Concepção de um Sistema de Aquecimento de Compressores ... · Resumo ... Figura25 – Sinal de controle a ser aplicado sobre o botão para simular o seu ... compressores seguindo

Concepccedilatildeo de um Sistema deAquecimento de Compressores para

Bancadas Automatizadas de Ensaios

Relatoacuterio submetido agrave Universidade Federal de Santa Catarina

como requisito para a aprovaccedilatildeo da disciplina

DAS 5511 Projeto de Fim de Curso

Rubens Hardt Junior

Florianoacutepolis Agosto de 2016

Concepccedilatildeo de um Sistema de Aquecimento deCompressores para Bancadas Automatizadas de

Ensaios

Rubens Hardt Junior

Esta monografia foi julgada no contexto da disciplina

e aprovada na sua forma final pelo

Curso de Engenharia de Controle e Automaccedilatildeo

Prof Rodolfo Ceacutesar Costa Flesch Dr Eng

Banca Examinadora

Joatildeo Paulo RossettoOrientador na Empresa

Prof Rodolfo Ceacutesar Costa Flesch Dr EngOrientador no Curso

Prof Ricardo Joseacute Rabelo DrResponsaacutevel pela disciplina

Prof Daniel Ferreira Coutinho DrAvaliador

Eduardo Dutra GarciaDebatedor

Caio Augusto Arauacutejo AmaralDebatedor

Agradecimentos

Agrave minha famiacutelia pelo exemplo de vida e companheirismo

Agrave minha namorada Ana pelo apoio carinho e amizade

Ao meu orientador no Labmetro Mauriacutecio M Schaefer pelos inuacutemeros ensinamen-tos paciecircncia dedicaccedilatildeo amizade e confianccedila depositada em mim para a realizaccedilatildeo destetrabalho

A toda equipe do LabmetroLIAE pelo suporte companheirismo e momentos dedescontraccedilatildeo

Ao Prof Rodolfo pela orientaccedilatildeo correccedilatildeo deste trabalho e amizade

Agrave empresa parceira pela oportunidade e fomento E por acreditar na competecircnciada equipe do LIAE

Resumo

Fabricantes de compressores de refrigeraccedilatildeo investem em pesquisas de novas tecnologiasa fim de aumentarem a eficiecircncia energeacutetica dos seus produtos Uma parte importanteno desenvolvimento de produtos mais eficientes eacute avaliar o compressor atraveacutes de testesrealizados em bancadas especiacuteficas para este fim denominadas bancadas de ensaios dedesempenho Essas bancadas satildeo capazes de medir o desempenho dos compressores seguindonormas internacionais poreacutem estes ensaios de desempenho costumam demandar um tempomuito longo podendo levar mais de 3 horas para a sua conclusatildeo Atualmente a etapa dostestes que demanda mais tempo eacute o aquecimento do compressor Este trabalho apresentaa concepccedilatildeo de um sistema de aquecimento de compressores para bancadas de testesautomatizadas a fim de diminuir consideravelmente o tempo despendido na etapa deaquecimento Neste trabalho apresentam-se os sensores e atuadores o sistema de aquisiccedilatildeoutilizado e o software desenvolvido para o sistema Tambeacutem satildeo realizados ensaios nosistema e indicam que o mesmo funciona de forma satisfatoacuteria aquecendo o compressorem apenas uma pequena fraccedilatildeo do tempo usual

Palavras-chave Instrumentaccedilatildeo Ensaio Laboratorial Compressor Aquecimento TempoReduzido

Abstract

Refrigeration compressors manufacturers invest in research on new technologies in orderto increase the energy efficiency of their products An important part in the developmentof more efficient products is to evaluate the compressor through tests that are performedin specific test rigs for this purpose termed performance test rigs These test rigs are ableto measure the performance of compressors according to international standards howeverthese performance tests usually require a very long time and can take more than threehours to be concluded Currently the part of the tests that requires more time is thecompressor heating This paper presents the design of a compressor heating system forautomated test rigs to considerably reduce the time spent in the heating step In thispaper the sensors and actuators are presented also the acquisition system employed andthe software developed for the system Tests are also conducted on the system and indicatea satisfactory operation of the system heating the compressor in only a small fraction ofthe usual time

KeywordsInstrumentation Laboratory Testing Compressor Heating Time Reduced

Lista de ilustraccedilotildees

Figura 1 ndash Ilustraccedilatildeo de um sistema de refrigeraccedilatildeo domeacutestico Adaptada de [1] 20Figura 2 ndash Ciclo de refrigeraccedilatildeo por compressatildeo de vapor Adaptada de [2] 21Figura 3 ndash Estrutura interna de um compressor alternativo hermeacutetico Adaptada

de [3] 23Figura 4 ndash Ciclo de compressatildeo em um compressor hermeacutetico alternativo Adaptada

de [4] 24Figura 5 ndash Componentes eleacutetricos baacutesicos de um motor de induccedilatildeo (a) estator e

(b) rotor Adaptada de [5] 24Figura 6 ndash Foto de uma bancada de ensaios de desempenho 27Figura 7 ndash Diagrama esquemaacutetico da bancada disponiacutevel no Labmetro Adaptada

de [6] 28Figura 8 ndash Ilustraccedilatildeo da arquitetura atual da bancada experimental 29Figura 9 ndash Esquema pneumaacutetico atual da bancada experimental Adaptada de [7] 30Figura 10 ndash Conceito para mediccedilatildeo da vazatildeo maacutessica Adaptada de Coral [6] 30Figura 11 ndash Conceito do ensaio Adaptada de [6] 31Figura 12 ndash Ilustraccedilatildeo da combinaccedilatildeo de curvas de temperatura com e sem sobrea-

quecimento Adaptada de Scussel [3] 33Figura 13 ndash Ensaio em compressor com alimentaccedilatildeo CC de 55 V sem corrente

alternada com compressor em repouso Adaptada de Scussel [3] 34Figura 14 ndash Ensaio com tensatildeo de alimentaccedilatildeo CA de 110 V e tensatildeo CC por 40

minutos de 15 V com compressor em movimento Adaptada de Scussel [3] 34Figura 15 ndash Ensaio realizado com o compressor a vazio e sem CC Adaptada de

Silveira [8] 35Figura 16 ndash Ensaio com o compressor a vazio e com injeccedilatildeo CC constante de 20 V

Adaptada de Silveira [8] 35Figura 17 ndash Diagrama geral da arquitetura do sistema de aquecimento 38Figura 18 ndash Ilustraccedilatildeo do esquema de conexatildeo dos termorresistores Pt100 39Figura 19 ndash Ilustraccedilatildeo da posiccedilatildeo dos termorresistores Pt100 40Figura 20 ndash Especificaccedilotildees da fonte de alimentaccedilatildeo FCAM 150-30-15 42Figura 21 ndash Diagrama da estrateacutegia de comutaccedilatildeo de alimentaccedilatildeo 42Figura 22 ndash Ilustraccedilatildeo da contatora utilizada 43Figura 23 ndash Ilustraccedilatildeo do rele de estado soacutelido utilizado 43Figura 24 ndash Ilustraccedilatildeo do rele de estado soacutelido utilizado 44Figura 25 ndash Sinal de controle a ser aplicado sobre o botatildeo para simular o seu

pressionamento 45Figura 26 ndash Diagrama da loacutegica do controle de potecircncia do fogatildeo de induccedilatildeo 49

Figura 27 ndash Graacutefico das temperaturas das bobinas para um degrau CC na alimentaccedilatildeo 49Figura 28 ndash Graacutefico das temperaturas da carcaccedila para um degrau CC na alimentaccedilatildeo 50Figura 29 ndash Graacutefico das temperaturas das bobinas para um degrau no fogatildeo de

induccedilatildeo 51Figura 30 ndash Graacutefico das temperaturas da carcaccedila para um degrau no fogatildeo de induccedilatildeo 51Figura 31 ndash Distribuiccedilatildeo teacutermica no compressor desligado ao ser aquecido com o

fogatildeo de induccedilatildeo no primeiro quadro antes de ligar o aquecimento e acada minuto nos quadros seguintes ateacute o quinto minuto de ensaio 52

Figura 32 ndash Distribuiccedilatildeo teacutermica no compressor em funcionamento ao ser aquecidocom o fogatildeo de induccedilatildeo no primeiro quadro antes de ligar o aquecimentoe a cada minuto nos quadros seguintes ateacute o quinto minuto de ensaio 53

Figura 33 ndash Ilustraccedilatildeo do sistema composto pelas duas malhas controle variaacuteveisde controle e de processo 54

Figura 34 ndash Diagrama da loacutegica de implementaccedilatildeo do controle Liga-Desliga comhisterese 55

Figura 35 ndash Teste do controle liga-desliga com histerese 56Figura 36 ndash Comparaccedilatildeo entre as resposta do modelo obtido e do modelo real 57Figura 37 ndash Diagrama do controle proporcional que define a temperatura do fundo

referecircncia para o controle Liga-Desliga 58Figura 38 ndash Diagrama da estrateacutegia de controle para a temperatura da bobina

principal 60Figura 39 ndash Diagrama do controle para a bancada de ensaio de elevaccedilatildeo de capaci-

dade de elevaccedilatildeo 61Figura 40 ndash Diagrama da etapa de aquecimento super raacutepido da bobina 62Figura 41 ndash Graacutefico do teste final do controle da carcaccedila com uma referecircncia de

temperatura da carcaccedila de 60C 63Figura 42 ndash Graacutefico do teste final do controle da temperatura da bobina com uma

referecircncia de temperatura da bobina de 60C 64Figura 43 ndash Graacutefico das temperaturas da carcaccedila utilizando o controle final com

uma referecircncia de temperatura de 60C 65Figura 44 ndash Graacutefico das temperaturas do fundo e da referecircncia para o controle liga-

desliga utilizando o controle final com uma referecircncia de temperaturade 60C 65

Figura 45 ndash Graacutefico das temperaturas da bobina utilizando o controle final comuma referecircncia de temperatura de 60C 66

Figura 46 ndash Graacutefico do instante em que a bobina e carcaccedila atingem a mesma tempe-ratura utilizando o controle final com uma referecircncia de temperaturade 60C 66

Lista de abreviaturas e siglas

CC Corrente contiacutenua

CA Corrente alternada

PWM Modulaccedilatildeo por largura de pulso ( do inglecircs Pulse-Width Modulation)

COP Coeficiente de desempenho do compressor (do inglecircs Cofficient of Pe-formance)

ISO Organizaccedilatildeo internacional para padronizaccedilatildeo (do inglecircs InternationalOrganization for Standardization)

Labmetro Laboratoacuterio de Metrologia e Automatizaccedilatildeo

LIAE Laboratoacuterio de Instrumentaccedilatildeo e Automatizaccedilatildeo de Ensaios

UFSC Universidade Federal de Santa Catarina

USB Barramento Serial Universal (do inglecircs Universal Serial Bus)

LAN Rede de Aacuterea Local (do inglecircs Local Area Network)

LXI Extensotildees LAN para Instrumentaccedilatildeo (do inglecircs LAN EXtensions forInstrumentation)

DAQ Aquisiccedilatildeo de dados (do inglecircs Data Acquisition)

Sumaacuterio

1 INTRODUCcedilAtildeO 15

11 Contextualizaccedilatildeo 15

12 Objetivos 16

121 Objetivo Geral 16

122 Objetivos Especiacuteficos 17

123 Resultados Esperados 17

13 Estrutura do Documento 17

2 REVISAtildeO DA LITERATURA 19

21 Sistemas de Refrigeraccedilatildeo 19

211 Principais Componentes de um Sistema de Refrigeraccedilatildeo 19

212 Ciclo de Refrigeraccedilatildeo por Compressatildeo de Vapor 21

22 Compressores Hermeacuteticos 22

221 Motores de induccedilatildeo utilizados em compressores 23

23 Ensaios de Desempenho Energeacutetico de Compressores 25

231 Bancadas de Ensaio de Desempenho 26

232 Ensaio de Capacidade de Elevaccedilatildeo 28

24 Meacutetodos de Aquecimento de Compressores 31

241 Injeccedilatildeo de Corrente Contiacutenua Para diminuiccedilatildeo do Tempo de Transitoacuterio 32

25 Consideraccedilotildees sobre o Capitulo 36

3 ARQUITETURA DO SISTEMA DE AQUECIMENTO 37

31 Visatildeo Geral do Sistema de Aquecimento 37

32 Sistema de Aquisiccedilatildeo 38

321 Transdutores de Temperatura 38

322 Unidade de Aquisiccedilatildeo e Comutaccedilatildeo 40

323 Processador 41

33 Sistema de Atuaccedilatildeo 41

331 Sistema de Injeccedilatildeo CC 41

332 Sistema de Aquecimento por Induccedilatildeo 44

3321 Anaacutelise dos Circuitos e Estrateacutegia de Controle do Fogatildeo de Induccedilatildeo 44

3322 Dispositivo de ES Digital NI USB-6501 45

3323 Circuito de Isolamento Oacuteptico 45

4 IMPLEMENTACcedilAtildeO DO SISTEMA 47

41 Sistema Supervisoacuterio 48

42 Automaccedilatildeo do Fogatildeo de Induccedilatildeo 48

43 Ensaios Preliminares para a Definiccedilatildeo do Sistema de Controle 48

431 Aquecimento Via Controle de Alimentaccedilatildeo Eleacutetrica 49

432 Aquecimento via Induccedilatildeo Eletromagneacutetica 50

433 Consideraccedilotildees Sobre o Sistema 52

44 Controle de Temperatura da Carcaccedila 53

441 Malha de Controle Interna 54

442 Malha de Controle Externa 56

45 Controle de Temperatura da Bobina 59

46 Controle Para a Bancada de Ensaio de Capacidade de Elevaccedilatildeo 59

5 AVALIACcedilAtildeO DO SISTEMA E RESULTADOS 63

6 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS 69

61 Conclusotildees 69

62 Sugestotildees Para Trabalhos Futuros 70

REFEREcircNCIAS 71

1 Introduccedilatildeo

11 Contextualizaccedilatildeo

O aumento do custo da energia eleacutetrica verificado nos uacuteltimos anos impulsionadopela crescente demanda e limitaccedilatildeo da oferta aumentou a importacircncia da eficiecircncia nosequipamentos eleacutetricos Dentro do setor residencial uma parcela significativa de energiaeleacutetrica eacute consumida por aparelhos de refrigeraccedilatildeo e de condicionamento de ar que juntosrepresentam 33 do consumo total [9]

