Cabrera Miguelises Colla (2)

Universidade de So Paulo

Escola de Engenharia de So Carlos

Departamento de Engenharia Eltrica e de Computao

ANLISE DA EFICINCIA

ENERGTICA DE MOTORES

MONOFSICOS PARA APLICAES

RESIDENCIAIS

Miguelises Colla Cabrera

So Carlos

2013

iii

MIGUELISES COLLA CABRERA

ANLISE DA EFICINCIA

ENERGTICA DE MOTORES

MONOFSICOS PARA APLICAES

RESIDENCIAIS

Trabalho de Concluso de Curso apresentado

Escola de Engenharia de So Carlos

da Universidade de So Paulo

Curso de Engenharia Eltrica com nfase

em Sistemas de Energia e Automao

Orientador: Prof. Dr. Jos Carlos de Melo Vieira Jnior

So Carlos

2013

vii

Dedico todo o meu trabalho e esforo ao meu av materno, Euclydes,

que ao longo de toda sua vida me amou, apoiou, ensinou e protegeu.

ix

Agradecimentos

Agradeo primordialmente a Deus pelo dom da vida, pela f e pelas bnos;

minha famlia, em especial meus pais Rosa e Miguelises, pelo apoio, carinho e

resguardo;

Ao meu orientador professor Jos Carlos de Melo Vieira Jnior pelo tempo dedicado,

pelos conselhos e ensinamentos oferecidos;

minha amiga e namorada, Flavia, pela compreenso e pelos momentos divididos.

xi

Sumrio

Lista de Figuras................................................................................................... xiii

Lista de Tabelas................................................................................................... xvii

Lista de Siglas e Smbolos.................................................................................. xix

Resumo................................................................................................................. xxiii

Abstract................................................................................................................ xxv

1. Introduo...................................................................................................... 27

1.1. Objetivos................................................................................................... 29

1.2. Organizao do Documento..................................................................... 30

2. Sistemas de Refrigerao............................................................................. 31

2.1. Ciclo de Refrigerao............................................................................... 31

2.2. Motor de induo monofsico................................................................... 35

2.2.1. Histrico.......................................................................................... 35

2.2.2. Princpio de funcionamento e classificao.................................... 36

2.3. Motor de velocidade varivel.................................................................... 39

2.3.1. Inversor de frequncia.................................................................... 40

2.4. Estado da Arte.......................................................................................... 42

3. Modelagem e simulao dos sistemas........................................................ 45

3.1. Modelagem dos sistemas......................................................................... 45

3.1.1. Motor de induo monofsico convencional................................... 45

3.1.2. Motor de induo monofsico velocidade varivel...................... 46

3.2. Simulao dos sistemas........................................................................... 48

3.2.1. Motor de induo monofsico convencional................................... 48

3.2.2. Motor de induo monofsico velocidade varivel...................... 49

4. Resultados...................................................................................................... 51

4.1. Resultados da simulao de partida......................................................... 51

4.1.1. Corrente eltrica total do motor de induo.................................... 51

4.1.2. Corrente eltrica do enrolamento principal do motor de induo... 52

4.1.3. Corrente eltrica do enrolamento auxiliar do motor de induo..... 53

4.1.4. Fator de potncia do motor de induo.......................................... 54

4.1.5. Potncia eltrica do motor de induo........................................... 55

4.1.6. Energia eltrica consumida pelo motor de induo........................ 55

4.1.7. Torque eletromagntico gerado pelo motor de induo................. 56

xii

4.1.8. Potncia mecnica do eixo do motor de induo........................... 57

4.1.9. Velocidade do eixo do motor de induo........................................ 58

4.1.10. Resultados em regime permanente................................................ 58

4.2. Resultados da simulao de distrbio...................................................... 59

4.2.1. Variao da tenso de alimentao............................................... 59

4.2.1.1. Afundamento da tenso de alimentao............................. 61

4.2.1.2. Sobretenso de alimentao.............................................. 63

4.2.2. Variao da carga em regime......................................................... 65

4.2.2.1. Diminuio da carga em regime......................................... 65

4.2.2.2. Aumento da carga em regime............................................. 68

4.3. Resultados da simulao de um ciclo de funcionamento......................... 69

4.4. Discusso dos resultados......................................................................... 71

5. Concluses..................................................................................................... 73

Referncias Bibliogrficas.................................................................................. 75

