WO2010048684A2 - Sistema e método de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor, compressor de capacidade variável e sistema de refrigeração - Google Patents

Sistema e método de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor, compressor de capacidade variável e sistema de refrigeração Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a variable speed electric motor drive system and method of compressor, a variable capacity compressor and a refrigeration system for the purpose of increasing the efficiency of frequency inverters employed in the drive.
  • variable capacity compressors in refrigeration systems by activating the output stage (inverter bridge) active switches (eg MOSFETs) during the freewheeling interval of the motor current.
  • variable capacity compressors which, as the name implies, allow adjustment of cooling capacity by varying the pumping speed of refrigerant gas (ie mass flow) according to the need of the system.
  • variable capacity compressor performs the excursion from a minimum mass flow value to a maximum value by varying the speed of its motor.
  • the variation of rotation is obtained by electronic control called frequency inverter, which adjusts voltage and frequency applied to the motor.
  • Such a frequency inverter employs Pulse Width Modulation (PWM), that is, the voltage pulse width applied to the motor is controlled through a PWM modulator.
  • PWM Pulse Width Modulation
  • the PWM modulator sets the width (duration) of the pulse in proportion to the desired rotation, adjusting it according to the load and voltage of the supply network.
  • the voltage applied to the motor is pulsed, with switching frequency usually of a few kHz.
  • PWM modulation is applied to the motor phases by means of a inverter bridge, formed by the set of three arms, each responsible for applying voltage to one of the three phases of the motor.
  • Each inverter bridge arm has two active solid state switches (IGBT or MOSFET type), referred to herein as active switches, each having in parallel a polarized passive solid state (DIO) switch, referred to herein as a passive, solid state switch. to drive current through the motor phases when the complementary active switch of the same arm is in cut-off state (open or not conducting current).
  • IGBT active solid state switches
  • DIO polarized passive solid state
  • the power is transferred from the LINK DC to the electric motor.
  • Electric current flows in the closed circuit formed by the LINK DC (usually composed of an energy storage stage obtained with an electrolytic capacitor), the upper active switch, a first phase of the electric motor, a second phase of the electric motor. , by the lower switch connected to this second phase, returning to the LINK DC.
  • PWM modulation aims to adjust the instantaneous average voltage applied to the motor by measuring the voltage of the LINK DC over a period of time within the switching period, there are two main states: the first as already mentioned, where there is the transfer power to the motor, and the second where the upper active switch previously driving is cut (open), no longer transferring power to the motor. Electric current, however, continues to flow due to the inductive nature of the load (motor), finding a new circulation path through the same lower active switch and the passive switch (DIODE) parallel to the active switch complementary to that previously driven. Case If it does not reach zero, current will circulate in this circuit until the beginning of the next switching period where the upper active switch is again commanded to drive.
  • DIODE passive switch
  • This period when there is no energy transfer to the motor (where there is diode conduction) is known as the Freewheel stage of the motor current, in this range called the freewheel current. If the freewheel current reaches zero before the next switching period begins, the diode of this freewheel circuit will naturally block the current.
  • PWM modulation follows a certain function in order to shape the voltage and fundamental current delivered to the motor.
  • This function can be of different types (sinusoidal, rectangular, trapezoidal, etc.) depending on the type of motor and control.
  • both IGBT type and MOSFET type active switches are employed.
  • the freewheeling diode is purposely placed in parallel, usually within the same package as the active IGBT switch.
  • MOSFET the freewheeling diode is naturally present in parallel with it, being a component with generally poor switching characteristics (slow switching diode), and conduction similar to that of the diode used with the IGBTs.
  • the present invention aims, through the use of the Complementary PWM Modulation technique in frequency inverters employed in refrigeration systems equipped with variable capacity compressors:
  • VDC variable capacity compressors
  • the objectives of the present invention are achieved by employing the complementary actuation technique of the two active MOSFET-type switches of the same inverter bridge arm, a method also known as Complementary PWM Modulation, in frequency inverters employed to drive of variable capacity compressors.
  • One way of translating the objectives of the present invention is by employing a known method of reducing conduction losses located in passive semiconductors (Diodes) that usually drive freewheeling currents.
  • this method commonly referred to as “Complementary PWM Modulation”
  • PWM modulation is employed in the operation of inverters present in high efficiency cooling systems, the system comprising an inverter bridge electrically associated with a variable speed electric motor. and triggered by a signal in PWM modulation, PWM modulation having two main stages identified by the time of energy transfer to the motor (or "T 0 N” period) and by the time period in which current free-wheeling (or "T O FF" period).
  • the method employed with the main action is to activate the pair of active switches (MOSFETs) of the same arm, in a complementary way, causing the freewheel current not to circulate through the freewheeling diode, but through the channel of the switch.