Atualmente 973 das residecircncias brasileiras possuem refrigeradores [10] Oconsumo eneacutergico eacute considerado um dos mais importantes fatores para escolha de umrefrigerador Um dos principais componentes de um refrigerador eacute o seu compressorsendo ele o maior responsaacutevel pelo gasto energeacutetico do equipamento Nesse contexto osfabricantes de compressores de refrigeraccedilatildeo investem em pesquisas de novas tecnologias afim de aumentarem a eficiecircncia energeacutetica dos seus produtos

Uma parte importante no desenvolvimento de produtos mais eficientes bem comopara garantir a qualidade da produccedilatildeo eacute avaliar o compressor atraveacutes de ensaios dedesempenho [11] Nesse cenaacuterio surge uma demanda por testes de desempenho utilizadospara determinar os paracircmetros de desempenho de um compressor

Normalmente os principais paracircmetros funcionais de um compressor satildeo obtidosatraveacutes de ensaios realizados em bancadas especiacuteficas para este fim denominadas bancadasde ensaios de desempenho Essas bancadas satildeo capazes de medir o desempenho doscompressores seguindo normas internacionais como a ISO 917 [11] que permitem agravesempresas consumidoras de compressores comparar os diversos modelos de diferentesfabricantes analisando quais produtos atendem melhor agraves suas necessidades

No entanto uma uacutenica bancada de ensaio de desempenho pode custar centenasde milhares de doacutelares e os ensaios de desempenho realizados nelas podem levar mais de3 horas para serem concluiacutedos [3] Como o nuacutemero de compressores fabricados em umaplanta industrial pode chegar a dezenas de milhares por dia natildeo eacute possiacutevel realizar ensaiosem tempo compatiacutevel com a produccedilatildeo Com isso falhas podem ser detectadas de maneiratardia apoacutes uma grande quantidade de compressores defeituosos ser fabricada

Dentre os paracircmetros de desempenho do compressor a capacidade de refrigeraccedilatildeo eacuteuma das principais variaacuteveis no estabelecimento de um projeto de sistemas de refrigeraccedilatildeoCom o fim de diminuir o tempo para a determinaccedilatildeo dessa variaacutevel Coral [6] propocircs ummeacutetodo para estimar a capacidade de refrigeraccedilatildeo a partir de um ensaio de capacidade deelevaccedilatildeo de pressatildeo realizado em poucos segundos Ele obteve excelentes resultados com

16 Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo

erros ligeiramente acima dos obtidos com a bancada de ensaios de desempenho e observouque um dos principais paracircmetros que precisariam ser controlados para a obtenccedilatildeo de ummenor erro seria a temperatura do compressor ao iniciar os ensaios

Zanol [7] concebeu uma arquitetura para aquisiccedilatildeo de dados e controle de ban-cada para a realizaccedilatildeo desses ensaios com tempos extremamente reduzidos em ambientelaboratorial Essa bancada foi posteriormente aprimorada Atualmente um dos princi-pais problemas da bancada experimental eacute garantir a condiccedilatildeo inicial de temperatura docompressor no ensaio

Diversos trabalhos abordaram diferentes estrateacutegias de aquecimento aceleradode compressores Silveira [8] buscou diminuir o tempo total dos ensaios de desempenhoatraveacutes da reduccedilatildeo do tempo de transitoacuterio mediante aquecimento acelerado do compressorutilizando-se injeccedilatildeo de corrente contiacutenua Lima [12] estudou o uso de variaccedilatildeo de tensatildeo ede frequecircncia de alimentaccedilatildeo bem como a injeccedilatildeo de tensotildees distorcidas para esse mesmofim

Neste trabalho foram estudadas bibliografias relacionadas para um melhor entendi-mento dos possiacuteveis meacutetodos de aquecimento de um compressor para o ensaio As diferentesteacutecnicas de aquecimento presentes na bibliografia foram comparadas e atraveacutes desse estudose concluiu sobre as estrateacutegias mais apropriadas a serem utilizadas para o aquecimentodo compressor A soluccedilatildeo escolhida foi implementada e o resultado de sua aplicaccedilatildeo foianalisado conforme descrito neste documento

Este trabalho apresenta a concepccedilatildeo de um sistema de aquecimento de compressorespara bancadas de ensaio de capacidade de elevaccedilatildeo de pressatildeo a fim de diminuir conside-ravelmente o tempo despendido na etapa de aquecimento Neste trabalho apresentam-seos transdutores e atuadores empregados o sistema de aquisiccedilatildeo utilizado e o softwaredesenvolvido para o sistema Tambeacutem satildeo realizados ensaios no sistema

O projeto descrito neste relatoacuterio foi desenvolvido no Labmetro ndash Laboratoacuterio deMetrologia e Automaccedilatildeo da UFSC em parceria com a Embraco Dentro do Labmetroexiste o LIAE ndash Laboratoacuterio de Instrumentaccedilatildeo e Automaccedilatildeo de Ensaios Este laboratoacuteriotem atuaccedilatildeo multidisciplinar englobando diversas aacutereas das engenharias mecacircnica eleacutetricae de controle e automaccedilatildeo realizando projetos com foco em aplicaccedilotildees industriais

12 Objetivos

121 Objetivo Geral

Este trabalho tem como objetivo geral projetar construir e validar um sistema deaquecimento de compressores para ser utilizado em bancadas de ensaio de capacidade deelevaccedilatildeo de pressatildeo a fim de reduzir o tempo total de ensaios utilizando um conjunto de

teacutecnicas estudadas ou desenvolvidas durante o projeto

122 Objetivos Especiacuteficos

Para atender o objetivo geral eacute necessaacuterio atender aos objetivos especiacuteficos descritosa seguir

bull conceber e construir arquitetura do sistema de aquecimento de compressores

bull desenvolver software de aquisiccedilatildeo e controle para o sistema proposto

bull realizar ensaios para validaccedilatildeo da arquitetura concebida para o sistema

123 Resultados Esperados

Ao final deste projeto espera-se obter um sistema de aquecimento de compressorespara bancadas de capacidade de elevaccedilatildeo de pressatildeo O sistema deve possuir transdutores eum sistema de 0 aquisiccedilatildeo aleacutem de um software de que implementaraacute a logica de controleproposta O sistema seraacute documentado e validado Atraveacutes deste trabalho eacute esperadocontrolar a temperatura do compressor levando ela ateacute um valor definido num tempomenor que o atual possibilitando melhorar os resultados obtidos porCoral [6]

13 Estrutura do Documento

Este relatoacuterio eacute divido em 6 capiacutetulos O capiacutetulo 2 aborda compressores princiacutepiosde refrigeraccedilatildeo e o estado da arte em ensaios de desempenho de compressores No capiacutetulo 3eacute apresentada a concepccedilatildeo da arquitetura de uma bancada para avaliaccedilatildeo de compressoresem tempos extremamente reduzidos No capiacutetulo 4 eacute exposta a implementaccedilatildeo do sistemaconcebido No capiacutetulo 5 satildeo expostos os resultados de ensaios realizados para validaccedilatildeo dabancada desenvolvida No capiacutetulo 6 satildeo apresentadas as consideraccedilotildees finais e sugestotildeespara trabalhos futuros

2 Revisatildeo da Literatura

Para auxiliar na compreensatildeo do projeto explanado neste documento eacute necessaacuterioum estudo geral do contexto do problema Isso inclui conhecer o funcionamento de sistemasde refrigeraccedilatildeo seu componente principal o compressor os ensaios os quais os mesmossatildeo submetidos bem como seus meacutetodos de aquecimento Para tanto na seccedilatildeo 21 satildeoabordados conceitos de sistemas de refrigeraccedilatildeo Na seccedilatildeo 22 apresenta-se um estudosobre compressores hermeacuteticos Na seccedilatildeo 23 satildeo apresentados os ensaios as quais estescompressores satildeo tipicamente submetidos Na seccedilatildeo 24 satildeo apresentados meacutetodos deaquecimento de compressores que satildeo atualmente utilizados ou jaacute estudados em trabalhosanteriores Por fim na seccedilatildeo 25 eacute apresentada uma conclusatildeo sobre o conteuacutedo apresentadono capiacutetulo e suas implicaccedilotildees no projeto com um todo

21 Sistemas de Refrigeraccedilatildeo

O processo de refrigeraccedilatildeo pode ser definido como o processo de remoccedilatildeo do calorde um meio reduzindo a sua temperatura e mantendo essa condiccedilatildeo por meios mecacircnicosou naturais [13] Um sistema de refrigeraccedilatildeo consiste de um conjunto de equipamentosque operam de forma integrada com o objetivo de remover calor de um meio de baixatemperatura para um meio a uma temperatura maior Este processo ocorre de maneiracontraacuteria ao comportamento natural da transferecircncia de calor e para isso necessita deuma fonte externa de energia para realizar a troca de calor [14]

211 Principais Componentes de um Sistema de Refrigeraccedilatildeo

Em um sistema de refrigeraccedilatildeo satildeo usados diversos componentes Os principaisequipamentos dos sistemas de refrigeraccedilatildeo residenciais satildeo mostrados na Figura 1 e descritosa seguir

bull Compressor ele eacute o dispositivo responsaacutevel pela entrega de energia necessaacuteria para osistema para que o calor flua do ambiente frio para o quente sentido contraacuterio auma transferecircncia teacutermica sem atuaccedilatildeo externa

bull Fluido refrigerante absorve o calor no ambiente interno (evaporador) e o liberano ambiente externo pelo condensador O fluido refrigerante eacute uma substacircncia (oumistura) que circula atraveacutes do sistema de refrigeraccedilatildeo Eacute a sua manipulaccedilatildeo atraveacutesda compressatildeo descompressatildeo e trocas de fase que proporciona a refrigeraccedilatildeo

20 Capiacutetulo 2 Revisatildeo da Literatura

Figura 1 ndash Ilustraccedilatildeo de um sistema de refrigeraccedilatildeo domeacutestico Adaptada de [1]

bull Condensador transfere o calor do fluido refrigerante para o ambiente externo Eacute ainterface entre o sistema de refrigeraccedilatildeo e o meio para o qual o calor eacute transferidoTrecircs tipos de condensadores satildeo encontrados mais frequentemente o resfriador a aro resfriador a aacutegua e o evaporativo todos eles com constituiccedilatildeo semelhante a dosevaporadores

bull Evaporador transfere o calor do ambiente interno para o fluido refrigerante Eacute ainterface entre o sistema de refrigeraccedilatildeo e o meio a ser resfriado Eacute composto poruma cacircmara tubo ou serpentina na qual o refrigerante evapora no interior Nessasuperfiacutecie que separa o refrigerante do meio a ser resfriado eacute interessante haver altacondutividade teacutermica para facilitar a troca de calor entre os meios

bull Elemento de controle eacute o tubo capilar ou vaacutelvula de expansatildeo que cria umaresistecircncia agrave circulaccedilatildeo do fluido refrigerante causando um diferencial de pressatildeoentre o condensador a alta pressatildeo e o evaporador a baixa pressatildeo Em sistemasde refrigeraccedilatildeo residencial natildeo eacute comum o emprego de vaacutelvulas por uma questatildeode custo Em seu lugar satildeo empregados dispositivos passivos que causam perdade carga chamados tubos capilares Em sistemas de maior valor agregado comograndes sistemas comerciais por exemplo eacute mais comum o emprego de vaacutelvulaspois os ganhos de desempenho energeacutetico obtidos com esses dispositivos satildeo enormese justificam o custo adicional ao produto

Figura 2 ndash Ciclo de refrigeraccedilatildeo por compressatildeo de vapor Adaptada de [2]

bull Filtro secador reteacutem impurezas eou umidade quando estatildeo presentes no sistema

212 Ciclo de Refrigeraccedilatildeo por Compressatildeo de Vapor

O ciclo de refrigeraccedilatildeo por compressatildeo de vapor consiste em circular um fluidorefrigerante por diversas etapas e retornaacute-lo ao ponto inicial utilizando processos decompressatildeo e expansatildeo para retirar calor de um ambiente a baixa temperatura Na Figura2 tem-se um esboccedilo do ciclo de refrigeraccedilatildeo

Conforme mostrado na Figura 2 o ciclo de compressatildeo tem iniacutecio com a compressatildeodo vapor do refrigerante superaquecido e em baixa pressatildeo entrando na cacircmara de volumevariaacutevel do compressor pela regiatildeo de succcedilatildeo (1) No interior do compressor a pressatildeo eacuteelevada e o fluido conduzido por uma diferenccedila de pressatildeo ateacute a entrada do condensador(2) No condensador ocorre a transferecircncia de calor para o meio externo (Qr) diminuindoa temperatura do refrigerante causando a sua condensaccedilatildeo e o deixando no estado deliacutequido sub-resfriado Isso ocorre naturalmente visto que ao sair do compressor o fluidose encontra em uma temperatura mais alta que a do meio externo onde estaacute situado ocondensador O refrigerante deixa o condensador liquefeito e ainda sob alta pressatildeo e aseguir chega ao dispositivo de expansatildeo (3) no qual ocorre uma reduccedilatildeo brusca de pressatildeodo fluido e ele passa para um estado bifaacutesico com predominacircncia de liacutequido Para poder seevaporar completamente o refrigerante necessita absorver calor de um meio externo Estecalor eacute fornecido pelo evaporador A medida que o refrigerante passa atraveacutes do evaporadoro fluido atinge novamente o estado de vapor Essa evaporaccedilatildeo acontece devido a umaoutra transferecircncia de calor (Qa) desta vez do meio para o evaporador Esse processo detroca de calor ocorre de forma natural uma vez que o fluido a baixa pressatildeo apresenta

temperatura mais baixa que a do meio que se deseja refrigerar Por fim o refrigeranteretorna para o compressor e o ciclo eacute repetido continuamente [2] Dessa forma em umciclo de refrigeraccedilatildeo por compressatildeo de vapor o calor apenas eacute transferido de um ambientepara outro e o responsaacutevel por movimentar o fluido que realiza essa transferecircncia eacute ocompressor [15]