Bibliografia........................................................................................................... 77

Apndice A........................................................................................................... 81

xiii

Lista de Figuras

Figura 1.1: Percentual do consumo de energia eltrica residencial [1]................. 28

Figura 2.1: Grfico da presso pela entalpia do Ciclo de Refrigerao Ideal e do Ciclo

de Refrigerao Real, adaptado de [4].................................................................. 32

Figura 2.2: Ciclo de Refrigerao, adaptado de [6]............................................... 33

Figura 2.3: Esquema de um refrigerador domstico, adaptado de [7].................. 34

Figura 2.4: Comparativo do motor monofsico versus motor trifsico da fabricante

WEG, ambos de 1cv [6]......................................................................................... 36

Figura 2.5: Circuito equivalente do motor de induo monofsico de fase

dividida................................................................................................................... 38

Figura 2.6: Diagrama de blocos de um inversor de frequncia trifsico [3].......... 41

Figura 3.1: Circuito equivalente do motor de induo monofsico a duplo

capacitor................................................................................................................ 45

Figura 3.2: Diagrama de blocos do controle vetorial............................................. 47

Figura 3.3: Modelo equivalente do motor de induo monofsico a duplo capacitor

simulado................................................................................................................. 49

Figura 3.4: Modelo equivalente do motor de induo monofsico velocidade varivel

simulado................................................................................................................. 49

Figura 4.1: Grfico das correntes eltricas totais dos motores convencional e

velocidade varivel................................................................................................ 52

Figura 4.2: Grfico das correntes eltricas do enrolamento principal dos motores

convencional e velocidade varivel.................................................................... 53

Figura 4.3: Grfico das correntes eltricas do enrolamento auxiliar dos motores


Figura 4.4: Grfico do fator de potncia dos motores convencional e velocidade

varivel................................................................................................................... 54

Figura 4.5: Grfico da potncia eltrica total consumida pelos motores convencional e

velocidade varivel............................................................................................. 55

xiv

Figura 4.6: Grfico da potncia eltrica ativa consumida pelos motores convencional e

velocidade varivel............................................................................................. 56

Figura 4.7: Grfico torque eletromagntico (conjugado) gerado pelos motores


Figura 4.8: Grfico da potncia mecnica do eixo dos motores convencional e


Figura 4.9: Grfico da velocidade do eixo dos motores convencional e velocidade

varivel................................................................................................................... 58


varivel com afundamento de tenso.................................................................... 62


velocidade varivel com afundamento de tenso.................................................. 62


varivel com afundamento de tenso.................................................................... 63


varivel com sobretenso...................................................................................... 64


velocidade varivel com sobretenso.................................................................... 64


varivel com sobretenso...................................................................................... 65


velocidade varivel com diminuio da carga acoplada ao eixo do motor............ 66


varivel com diminuio da carga acoplada ao eixo do motor.............................. 67


varivel com diminuio da carga acoplada ao eixo do motor.............................. 67


velocidade varivel com aumento da carga acoplada ao eixo do motor............... 68

xv


varivel com aumento da carga acoplada ao eixo do motor................................. 69

Figura 4.21: Grfico da energia eltrica consumida pelos motores convencional e

velocidade varivel durante um ciclo de funcionamento....................................... 70

xvii

Lista de Tabelas

Tabela 1.1: Percentual do consumo de energia eltrica no setor comercial e no setor

pblico [1]............................................................................................................... 29

Tabela 4.1: Dados extrados aps trs segundos................................................. 59

Tabela 4.2: Resultado das simulaes de flutuao de tenso no motor

convencional.......................................................................................................... 60