  • active MOSFET commanded to drive.
  • variable speed electric motor drive system for compressor comprising an inverter bridge electrically associated with an electric motor, the inverter bridge being driven by a complementary PWM modulation.
  • the complementary PWM modulation is driven at a substantially low electric motor speed relative to a reference speed, and the complementary PWM modulation is driven at a substantially low electric motor power relative to a reference power.
  • a variable speed electric motor drive system for the compressor comprising an inverter bridge electrically associated with an electric motor, the inverter bridge being formed by active switches, the active switches being associated with one another. one in parallel with passive switches, each passive switch having two passive terminals, each active switch having two active terminals, each active switch forming a single encapsulation with its respective passive switch, the active switches driving in a adjustable driving time, the active switches going on as a function of a voltage between their active terminals substantially less than the voltage between the passive terminals of their respective passive switch.
  • the objectives are achieved through a variable speed electric motor drive method for compressor, using an inverter bridge and an electric motor, comprising the following steps: obtaining a power signal from the electric motor, obtaining a electric motor speed signal, comparison of electric motor power signal with a reference power value, electric motor speed signal comparison with a reference speed value and inverter bridge drive via PWM modulation when the results of the rotation and power comparisons are below their respective reference values.
  • variable capacity compressor powered by a drive system defined herein.
  • Figure 1 illustrates an output stage of a frequency inverter with its most basic components.
  • Figures 2a and 2b - is an example of conventional PWM drive showing the two main stages TON and TOFF and the path taken by the electric current in a modulation according to the state of the art;
  • Fig. 3a and 3b is an example of complementary PW drive according to the present invention, showing the two main stages, illustrating that in the second stage (Fig. 2b) the freewheel chain is circulated through active switch, achieving loss reduction and meeting the objectives of the invention for refrigeration systems employing variable capacity compressors;
  • Figures 4a and 4b shows the actuation signals of the three active switches involved in the example illustrated by figures 2a / 2b and 3a / 3b, with conventional PWM method and complementary PWM method to be employed;
  • Figure 5 - illustrates the complementary drive applied to the three inverter bridge arms.
  • Figure 1 exemplifies an output stage of a frequency inverter with its most basic components.
  • the figure shows the inverter bridge 11 formed by six pairs of parallel associations of active and passive switches (see respectively Si, S ⁇ , S3, S 4 , S 5 , S 6 and Di, D 2 , D 3 , D 4 , D 5 , D 6 ), in which a PWM-type command signal is applied, which can assume the ON and OFF states in the respective time periods TON and TOFF. It also constitutes the basic circuit, a storage stage.
  • the electric motor 10 is represented by the three inductive elements 1, 2 and 3, each representing one phase of the three phase motor.
  • the inverter bridge shown in Figure 1 distributes to the motor phases the energy stored in the CLINK element, which receives power from an external source through classic elements not illustrated here (eg rectifier bridge connected to the mains power supply). alternating energy conversion stages connected to alternative energy sources, etc.).
  • the inductive elements 1, 2 and 3 represent the electric motor 10 which drives, for example, a refrigerant gas compressor pump of the cooling system, or any other load to which the electric motor 10 is associated. It is clear, therefore, that actions to reduce loss by conduction of inverter bridge switches bring increased overall system efficiency.
  • Figure 2a shows a conventional PWM loop.
  • the power is transferred to the electric motor 10 through the path formed by the active switches ST and S 4 , for example of the MOSFET type switches, thus occurring energy losses located on both switches due to driving resistance of the same.
  • the electric current naturally maintains its circulation through the passive switch D 2 (illustrated with an antiparallel diode at S 2 - see situation illustrated in figure 2b).
  • the passive switch and active switch D 2 and S 4 respectively .
  • a new cycle is started with the command for driving input of the active switch Si.
  • Figures 3a and 3b comparatively illustrate figures 2a and 2b, the change that takes place in the sequence of actuation of the active switches to achieve the object of the present invention. It is shown that the first step does not differ from the one illustrated in figure 2 (see top), ie the same closed circuit for current circulation is maintained during power delivery to the electric motor 10, while also maintaining the same losses. by driving two active MOSFET switches. Already in the second main stage of the PWM, where the current circulates in freewheel, it is the deliberate actuation of the complementary switch to the one that previously opened, in the exemplified case, the actuation of S 2 . This allows the electric current to flow through the active switch channel S 2 instead of the passive switch D 2 .
  • the electrical current will preferably flow through the active switch S 2 under conditions where the voltage drop between the terminals of this active switch S 2 is less than the voltage drop required for the passive switch D 2 to start driving.