22 Compressores Hermeacuteticos

O compressor eacute um dos principais componentes de um circuito de refrigeraccedilatildeo Eleeacute o dispositivo responsaacutevel pela realizaccedilatildeo do trabalho necessaacuterio para que o calor flua doambiente frio para o quente sentido contraacuterio a uma transferecircncia teacutermica sem atuaccedilatildeoexterna Para realizar tal tarefa ele aumenta a pressatildeo do fluido refrigerante na fase devapor Tal diferenccedila de pressatildeo eacute responsaacutevel pelo movimento do fluido atraveacutes do circuitoAo comprimir o fluido ele tambeacutem aumenta a sua temperatura um efeito indesejaacutevel quefaz com que o condensador tenha que retirar mais calor do fluido

Em sistemas de refrigeraccedilatildeo satildeo utilizados praticamente todos os tipos de compres-sores como alternativos rotativos (parafuso e de palhetas) e centriacutefugos Os compressoresalternativos aparecem em concepccedilotildees distintas dentre elas os tipos aberto semi-hermeacuteticoe selado ou hermeacutetico (Figura 3) satildeo os mais comuns No compressor aberto o eixo deacionamento passa atraveacutes da carcaccedila e eacute acionado por um motor externo Os compressoreshermeacuteticos e semi-hermeacuteticos possuem na mesma carcaccedila o compressor e o motor deacionamento A presenccedila do motor eleacutetrico dentro do mesmo ambiente do fluido refrigerantepermite trocas de calor entre o oacuteleo o fluido refrigerante e o motor eleacutetrico o resfriandoIsso pode diminuir a eficiecircncia do compressor mas aumenta a vida uacuteltil do motor Osemi-hermeacutetico permite a remoccedilatildeo do cabeccedilote tornando acessiacuteveis as vaacutelvulas e os pistotildeesJaacute nos hermeacuteticos natildeo se tem acesso ao interior do compressor e estatildeo disponiacuteveis noexterior apenas as conexotildees de succcedilatildeo processo (por onde satildeo injetado oacuteleo e fluidorefrigerante) descarga e as conexotildees eleacutetricas do motor Devido agraves dificuldades de acessonatildeo eacute possiacutevel realizar manutenccedilotildees preventivas ou corretivas neste tipo de compressorpor outro lado eliminam-se problemas de vazamentos [16]

A figura 3 apresenta a estrutura de um compressor hermeacutetico apontando seusprincipais componentes Nela eacute possiacutevel observar que a energia eleacutetrica fornecida ao conjuntoestator-rotor (08 e 09) eacute transmitida pelo eixo (06) e transformada em um movimentolinear atraveacutes do conjunto biela-manivela (05) Este movimento linear eacute realizado pelopistatildeo (04) dentro da camisa (03) [17]

Dentro do cilindro de compressatildeo existem duas vaacutelvulas que restringem o fluxo dofluido em apenas uma direccedilatildeo A vaacutelvula de succcedilatildeo fica aberta enquanto a pressatildeo dentrodo cilindro eacute menor que a pressatildeo de succcedilatildeo e permite a entrada do fluido A vaacutelvula de

Figura 3 ndash Estrutura interna de um compressor alternativo hermeacutetico Adaptada de [3]

descarga fica aberta enquanto a pressatildeo no interior do cilindro eacute maior que a pressatildeo dedescarga e permite a saiacuteda do fluido

O ciclo de compressatildeo de um compressor alternativo pode ser visto na figura 4 Naetapa A o pistatildeo se encontra em seu curso maacuteximo Com o retorno do pistatildeo comeccedila aexpansatildeo do fluido refrigerante com ambas as vaacutelvulas fechadas caracterizada na imagempela etapa B Quando a pressatildeo no interior do cilindro eacute menor que a pressatildeo externa avaacutelvula de succcedilatildeo eacute aberta e comeccedila o fluxo de fluido para dentro do cilindro na figurarepresentada pela etapa C O fluido eacute aspirado preenchendo a cacircmara ateacute que o pistatildeochegue no seu curso miacutenimo Ao avanccedilar novamente a pressatildeo no cilindro aumenta eas vaacutelvulas se fecham O pistatildeo passa entatildeo a comprimir o fluido etapa D Quando apressatildeo no interior do cilindro se torna maior do que a pressatildeo de descarga a vaacutelvulade descarga se abre e ocorre a saiacuteda do fluido etapa E ateacute que o pistatildeo atinja o cursomaacuteximo retornando agrave etapa A

221 Motores de induccedilatildeo utilizados em compressores

Embora existam projetos de compressores utilizando outros tipos de motoresos motores de induccedilatildeo satildeo os mais utilizados em sistemas de refrigeraccedilatildeo devido acaracteriacutesticas como robustez baixo custo e alimentaccedilatildeo monofaacutesica

Os principais componentes de um motor de induccedilatildeo satildeo apresentados na figura 5Em (a) satildeo exibidos os componentes de um estator em (b) satildeo exibidos os componentes

Figura 4 ndash Ciclo de compressatildeo em um compressor hermeacutetico alternativo Adaptada de [4]

Figura 5 ndash Componentes eleacutetricos baacutesicos de um motor de induccedilatildeo (a) estator e (b) rotorAdaptada de [5]

de um rotor Existem basicamente dois tipos de rotores para motores de induccedilatildeo rotoresbobinados ou com barras em formato de gaiola de esquilo Quanto aos estatores nosmotores trifaacutesicos o estator eacute formado por enrolamentos dispostos de maneira a criar umcampo girante As linhas de campo do estator cortam os condutores do rotor induzindoassim uma corrente no rotor Essa corrente por sua vez gera outro campo magneacuteticoque tende a seguir o campo girante do estator [18] Jaacute em motores monofaacutesicos o campoproduzido com apenas um enrolamento de estator natildeo eacute girante mas sim pulsante Dessaforma o torque inicial eacute nulo [19]

A principal diferenccedila entre os motores monofaacutesicos e trifaacutesicos estaacute na forma comque o campo girante eacute obtido Para o motor trifaacutesico a proacutepria defasagem entre as fases

juntamente com o posicionamento das espiras induz a criaccedilatildeo de um campo girante Paraos motores monofaacutesicos no entanto o torque inicial eacute nulo enquanto o rotor estiver emrepouso Dessa forma eacute necessaacuterio um meio de se induzir um torque natildeo nulo para suapartida Isso eacute realizado normalmente com a utilizaccedilatildeo de um segundo enrolamentochamado de enrolamento auxiliar [8]

23 Ensaios de Desempenho Energeacutetico de Compresso-

Uma parte importante no desenvolvimento de produtos mais eficientes e na anaacuteliseda qualidade da produccedilatildeo de compressores de refrigeraccedilatildeo eacute avaliar o compressor atraveacutesde ensaios de desempenho Ensaios satildeo uma forma de analisar determinados paracircmetrosde desempenho energeacutetico de um compressor e verificar se estes estatildeo de acordo com asespecificaccedilotildees projetadas

Os ensaios de desempenho de compressores hermeacuteticos tecircm por objetivo determinaros valores da capacidade de refrigeraccedilatildeo da potecircncia eleacutetrica consumida pelo compressore consequentemente do coeficiente de desempenho [11]

No entanto natildeo existe um experimento uacutenico e universal aceito para os ensaiosde desempenho de compressores [11] Para possibilitar a comparaccedilatildeo entre diferentesfabricantes existem normas que buscam padronizar os diferentes meacutetodos de modo queos resultados possam ser comparados reproduzidos e aceitos com maior confianccedila pelosfabricantes de sistemas de refrigeraccedilatildeo [20]

Dentre as normas que regulamentam os ensaios duas satildeo mais frequentementeutilizadas e aceitas pela induacutestria satildeo a ANSIASHRAE 23 [21] e a ISO 917 [11] Anorma ISO 917 norma internacional que apresenta meacutetodos para avaliaccedilatildeo de desempenhode compressores estabelece que para medir a capacidade de refrigeraccedilatildeo o compressordeve ser mantido em condiccedilotildees de regime permanente Essa condiccedilatildeo eacute caracterizada porum periacuteodo contiacutenuo de uma hora de operaccedilatildeo no qual pontos de operaccedilatildeo e variaacuteveisespeciacuteficas devem permanecer dentro de limites estabelecidos As variaacuteveis especiacuteficas satildeopressotildees temperaturas tensatildeo e frequecircncia eleacutetrica de alimentaccedilatildeo volume especiacutefico dorefrigerante e capacidade de refrigeraccedilatildeo

A capacidade de refrigeraccedilatildeo φ0 eacute uma medida da capacidade de geraccedilatildeo de vazatildeode massa de fluido refrigerante sob determinadas condiccedilotildees de operaccedilatildeo Ela eacute quantificadapelo produto da vazatildeo maacutessica de fluido refrigerante por uma diferenccedila de entalpias Avazatildeo maacutessica eacute uacutenica em todos os pontos do circuito para um sistema em uma determinadacondiccedilatildeo de ensaio Jaacute a diferenccedila de entalpias pode ser tomada em diversos pontos docircuito de refrigeraccedilatildeo e possui diferentes valores em cada um deles Os pontos escolhidos

para mediccedilatildeo da entalpia satildeo em geral especificados por alguma norma Segundo a ISO917 [11] a capacidade de refrigeraccedilatildeo pode ser calculada atraveacutes da equaccedilatildeo 21

φ0 = qmfVgaVgl

(hg1 minus hf1) (21)

bull φ0 capacidade de refrigeraccedilatildeo do compressor [W]

bull qmf vazatildeo maacutessica de refrigerante [kgs]

bull Vga volume especiacutefico do fluido refrigerante (gaacutes) entrando no compressor duranteo ensaio [m3kg]

bull Vgl volume especiacutefico do refrigerante entrando no compressor na condiccedilatildeo definidapara o ensaio [m3kg]

bull hg1 entalpia especiacutefica do refrigerante entrando no compressor nas condiccedilotildees baacutesicasespeciacuteficas de ensaio [Jkg]

bull hf1 entalpia especiacutefica do refrigerante liacutequido na pressatildeo correspondente agrave dedescarga especificada para o compressor durante o ensaio [Jkg]

Potecircncia eleacutetrica (P ) consumida eacute definida como toda a potecircncia eleacutetrica consu-mida pelo compressor e acessoacuterios necessaacuterios para seu funcionamento O coeficiente dedesempenho (COP) eacute definido como a razatildeo da capacidade de refrigeraccedilatildeo pela potecircnciaeleacutetrica consumida

231 Bancadas de Ensaio de Desempenho

Normalmente os principais paracircmetros de desempenho energeacutetico de um compressorsatildeo obtidos atraveacutes de testes realizados em bancadas especiacuteficas para este fim denominadasbancadas de ensaios de desempenho Uma bancada automatizada desenvolvida peloLaboratoacuterio de Instrumentaccedilatildeo e Automatizaccedilatildeo de Ensaios (LIAE) em parceria com aWHIRLPOOL (unidade EMBRACO) eacute mostrada na Figura 6

Uma ilustraccedilatildeo do circuito de uma bancada de ensaio de desempenhos de com-pressores eacute mostrada na figura 7 Nela estatildeo representados os principais componentes deuma bancada como o compressor condensador medidor de vazatildeo maacutessica vaacutelvula deexpansatildeo condensador e evaporador (caloriacutemetro) Na configuraccedilatildeo apresentada nestafigura eacute possiacutevel realizar a mediccedilatildeo da capacidade com a utilizaccedilatildeo de caloriacutemetros e deum medidor de vazatildeo maacutessica na fase liacutequida do fluido refrigerante

Figura 6 ndash Foto de uma bancada de ensaios de desempenho

Aleacutem do circuito principal onde estaacute inserido o compressor em teste existem doisoutros sistemas de refrigeraccedilatildeo Um deles auxilia no controle da temperatura do ambienteonde permanece o compressor em teste O outro exerce funccedilatildeo semelhante para o ambienteonde estaacute inserido o caloriacutemetro (natildeo mostrado na Figura7)

Conforme mencionado anteriormente a norma ISO 917 [11] detalha cada umdos meacutetodos que podem ser utilizados bem como sugere quais pares de meacutetodo devemser empregados em conjunto para garantir uma maior confiabilidade dos resultadosA determinaccedilatildeo da capacidade deve ser realizada utilizando-se dois meacutetodos distintossimultaneamente Um deles seraacute o valor oficial adotado para capacidade e outro serviraacute paraconfirmaccedilatildeo (desde que a diferenccedila entre os valores seja inferior a um desvio maacuteximo) [11]

Embora a norma ISO 917 descreva diversos meacutetodos para a mediccedilatildeo da capacidademodo geral todos os meacutetodos se resumem a apenas dois princiacutepios utilizando a mediccedilatildeoda vazatildeo maacutessica diretamente e utilizando um caloriacutemetro Nos meacutetodos que utilizamtransdutores para a mediccedilatildeo direta da vazatildeo maacutessica eacute utilizada a equaccedilatildeo (21) descon-tando a parcela de massa de oacuteleo de lubrificaccedilatildeo que circula junto com o refrigerante paraa determinaccedilatildeo da capacidade

Segundo Silveira [8] nos outros a capacidade de refrigeraccedilatildeo eacute obtida atraveacutes doprinciacutepio de conservaccedilatildeo de energia Em um ambiente fechado e isolado termicamente(caloriacutemetro) uma resistecircncia eleacutetrica transforma energia eleacutetrica em calor Nesse mesmoambiente o evaporador do circuito de refrigeraccedilatildeo retira o calor injetado pela resistecircncia

Figura 7 ndash Diagrama esquemaacutetico da bancada disponiacutevel no Labmetro Adaptada de [6]

As pressotildees e temperaturas do caloriacutemetro satildeo medidas durante o ensaio Como o ensaioleva em consideraccedilatildeo apenas os dados obtidos em regime permanente ou seja apoacutes ostransitoacuterios das variaacuteveis pode-se obter a capacidade de refrigeraccedilatildeo como sendo igual agravepotecircncia eleacutetrica injetada pela fonte que alimenta a resistecircncia do caloriacutemetro descontadasas perdas para o ambiente