Tabela 4.3: Resultado das simulaes de flutuao de tenso no motor com


Tabela 5.1: Parmetros dos motores de induo monofsicos............................. 81

xix

Lista de Siglas e Smbolos

F.M. Fora motriz

C.P. Calor de Processo

A.D. Aquecimento direto

Refrig. Refrigerao

Ilumin. Iluminao

Tsub Variao de temperatura devido ao subresfriamento do lquido

refrigerante

Tsup Variao de temperatura devido ao superaquecimento do vapor de

suco

Pd Variao de presso devido perdas de presso na sada do

compressor

Ps Variao de presso devido ao atrito do lquido refrigerante

Pc Presso de condensao

Po Presso de vaporizao

COP Coeficiente de Performance

F.P. Fator de Potncia

cv Cavalo de fora

V(t) Tenso de alimentao

I(t) Corrente total

Ip(t) Corrente do enrolamento principal

Ia(t) Corrente do enrolamento auxiliar

CA Corrente Alternada

CC Corrente contnua

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

xx

1 Monofsico

3 Trifsico

Hz Hertz

Vdc Tenso em corrente contnua

PWM Pulse Width Modulation

Rprincipal Resistencia do enrolamento principal

Rauxiliar Resistencia do enrolamento auxiliar

Lprincipal Indutncia do enrolamento principal

Lauxiliar Indutncia do enrolamento auxiliar

Iprinc Corrente do enrolamento principal

Iaux Corrente do enrolamento auxiliar

PID Controlador proporcional integral derivativo

V Volt

p.u. Por unidade

A Ampre

s Segundos

% Porcentagem

VA Volt x Ampre

w Watt

rpm Rotaes por minuto

kVA Quilo Volt x Ampre

kw Quilo Watt

h Entalpia

P Presso

xxi

S Entropia

cte Constante

xxiii

Resumo

CABRERA, M. C. Anlise da eficincia energtica de motores monofsicos para

aplicaes residenciais. 79p. Trabalho de Concluso de Curso Escola de

Engenharia de So Carlos, Universidade de So Paulo, So Carlos, 2013.

O consumo de energia eltrica cresce em uma velocidade maior que a sua

gerao, por uma srie de motivos. Tal situao induz a buscar solues para a

desigualdade entre a demanda e a gerao de energia, antes que ela se torne um

grave problema. A motivao deste trabalho comparar e analisar uma proposta de

amenizar esta desigualdade, atravs da melhoria da eficincia energtica de motores

monofsicos em aplicaes residenciais. Esta proposta se embasa na comparao

entre o tipo de soluo mais comum em refrigeradores domsticos, motor de induo

monofsico a duplo capacitor, e uma soluo mais atual, o motor velocidade

varivel, atravs de simulaes computacionais, analisar suas diferenas, vantagens,

desvantagens e peculiaridades.

Palavras-chave: eficincia energtica, motor de induo monofsico, motor

velocidade varivel, inversor de frequncia, refrigerao, ciclo de refrigerao.

xxv

Abstract

CABRERA, M. C. Energy efficiency analysis of single-phase motors for

residential applications. 79p. Course Conclusion work - Engineering School of So

Carlos, University of So Paulo, So Carlos, 2013.

The electricity consumption grows at a higher rate than the generation, due to a

number of reasons. This situation leads us to look for solutions to this unbalance

between demand and power generation, before it becomes a serious problem. The

motivation of this work is to compare and analyze a proposal to mitigate this inequality

by improving energy efficiency of single-phase motors in residential applications. This

proposal is grounded on the comparison between the most common type of solution for

household refrigerators, single-phase induction motor with double capacitor, and a

current solution, variable speed induction motor, through computer simulations, to

analyze their differences, advantages, disadvantages and particular characteristics.

Keywords: energy efficiency, single phase induction motor, variable speed motor,

frequency inverter, cooling, refrigeration cycle.

27

1. Introduo

Desde os primrdios da civilizao e at mesmo antes dela, o Homem j

manuseava a energia como ferramenta a seu favor. Segundo o que j foi provado, a

primeira forma de energia manipulada pelo Homem foi o calor na forma do fogo

utilizada para aquecer e iluminar, e posteriormente como proteo e no preparo de

alimentos. Com o passar do tempo, o Homem foi aprendendo a aproveitar outras

formas de energia, tais como a energia do movimento dos ventos utilizada em

moinhos e barcos, e tambm a energia do movimento das guas em pequenas rodas

dgua. Com o desenvolvimento das civilizaes, a humanidade aprendeu tambm a

utilizar a energia qumica de substncias como leos derivados de plantas e animais e

substncias derivadas do petrleo.

