainda para enviar um comando ao circuito de acio- namento 5 para desligar o interruptor ativo K quando a potência medida na en- trada do inversor de freqüência for maior que um segundo valor de referência predeterminado. O segundo valor de referência predeterminado é maior que o primeiro valor de referência predeterminado.

Cumpre notar que o bloco referenciado pela indicação numérica 1 nas figuras representa um conjunto formado pelo compressor e todo o restante do circuito eletrônico que compõe o inversor de freqüência. Tal circuito pode ser uma ponte inversora trifásica, monofásica, etc.

A seguir, os benefícios e ganhos de eficiência obtidos pela presen- te invenção poderão ser mais bem compreendidos por meio de gráficos e tabe- Ias resultantes de sua implementação através das primeira e segunda concreti- zações preferenciais já mencionadas anteriormente.

Primeira concretização preferencial

A figura 2 ilustra uma primeira concretização preferencial do siste- ma da presente invenção. Nesta concretização preferencial, o interruptor ativo K consiste em um semicondutor MOSFET provido de um terminal de fonte S conectado à referência REF B.

Cumpre notar que a queda de tensão entre as referências REF A e REF B não impede a correta operação do MOSFET já que esta é dada pela queda de tensão na associação paralela do NTC e MOSFET cuja resistência equivalente possui um valor relativamente baixo.

A unidade de controle 3 acionará o MOSFET sempre que a pre- sença da resistência do componente passivo P for irrelevante para a atenuação do conteúdo harmônico da corrente de entrada. Uma das possíveis maneiras de gerenciar este acionamento é através da leitura da potência elétrica proces- sada pelo circuito principal do inversor de freqüência 10 e entregue ao com- pressor. Considerando que o nível da corrente elétrica drenada da fonte de a- limentação FAC é proporcional à potência processada, o conteúdo harmônico da corrente de entrada com esta potência também será proporcional. Assim, a unidade de controle 3 é capaz de acionar o MOSFET sempre que a potência entregue ao compressor estiver abaixo de um determinado valor (primeiro valor de referência predeterminado), estipulado de forma experimental para um de- terminado valor de impedância do componente passivo P de entrada do circuito principal do inversor de freqüência 10 (neste caso, pela resistência do elemento NTC).

Conforme pode ser visto na figura 2, o MOSFET é acionado quan- do a tensão de saída da unidade de controle 3 (tensão sobre o resistor R6) es- tá em um nível alto, colocando em condução os transistores Q1 e Q2, propor- cionando uma tensão aplicada entre os terminais de gatilho G e de fonte S do MOSFET. Cabe notar que a saída da unidade de controle 3 poderá assumir dois estados durante o período de tempo em que ocorre a primeira carga do capacitor de barramento CB: nível baixo (tensão zero sobre R6) ou estado de Alta Impedância. Em ambos os casos, evita-se que haja a condução de Q1 e conseqüente acionamento do MOSFET durante o período da corrente de In- Rush. Após a inicialização da unidade de controle 3, pode-se realizar o acio- namento do MOSFET aplicando uma tensão sobre o resistor R6.

Segunda concretização preferencial

Caso a unidade de controle 3 não possua a capacidade de definir seu estado lógico de saída como Alta Impedância, pode-se empregar o circuito exemplificado na figura 3, que consiste na segunda concretização da presente invenção. Neste exemplo, o acionamento do MOSFET é feito pelo transistor Q1, comandado pela unidade de controle 3. Para evitar que o MOSFET seja acionado indevidamente durante a primeira carga do capacitor de barramento CB1 adiciona-se uma capacitância C1 entre os terminais de gatilho G e de fonte S do MOSFET. O par de componentes C1 e R1, dimensionados adequada- mente, proporciona que a tensão entre o gatilho Gea fonte S seja próxima a zero, independentemente da inicialização de uma fonte auxiliar 2 (de 15V) e da saída de comando de Q1, proveniente da unidade de controle 3. Depois de de- corrido o período de inicialização da unidade de controle 3, aplica-se uma ten- são sobre o resistor R6, de maneira a bloquear o transistor Q1 e manter o MOSFET desligado.