  • the current to be driven by the inverter bridge will be of low amplitude, and therefore obtainable. reducing the conduction losses by allowing electric current to flow through the active switches, ie through the MOSFET channel.
  • figures 3a and 3b illustrate only the two main stages of the PWM switching period, the first one where the power transfer to the electric motor 10 is made (see figure 3a), and the second one where the current circulates in a wheel. -free (see figure 3b).
  • Si the upper active switch
  • S 2 the lower active switch of the same arm
  • the upper active switches Si, S 3 and S 5 can be called first active switches and the lower switches S 2 , S 4 and S 6. , can be referred to as second active switches.
  • the second (s) active switch (s) S 2 , S 4 , S 6 is powered ( (s) for a complementary TON-C feed time which should be slightly shorter than the TOFF off time of the first active switch (s) S ⁇ , S 3 , S 5 , it should preferably be established that the actuation of the second active switch (s) S 2 , S 4 , S 6 is only performed after a dead time T, such dead time TM being counted from turning off the first switch (s) Si, S 3 , S 5 .
  • the minimum time interval TM also known as "De-ad-time" has as its main purpose to ensure that there are no simultaneous conduction of two switches of the same arm, ie, S 2 with Si, S4 with S 3. and S6 with S5, as such a situation would short the capacitor C L INK and possible permanent damage to the components involved.
  • the other upper and lower switch combinations operate depending on the phases to which electrical power is to be delivered (for example, the same applies to sets S 3 , and S 4 ; S 5 , S 2 and S 6, Si, S 6 and S 2 , etc).
  • Figures 4a and 4b demonstrate the actuation signals of the three active switches involved in the example illustrated by figures 2a / 2b and 3a / 3b, with conventional PWM method and complementary PWM method.
  • the freewheeling current is shown to circulate through the MOS- FET when complementary modulation is used (supply occurring for a complementary time TON-C respecting the dead time T M also shown in figure 4b).
  • the current through the S2 Drain is illustrated with negative polarity in the second frame of the figure to maintain the same polarity set for the active switch Si. The current, therefore, enters the active switch Source terminal S2 and exits through the Drain terminal thereof during the freewheeling period of the current, that is, by the complementary time TON-C previously interrupted by the path formed by Si.
  • the complementary PWM modulation illustrated in figures 4a and 4b may or may not be maintained at different inverter operating points. Under higher load conditions, where the electric motor current is higher, the voltage between the conducting MOSFET terminals may be greater than the direct driving voltage of the freewheeling diode in parallel. In this situation, the current will naturally flow through the diode, regardless of the command given to the anti-parallel switch.
  • a variable speed electric motor drive system for compressor comprises an inverter bridge 11 electrically associable with an electric motor 10, and the inverter bridge 11 is driven, as already mentioned, by a modulator. complementary PWM.
  • Said complementary PWM modulation is driven, as will be described in more detail below, at a substantially lower electric motor speed 10 relative to a reference speed and a substantially lower electric motor power 10 relative to a reference power .
  • the inverter bridge 11 of the present variable speed electric motor drive system for compressor is provided with active switches (Si, S 2 , S 3 , S 4 , S 5 , Se), associated one by one in parallel with passive switches ( Di, D 2 , D3, D 4 , D 5 , D 6 ), where each passive switch has two passive terminals and each active switch (Si, S 2 , S 3 , S 4 , S 5 , S 6 ) It has two active terminals.
  • said passive switches are diode semiconductor devices.
  • PWM modulation is formed by periods of time in which the active and passive switches are connected to an electric voltage (V M ) which is fed to the electric motor 0, said electric voltage (V) being connected for a period of time. Time (TON) and Off Time (TOFF) -
  • the active switches (Si, S2, S3, S4, S5, SB) are electrically connected together in series and in pairs, to selectively and sequentially feeding the electric motor 0.
  • the active and passive switches are associated with each other forming a group of first active switch (s) (Si, S 3 , S5) and a group of second active switch (s) ( S 2 , S 4 , Se).
  • the first active switch (s) (Si, S 3 , S 5 ) are actuated in PWM modulation by the power on and off times. (T O NTOFF), where the system is configured so that the second active switch (s) (S 2 , S 4 , Se) respectively associated ⁇ ) in series and paired with the ) first active switch (s) (Si, S3, S5) are supplied during shutdown time (T 0 FF) of first switch (s) active (s) (Si, S 3 , S 5 ).
  • each active and passive switch pair there is a single physical package or encapsulation.
  • the active switches go into operation at an adjustable driving time, based on a voltage between their active terminals substantially less than the voltage between the passive terminals of their respective passive switch.
  • a reference power is defined for the drive of the variable speed electric motor.