A civilizao atual somente atingiu o seu pice energtico com a descoberta e

capacidade de manipular e tratar a energia eltrica, uma das formas mais finas de

energia conhecida. A energia eltrica de tal importncia na sociedade moderna que

uma das formas de medir o desenvolvimento das sociedades atravs da sua

produo e de seu consumo.

Historicamente, a energia sempre foi uma ferramenta muito importante para o

Homem, apresentando-se sempre como soluo para inmeros questionamentos e

problemas que afligiam as sociedades. At pouco tempo era um recurso considerado

farto, quase inesgotvel e pouca importncia era dada em como ou porqu era

utilizada.

Porm, hoje alcanada a conscincia de que ela no inesgotvel e que a

forma como gerada, manipulada e consumida, assim como a sua falta podem gerar

grandes problemas no apenas s sociedades, mas tambm a todo o planeta Terra e

seu equilbrio.

A construo de novas usinas hidroeltricas, termoeltricas e termonucleares

alm de altos custos financeiros de implementao gera tambm impactos ambientais

relevantes, o que torna cada vez mais complicado o aumento dos sistemas de

gerao. A maioria das novas tecnologias de gerao, consideradas limpas, ainda no

atingiram uma eficincia satisfatria, demonstrando assim a necessidade de buscar

outros caminhos para solucionar ou amenizar a questo energtica.

Como uma das principais linhas de pesquisa e desenvolvimento deste novo

problema surge a eficincia energtica. Anteriormente esquecida ou considerada

irrelevante, principalmente associada ao consumo, a eficincia energtica ganha fora

e importncia no apenas dentro de centros tecnolgicos e de pesquisas, mas alcana

28

o mercado e at mesmo cada membro individual da sociedade pelo potencial de

impacto ambiental e financeiro que ela pode causar.

Como anteriormente esta rea foi pouco abordada, seu potencial de

desenvolvimento grande e no inclui apenas novas tecnologias e novos materiais,

mas tambm uma metodologia de mudana comportamental.

Entre todas as reas de atuao da eficincia energtica, um ramo que merece

destaque o de sistemas de refrigerao. A figura 1.1 apresenta um grfico da diviso

do consumo de energia eltrica residencial, o qual explicita a grande participao de

sistemas de refrigerao no consumo com 34% do total, sendo que destes, 28% so

consumidos por geladeiras e 6% por freezers. No setor comercial e no setor pblico a

participao dos sistemas de refrigerao tambm alta, atingindo 33,3% do consumo

total do primeiro e 18% do segundo, como mostra a tabela 1.1. Deve-se lembrar de

que na indstria, os sistemas de refrigerao tambm so largamente utilizados em

controle trmico de processos, em fabricao e armazenamento de produtos

perecveis entre outras aplicaes [1].

Figura 1.1: Percentual do consumo de energia eltrica residencial [1].

29

Tabela 1.1: Percentual do consumo de energia eltrica no setor comercial e no setor

pblico [1].

F.M (%) C.P. (%) A.D. (%) Refrig. (%) Ilumin. (%)Outras

(%)Total (%)

Setor

Comercial14,6 0,6 7,8 33,3 41,8 1,9 100

Setor Pblico 27,8 0,3 2,2 18 49,7 2 100

Total 19,6 0,4 5,7 27,6 44,8 1,9 100

Coeficientes de destinao

Legenda: F.M.: Fora motriz; C.P.: Calor de Processo; A.D.: Aquecimento direto; Refrig.:

Refrigerao; Ilumin.: Iluminao

Os sistemas de refrigerao usam comumente o motor de induo monofsico

para realizar o trabalho do ciclo trmico. O motor de induo apresenta uma alta

corrente de partida, que acarreta em um aumento do consumo de energia e funciona

em uma nica velocidade [2]. Levando em considerao estas duas caractersticas do

motor de induo e sabendo que a maioria dos sistemas de refrigerao utiliza um

funcionamento liga-desliga em torno de uma referncia de temperatura, conclui-se

que h um nmero grande de partidas desse motor durante o regime de

funcionamento do sistema de refrigerao, situao que aumenta o consumo de

energia.