Ainda de acordo com as normas devem-se obter os resultados do ensaio de ca-pacidade apenas quando todas as variaacuteveis estiverem em condiccedilotildees de regime ou sejaassentadas dentro de certos limites Sendo assim do tempo total de um ensaio apenas auacuteltima hora eacute significativa para os resultados O tempo anterior eacute utilizado apenas paragarantir o assentamento do sistema de modo que seja possiacutevel realizar as mediccedilotildees emcondiccedilatildeo de regime permanente Atualmente o tempo total para um ensaio de capacidadepode chegar a mais de 4 horas [8]

232 Ensaio de Capacidade de Elevaccedilatildeo

Bancadas de ensaio de desempenho tradicionais satildeo capazes de medir o desempenhodos compressores seguindo normas internacionais Poreacutem estes ensaios de desempenhocostumam demandar um tempo muito longo podendo levar mais de 3 horas para a suaconclusatildeo [3]

Coral [6] observou a necessidade de ensaios com duraccedilatildeo extremamente reduzidas

Figura 8 ndash Ilustraccedilatildeo da arquitetura atual da bancada experimental

compatiacuteveis com o tempo de produccedilatildeo Uma das caracteriacutesticas testadas na linha deproduccedilatildeo eacute capacidade do compressor de elevar a pressatildeo em um vaso fechado a partir deuma condiccedilatildeo especiacutefica imposta ao mesmo Caracteriacutestica entatildeo denominada capacidadede elevaccedilatildeo

Atraveacutes de teacutecnicas de inteligecircncia artificial Coral [6] estimou a capacidade derefrigeraccedilatildeo de um compressor a partir da capacidade de elevaccedilatildeo do mesmo que podeser obtida em poucos segundos Ele obteve excelentes resultados com erros ligeiramenteacima dos obtidos com a bancada de ensaios de desempenho Ele observou no entantoque um dos principais paracircmetros que precisaria ser controlado para a obtenccedilatildeo de ummenor erro com o ensaio reduzido eacute a temperatura do compressor ao iniciar os testes

PosteriormenteZanol [7] concebeu uma arquitetura para aquisiccedilatildeo de dados econtrole de bancada para a realizaccedilatildeo destes testes com tempos extremamente reduzidosem ambiente laboratorial Essa bancada foi posteriormente aprimorada sendo mostradasua arquitetura atual nas figuras 8 e 9

Esse conceito de ensaio para inferir sobre o desempenho do compressor foi criado apartir do fato de que a vazatildeo maacutessica tem relaccedilatildeo com a capacidade de refrigeraccedilatildeo deum compressor Uma forma para determinar a vazatildeo maacutessica eacute conectar a descarga docompressor a uma linha de pressurizaccedilatildeo externa com volume conhecido e selado comodemonstra a Figura10

Assim caso os ensaios sejam feitos sob as mesmas condiccedilotildees e o tempo de ensaioseja constante em todas as mediccedilotildees pode-se afirmar que quanto maior for a taxa deelevaccedilatildeo de pressatildeo maior seraacute a massa deslocada para dentro do volume Da mesma

Figura 9 ndash Esquema pneumaacutetico atual da bancada experimental Adaptada de [7]

Figura 10 ndash Conceito para mediccedilatildeo da vazatildeo maacutessica Adaptada de Coral [6]

Figura 11 ndash Conceito do ensaio Adaptada de [6]

forma a taxa de elevaccedilatildeo de pressatildeo teraacute correlaccedilatildeo com a capacidade de refrigeraccedilatildeodo compressor Desse modo podem ser criados modelos para inferir a capacidade derefrigeraccedilatildeo a partir deste ensaio

Esse ensaio acelerado tambeacutem permite uma mediccedilatildeo de consumo de energia Oensaio de consumo no painel proposto por Zanol [7] eacute realizado mantendo a pressatildeo nalinha de pressurizaccedilatildeo conectada agrave descarga do compressor constante durante certo periacuteodoe medindo-se a potecircncia consumida nesse tempo Um ensaio de partida tambeacutem eacute realizadopara que se meccedila a tensatildeo miacutenima de partida do compressor A forma sequencial do ciclodos ensaios eacute mostrado a figura 11

24 Meacutetodos de Aquecimento de Compressores

Uma das principais formas de aquecer um compressor eacute aumentando a sua perda deenergia Meacutetodos de aquecimento foram estudado por Scussel [3] que trabalhou de formabastante abrangente no que se refere ao aumento das perdas nos compressores Em seutrabalho foram estudados os efeitos do aumento das perdas termodinacircmicas assim comodas perdas eleacutetricas atraveacutes de accedilotildees como aumento da pressatildeo de descarga variaccedilatildeo dapressatildeo de succcedilatildeo aquecimento do gaacutes na succcedilatildeo e geraccedilatildeo de perdas eleacutetricas no motor

Foram utilizadas variaccedilotildees das condiccedilotildees eleacutetricas para aumento das perdas eleacutetricasutilizando teacutecnicas como alimentaccedilatildeo do motor com tensatildeo contiacutenua superposta agrave alternada

alimentaccedilatildeo do motor somente com tensatildeo contiacutenua e alimentaccedilatildeo do motor com tensatildeoalternada em niacutevel reduzido simulaccedilatildeo da situaccedilatildeo de rotor bloqueado (partida do motorsem energizaccedilatildeo do enrolamento auxiliar)

Dentre os resultados obtidos por Scussel [3] os que se mostraram mais satisfatoacuteriosocorreram com a alimentaccedilatildeo do motor com tensatildeo contiacutenua (15 V) sobreposta agrave tensatildeoalternada (115 V) somado ao aumento da pressatildeo de descarga (17 bar) e agrave reduccedilatildeo daconvecccedilatildeo forccedilada sobre o compressor Com essa configuraccedilatildeo foi possiacutevel reduzir o tempototal de ensaio para 2 horas e quinze minutos tempo esse bastante inferior ao praticadoanteriormente que era de aproximadamente 4 horas e 30 minutos [8]

Posteriormente outros trabalhos abordaram diferentes estrateacutegias de aquecimentoacelerado de compressores Silveira [8] buscou diminuir o tempo total dos ensaios dedesempenho atraveacutes da reduccedilatildeo do tempo de transitoacuterio mediante aquecimento aceleradodo compressor utilizando-se injeccedilatildeo de corrente contiacutenua Lima [12] estudou o uso devariaccedilatildeo de tensatildeo e de frequecircncia de alimentaccedilatildeo bem como a injeccedilatildeo de tensotildees distorcidaspara esse mesmo fim

241 Injeccedilatildeo de Corrente Contiacutenua Para diminuiccedilatildeo do Tempo de

Transitoacuterio

Normalmente componentes de corrente contiacutenua satildeo indesejaacuteveis em redes de cor-rente alternada Elas satildeo particularmente prejudiciais a cargas indutivas com impedacircnciasmuito baixas como as encontradas em motores de induccedilatildeo onde provocam sobreaqueci-mento e saturaccedilatildeo do nuacutecleo magneacutetico [22] No entanto a inserccedilatildeo de uma componentecontiacutenua em motores de corrente alternada pode ser utilizada para aumentar as perdaseleacutetricas em um compressor de forma a diminuir o seu tempo de aquecimento

Scussel [3] afirma que os comportamentos das curvas de temperatura do compressorpodem ser considerados como tiacutepicos de um sistema de primeira ordem com constante detempo definida Mesmo com a utilizaccedilatildeo de uma tensatildeo de alimentaccedilatildeo acima da nominalseja com sobretensatildeo ou injeccedilatildeo de corrente contiacutenua o tempo de assentamento dastemperaturas continua o mesmo mudando apenas as temperaturas finais de assentamento

A diminuiccedilatildeo do tempo de aquecimento entatildeo proveacutem da possibilidade de injetarcorrente contiacutenua no iniacutecio do ensaio para que a curva de aquecimento atinja umatemperatura superior agravequela que seria atingida naturalmente para um mesmo intervalode tempo Na sequecircncia deve-se retornar a alimentaccedilatildeo para o valor nominal quando astemperaturas do compressor estiverem proacuteximas do valor de assentamento como ilustra afigura 12

Os resultados obtidos por Scussel [3] satildeo apresentados nas figuras 13 e 14 Parapermitir a anaacutelise da distribuiccedilatildeo de calor durante o aquecimento do compressor a

Figura 12 ndash Ilustraccedilatildeo da combinaccedilatildeo de curvas de temperatura com e sem sobreaqueci-mento Adaptada de Scussel [3]

temperatura foi medida em alguns pontos considerados de interesse Dentre esses pontosestatildeo a bobina o oacuteleo e o corpo do compressor A utilizaccedilatildeo de corrente contiacutenua como compressor em repouso concentra o calor na bobina do motor como eacute apresentado nafigura13 Nesse ensaio o compressor eacute alimentado somente com uma tensatildeo CC de 55 Vpor 60 minutos Nesse periacuteodo o compressor permanece em repouso Apoacutes esse tempo eacutedada a partida no compressor Com a partida o oacuteleo circula pelo compressor resfriandoa bobina rapidamente Na Figura 14 eacute mostrado um ensaio utilizando uma tensatildeo dealimentaccedilatildeo CA de 110 V somada a uma tensatildeo CC de 15 V por 40 minutos com ocompressor em movimento Nela eacute possiacutevel notar que a injeccedilatildeo de CC mais eacute eficaz com ocompressor em movimento por permitir uma melhor distribuiccedilatildeo do calor pelo compressor

Silveira [8] realizou ensaios utilizando a injeccedilatildeo de tensatildeo CC sobreposta a alimen-taccedilatildeo nominal em compressores aprofundando o estudo desta teacutecnica Os resultados foramobtidos com o compressor fora de um sistema de refrigeraccedilatildeo entatildeo o passador de descargafoi conectado ao de processo a fim de minimizar as perdas de oacuteleo O primeiro ensaiosem adiccedilatildeo de corrente contiacutenua mostra o comportamento das temperaturas internasdo compressor medidas em diversos pontos (figura 15 ) O compressor foi alimentadocom tensatildeo CA de 220 V O tempo de assentamento da temperatura do corpo foi deaproximadamente duas horas A figura 16 apresenta os resultados do segundo ensaio Ocompressor permaneceu sob as mesmas condiccedilotildees poreacutem com injeccedilatildeo de tensatildeo CC de 20V durante todo o teste

Com isso foi possiacutevel concluir que o comportamento eacute muito proacuteximo do afirmado

Figura 13 ndash Ensaio em compressor com alimentaccedilatildeo CC de 55 V sem corrente alternadacom compressor em repouso Adaptada de Scussel [3]

Figura 14 ndash Ensaio com tensatildeo de alimentaccedilatildeo CA de 110 V e tensatildeo CC por 40 minutosde 15 V com compressor em movimento Adaptada de Scussel [3]

Figura 15 ndash Ensaio realizado com o compressor a vazio e sem CC Adaptada de Silveira [8]

Figura 16 ndash Ensaio com o compressor a vazio e com injeccedilatildeo CC constante de 20 VAdaptada de Silveira [8]

por Scussel [3] no qual as constantes de tempo das variaacuteveis quase natildeo mudam e apenasaltera-se o valor final de assentamento Percebe-se o efeito principalmente sobre a bobinaprincipal do compressor pois eacute justamente esse componente que dissipa a energia eleacutetricaadicionada ao sistema transferindo-a para o restante do compressor O valor da temperaturade assentamento do corpo mudou de 52C do primeiro ensaio para 66C no segundo Otempo necessaacuterio no ensaio com injeccedilatildeo de CC para que o corpo do compressor atingisseos 52C do ensaio sem CC foi de apenas 50 minutos Isso representa uma reduccedilatildeo de 50do tempo gasto para se atingir essa temperatura [8]

25 Consideraccedilotildees sobre o Capitulo

A partir do estudo desenvolvido neste capiacutetulo pode ser entendido o que satildeo sistemasde refrigeraccedilatildeo e os seus principais componentes em especial os compressores hermeacuteticosA partir desta revisatildeo tambeacutem eacute possiacutevel entender como satildeo realizados ensaios paradeterminar paracircmetros dos compressores Pode-se observar tambeacutem que os meacutetodos atuaisdesses ensaios necessitam de um elevado tempo para obter um resultado Ainda forammostrados meacutetodos para acelerar o aquecimento do compressor Esses toacutepicos serviramcomo base para o desenvolvimento deste trabalho

3 Arquitetura do Sistema de Aqueci-

Neste capitulo seratildeo explicados a arquitetura geral do sistema e os motivos quelevaram a tal concepccedilatildeo Seratildeo detalhados os subsistemas que compotildeem o sistema deaquecimento como o sistema de aquisiccedilatildeo e o sistema de atuaccedilatildeo composto pelo sistemade injeccedilatildeo CC e pelo sistema de aquecimento via induccedilatildeo

31 Visatildeo Geral do Sistema de Aquecimento

Dentre os requisitos estabelecidos para a automaccedilatildeo do sistema de aquecimentoda bancada estatildeo que o aquecimento ocorra em um tempo preferencialmente de algunsminutos e que o mesmo ocorra da maneira mais uniforme possiacutevel em todo o compressorO sistema de aquecimento tambeacutem natildeo deve interferir em outros sistemas de mediccedilatildeopresentes e deve realizar o aquecimento utilizando um controle realimentado levando ocompressor ateacute uma determinada temperatura preacute-estabelecida

Foram realizados estudos de bibliografias relacionadas para um melhor entendimentodos possiacuteveis meacutetodos de aquecimento de um compressor para o teste Atraveacutes desse estudofoi possiacutevel concluir sobre as estrateacutegias que poderiam ser utilizadas para o aquecimentodo compressor Devido agrave presenccedila de gaacutes dentro do compressor existe um isolamentoteacutermico significativo entre a bobina e a carcaccedila do compressor portanto a estrateacutegiaadotada consistiraacute na utilizaccedilatildeo de meacutetodos de aquecimento para ambas as parte de formarelativamente independe e utilizados concomitantemente

Para o aquecimento da bobina seraacute utilizado um controle na alimentaccedilatildeo eleacutetricado compressor a fim de aquecer o mesmo injetando uma corrente CC na alimentaccedilatildeoScussel [3] indicou que a injeccedilatildeo de corrente CC somente eacute eficiente se for utilizada com ocompressor em operaccedilatildeo Em suma o meacutetodo consiste em somar uma componente CC agravealimentaccedilatildeo CA o que provoca o aumento das perdas eleacutetricas e consequente aquecimento