Medição da potência de entrada do inversor de freqüência

Para definir o momento de ligar ou desligar o MOSFET, é necessá- rio medir direta ou indiretamente a potência de entrada do circuito principal do inversor de freqüência 10. Uma possível configuração para realizar esta medi- da está indicada na figura 4. A unidade de controle 3 utiliza os valores médios de corrente de retorno da carga e tensão sobre o capacitor de barramento CB para calcular a potência ou um valor proporcional a ela. Com base neste valor de potência e seguindo uma regra de histerese conforme a figura 8, faz-se o comando do MOSFET paralelo ao componente passivo P. Uma possível variação da leitura de corrente é ilustrada na figura 5.

Neste caso, realiza-se a leitura da corrente de entrada retificada, que retorna à fonte de alimentação FAC (rede) pela ponte retificadora de diodos.

Diagramas (cartas) de tempo

A figura 6 ilustra uma seqüência de eventos a partir do momento em que ocorre a carga inicial do capacitor de barramento CB da segunda con- cretização preferencial (figura 3). Nesta seqüência, observa-se que o elemento ativo K não deve ser acionado neste intervalo, a fim de que toda a corrente de In-Rush possa circular pela impedância do componente passivo P (neste caso, um elemento NTC).

Em outras palavras, a figura 6 ilustra os primeiros instantes após a energização do circuito retificador de entrada. Nota-se que, conforme espera- do, a corrente de carga do capacitor de barramento CB (corrente de In-Rush) circula somente no componente passivo P (NTC). A tensão entre os terminais de gatilho G e de fonte S do MOSFET aumenta lentamente devido à presença do par R1 e C1 ilustrados na figura 3. Após a completa carga do capacitor de barramento CB (neste caso, após 60ms) tem-se que a tensão de disparo do MOSFET continua abaixo de nível mínimo para a sua entrada em condução.

A figura 7 ilustra uma seqüência de eventos subsequentes aos da figura 6, onde o circuito de comando do circuito principal do inversor de fre- qüência 10 é inicializado, a leitura da potência processada é executada e, a decisão de acionar ou não o MOSFET é tomada.

Em outras palavras, a figura 7 demonstra uma seqüência de even- tos posteriores aos da figura 6. Neste exemplo, a tensão entre gatilho G e fonte S do MOSFET atinge o nível mínimo para entrada em condução (aproximada- mente 4V) em 0,4s. Tendo em vista que o capacitor de barramento CB está completamente carregado e que a unidade de controle 3 mantém o inversor inativo (compressor parado), não há circulação relevante de corrente de entra- da no MOSFET e componente passivo P. No instante 2s (2 segundos), a uni- dade de controle 3 aciona o transistor Q1 (da figura 3), reduzindo a tensão de disparo do MOSFET. No instante 3s, o compressor é acionado, elevando a cor- rente de entrada do retificador. Cabe notar que a corrente circula pelo compo- nente passivo P enquanto a unidade de controle 3 calcula a potência sendo entregue ao compressor. Caso a potência possua um valor abaixo de uma refe- rência (ver figura 8 que exemplifica os níveis de potência nos quais o interrup- tor ativo K é acionado ou desligado, considerando-se uma histerese para evitar acionamentos intermitentes do interruptor ativo Κ), o MOSFET é acionado (ON) para que a corrente de entrada circule também por ele (instante 6s), reduzindo as perdas de condução antes presentes no componente passivo P.

Conforme já mencionado anteriormente, o acionamento do inter- ruptor ativo K somente ocorre quando a impedância equivalente da associação for suficiente para atenuar adequadamente o conteúdo harmônico da corrente de entrada. Sendo assim, a unidade de controle 3 é capaz de reconhecer este nível de potência ou qualquer outra variável proporcional à potência. A entrada e o bloqueio do interruptor ativo K pode seguir uma histerese, conforme exem- plificado na figura 8. Neste exemplo, o interruptor ativo K é acionado quando a potência de entrada decrescer a um valor abaixo de 40W e, é desativado quando esta potência ultrapassar 45W.