  • I AVG I PK ⁇ (l - D)
  • D - Cyclic ratio which depends mainly on rotation (the lower the rotation, the lower the cyclic ratio).
  • a compressor motor has been tested in order to validate the presence of proposed and identify the optimum inverter bridge actuation points.
  • the engine was driven at 1200 rpm and 1600 rpm.
  • Complementary PWM modulation was developed at a switching frequency of 2.5 kHz.
  • the tests were performed at an ambient temperature of 25 Q C using IRF840AS type MOSFET transistors.
  • IRF840AS type MOSFET transistors.
  • MOSFETS transistors of the type IRF840AS were used, however other types of transistors may be employed for the implementation of the inverter bridge.
  • Tables 1 and 2 below allow a comparison between the efficiency achieved with the use of complementary PWM modulation (B) and that related to conventional modulation (A).
  • the average current conducted by the passive switch (diode) and the effective current conducted by the active switch device (MOSFET transistor) depend on the amplitude of the current and its conduction time, which is why its values are directly influenced. by engine speed.
  • the present variable speed electric motor drive system for the compressor is driven by complementary PWM modulation (applied to the inverter bridge 11) at the time the electric motor 10 operates at a substantially low speed relative to a reference speed.
  • the reference rotation was determined around 2300 rpm, therefore, for rotation values below this reference, the efficiency increase obtained for the inverter bridge was verified.
  • such drive is performed in an electric motor power 10 substantially low relative to a reference power determined on the basis of the IAVG and IRMS-
  • FIG. 5 An example of the complementary PWM modulation method is shown in figure 5.
  • the actuation sequence of the active switches for a brushless permanent magnet (or Brushless D Motor) application is shown. It is clear from the figure the complementary PWM modulation applied to the switch pairs S 1 , S2; S 3 , S 4 ; and S5 S 6.
  • the constant cyclic ratio (TON OFF ratio) is maintained during the activation of each phase set of the electric motor 10.
  • the complementary PWM modulation can be applied to variations of the exemplified case, where the ratio cyclic is adjusted according to any other temporal or discrete function, such as, for example, sinusoidal modulation of the cyclic ratio, or miscellaneous modulations applied to the cyclic ratio for load adjustments, compensations, etc.
  • variable speed electric motor drive method for compressor using an inverter bridge 11 and an electric motor comprises the steps of:
  • v. inverter bridge 1 1 is activated by a complementary PWM modulation when the results of comparisons iii and iv are below the reference values.
  • the system is provided with an electronic control circuit (not shown) capable of controlling an electric motor 10 applicable, for example, to to a VDC variable capacity compressor via PW, controlled by an inverter bridge.
  • the electronic control circuit In order to increase the efficiency of the cooling system, the electronic control circuit must be configured to drive the pair of active switches (MOSFETs) of the same arm, complementary (PWM complementary), causing the wheel current to free does not travel through the freewheeling diode, but through the active switch channel (MOSFET) commanding to drive.
  • MOSFETs active switches
  • PWM complementary complementary
  • the object defined in the present invention as well as the results from the experimental test, prove that the overall efficiency of the cooling system is high with the reduction of conduction losses.
  • the proposed motor drive PWM modulation particularly applied to compressors, offers greater reliability for the drive electronic circuit and the entire system in view of a lower operating temperature for the equipment.
  • variable capacity compressor having a drive system according to the teachings of the present invention is provided, as well as a refrigeration system having the present drive system.
  • the present invention presents a considerable increase in efficiency for refrigeration systems with the use of the complementary PWM methodology, when compared to that achieved by the solutions of prior art, notably by the use of conventional modulation.

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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 freqϋência. A técnica, conhecida por Modulação PWM Complementar, realiza o acionamento do interruptor ativo inferior complementar àquele que havia sido previamente 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 e 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 conseqϋentemente aumentar a eficiência global do sistema de refrigeração.

Description

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".
A presente invenção refere-se a um sistema e método de acio- namento 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 frequência empregados no acio- namento 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 ro- da-livre da corrente elétrica do motor.
Descrição do Estado da Técnica
Para atender aos requisitos mais exigentes de eficiência, siste- mas 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.
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 frequência, o qual ajusta tensão e frequência aplicadas ao motor.
Tal inversor de frequência 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 proporcionalmente à rotação desejada, ajustando-se esta também conforme carga e tensão da rede de alimentação. A tensão aplicada no motor é pulsada, com frequência de comutação geralmente de alguns kHz.
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 (DÍODO) 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 interrup- tores ativos de cada braço (interruptor superior) está conectado ao potencia! 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.
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 e- nergia 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.