Para o aquecimento da carcaccedila seraacute utilizado um fogatildeo de induccedilatildeo a ser auto-matizado O mesmo consiste de uma bobina um circuito de controle que determina apotencia entregue para a bobina utilizando um sinal PWM e um circuito de potecircnciaresponsaacutevel por alimentar a bobina de acordo com o sinal passado pelo circuito de controleUm diagrama geral do sistema eacute mostrado na figura 17

Os subsistemas que compotildeem o sistema de aquecimento satildeo detalhados nas seccedilotildeesnas seccedilotildees 32 e 33

38 Capiacutetulo 3 Arquitetura do Sistema de Aquecimento

Figura 17 ndash Diagrama geral da arquitetura do sistema de aquecimento

32 Sistema de Aquisiccedilatildeo

Nesta seccedilatildeo seraacute descrita a arquitetura do sistema de aquisiccedilatildeo Na subseccedilatildeo 321seratildeo descritos os transdutores de temperatura utilizados Na subseccedilatildeo 322 seraacute descritaa unidade de aquisiccedilatildeo e comutaccedilatildeo utilizada Na subseccedilatildeo 323 seraacute descrito brevementeo processador do sistema de aquisiccedilatildeo

321 Transdutores de Temperatura

Para a mediccedilatildeo da temperatura o sistema conta com transdutores de dois tipostermorresistores e termopares Ao todo o sistema de aquisiccedilatildeo conta com 7 transdutoressendo 5 termorresistores do tipo Pt100 para mediccedilatildeo a 4 fios e 2 termopares do tipo T

A mediccedilatildeo da temperatura da carcaccedila foi feita utilizando termorresistores Umtermorresistor (RTD do inglecircs Resistance Temperature Detector) eacute um instrumento quepermite conhecer uma temperatura de interesse baseado no princiacutepio da variaccedilatildeo daresistecircncia eleacutetrica de um metal em funccedilatildeo da temperatura [23] A maior parte dostermorresistores satildeo feitos de platina mas satildeo tambeacutem utilizados outros materiais comopor exemplo o niacutequel Por norma quando se fala de um termorresistor ele eacute identificadopelo material que o constitui e pela resistecircncia que apresenta a 0C Por exemplo um

Pt100 eacute uma termorresistor de platina que a 0C apresenta uma resistecircncia de 100 Ω [24] Suas principais caracteriacutesticas satildeo a alta estabilidade mecacircnica e teacutermica resistecircncia agravecontaminaccedilatildeo relaccedilatildeo de resistecircncia por temperatura praticamente linear desvio com ouso e envelhecimento despreziacuteveis O transdutor de resistecircncia de platina eacute muito utilizadoem laboratoacuterios para medidas de temperatura na faixa de minus200C a +850C [24] Para autilizaccedilatildeo industrial eacute um transdutor de excelente precisatildeo estabilidade e comportamentometroloacutegico

Para uma maior exatidatildeo da mediccedilatildeo os termorresistores foram utilizadas comuma conexatildeo a 4 fios conforme mostrado na figura 18 Nessa configuraccedilatildeo a fonte decorrente fornece uma corrente estabilizada e conhecida atraveacutes do termorresistor R e atensatildeo gerada eacute medida com um voltiacutemetro de alta impedacircncia Dessa forma a resistecircnciados condutores exerce um efeito despreziacutevel sobre a mediccedilatildeo

Figura 18 ndash Ilustraccedilatildeo do esquema de conexatildeo dos termorresistores Pt100

A mediccedilatildeo da temperatura da carcaccedila foi feita utilizando termorresistores em 5pontos do compressor (i) no fundo da carcaccedila a parte que atinge a maior temperaturaquando utilizando o fogatildeo de induccedilatildeo para aquecimento (ii) entre o fundo e o meio dacarcaccedila (iii) no meio da carcaccedila onde a mediccedilatildeo da temperatura normalmente eacute realizada(iv) entre o meio e o topo da carcaccedila (v) no topo a parte mais difiacutecil de ser aquecida Aposiccedilatildeo dos termorresistores na carcaccedila eacute mostrada na figura 19

Para a mediccedilatildeo das temperaturas das bobinas foram utilizados termopares Estesjaacute haviam sido previamente instalados no compressor pela Embraco

Termopares satildeo transdutores de temperatura simples robustos e da baixo custosendo amplamente utilizados nos mais variados processos de mediccedilatildeo de temperatura Umtermopar eacute constituiacutedo de dois metais distintos que unidos por sua extremidade formamum circuito fechado O termopar desta maneira gera uma forccedila eletro-motriz (FEM) quequando conectada a um instrumento de leitura consegue ler a temperatura do processodestes termopares Diferentes tipos de termopares possuem diferentes tipos de curva FEMx temperatura [23]

Existem tabelas normalizadas que indicam a tensatildeo produzida por cada tipo de

Figura 19 ndash Ilustraccedilatildeo da posiccedilatildeo dos termorresistores Pt100

termopar para todos os valores de temperatura que suporta Todas as tabelas normalizadasapresentam os valores da tensatildeo de saiacuteda do termopar considerando que a segunda junccedilatildeodo termopar (a junccedilatildeo fria) eacute mantida a exatamente zero graus Celsius [25]

Tipicamente a temperatura da junccedilatildeo fria eacute medida por um termistor de precisatildeoA leitura desta segunda temperatura em conjunto com a leitura do valor da tensatildeo doproacuteprio termopar eacute utilizada para o caacutelculo da temperatura verificada na extremidadedo termopar Em aplicaccedilotildees menos exigentes a compensaccedilatildeo da junccedilatildeo fria eacute feita porum semicondutor sensor de temperatura combinando o sinal do semicondutor com o dotermopar [23]

Neste trabalho foram utilizados termopares do tipo T (Cobre Constantan) Esteeacute um dos termopares mais indicados para mediccedilotildees na gama dos minus200C a +370C [25]As caracteriacutesticas tiacutepicas desses sensores satildeo listadas abaixo

bull Termoelemento positivo (TP) Cu100

bull Termoelemento negativo (TN) Cu55Ni45 (Constantan)

bull Intervalo de utilizaccedilatildeominus200C a +370C

322 Unidade de Aquisiccedilatildeo e Comutaccedilatildeo

Para a mediccedilatildeo da temperatura da carcaccedila seratildeo utilizados 3 termoresistoresdo tipo Pt100 em conjunto com a unidade de aquisiccedilatildeo Agilent 34972A A unidade deaquisiccedilatildeo (DAQ) comutaccedilatildeo e registro de dados LXI 34972A consiste de um mainframecom 3 slots um multiacutemetro digital de 65 diacutegitos integrado e 8 moacutedulos diferentes decomutaccedilatildeo e controle Ela possui interfaces LAN e USB [26] Ela possui um conversor

interno que quando usado em conjunto com termorresistores e termopares consegueconverter automaticamente a leitura para um valor de temperatura aleacutem de conseguirrealizar mediccedilotildees a 4 fios Nesta unidade foi utilizado o moacutedulo 34901A que possui ummultiplexador com 20 canais e eacute consegue ler ateacute 60 canais por segundo Ele possui umajunta fria de referecircncia para termopares e a capacidade de fazer leituras de termorresistoresutilizando ligaccedilotildees a 2 ou 4 fios

323 Processador

O processamento foi realizado com um computador com um processador IntelCeleron de 22 Ghz e 2 GB de memoacuteria RAM com um sistema operacional Windows 7 Ocomputador foi conectado ao DAQ via USB utilizando um software implementado emLabVIEW conforme mostrado na seccedilatildeo 4

33 Sistema de Atuaccedilatildeo

Nesta seccedilatildeo seraacute descrita a arquitetura do sistema de atuaccedilatildeo Na subseccedilatildeo 331seraacute descrito detalhadamente o sistema de injeccedilatildeo CC utilizado Na subseccedilatildeo 332 seraacutedescrito detalhadamente o sistema de aquecimento por induccedilatildeo utilizado

331 Sistema de Injeccedilatildeo CC

Baseado nos estudos das referecircncias bibliograacuteficas optou-se por usar uma fontepara alimentar o compressor e ao mesmo tempo injetar CC O modelo escolhido devido adisponibilidade da mesma no laboratoacuterio foi a FCAM 150-30-15 Este modelo possibilita avariaccedilatildeo da tensatildeo e da frequecircncia em uma ampla faixa alem da injeccedilatildeo simultacircnea decorrente continua em diferentes niacuteveis de tensatildeo A comunicaccedilatildeo pode ser realizada atraveacutesde uma interface RS-232 o que permite controlar remotamente a fonte e automatizar osensaios As especificaccedilotildees teacutecnicas da fonte utilizada satildeo mostradas na figura 20

No entanto notou-se que a fonte FCAM 150-30-15 utilizada na realizaccedilatildeo dosistema natildeo era capaz de variar a taxa de injeccedilatildeo CC em pleno funcionamento Assimela necessita ser desligada toda vez que se deseja mudar o valor da accedilatildeo de controle viaalimentaccedilatildeo eleacutetrica o que implica na necessidade de desligar o compressor caso seja auacutenica fonte de alimentaccedilatildeo empregada Com isso seria necessaacuterio partir o compressornovamente toda vez que a taxa de injeccedilatildeo CC mudasse Como o compressor utiliza muitacorrente para partir isto aqueceria o mesmo de forma descontrolada dificultando o controleda temperatura

Para solucionar este problema foi adotada a estrateacutegia de comutar a alimentaccedilatildeodo compressor entre a fonte e a rede eleacutetrica conforme mostrado no digrama da figura

Figura 20 ndash Especificaccedilotildees da fonte de alimentaccedilatildeo FCAM 150-30-15

Figura 21 ndash Diagrama da estrateacutegia de comutaccedilatildeo de alimentaccedilatildeo

21 Conforme o diagrama o procedimento para a mudanccedila de niacutevel CC eacute iniciado aose desconectar a fonte de alimentaccedilatildeo do compressor Logo em seguida o compressor eacuteconectado a rede eleacutetrica Como a fonte em questatildeo alimenta o compressor em fase coma rede o compressor manteacutem a rotaccedilatildeo Apoacutes a saiacuteda da fonte eacute desligada e o valorda injeccedilatildeo CC eacute modificado Em seguida a saiacuteda da fonte eacute religada permitindo que ocompressor seja desconectado da rede e reconectado agrave fonte que agora o alimenta com umvalor diferente de injeccedilatildeo CC

Para realizar a conexatildeo e desconexatildeo da fonte e da rede eleacutetrica ao compressor de

Figura 22 ndash Ilustraccedilatildeo da contatora utilizada

Figura 23 ndash Ilustraccedilatildeo do rele de estado soacutelido utilizado

uma forma intertravada foi utilizada uma contatora Esta do modelo Siemens 3TH80 22OA possui 4 pares de contatos sendo 2 normalmente fechados (NC do inglecircs normallyclosed) e os outros 2 normalmente abertos (NO do inglecircs normally open) Uma imagemda contatora eacute mostrada na figura 22

Esta contatora possui um intertravamento internamente implementado o quegarante que natildeo ocorreraacute um curto circuito entre as comutaccedilotildees Esse intertravamentoeacute implementado com a contatora sempre primeiramente abrindo os contatos normal-mente fechados e posteriormente fechando os contatos normalmente abertos quando ela eacuteenergizada

Como a contatora eacute controlada com uma tensatildeo alternada 220 V ela natildeo poderiaser controlada utilizando a placa aquisiccedilatildeo utilizada Para tanto foi utilizado um releacutede estado solido GEFRAM BRA4425 zero crossing O releacute zero crossing eacute energizadoquando a tensatildeo atinge o ponto zero e eacute desenergizado quando a corrente atinge o pontozero conforme o sinal de controle no circuito de entrada Uma imagem do rele utilizado eacutemostrada na figura 23

No entanto a corrente fornecida pela placa de controle mostrou-se insuficiente paraa ativaccedilatildeo do rele de estado soacutelido em questatildeo Assim para o acionamento do mesmo foiutilizado um acoplador oacuteptico em conjunto com uma fonte de alimentaccedilatildeo independentede 6 V Uma ilustraccedilatildeo do esquema de controle em cascata utilizado para o chaveamentoentre a fonte e a rede eacute mostrada na imagem 24

332 Sistema de Aquecimento por Induccedilatildeo

Para o aquecimento da carcaccedila seraacute utilizado um fogatildeo de induccedilatildeo que foi automa-tizado para este propoacutesito O mesmo consiste de uma bobina um circuito de controle quedeterminaraacute a potencia que seraacute entregue para a bobina utilizando um sinal PWM e umcircuito de potecircncia responsaacutevel por alimentar a bobina de acordo com o sinal passadopelo circuito de controle O modelo escolhido devido agrave disponibilidade no laboratoacuterio foio Brastemp Gourmand Portaacutetil Ele eacute alimentando com uma tensatildeo de 220 V e eacute capazde drenar uma corrente de ateacute 12 A Sua potecircncia eacute dividida em 6 niacuteveis de intensidadevariando de 1 a 6 e o controle realizado atraveacutes de bototildees capacitivos

3321 Anaacutelise dos Circuitos e Estrateacutegia de Controle do Fogatildeo de Induccedilatildeo

Apoacutes uma extensa anaacutelise dos circuitos que compotildeem o fogatildeo de induccedilatildeo e que foiconsiderada fora do escopo deste relatoacuterio conclui-se que natildeo haviam os equipamentos emateriais necessaacuterios para o realizar controle atraveacutes do sinal PMW devido agrave complexidadedos circuitos auxiliares a essa funccedilatildeo e agraves altas potencias envolvidas

Portanto optou-se por simular o pressionamento dos bototildees capacitivos presentesno fogatildeo de induccedilatildeo Para isso foram analisados os comportamentos de diferentes pontosdo circuito de controle com o auxiacutelio de um osciloscoacutepio Com essa anaacutelise foi possiacutevelconcluir sobre a forma de funcionamento dos bototildees