Método de otimização de eficiência energética

É também um objeto da presente invenção um método de otimiza- ção de eficiência energética para aplicação em compressores de equipamentos de refrigeração que compreende as seguintes etapas de: - medir a potência de entrada do circuito principal do inversor de

freqüência 10;

- associar eletricamente o interruptor ativo K em paralelo ao com- ponente passivo P quando a potência de entrada do circuito principal do inver- sor de freqüência 10 for menor que um primeiro valor de referência predetermi-

nado P0n; e

- dissociar eletricamente o interruptor ativo K ao componente pas- sivo P quando a potência de entrada do circuito principal do inversor de fre- qüência 10 for maior que um segundo valor de referência predeterminado Poff, sendo que o segundo valor de referência predeterminado Poff é maior que o

primeiro valor de referência predeterminado P0n-

No fluxograma ilustrado na figura 9 pode-se observar que o circuito permanece inativo (MOSFET desligado) enquanto o compressor não estiver em funcionamento. Após a partida do compressor, mede-se o valor de potên- cia, comparando-o com um valor de referência Poff (valor superior da histere- se). Caso essa potência seja maior que P0ff, o MOSFET é mantido desligado, pois ê necessário que a resistência de condução do componente passivo P esteja no circuito para atenuar o conteúdo harmônico da corrente de entrada. Por outro lado, o MOSFET é ligado apenas quando o compressor estiver em funcionamento e quando a potência de entrada for menor que o valor inferior da histerese P0N- O MOSFET permanecerá ligado enquanto o compressor esti- ver em funcionamento e a potência lida não for superior ao valor Poff-

Comparações de desempenho

A figura 10 ilustra resultados experimentais obtidos através da im- plementação de um circuito principal do inversor de freqüência 10 dotado de um circuito retificador de entrada semelhante ao ilustrado na figura 2 (primeira concretização preferencial), onde o interruptor ativo K consiste em um MOS- FET modelo IRF840AS e o componente passivo P consiste em um NTC com valor a 25°C de 10Ω (modelo B57237S0100M). A figura 10 apresenta um gráfi- co que contém duas curvas que relacionam o ganho de eficiência do circuito principal do inversor de freqüência 10 com a sua potência de entrada, nas con- dições de MOSFET desativado (MOSFET OFF) e MOSFET acionado (MOS- FET ON).

Com base nessas duas curvas do gráfico, pode-se concluir que a adição da resistência de condução do MOSFET em paralelo ao NTC (condição MOSFET acionado ou MOSFET ON) proporciona um aumento da eficiência do inversor entre 0,5 e 0,6% para a faixa de 20 a 60 W de potência de entrada em relação à condição do MOSFET desativado (MOSFET OFF), o que comprova os ganhos de eficiência obtidos em uma implementação prática da técnica pro- posta da presente invenção.

A figura 11 permite comparar o valor do ganho de eficiência (como porcentagem da potência de entrada) para a configuração da técnica mostrada no pedido W02008/120928 com àquela da presente invenção (figura 2 - primei- 10

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ra concretização preferencial). O relê utilizado foi o modelo F3AA012E, com consumo fixo de bobina de 240 mW, e o MOSFET utilizado foi o componente modelo STD12NM50N, com valor de resistência de condução de 0,46 Ω à tem- peratura de junção de 50°C.

A partir da observação da figura 11, pode-se concluir que a solução com relê proposta no pedido de patente W02008/120928, empregando um contato de um relê em paralelo a um componente passivo, não proporciona os ganhos de eficiência desejáveis, ou seja, ela não atende aos objetivos de ga- nho de eficiência atingidos pela solução da presente invenção de uma maneira satisfatória.