Como a modulação PWM tem por objetivo ajustar a tensão média instantânea aplicada ao motor por meio da dosagem da tensão 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 indu- tiva da carga (motor), encontrando um novo caminho de circulação pelo mesmo interruptor ativo inferior e pelo interruptor passivo (DÍODO) 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.
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 ten- são de junção em polarização direta e impedância dinâmica.
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 bai- xa rotação do motor interno ao compressor e com potência instantânea baixa (ou potência de regime permanente), existente quando o sistema está em equilíbrio térmico.
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.
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 consequente impacto negativo na confiabilidade do produto. Por outro lado, fixando-se uma temperatura máxima de operação para os componentes eletrônicos, fixa-se por consequência 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
A presente invenção tem como objetivos, através do uso da téc- nica de Modulação PWM Complementar em inversores de frequência empregados em sistemas de refrigeração equipados com compressores de capacidade variável:
- empregar Modulação PWM Complementar para reduzir as perdas de condução provocadas pela corrente de roda-livre em inversores em- pregados 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.
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 in- versores de frequência empregados para acionamento de compressores de capacidade variável.
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 (DÍODOS) que usu- almente conduzem correntes de roda-livre. Para alcançar tais objetivos, em- prega-se este método, geralmente denominado 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 acio- nada 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 "T0N") 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.
Ainda, de acordo com os ensinamentos da presente invenção, os objetivos almejados são alcançados através de um sistema de aciona- mento 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.
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 ativo 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 en- trando 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.
Ainda, os objetivos são alcançados através de um método de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor, utili- zando 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 acio- namento 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.
Os objetivos da presente invenção são alcançados ainda através de um compressor de capacidade variável alimentado por um sistema de acionamento ora definido.
Finalmente, os objetivos são alcançados através de um sistema de refrigeração dotado de um sistema de controle de motor elétrico, confor- me os ensinamentos da presente invenção.
Descrição Sumarizada Resumida dos Desenhos
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 frequência 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 caminho percorrido pela corrente elétrica em uma modulação de acordo com o estado da técnica;
figura 3a e 3b - é um exemplo de acionamento PW 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 re- dução 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
A figura 1 exemplifica um estágio de saída de um inversor de frequência com seus componentes mais básicos. Na figura, mostra-se a ponte inversora 1 1 formada por seis pares de associações paralelas de interruptores ativos e passivos (vide respectivamente S-i, S∑, S3, S4, S5, S6 e Di, D2, D3, D4, D5, D6), 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 JNK- O motor elétrico 10 é representado pelos três elementos indutivos 1 , 2 e 3, cada qual representando uma fase do motor trifásico.
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 não-ilustrados (por exem- pio, 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.
A figura 2a mostra um ciclo convencional de PWM. Em um primeiro estágio, faz-se a transferência de energia para o motor elétrico 10 a- través do caminho formado pelos interruptores ativos ST 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 Si 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 S-i.
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; S5l S2 e D6; S-i, S6 e D2; etc).
As figuras 3a e 3b ilustram comparativamente as figuras 2a e 2b, a alteração que se realiza na sequência de acionamento dos interruptores ativos para obter o objetivo da presente invenção. 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 interrup- tores 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.
A corrente elétrica circulará preferencialmente pelo interruptor a- tivo 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 principalmen- te 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.
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 interrup- tor ativo superior (neste exemplo, Si) e o acionamento do interruptor ativo inferior do mesmo braço (neste exemplo, S2) para se obter a modulação PWM complementar.
Tomando-se o exemplo acima, em regras gerais, pode-se estabelecer que os interruptores ativos superiores Si, S3 e S5, podem ser deno- minados 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 TO 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 desli- gamento TOFF do(s) primeiro(s) interruptor(es) ativo(s) S^, S3, S5, devendo- se, preferencialmente, estabelecer que o acionamento do(s) segundo(s) in- terruptor(es) ativo(s) S2, S4, S6 somente seja realizado após um tempo morto T , tal tempo morto TM sendo contado a partir do desligamento do(s) primei- ro(s) interruptor(es) S-i , S3, S5.
A mesma lógica sendo realizada no religamento dos interruptores, onde o(s) segundo(s) interruptor(es) ativo(s) S2, S4, S6 sendo desligado^) antes que o(s) primeiro(s) interruptor(es) ativo(s) Si, S3, S5 seja(m) acionado(s) novamente, o(s) segundo(s) interruptor(es) ativo(s) S2, S4, S6 sendo desligado(s) pelo tempo morto T antes do acionamento do(s) primei- ro(s) interruptor(es) ativo(s) Si, 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.