Notou-se que enquanto nenhum botatildeo estaacute sendo pressionado existe um valorde tensatildeo correspondente a um niacutevel loacutegico alto Ao pressionar o botatildeo a tensatildeo sobreo botatildeo cai para subir novamente quando o botatildeo eacute solto Esses niacuteveis de tensatildeo satildeocomparados utilizando um amplificador operacional Apoacutes mais testes podemos concluir

Figura 25 ndash Sinal de controle a ser aplicado sobre o botatildeo para simular o seu pressionamento

que o circuito detectava um pulso de tensatildeo negativo aplicado nos bototildees com um duraccedilatildeode aproximadamente 200 ms conforme ilustrado na figura 25

Foi necessaacuterio automatizar o acionamento de 4 bototildees para executar uma rotinade funcionamento normal do fogatildeo Foram automatizados o botatildeo para ligar e desligar obotatildeo para iniciar o juste de potecircncia o botatildeo para aumentar a potecircncia e outro paradiminuir a mesma Para realizar o acionamento foi utilizado um circuito auxiliar paracada botatildeo composto por optoacopladores e resistores

3322 Dispositivo de ES Digital NI USB-6501

Para realizar o controle conforme o especificado anteriormente foi utilizando umdispositivo de entrada e saiacuteda digital o NI USB-6501 Ele possui 24 linhas de entra-dassaiacutedas digitais programaacuteveis individualmente um contador de 32 bits e proteccedilatildeocontra sobrecorrente Este dispositivo se comunica com o computador via USB com umavelocidade de ateacute 12Mbits

3323 Circuito de Isolamento Oacuteptico

Durante os testes realizados anteriormente foi possiacutevel observar que todos oscircuitos do fogatildeo de induccedilatildeo possuiacuteam como referecircncia um potencial de aproximadamente-110 V Isto impossibilitou a conexatildeo direta dos circuitos do fogatildeo com o dispositivo decontrole Para contornar este problema e proteger a placa NI USB-6501 foi utilizado umcircuito de proteccedilatildeo Ele possui optoacopladores SFH 615 que desacoplam eletricamenteos circuitos

4 Implementaccedilatildeo do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute abordada a implementaccedilatildeo do sistema baseada na arquituraapresentada no capiacutetulo 3 A primeira etapa do sistema foi compreendida pelo desenvol-vimento de um sistema supervisoacuterio responsaacutevel pela aquisiccedilatildeo de dados e comunicaccedilatildeocom os equipamentos utilizados no sistema Na segunda etapa o fogatildeo induccedilatildeo foi au-tomatizado Assim que todos os elementos do sistema estavam funcionais deu-se inicioa testes preliminares que serviram de base para o desenvolvimento dos controles tantopara o sistema de aquecimento por induccedilatildeo quanto para o sistema de aquecimento viaalimentaccedilatildeo eleacutetrica

O objetivo dos controles eacute controlar a temperatura da bobina principal e a tem-peratura medida no meio do compressor local onde a temperatura da carcaccedila eacute medidadurante os ensaios de desempenho segundo a norma ISO 917 [11] O quadro 41 apresentaas variaacuteveis controladas e medidas do sistema

Quadro 41 ndash Quadro de variaacuteveis medidas e controladas do sistema

Variaacuteveis Controladas Variaacuteveis MedidasTensatildeo CC da Alimentaccedilatildeo Temperatura da Bobina PrincipalLigaDesliga do Fogatildeo de Induccedilatildeo Temperatura da Bobina AuxiliarPotecircncia do Fogatildeo de Induccedilatildeo Temperatura do Topo do Compressor

Temperatura entre o Topo e o Meio do ComprTemperatura do Meio do CompressorTemperatura entre o Meio e o Fundo do ComprTemperatura do Fundo do Compressor

Com os dois sistemas de controles prontos foi implementado um controle queintegrava ambos resultando no sistema final de controle Neste trabalho foi implementadoum controle final especiacutefico para a bancada de ensaios de capacidade de elevaccedilatildeo na qualera desejado que tanto a carcaccedila quanto a bobina atingissem uma mesma determinadatemperatura Apoacutes ambas as variaacuteveis atingirem a temperatura desejada o teste deelevaccedilatildeo de pressatildeo deve ser imediatamente iniciado Em todos os testes o compressorestaacute operando a vazio (desconectado de um sistema de refrigeraccedilatildeo)

Nas seccedilotildees seguintes seratildeo detalhadas as etapas da implementaccedilatildeo do sistema deaquecimento Na seccedilatildeo 41 seraacute descrito o sistema supervisoacuterio criado para monitorar asvariaacuteveis do sistema de aquecimento Na seccedilatildeo 42 seraacute descrita a etapa de automaccedilatildeo dofogatildeo de induccedilatildeo Na seccedilatildeo 43 seratildeo analisados os ensaios preliminares utilizados paraa definiccedilatildeo do sistema de controle Na seccedilatildeo 44 seraacute detalhado o sistema de controlede temperatura da carcaccedila do compressor Na seccedilatildeo 45 seraacute detalhado o sistema de

48 Capiacutetulo 4 Implementaccedilatildeo do Sistema

controle de temperatura da bobina do compressor Na seccedilatildeo 46 seraacute detalhado o sistemade controle de temperatura para a bancada de elevaccedilatildeo de pressatildeo que integra os doiscontroles descritos anteriormente

41 Sistema Supervisoacuterio

O sistema supervisoacuterio foi implementado utilizando a plataforma de desenvolvimentoLabVIEW Atraveacutes do sistema supervisoacuterio eacute possiacutevel realizar a aquisiccedilatildeo e visualizaccedilatildeo dastemperaturas se comunicar com a fonte e com isso ajustar valores de tensatildeo e frequecircncialigardesligar a saiacuteda verificar a atuaccedilatildeo das diversas proteccedilotildees realizar a leitura dacorrente de saiacuteda ou seja fazer todo o controle e supervisatildeo da fonte Neste sistematambeacutem eacute possiacutevel acionar o fogatildeo de induccedilatildeo Posteriormente os controles tambeacutem foramincluiacutedos nesse sistema

42 Automaccedilatildeo do Fogatildeo de Induccedilatildeo

O primeiro passo para a implementaccedilatildeo efetiva do sistema de aquecimento foi aautomaccedilatildeo do fogatildeo de induccedilatildeo Ela foi feita utilizando a estrateacutegia definida a partir dasanaacutelises dos circuitos que compotildeem o fogatildeo realizadas anteriormente e omitidas nestedocumento por fugirem do escopo deste relatoacuterio O acionamento dos bototildees foi realizadoutilizando uma accedilatildeo de controle conforme mostrado na Figura 25 O sistema de controleque automatiza o acionamento do fogatildeo foi implementado utilizando o programa LabVIEWutilizando programaccedilatildeo orientada a eventos O fogatildeo liga ao receber um comando dousuaacuterio (ou posteriormente do sistema de controle) Ao ligar por padratildeo o fogatildeo sempreincia o seu funcionamento no niacutevel de potencia 5 Em seguida o sistema identifica qualo valor da referecircncia de potecircncia e segue esse valor conforme a loacutegica apresentada nodiagrama da Figura 26 Ele se manteacutem ligado ateacute receber um comando para desligar

43 Ensaios Preliminares para a Definiccedilatildeo do Sistema de

Controle

Foram realizados testes preliminares com a fonte de alimentaccedilatildeo e o fogatildeo deinduccedilatildeo para inferir sobre os efeitos dos controles nas variaacuteveis medidas Os controlesforam utilizados de maneira isolada para permitirem analisar a influecircncia de cada um nastemperaturas das diferentes partes do compressor

Figura 26 ndash Diagrama da loacutegica do controle de potecircncia do fogatildeo de induccedilatildeo

431 Aquecimento Via Controle de Alimentaccedilatildeo Eleacutetrica

O primeiro teste foi realizado utilizando um degrau de 15 V (CC) somado aalimentaccedilatildeo usual (220 V CA) na bobina principal aproximadamente no instante 052300do teste Os graacuteficos das temperaturas da carcaccedila e das temperaturas das bobinas satildeomostrados nas figuras 27 e 28

Figura 27 ndash Graacutefico das temperaturas das bobinas para um degrau CC na alimentaccedilatildeo

Pode-se observar a partir do graacutefico da figura 27 que eacute dada a partida no compressorno primeiro pico de temperatura da bobina auxiliar Eacute possiacutevel observar que a bobina

Figura 28 ndash Graacutefico das temperaturas da carcaccedila para um degrau CC na alimentaccedilatildeo

principal eacute aquecida rapidamente pela dissipaccedilatildeo de calor da bobina auxiliar ateacute certopatamar apoacutes a partida a partir do qual ela eacute aquecida lentamente de maneira quaselinear pela sua proacutepria corrente de alimentaccedilatildeo Aproximadamente no instante 052300eacute dado um degrau de 15 V (CC) Nesse momento a inclinaccedilatildeo da curva de aquecimentoaumenta ateacute o instante do pico quando o degrau CC eacute retirado e o compressor eacute novamentealimentado somente com a tensatildeo nominal de 220 V (CA) Neste momento as bobinascomeccedilam a diminuir sua temperatura

Tambeacutem eacute possiacutevel observar a partir do graacutefico da figura 28 que a inclinaccedilatildeo dacurva de aquecimento da carcaccedila natildeo muda consideravelmente apoacutes a adiccedilatildeo da componenteCC o que demonstra o baixo acoplamento entre esta variaacutevel de controle e as temperaturasmedidas na carcaccedila

432 Aquecimento via Induccedilatildeo Eletromagneacutetica

Outro teste foi realizado utilizando um degrau de potecircncia miacutenima no fogatildeo deinduccedilatildeo aproximadamente no instante 054525 do teste com o compressor em funciona-mento

Novamente eacute possiacutevel observar a partir do graacutefico da figura 29 que eacute dada a partidano compressor no primeiro pico de temperatura da bobina auxiliar Aproximadamenteno instante 054525 eacute dado um degrau de potecircncia miacutenima no fogatildeo de induccedilatildeo Nestemomento a inclinaccedilatildeo da curva de aquecimento aumenta poreacutem de forma pouco acentuadamesmo apoacutes o fogatildeo de induccedilatildeo ser desligado Com isso eacute possiacutevel perceber que existe

Figura 29 ndash Graacutefico das temperaturas das bobinas para um degrau no fogatildeo de induccedilatildeo

Figura 30 ndash Graacutefico das temperaturas da carcaccedila para um degrau no fogatildeo de induccedilatildeo

um acoplamento relativamente baixo entre o aquecimento gerado pelo fogatildeo de induccedilatildeoe a temperatura da bobina Tambeacutem eacute possiacutevel observar a partir do graacutefico da figura 30que existe uma inclinaccedilatildeo acentuada nas curvas de aquecimento dos pontos da carcaccedilaespecialmente no localizado no fundo da mesma Quando a temperatura do fundo atinge150C temperatura considerada como o limite maacuteximo neste trabalho para manter aintegridade do compressor o fogatildeo eacute desligado e apoacutes alguns minutos as temperaturas docorpo convergem para a uniformidade

Conforme mencionado anteriormente um fogatildeo de induccedilatildeo seraacute utilizado para

o aquecimento da carcaccedila A figura 31 mostrada abaixo apresenta o ensaio gravadocom uma cacircmera teacutermica com o intuito de analisar a distribuiccedilatildeo teacutermica no compressordurante o aquecimento

Figura 31 ndash Distribuiccedilatildeo teacutermica no compressor desligado ao ser aquecido com o fogatildeo deinduccedilatildeo no primeiro quadro antes de ligar o aquecimento e a cada minutonos quadros seguintes ateacute o quinto minuto de ensaio

Devido a seu principio de funcionamento e a sua forma de construccedilatildeo o fogatildeo deinduccedilatildeo aquece principalmente o fundo do compressor Assim o resto do corpo e interior docompressor satildeo aquecidos apenas por conduccedilatildeo o que resultaria em um aquecimento muitolento do compressor como um todo Sabendo que o oacuteleo que lubrifica e resfria o compressorfica acumulado no fundo do mesmo foi estudada a estrateacutegia de utilizar o fogatildeo de induccedilatildeocom o compressor em funcionamento utilizando a circulaccedilatildeo do oacuteleo pelo compressor paraum aquecimento eficiente e uniforme A figura 32 mostrada abaixo apresenta o ensaiogravado com uma cacircmera teacutermica com o intuito de analisar a distribuiccedilatildeo teacutermica nocompressor durante o aquecimento com o compressor funcionando

Conforme mostrado na figura 32 o aquecimento de fato foi mais uniforme e eficientecom o compressor em funcionamento A partir dessas analises decidiu-se por realizar oaquecimento com o compressor em funcionamento

433 Consideraccedilotildees Sobre o Sistema

Foram realizados outros testes similares aos apresentados nas seccedilotildees 431 e 432poreacutem com diferentes valores de atuaccedilatildeo com o objetivo de analisar melhor o sistema A

Figura 32 ndash Distribuiccedilatildeo teacutermica no compressor em funcionamento ao ser aquecido com ofogatildeo de induccedilatildeo no primeiro quadro antes de ligar o aquecimento e a cadaminuto nos quadros seguintes ateacute o quinto minuto de ensaio

partir dos testes preliminares realizados pode-se observar que o sistema eacute multivariaacutevel enatildeo linear Devido ao acoplamento relativamente pequeno entre a temperatura da bobinae da carcaccedila proporcionado pela camada de ar no interior do compressor e que isola umavariaacutevel da outra optou-se por controlar cada uma das variaacuteveis de forma independenteConforme a necessidade posteriormente pode ser considerado o uso de controladores depreacute-alimentaccedilatildeo (Feedforward para desacoplar ainda mais as variaacuteveis e assim melhorar aresposta do sistema

44 Controle de Temperatura da Carcaccedila

O objetivo deste subsistema eacute controlar a temperatura medida no meio do com-pressor utilizando o fogatildeo de induccedilatildeo