A tabela 1 abaixo mostra a condição de referência para traçar as curvas da figura 11. Nesta tabela, observa-se que as perdas por condução no componente passivo P (NTC) na configuração original (sem a implementação de nenhum interruptor ativo, seja relê ou MOSFET) são proporcionais à corren-

Potência de en- trada do inversor (W) Fator de po- tência da entrada Corrente RMS de en- trada (A) Temperatu- ra do NTC (0C) Resistên- cia do NTC (Ω) Perdas no NTC de en- trada (mW) 0,432 0,201 53 4,27 173 0,455 0,287 56 3,82 314 40 0,470 0,370 60 3,42 468 60 0,492 0,530 68 2,78 780

A tabela 2 abaixo ilustra a perda total quando utilizada a solução com o relê F3AA012E. Nota-se que a diferença para a configuração original (sem a implementação de nenhum interruptor ativo, seja relê ou MOSFET) é irrelevante para potência de entrada de 30 W e até negativa para valores de potência menores. .■ω 3 ^ υ σ>·—' ϋ= ϋ= — O C IO

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TJ Ganho de efici- ência para con- figuração origi- nai (%) 0,52 0,67 0,75 0,81 Diferença para confi- guração original (mW) CO O o o CN o o CO OO Μ" Perda total (mW) O h- IO Oi CD CO σ> CM Perdas adicio- nais (mW)* M- OO CD CO CD CO M- Perdas na as- socia- ção (mW) CO CSI CD M- CD T^ O LO Resistên- cia na associa- ção para- lela (Ω) 0,40 T— M- o" v— M" o~ 0,41 Resistên- cia de condução do Mosfet (Ω) 0,44 0,45 0,45 0,46 Tempera- tura do Mosfet (0C) σ> Μ- CO LO M- LO IO IO Resis- tência do NTC (Ω) 4,94 4,86 4,77 4,67 Tempe- ratura do NTC (0C) 00 M- 00 M- σ> M- o IO Corrente RMS de entrada (A) 0,238 0,335 0,428 0,601 Fator de potência da entra- da 0,366 0,389 0,406 0,434 Potência de entrada do inversor (W) o CNl o CO o M- o CD

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CO > Atenuação das harmônicas

A figura 12 ilustra um gráfico do conteúdo harmônico da corrente de entrada obtido em uma implementação prática da presente invenção, em que fica evidente que, a partir de uma determinada potência de entrada, o interruptor ativo K deve ser desligado para que a impedância de entrada aumente e a atenuação sobre as harmônicas seja maior.

Particularmente, a figura 12 permite a comparação dos limites do conteúdo harmônico da corrente de entrada segundo a Norma IEC61000-3-2 e o nível das harmônicas quando o MOSFET está ligado e quando a potên- cia de entrada é de 50 e 75 W. Observa-se que a 15a harmônica tem seu valor limite ultrapassado quando a potência é de 75 W. Assim, demonstra-se que o acionamento do interruptor ativo K deve ser realizado somente para potências abaixo de um valor no qual o conteúdo harmônico da corrente de entrada se aproxima dos limites (cumpre notar que, por conseqüência da redução da resistência equivalente da associação MOSFET e o NTC, ocorre aumento do conteúdo harmônico da corrente de entrada).

De todo modo, a figura 12 demonstra que a presente invenção é capaz de reduzir o valor de sua impedância de entrada, a fim de reduzir per- das por condução da corrente de entrada, sem deixar de atenuar o conteúdo harmônico da corrente de entrada. Em outras palavras, ao se reduzir a resis- tência do elemento NTC, adicionando um elemento resistivo paralelo a este para que o valor equivalente da resistência seja o mínimo necessário, ate- nua-se adequadamente o conteúdo harmônico em uma condição de baixa potência do sistema de refrigeração. Ao se elevar a potência requerida pelo sistema, retira-se o elemento paralelo para que somente a resistência do NTC volte a estar presente no circuito.

Desta maneira, a presente invenção é capaz de, com a utiliza- ção de um semicondutor MOSFET e em uma condição de baixa potência demandada pelo compressor, reduzir a resistência da associação paralela NTC e MOSFET, reduzindo as perdas Joule no caminho de circulação da corrente elétrica de entrada do inversor de freqüência e, consequentemente, elevando a eficiência do sistema de refrigeração. Por outro lado, a técnica descrita no pedido de patente W02008/120928 não é capaz de atingir os objetivos da presente invenção principalmente devido ao alto consumo ne- cessário para acionar o relé.

Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferido, de- ve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possí- veis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações a- pensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.