O intervalo de tempo mínimo TM, também conhecido como "De- ad-time" tem como principal objetivo, assegurar que não haja condução simultânea de dois interruptores de um mesmo braço, ou seja, por exemplo S2 com S-i , 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.
De forma idêntica àquela ilustrada nas figuras 3a e 3b, operam as outras combinações de interruptores superiores e inferiores, dependendo das fases às quais se deseja entregar energia elétrica (por exemplo, o mesmo se aplica aos conjuntos S3, e S4; S5, S2 e S6; S-i , S6 e S2; etc).
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 MOS- FET 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 po- laridade definida para o interruptor ativo S-i . 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 S-i .
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, indepen- dente do comando dado ao interruptor em antiparalelo.
Para o objeto de invenção ora proposto, um sistema de aciona- mento 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 modu- lação PWM complementar.
A dita modulação PWM complementar é acionada, como será descrita em maiores detalhes na sequência, 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.
A ponte inversora 11 do presente sistema de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor é dotada de interruptores ativos (S-i , S2, S3, S4, S5, Se), associados um a um em paralelo com interruptores passivos (D-i , D2, D3, D4, D5, D6), sendo que cada interruptor passivo é dotado de dois terminais passivos e cada interruptor ativo (S-i , S2, S3, S4, S5, S6) é dotado de dois terminais ativos. Preferencialmente, os ditos interruptores passivos são dispositivos semicondutores de diodos. 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 0, sendo a dita tensão elétrica (V ) ligada por um período de tempo de alimentação (TON) e desligada por um período de tempo (TOFF)-
Segundo os ensinamentos da presente invenção, os interruptores ativos (Si , S2, S3, S4, S5, SB) são eletricamente conectados entre si em série, e em pares, para seletivamente e sequencialmente alimentar o motor elétrico 0. Como já mencionado, os interruptores ativos e passivos são associados entre si formando um grupo de primeiro(s) interruptor(es) ativo(s) (Si , S3, S5) e um grupo de segundo(s) interruptor(es) ativo(s) (S2, S4, Se).
Assim, na presente invenção, o(s) primeiro(s) interruptor(es) ati- vo(s) (S-i , S3, S5) é(são) acionado(s) em modulação PWM pelos tempos de alimentação e desligamento (TONTOFF), sendo o sistema configurado para que o(s) segundo(s) interruptor(es) ativo(s) (S2, S4, Se) respectivamente associado^) em série e em par com o(s) primeiro(s) interruptor(es) ativo(s) (Si , S3, S5) seja(m) alimentado(s) durante o tempo de desligamento (T0FF) do(s) primeiro(s) interruptor(es) ativo(s) (Si, S3, S5).
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 acio- namento do motor elétrico de velocidade variável.
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.
Pode-se portanto, limitar o emprego de tal modulação apenas aos pontos de operação mais relevantes, reduzindo a complexidade do con- trole 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.
Os principais parâmetros que podem ser utilizados para deter- minar os pontos de referência do inversor são descritos abaixo para melhor entendimento:
- Perda de condução do diodo: PD = VjON · IAVG ) + {rjON · IRMS ~ )
- Perda de condução do MOSFET: PM0S = RDS0N ■ IRMS
- Corrente de roda-livre média de um ciclo de chaveamento: IAVG = IPK ■ (l - D)
- Corrente de roda-livre eficaz (RMS) de um ciclo de chaveamento:
Figure imgf000015_0001
Onde:
Vj0N - Tensão de junção do diodo de roda-livre (interruptor passivo) rj0N - Resistência de condução da junção do díodo de roda-livre
IPK - 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).
Como a utilização da modulação PWM complementar é vantajo- sa quando PMos < PD, determina-se uma rotação de referência proporcional à razão cíclica D de acionamento da ponte inversora 1 1 e uma potência de referência proporcional às correntes VG e lRMs-
A definição dos pontos de operação pode ainda ser feita de forma experimental, monitorando os ganhos de eficiência energética do inver- sor de frequência ao se varrer as diferentes variáveis envolvidas, sem e com o emprego da modulação PWM complementar.
Um motor para compressor foi testado, a fim de validar a presen- te 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 frequência de comutação de 2,5 kHz. Os testes foram realizados em uma temperatura ambi- ente de 25Q C, utilizando-se transistores MOSFET do tipo IRF840AS. Para a presente invenção foram utilizados, preferencialmente, transistores MOS- FETS do tipo IRF840AS, todavia outros tipos de transistores podem ser empregados para a implementação da ponte inversora.
As tabelas 1 e 2 abaixo permitem uma comparação entre a efici- ência alcançada com o emprego da modulação PWM complementar (B), e aquela relacionada à modulação convencional (A).