Com os resultado obtidos nos testes preliminares foi possiacutevel observar que mesmoutilizando um degrau com com o fogatildeo de induccedilatildeo na menor potencia possiacutevel se o degraufosse aplicado por tempo suficiente a temperatura do fundo passaria do limite estabelecidode 150C o que poderia danificar alguma parte do compressor Pela impossibilidade demanter o fogatildeo ligado indefinidamente ao longo do tempo de aquecimento optou-se porutilizar uma estrutura de controle em cascata Na malha externa a variaacutevel de processo

eacute a temperatura do meio do compressor que eacute a temperatura que realmente se desejacontrolar e a temperatura do fundo da carcaccedila eacute a accedilatildeo de controle utilizada Na malhainterna foi implementada uma estrateacutegia de controle de accedilatildeo Liga-Desliga com histeresetendo a temperatura do fundo do compressor como variaacutevel de processo e a accedilatildeo de ligar edesligar em conjunto com a potecircncia como variaacuteveis de controle

As duas malhas de controle com suas respectivas variaacuteveis de controle e processosatildeo mostradas na Figura 33

Figura 33 ndash Ilustraccedilatildeo do sistema composto pelas duas malhas controle variaacuteveis decontrole e de processo

441 Malha de Controle Interna

Esta malha eacute responsaacutevel por manter a temperatura do fundo da carcaccedila em tornode um valor definido Este controle foi implementado utilizando o programa LabVIEWutilizando um laccedilo de controle conforme a loacutegica do diagrama da Figura 34

O controle possui duas etapas uma de aquecimento e outra de resfriamento Ocontrole sempre eacute iniciado em uma etapa de resfriamento quando o fogatildeo estaacute desligadoO controle implementado na malha interna ainda adapta a potecircncia aplicada nos proacuteximosciclos de aquecimento de acordo com o tempo decorrido no ciclo de aquecimento anterior

Conforme o diagrama ao iniciar o controle primeiramente ele lecirc o valor da referecircnciapara a temperatura de fundo Apoacutes ele confere se estaacute em uma etapa de aquecimento ouresfriamento Se estiver em uma etapa de resfriamento ele analisa o valor da temperaturade fundo Se este valor for menor que a referecircncia subtraindo o valor da histerese eleguarda o tempo de execuccedilatildeo daquele instante liga o fogatildeo de induccedilatildeo e passa para umaetapa de aquecimento Se o valor for maior que a referencia subtraindo o valor da histerese

Figura 34 ndash Diagrama da loacutegica de implementaccedilatildeo do controle Liga-Desliga com histerese

ele continua em uma etapa de resfriamento De outra forma se o controle estiver em umaetapa de aquecimento ele novamente analisa o valor da temperatura de fundo Poreacutemdesta vez se este valor for maior que a referecircncia somando o valor da histerese ele analisao tempo de execuccedilatildeo desta uacuteltima etapa de aquecimento Se o tempo for menor que omiacutenimo definido para o aquecimento ele diminui a potecircncia para o proacuteximo ciclo deaquecimento se possiacutevel senatildeo apenas manteacutem a potecircncia atual Se o tempo for maiorque o tempo maacuteximo definido para o aquecimento ele tenta diminuir a potecircncia para o

proacuteximo ciclo Em ambos os casos apoacutes essa anaacutelise o controle desliga o fogatildeo de induccedilatildeoe passa para uma fase de resfriamento Se o valor da temperatura de fundo for menor quea referecircncia somando o valor da histerese ele continua em uma etapa de aquecimento

A partir do controle implementado foi determinado empiricamente que o valoradotado para a histerese seria de 5C que o tempo miacutenimo para uma etapa de aquecimentoseria de 15 segundos e que o tempo maacuteximo seria de 60 segundos

Um resultado de um teste utilizando o controle implementado com uma referecircnciapara a temperatura do fundo de 100C eacute mostrado na Figura 35

Figura 35 ndash Teste do controle liga-desliga com histerese

A partir da Figura 35 pode-se observar que o valor da temperatura de fundo variaem torno de 10C ao inveacutes dos 5C estabelecidos para a histerese Isso se deve ao atrasono acionamento que eacute de aproximadamente 9 segundos dependendo do niacutevel definidopara a potecircncia

442 Malha de Controle Externa

Esta malha eacute responsaacutevel por calcular a temperatura do fundo da carcaccedila docompressor necessaacuteria para manter a temperatura medida no meio do mesmo em torno deum valor definido Para tanto foram utilizados os dados do teste mostrado na figura 35 paradeterminar a funccedilatildeo de transferecircncia da temperatura de fundo para a temperatura medidano meio do compressor Com isso foi obtido o modelo da equaccedilatildeo (41) considerando otempo em segundos

H(s) =00008455 eminus54

Note que o sistema possui um atraso de 54 segundos Uma comparaccedilatildeo entre asrespostas do modelo obtido e do modelo real eacute mostrada na figura 36

Figura 36 ndash Comparaccedilatildeo entre as resposta do modelo obtido e do modelo real

Com a comparaccedilatildeo foi possiacutevel concluir que o modelo eacute suficientemente proacuteximodo real A partir do modelo obtido sendo o sistema representado por um integradorcom um ganho foi decidido utilizar apenas um controlador do tipo proporcional Essecontrolador foi calculado utilizando o meacutetodo de lugar das raiacutezes de forma que o tempode assentamento do sistema seja menor que 5 minutos O controlador proporcional obtidofoi

Kc = 79 (42)

Devido agraves caracteriacutesticas natildeo lineares do sistema ao controle liga-desliga implementadona malha interna e ao requisito de que as temperaturas estejam uniformes o que paraeste projeto foi assumido como nenhuma temperatura estar a mais de 10C distante datemperatura de referecircncia foi utilizada uma estrateacutegia onde o compressor eacute aquecido ateacuteuma temperatura maior que a referecircncia Esse valor eacute chamado neste trabalho de margemDepois eacute esperado o mesmo resfriar ateacute a temperatura desejada de forma que no decorrerdeste tempo as temperaturas da carcaccedila se acomodem e o aquecimento seja mais uniformeAssim a temperatura que o controlador usaraacute como referecircncia seraacute a temperatura dereferecircncia escolhida pelo operador do sistema somada a uma margem tambeacutem escolhidapelo operador

A condiccedilatildeo de parada para o controle por sua vez seraacute a temperatura do meiodo compressor atingir o valor da referecircncia escolhida somado a uma toleracircncia ambasdefinidas pelo operador do sistema

Assim utilizando essa estrateacutegia o controle proporcional foi implementado utili-zando o programa LabVIEW conforme o diagrama mostrado na Figura 37

Figura 37 ndash Diagrama do controle proporcional que define a temperatura do fundo refe-recircncia para o controle Liga-Desliga

O caacutelculo do controle eacute feito conforme a equaccedilatildeo (42)

RTf = RTm + (RTm +M minus Tm)Kp (43)

bull RTf Eacute referencia para o controle liga-desliga (temperatura do fundo) [C]

bull RTm Eacute referencia para a temperatura do meio do compressor [C]

bull M Eacute a margem usada no aquecimento [C]

bull Tm Eacute a temperatura do meio do compressor [C]

Note no diagrama da figura 37 que a condiccedilatildeo de parada para o controle eacute que a temperaturado meio do compressor esteja maior que a temperatura da referecircncia somada a umatoleracircncia previamente estabelecida O caacutelculo do controle por sua vez eacute feito utilizandoo valor da referecircncia somado a uma margem

45 Controle de Temperatura da Bobina

O objetivo deste subsistema eacute controlar a temperatura medida na bobina principalO controle da temperatura da bobina seraacute realizado utilizando a fonte de alimentaccedilatildeodisponiacutevel para o projeto conforme o esquema mostrado no capiacutetulo 3 Devido a essaarquitetura e ao tempo de troca de mensagens entre o computador e a fonte existe umatraso de aproximadamente 6 segundos no sistema de atuaccedilatildeo

Como a cada troca de valor de injeccedilatildeo CC a fonte tem que ser desconectada docompressor durante o periacuteodo de troca natildeo exite uma tenccedilatildeo CC sobre o compressor Issofaz a temperatura da bobina principal parar de subir ou mesmo diminuir durante esseperiacuteodo

Devido a essas caracteriacutesticas do sistema de atuaccedilatildeo optou-se por utilizar umaestrateacutegia simples de controle para a temperatura da bobina principal

Nessa estrateacutegia o sistema compara a temperatura atual da bobina principal com atemperatura definida como referecircncia Se a diferenccedila entre elas for menor que uma diferenccedilamiacutenima definida definida pelo usuaacuterio do sistema ela diminui o valor da tensatildeo CC e amanteacutem por um periacuteodo definido se o novo valor estiver dentro dos limites permitidospela fonte Senatildeo se a diferenccedila entre elas for maior que uma diferenccedila maacutexima definidaela aumenta o valor da tensatildeo CC e a manteacutem por um periacuteodo definido se o novo valorestiver dentro dos limites permitidos pela fonte

Desta forma o sistema sempre tenta manter a temperatura da bobina principalem um intervalo [Referecircncia - Diferenccedila Maacutexima Referecircncia - Diferenccedila Miacutenima] Asdiferenccedilas utilizadas neste trabalho foram [1510] e o periacuteodo de aplicaccedilatildeo do sinal foi de20 segundos um tempo ao menos 3 vezes maior que o tempo que a fonte fica desconectadaao trocar o valor CC Um diagrama da estrateacutegia utilizada eacute mostrado na Figura 38

46 Controle Para a Bancada de Ensaio de Capacidade de

Elevaccedilatildeo

O controle proposto neste trabalho tem como objetivo primaacuterio ser acoplado agravebancada ensaio de capacidade de elevaccedilatildeo Para esta bancada a especificaccedilatildeo para ocontrole eacute que tanto a bobina quanto a carcaccedila do compressor atinjam uma mesmatemperatura para poder comparar com os resultados obtidos ao aquecer os compressoresem um forno (onde o compressor eacute aquecido de maneira uniforme)

A estrateacutegia adotada para o controle de temperatura nesta bancada eacute esperaro sistema de aquecimento da carcaccedila aquecer a carcaccedila ateacute uma temperatura igual areferecircncia somada a uma toleracircncia para entatildeo aquecer a bobina o mais raacutepido possiacutevel

Figura 38 ndash Diagrama da estrateacutegia de controle para a temperatura da bobina principal

(etapa chamada de aquecimento super raacutepido) de forma a deixar ambas as variaacuteveis namesma temperatura para o ensaio de capacidade de elevaccedilatildeo de pressatildeo Um diagrama daestrateacutegia utilizada eacute mostrado na Figura 39

Para atingir esse objetivo o sistema analisa se a diferenccedila entre a referecircncia paraa temperatura do compressor e o valor da temperatura do meio do compressor eacute menordo que a toleracircncia estabelecida Se for ele analisa se o controle da temperatura dacarcaccedila do compressor ainda estaacute atuando Se ele estiver o sistema espera um periacuteodo evolta a analisar as temperaturas Se ele natildeo estiver mais atuando significa que o meiodo compressor atingiu a temperatura desejada Neste momento eacute iniciado o aquecimentosuper raacutepido da bobina

Na etapa de aquecimento raacutepido o sistema testa se a diferenccedila entre a temperaturada bobina e a referecircncia eacute menor que a toleracircncia Quando isso ocorrer ela define o valorda tensatildeo CC como o maacuteximo valor definido pelo usuaacuterio ateacute que a bobina principalatinja a temperatura esperada Quando isso ocorrer ela zera a tensatildeo CC e o ciclo deaquecimento estaacute terminado Um diagrama da estrateacutegia utilizada eacute mostrado na Figura40

Figura 39 ndash Diagrama do controle para a bancada de ensaio de elevaccedilatildeo de capacidade deelevaccedilatildeo

Figura 40 ndash Diagrama da etapa de aquecimento super raacutepido da bobina

5 Avaliaccedilatildeo do Sistema e Resultados

Neste capitulo satildeo apresentados e discutidos os resultados dos controles implemen-tados conforme o conteuacutedo apresentado no capiacutetulo 4

Todos os testes foram realizados utilizando os seguinte paracircmetros de controle

bull RTm = 60C temperatura de referencia escolhida

bull M = 35C a margem definida

bull ε = 1C toleracircncia do controle

bull ∆ = 5C a histerese do controle

Aleacutem desses paracircmetros o tempo miacutenimo para uma etapa de aquecimento foi definidocomo 15 segundos o tempo maacuteximo para uma etapa de aquecimento como 60 segundospasso do controle da injeccedilatildeo CC como 5 V e os limites de injeccedilatildeo CC como [0 40] V

Primeiramente foi realizado um teste utilizando somente o controle de temperaturada carcaccedila O resultado do teste eacute mostrado na Figura 43

Figura 41 ndash Graacutefico do teste final do controle da carcaccedila com uma referecircncia de tempera-tura da carcaccedila de 60C

Neste teste pode ser observado que o o sistema alcanccedila a temperatura desejadaem 902 minutos O controle teve iniacutecio aos 115 min assim o tempo de resposta de

64 Capiacutetulo 5 Avaliaccedilatildeo do Sistema e Resultados

assentamento foi de aproximadamente 8 min Este tempo embora maior que o esperadopelo controle projetado que eacute de 5 min ainda eacute muito menor que o tempo de aquecimentoem operaccedilatildeo normal do compressor que pode chegar a mais de 3 horas O sobressinalda resposta foi de apenas 082C abaixo da margem estabelecida de 35C Assim osistema de controle para a temperatura da carcaccedila quando utilizado de maneira isoladafoi considerado satisfatoacuterio para este projeto visto que conseguiu aquecer a carcaccedila docompressor em menos de 10 minutos

O segundo teste realizado utilizou somente o controle de temperatura da bobina Oresultado do teste eacute mostrado na Figura 43 Neste teste pode ser observado que o o sistema

Figura 42 ndash Graacutefico do teste final do controle da temperatura da bobina com uma refe-recircncia de temperatura da bobina de 60C

alcanccedila a temperatura desejada em 182 minutos O controle teve iniacutecio aos 082min assimo tempo de assentamento do sistema foi de aproximadamente 1 min Nota-se que o tempoque assentamento do sistema de controle de temperatura da carcaccedila eacute muito maior quepara o controle da bobina O valor da temperatura apoacutes atingir o valor desejado variouapenas 065C acima da toleracircncia Este resultado mostra que o sistema de controle datemperatura da bobina quando utilizado isoladamente eacute considerado satisfatoacuterio