Claims

1. Sistema de otimização de eficiência energética, para aplicação em compressores de equipamentos de refrigeração, o sistema sendo dotado de pelo menos um circuito principal do inversor de freqüência (10) e uma fonte de alimentação de energia elétrica (FAC) associados eletricamente entre si, o circuito inversor de freqüência (10) compreendendo pelo menos um: - retificador de onda (4); - capacitor de barramento (CB) associado eletricamente em paralelo ao retificador de onda (4), o capacitor de barramento (CB) sendo carregável ele- tricamente por uma corrente de carga; e - componente passivo (P) associado eletricamente ao retificador de onda (4), o componente passivo (P) sendo capaz de reduzir a corrente de carga do capacitor de barramento (CB) e/ou atenuar o conteúdo harmônico de uma cor- rente de entrada proveniente da fonte de alimentação de energia elétrica (FAC); o sistema sendo caracterizado pelo fato de que compreende pelo me- nos: - um meio para obtenção de potência de entrada do circuito principal do inversor de freqüência (10); e - uma unidade de controle (3) associada operativamente ao meio para obtenção de potência, o circuito inversor de freqüência sendo provido de um interruptor ativo (K) associável eletricamente em paralelo ao componente passivo (P), a unidade de controle (3) sendo configurada para permitir o acionamento do interruptor ativo (K) em função da potência na entrada do circuito principal do inversor de frequên- cia (10).

2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos um circuito de acionamento (5) associado opera- tivamente à unidade de controle (3) e ao interruptor ativo (K), a unidade de contro- le (3) sendo configurada para enviar um comando ao circuito de acionamento (5) para acionar o interruptor ativo (K) quando a potência medida na entrada do in- versor de freqüência for menor que um primeiro valor de referência predetermina- do (Pqn)1 a unidade de controle (3) sendo configurada para enviar um comando ao circuito de acionamento (5) para desligar o interruptor ativo (K) quando a po- tência medida na entrada do inversor de freqüência for maior que um segundo valor de referência predeterminado (Poff), o segundo valor de referência prede- terminado (Poff) sendo maior que o primeiro valor de referência predeterminado (Pon).

3. Sistema de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o meio para obtenção de potência compreende pelo menos: - um sensor de corrente configurado para medir uma corrente de bar- ramento (IB); e - um sensor de tensão configurado para medir uma tensão de barra- mento (VB) correspondente a uma tensão sobre o capacitor de barramento (CB)1 sendo que a unidade de controle (3) é configurada para calcular uma potência ativa entregue ao compressor em função da medição de corrente de bar- ramento (IB) e da medição da tensão de barramento (VB)1 a unidade de controle (3) sendo configurada ainda para calcular a potência na entrada do circuito princi- pal do inversor de freqüência (10) adicionando-se a potência ativa entregue ao compressor com as perdas de potência no retificador de onda (4), no componente passivo (P) e/ou no interruptor ativo (K).

4. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações prece- 20 dentes, caracterizado pelo fato de que o interruptor ativo (K) consiste em um componente semicondutor do tipo transistor MOSFET.

5. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações prece- dentes, caracterizado pelo fato de que o componente passivo (P) consiste em um elemento NTC ou um elemento indutivo ou associação de ambos.

6. Método de otimização de eficiência energética, para aplicação em compressores de equipamentos de refrigeração, o compressor sendo associado eletricamente a uma fonte de alimentação de energia elétrica (FAC) por meio de um circuito inversor de freqüência (10), o circuito principal do inversor de freqüên- cia (10) sendo provido de um interruptor ativo (K) e um componente passivo (Ρ), o método sendo caracterizado pelo fato de que compreende as seguintes etapas: - medir a potência de entrada do circuito principal do inversor de fre- qüência (10); - associar eletricamente o interruptor ativo (K) em paralelo ao compo- nente passivo (P) quando a potência de entrada do circuito principal do inversor de freqüência (10) for menor que um primeiro valor de referência predeterminado (Pon); e - dissociar eletricamente o interruptor ativo (K) ao componente passi- vo (P) quando a potência de entrada do circuito principal do inversor de freqüên- cia (10) for maior que um segundo valor de referência predeterminado (Poff), o segundo valor de referência predeterminado (Poff) sendo maior que o primeiro valor de referência predeterminado (Pon)·