Tabela 1. Dados obtidos no acionamento do motor a partir de uma comutação convencional e uma comutação PWM complementar em 1200 rpm
Figure imgf000016_0001
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
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 comutação convencional e uma comutação PWM complementar em 1600 rpm
Figure imgf000017_0001
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
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).
Cabe ressaltar que, a corrente média conduzida pelo interruptor passivo (díodo) e a corrente eficaz conduzida pelo dispositivo interruptor ati- vo (transistor MOSFET) dependem da amplitude da corrente e do seu tempo de condução, razão pela qual os seus valores são diretamente influenciados pela rotação do motor.
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 ex- clusivamente 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.
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 tomo 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-
Como mencionado anteriormente, a modulação PWM complementar aplica-se para os três pares de interruptores ativos superiores e infe- riores (três braços da ponte inversora).
Um exemplo do método da modulação PWM complementar é i- lustrado pela figura 5. Neste caso, mostra-se a sequência de acionamento dos interruptores ativos para uma aplicação com motor de imãs permanentes, sem escovas (ou Brushless DÇ Motor). Fica claro na figura a modulação PWM complementar aplicada aos pares de interruptores S1 ,S2; S3, S4; e S5,S6. No caso exemplificado pela figura 5, mantém-se razão cíclica (razão TON OFF) 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.
Adicionalmente, um método de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor, utilizando uma ponte inversora 1 1 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 1 1 através de uma modulação PWM complementar, quando os resultados das comparações iii e iv apresentarem valores inferiores aos valores de referência.
Em termos de implementação da presente invenção, deve-se 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 PW , 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 roda-livre não circule pelo diodo de roda-livre, mas sim pelo canal do interruptor ativo (MOSFET) comandando a conduzir.
Assim, o objeto definido na presente invenção, bem como os resultados oriundos do ensaio experimental, comprovam que a eficiência glo- bal 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 a- inda uma menor temperatura de operação para o equipamento.
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.
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.
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 a- pensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.

Claims

REIVINDICAÇÕES
1 . Sistema de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor, compreendendo uma ponte inversora ( 1 1 ) associável eletricamente a um motor elétrico ( 1 0), e
caracterizado pelo fato de que:
a ponte inversora ( 1 1 ) é acionada por uma modulação PWM complementar, a modulação PWM complementar sendo acionada em uma rotação do motor elétrico (1 0) substancialmente baixa em relação a uma rotação de referência e em uma potência do motor elétrico (1 0) substancialmente baixa em rela- ção 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 de- terminada em função de uma corrente de roda livre média ( VG) 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 ponte inversora ( 1 1 ) é formada por interruptores ativos e pas- sivos.
4. Sistema de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a modulação PWM é formada por períodos de tempo em que os interruptores de acionamento ativos e passivos são ligados a uma tensão elétrica (VM) que é alimentada ao motor elétrico (1 0), a tensão elétrica (VM) sendo ligada por um tempo de alimentação (TON) e desligada por um tempo de desligamento (T0FF)-
5. Sistema de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o motor elétrico (1 0) é acionado por uma ponte inversora ( 1 1 ) formada pelos interruptores ativos (Si, S2, S3, S4, S5l S6), os interruptores ativos sendo associados um a um em paralelo com interruptores passivos
Figure imgf000022_0001
6. Sistema de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que os interruptores ativos (St , S2, S3, S4, S5, S6) sendo eletricamen- te conectados entre si em série, e em pares, para seletiva e sequencialmente alimentar o motor elétrico (10), os interruptores ativos e interruptores passivos sendo associados entre si formando um grupo de primeiro(s) interruptores) ativo(s) (S-i, S3, S5) e um grupo de segundo(s) interruptor(es) ativo(s) (S2, S4, Se).
7. Sistema de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o(s) primeiro(s) interruptor(es) ativo(s) (S-i , S3, S5) é(são) acíona- do(s) em modulação PWM pelos tempos de alimentação e desligamento (TON OFF), sendo o sistema configurado para que o(s) segundo(s) interrup- tor(es) ativo(s) (S2, S4, Se) respectivamente associado(s) em série e em par com o(s) primeiro(s) interruptor(es) ativo(s) (Si , S3, S5) seja(m) alimenta- do(s) durante o tempo de desligamento (TOFF) do(s) primeiro(s) interruptores) ativo(s) (Si, S3, S5).
8. Sistema de acionamento de motor elétrico de velocidade vari- ável para compressor de acordo com a reivindicação 7, 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 (TON-C), o tempo de alimentação complementar tendo um tempo de duração ligeiramente menor ao tempo de desligamento (TOFF) do primeiro interruptor ativo (Si , S3l S5).