Por fim o controle especiacutefico para a bancada de ensaios de elevaccedilatildeo de pressatildeo foitestado utilizando em conjunto o sistema de controle de temperatura da carcaccedila e dabobina O resultado do teste para as temperaturas da carcaccedila eacute mostrado na Figura 43

Novamente o sistema atende aos requisitos em relaccedilatildeo a temperatura da carcaccedilaNeste teste o meio da carcaccedila atinge temperatura desejada em 10 min O sobressinal daresposta novamente foi de apenas 082C abaixo da margem estabelecida de 35C

Figura 43 ndash Graacutefico das temperaturas da carcaccedila utilizando o controle final com umareferecircncia de temperatura de 60C

Na Figura 44 satildeo mostradas simultaneamente a temperatura de fundo e suareferecircncia Note que a referencia se manteacutem saturada em 150C durante boa parte do testeAs temperaturas satildeo proacuteximas durante todo o tempo em que o controle de temperatura dacarcaccedila estaacute funcionando soacute se distanciando no momento em que o controle de temperaturada carcaccedila eacute desligado apoacutes 845 minutos do iniacutecio do teste A Figura 45 mostra a evoluccedilatildeo

Figura 44 ndash Graacutefico das temperaturas do fundo e da referecircncia para o controle liga-desligautilizando o controle final com uma referecircncia de temperatura de 60C

da temperatura da bobina ao longo do teste Note que no momento que a temperaturada bobina comeccedila a se distanciar da temperatura da carcaccedila o sistema de controle agede maneira a manter a distancia preacute estabelecida para o teste dentro do intervalo de[1015]C abaixo da temperatura da carcaccedila do compressor Por fim a Figura 46 mostra

Figura 45 ndash Graacutefico das temperaturas da bobina utilizando o controle final com umareferecircncia de temperatura de 60C

o ponto exato em que tanto a bobina quanto a carcaccedila atingem a mesma temperaturaConforme o ponto destacado na imagem isso ocorre apoacutes 1092 minutos do inicio do testee 991 minutos depois do inicio da atuaccedilatildeo do controle A temperatura no ponto eacute de5941C ou seja o erro estaacute dentro da toleracircncia de 1C

Figura 46 ndash Graacutefico do instante em que a bobina e carcaccedila atingem a mesma temperaturautilizando o controle final com uma referecircncia de temperatura de 60C

Dessa forma o sistema operando com controle especiacutefico para a bancada de en-saios de elevaccedilatildeo de pressatildeo foi testado utilizando em conjunto o sistema de controle

de temperatura da carcaccedila e da bobina Seu desempenho foi avaliado e consideradosatisfatoacuterio

6 Consideraccedilotildees Finais

No decorrer deste projeto de final de curso foi desenvolvido um sistema de controlede temperaturas de compressores para bancadas automatizadas de ensaios Esse sistematornou possiacutevel o aquecimento de compressores em um tempo muito inferior aos obtidoscom sistemas desenvolvidos anteriormente

A implementaccedilatildeo desse sistema permitiu que uma nova teacutecnica de aquecimento decompressores utilizando um fogatildeo de induccedilatildeo fosse estudada parcialmente Aprimora-mentos que natildeo puderam ser explorados nesta etapa do projeto seratildeo apresentados comosugestotildees de trabalhos futuros

61 Conclusotildees

Durante a realizaccedilatildeo do levantamento bibliograacutefico pocircde-se entender sobre ossistemas de refrigeraccedilatildeo Foram encontradas inuacutemeras pesquisas no que tange a aceleraccedilatildeode ensaios de desempenho desses sistemas As teacutecnicas focadas no aquecimento utilizandoa alimentaccedilatildeo do compressor tecircm tempo de aquecimento demasiadamente grande paraserem utilizadas em ensaios mais raacutepidos como os de capacidade de elevaccedilatildeo de pressatildeoConcluiu-se dessa forma que utilizando essas teacutecnicas natildeo seria possiacutevel aquecer oscompressores de uma maneira raacutepida o suficiente para a realizaccedilatildeo destes ensaios

Neste trabalho foi possiacutevel desenvolver um sistema capaz de aquecer o compressor agravesmesmas temperaturas que com os meacutetodos tradicionais poreacutem em um tempo extremamentereduzido Cabe ressaltar que ainda satildeo necessaacuterios estudos de como as estrateacutegias deaquecimento desenvolvidas neste trabalho afetam os resultados dos ensaios de desempenho

Apoacutes a implementaccedilatildeo do sistema de acordo com a arquitetura desenvolvida foipossiacutevel realizar ensaios e avaliar o desempenho do sistema Todos os ensaios apresentaramresultados dentro do esperado validando assim a arquitetura Haacute ainda avanccedilos a serematingidos como o melhor controle da temperatura da bobina principal ou o uso de teacutecnicasmais avanccediladas de controle de modo a reduzir ainda mais o tempo de aquecimento

Durante todo o periacuteodo de realizaccedilatildeo de desenvolvimento utilizou-se conhecimentosobtidos na graduaccedilatildeo Aleacutem do conhecimento jaacute existente obteve-se contato com sistemasde refrigeraccedilatildeo e aprofundou-se na aacuterea de instrumentaccedilatildeo Levando-se em consideraccedilatildeoesses aspectos conclui-se que a disciplina Projeto de Fim de Curso atingiu plenamenteseu objetivo

70 Capiacutetulo 6 Consideraccedilotildees Finais

62 Sugestotildees Para Trabalhos Futuros

Durante a realizaccedilatildeo deste trabalho foram vislumbradas oportunidades de melhoriaAquelas que natildeo puderam ser explorados satildeo apresentadas na sequecircncia como sugestotildeespara trabalhos futuros

Para entender como esse sistema de aquecimento afeta o resultado dos ensaiosde desempenho sugere-se utilizar o sistema em compressores com caracteriacutesticas dedesempenho jaacute conhecidas realizar os ensaios de desempenho novamente e comparar osresultados

Para melhorar o tempo de assentamento do sistema sugere-se o uso de teacutecnicasde controle mais avanccediladas especialmente aquelas que compensam atrasos de transportecomo os controladores preditivos (MPC) e os compensadores de atraso de transporte(DTC)

Para diminuir os atrasos nos sistema de atuaccedilatildeo e melhorar o tempo de respostado sistema tambeacutem eacute sugerido o uso de equipamentos mais apropriados para o sistemacomo uma fonte de alimentaccedilatildeo capaz de mudar o valor de injeccedilatildeo CC enquanto alimentao compressor

Referecircncias

1 EMBRACO Entendendo o conceito de refrigeraccedilatildeo 2013 lthttpwwwclubedarefrigeracaocombrdownloadsentendendo-o-conceito-de-refrigeracaogt

2 POLETTO E L Aprimoramento de uma bancada de ensaios de desempenho decompressores hermeacuteticos visando reduzir incertezas de mediccedilatildeo Florianoacutepolis SC 2006

3 SCUSSEL J N Propostas de accedilotildees para reduzir o tempo demandado por ensaio dedesempenho de compressores hemeacuteticos Florianoacutepolis SC 2006

4 THOMAZINI J C Desenvolvimento de recursos para aumentar a produtividade deuma bancada de ensaios de partida e tombamento de compressores de refrigeraccedilatildeo 2013

5 PACHECO A Desenvolvimento de Sistema para Medir Resistecircncia de Enrolamento emMotores de Compressores Energizados 2007 Tese (Doutorado) mdash Dissertaccedilatildeo (Mestradoem Metrologia Cientiacutefica e Industrial)-Programa de Poacutes-Graduaccedilatildeo em MetrologiaCientiacutefica e Industrial Universidade Federal de Santa Catarina Florianoacutepolis 2007

6 CORAL R CENTRO TECNOLOacuteGICO POacuteS-GRADUACcedilAtildeO EM ENGENHARIAMECAcircNICA Tese (Doutorado) mdash Universidade Federal de Santa Catarina 2014

7 ZANOL M G Concepccedilatildeo de arquitetura para aquisiccedilatildeo de dados e controle debancada para teste de compressores 2015

8 SILVEIRA A N Diminuiccedilatildeo do tempo de transitoacuterio em ensaios de desempenho decompressores utilizando injeccedilatildeo de corrente contiacutenua Florianoacutepolis SC 2010

9 JOFFILY L d A L PIMENTA J M D Avaliaccedilatildeo de desempenho e simulaccedilatildeodecompressores de refrigeraccedilatildeopor meio de um ciclo superaquecido alternativo

10 IBGE Pesquisa Nacional por Amostra de Domiciacutelios 2013

11 STANDARDIZATION I O F ISO 917 - Testing of refrigerant compressors 2 edSwitzerland 1989

12 LIMA L C d A Controle da alimentaccedilatildeo eleacutetrica para reduccedilatildeo do tempo demandadopor ensaios de desempenho de compressores e avaliaccedilatildeo da influecircncia da qualidade daenergia eleacutetrica nos resultados dos ensaios 2010

13 SILVA J G da Introduccedilatildeo agrave Tecnologia da Refrigeraccedilatildeo e da Climatizaccedilatildeo [Sl]Artliber 2010

14 DOSSAT R J Princiacutepios de refrigeraccedilatildeo 1a ediccedilatildeo Hemus Editora 2004

15 STOECKER W F Refrigeraccedilatildeo industrialwf stoecker e jm saiz jabardondashsp EdBlucher 2a ediccedilatildeo 2002

16 JABARDO J STOECKER W Refrigeraccedilatildeo Industrial [Sl] Editora EdgarBluumlcher LTAD Satildeo Paulo 2002

72 Referecircncias

17 BOLES M A CcedilENGEL Y A Termodinacircmica 5a ediccedilatildeo Editora McGraw-HillInc 2006

18 BIM E Maacutequinas eleacutetricas e acionamento Campinas Campus 2009

19 FITZGERALD A JR CK e Kusko AldquoMaacutequinas Eleacutetricasrdquo 3 Ediccedilatildeo [Sl]McGraw-Hill 1971

20 PENZ C A Procedimentos para prover confiabilidade ao uso de inteligecircncia artificialem ensaios de desempenho de compressores hermeacuteticos de refrigeraccedilatildeo Florianoacutepolis SC2011

21 STANDARD A Ansiashrae 23 Methods of testing for rating positive displacementrefrigerant compressors and condensing units Atlanta EUA 2005

22 STUMBERGER G et al Prevention of iron core saturation in multi-windingtransformers for dc-dc converters IEEE Transactions on Magnetics IEEE v 46 n 2 p582ndash585 2010

23 FIALHO A B Instrumentaccedilatildeo industrial conceitos aplicaccedilotildees e anaacutelises [Sl]Editora Eacuterica 2002

24 IEC D 751 Industrielle Platin-Widerstandsthermometer und Platin-Messwiderstaumlnde1990

25 MOREIRA L Mediccedilatildeo de temperatura usando-se termopar Ceracircmica Industrialv 7 n 5 p 51ndash53 2002

26 KEYSIGHT T C Agilent 34970A34972A Userrsquos Guide 2014 lthttpliteraturecdnkeysightcomlitwebpdf34972-90001pdfgt

Folha de aprovaccedilatildeo

Agradecimentos

Resumo

Abstract

Sumaacuterio

Introduccedilatildeo

Contextualizaccedilatildeo

Objetivos

Objetivo Geral

Objetivos Especiacuteficos

Resultados Esperados

Estrutura do Documento

Revisatildeo da Literatura

Sistemas de Refrigeraccedilatildeo

Principais Componentes de um Sistema de Refrigeraccedilatildeo

Ciclo de Refrigeraccedilatildeo por Compressatildeo de Vapor

Compressores Hermeacuteticos

Motores de induccedilatildeo utilizados em compressores

Ensaios de Desempenho Energeacutetico de Compressores

Bancadas de Ensaio de Desempenho

Ensaio de Capacidade de Elevaccedilatildeo

Meacutetodos de Aquecimento de Compressores

Injeccedilatildeo de Corrente Contiacutenua Para diminuiccedilatildeo do Tempo de Transitoacuterio

Consideraccedilotildees sobre o Capitulo

Arquitetura do Sistema de Aquecimento

Visatildeo Geral do Sistema de Aquecimento

Sistema de Aquisiccedilatildeo

Transdutores de Temperatura

Unidade de Aquisiccedilatildeo e Comutaccedilatildeo

Processador

Sistema de Atuaccedilatildeo

Sistema de Injeccedilatildeo CC

Sistema de Aquecimento por Induccedilatildeo

Anaacutelise dos Circuitos e Estrateacutegia de Controle do Fogatildeo de Induccedilatildeo

Dispositivo de ES Digital NI USB-6501

Circuito de Isolamento Oacuteptico

Implementaccedilatildeo do Sistema

Sistema Supervisoacuterio

Automaccedilatildeo do Fogatildeo de Induccedilatildeo

Ensaios Preliminares para a Definiccedilatildeo do Sistema de Controle

Aquecimento Via Controle de Alimentaccedilatildeo Eleacutetrica

Aquecimento via Induccedilatildeo Eletromagneacutetica

Consideraccedilotildees Sobre o Sistema

Controle de Temperatura da Carcaccedila

Malha de Controle Interna

Malha de Controle Externa

Controle de Temperatura da Bobina

Controle Para a Bancada de Ensaio de Capacidade de Elevaccedilatildeo

Avaliaccedilatildeo do Sistema e Resultados

Consideraccedilotildees Finais

Conclusotildees

Sugestotildees Para Trabalhos Futuros

Referecircncias

Concepccedilatildeo de um Sistema de Aquecimento deCompressores para Bancadas Automatizadas de

Ensaios

Rubens Hardt Junior

Esta monografia foi julgada no contexto da disciplina

e aprovada na sua forma final pelo

Curso de Engenharia de Controle e Automaccedilatildeo

Prof Rodolfo Ceacutesar Costa Flesch Dr Eng

Banca Examinadora

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12 Objetivos 16

323 Processador 41

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Elevaccedilatildeo

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Sumaacuterio


Objetivos

Objetivo Geral





















Processador





















Conclusotildees


Referecircncias

Controle

H(s) =00008455 eminus54

Kc = 79 (42)

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Concepção de um Sistema de Aquecimento de Compressores ... · Resumo ... Figura25 – Sinal de controle a ser aplicado sobre o botão para simular o seu ... compressores seguindo