9. Sistema de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que os interruptores passivos (D-i, D2L D3, D4, D5, D6) são díodos, 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 (St, S2, S3, S4, S5, S6).
10. Sistema de acionamento de motor elétrico de velocidade va- riável para compressor de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que uma corrente de roda livre circula pelos terminais dreno e fonte de um dado interruptor ativo (Si , S2, S3, S4) S5, S6) 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 (D-i, D2, D3, D , D5, D6).
1 1. Sistema de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor, compreendendo uma ponte inversora (11 ) associada eletricamente a um motor elétrico (10), a ponte inversora (11) sendo formada por interruptores ativos (Si, S2, S3, S4, S5, Se), os interruptores ativos sendo associados um a um em paralelo com interruptores passivos (D-ι, D2, D3, D4, D5, D6), cada interruptor passivo sendo dotado de dois terminais passivos, cada interruptor ativo (Si, S2, S3, S4, S5, Se) sendo dotado de dois terminais ativos, cada interruptor ativo (Si, S2, S3, S4, S5, Se) formando um único en- capsulamento com o seu respectivo interruptor passivo (D-ι, D2, D3, D4, D5, D6),
caracterizado pelo fato de que:
os interruptores ativos entram em condução em um tempo de condução a- justável;
os interruptores ativos entram 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.
12. Sistema de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor de acordo com a reivindicação 11 , caracterizado pelo fato de que uma corrente elétrica circula pelos terminais ativos de um interruptor ativo (Si, S2, S3, S4, S5, S6) em uma dada condição na qual a queda de tensão entre os seus terminais ativos seja menor do que a queda de tensão entre os terminais passivos do seu respectivo interruptor passivo
Figure imgf000023_0001
13. Método de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor, utilizando uma ponte inversora ( 1 ) e um motor elétrico (10), caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: i. obtenção de um sinal de potência do motor elétrico ( 0) ;
ii. obtenção de um sinal de rotação do motor elétrico ( 0);
íii. 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 (1 1 ) através de uma modulação PWM complementar, quando os resultados das comparações iii e iv a- presentarem valores inferiores aos valores de referência.
14. Método de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a ponte inversora (1 1 ) é formada por interruptores ativos
Figure imgf000024_0001
, S2, S3, S4, S5, Se), os interruptores ativos (S-i , S2; 83, S4, S5, S6) sendo eletrica- mente conectados entre si em série, e em pares, formando um grupo de primeiros interruptores ativos (Si , S3, S5) e um segundo grupo de segundos interruptores ativos (S2, S4, Se), para seletiva e sequencialmente alimentar o motor elétrico (10).
15. Método de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que os interruptores ativos são associados um a um em paralelo com interruptores passivos (Di , D2, D3) D4, D5, D6).
16. Método de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor de acordo com a reivindicação 15, 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.
17. Método de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor de acordo com a reivindicação 16, 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.
18. Método de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o(s) segundo(s) interruptor(es) ativo(s) (S2, S4, S6) 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) (Si, S3, S5).
19. Método de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a etapa de acionamento do(s) segundo(s) interruptor(es) ativo(s) (S2, S , S6) é realizada durante o tempo de desligamento (TOFF) do(s) primei- ro(s) interruptor(es)
Figure imgf000025_0001
, S3, S5).
20. Método de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o(s) segundo(s) interruptor(es) ativo(s) (S2, S4, S6) é (são) alimentado (s) por um tempo de alimentação complementar (T0N-C) com tempo de duração menor ou igual ao tempo de desligamento (TOFF) do(s) primeiro^) interruptor(es) ativo(s) (S-, , S3, S5).
21. Método de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o acionamento do(s) segundo(s) interruptor(es) ativo(s) (S2, S4, S6) é realizado após um tempo morto (TM) a ser contado a partir do desligamento do(s) primeiro(s) interruptor(es) (S-i , S3, S5).
22. Método de acionamento de motor elétrico de velocidade variável para compressor de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o(s) segundo(s) interruptor(es) ativo(s) (S2, S4, Se) é (são) desli- gado (s) antes que o(s) primeiro(s) interruptor(es) ativo(s) (S-i , S3, S5) seja (m) acionado (s) novamente, o(s) segundo(s) interruptor(es) ativo(s) (S2, S , S6) sendo desligado(s) um tempo morto (TM) antes do acionamento do(s) primeiro(s) interruptor(es) ativo(s) S3, S5).
23. Compressor de capacidade variável, caracterizado pelo fato de que é alimentado por um sistema de acionamento como definido nas reivindicações 1 a 10.
24. Sistema de refrigeração, caracterizado pelo fato de que compreende um sistema de controle de um motor elétrico (10) como defini¬ do ns reivindicações 1 a 10.
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