Aplicando um motor com velocidade varivel controlado por um inversor de

frequncia ao sistema de refrigerao eliminam-se as duas restries mencionadas

anteriormente gerando uma corrente de partida menor e diminuindo o nmero de

partidas do motor por meio do controle de sua velocidade [3]. Com isso, adequa-se o

torque do motor situao de funcionamento em regime permanente, reduzindo o

consumo de energia de um sistema de refrigerao e funcionando como um potencial

de reduo do consumo de energia eltrica.

1.1. Objetivos

Com base nas consideraes apresentadas anteriormente, toma-se como

objetivo deste trabalho a simulao e comparao dos seguintes subsistemas do ciclo

de refrigerao:

i. Motor de induo monofsico convencional com controle liga-desliga;

ii. Motor de velocidade varivel controlado por inversor de frequncia;

30

O foco comparar a diferena de energia consumida entre ambos os

subsistemas durante o perodo de partida dos mesmos, e considerando um ciclo de 24

horas de operao.

1.2. Organizao do Documento

Para melhor compreenso e fluidez este trabalho foi desmembrado em cinco

captulos, os quais so indicados e sucintamente explicados a seguir:

Captulo 1 Introduo: atual captulo que contextualiza os objetivos do

trabalho.

Captulo 2 Sistemas de refrigerao: captulo em que se apresentam e se

explicam os conceitos necessrios para melhor compreenso do funcionamento de um

ciclo de refrigerao, de um motor de induo monofsico e de um inversor de

frequncia.

Captulo 3 Modelagem e simulao dos sistemas: neste captulo sero

apresentadas as formas de modelagens e simulao dos dois modelos em estudo por

este trabalho.

Captulo 4 Resultados: este captulo apresentar a informaes mais

relevantes para este trabalho, nele em que se apresentam e se discutem os

resultados obtidos.

Captulo 5 Concluses: captulo final que apresenta as consideraes de

maior relevncia obtidas com este trabalho.

31

2. Sistemas de Refrigerao

Neste captulo ser apresentada uma sucinta explicao do ciclo de

refrigerao e seus componentes. Aps esclarecido o ciclo de refrigerao, o captulo

reserva-se ao componente do ciclo mais importante ao trabalho, o motor de induo

monofsico. Na finalizao do captulo ser apresentado o atual estgio de

desenvolvimento do ciclo de refrigerao aplicado a refrigeradores, dos motores de

induo monofsicos e dos controles do ltimo.

2.1. Ciclo de Refrigerao

A base terica de funcionamento dos refrigeradores domsticos o ciclo de

refrigerao que, por sua vez, deriva da teoria do Ciclo de Carnot. O ciclo de

refrigerao consiste em retirar calor de um reservatrio frio e descartar calor em um

reservatrio quente atravs do trabalho realizado sobre um fluido refrigerante.

A figura 2.1 representa um grfico da presso pela entalpia do ciclo de

refrigerao que auxilia na elucidao de seu funcionamento, o qual se descreve da

seguinte forma:

O fluido baixa presso e na forma de vapor sugado pelo compressor (1),

onde comprimido, saindo alta presso e na forma de vapor superaquecido (2).

Do compressor, o vapor superaquecido (2) segue para o condensador onde

perde energia na forma de calor para o ambiente e passa para o estado lquido (3).

Em seguida, o fluido alcana o dispositivo de expanso adquirindo uma baixa

presso e voltando ao estado de vapor (4).

Aps a expanso, o fluido se encaminha ao evaporador absorvendo energia na

forma de calor do meio a ser refrigerado e volta ao compressor (1), reiniciando

assim o ciclo.

32

Figura 2.1: Grfico da presso pela entalpia do Ciclo de Refrigerao Ideal e do Ciclo

de Refrigerao Real, adaptado de [4].

O ciclo de refrigerao real apresenta algumas diferenas do ciclo de

refrigerao ideal, ou terico. Isso acontece devido a uma infidelidade das

caractersticas reais s tericas na construo dos equipamentos e montagem do ciclo

geradas pelas perdas e imperfeies dos mesmos. Entre tais caractersticas destaca-

se [5]:

Superaquecimento do vapor de suco;

Subresfriamento do lquido refrigerante;

Perdas de presso;

Atrito do lquido refrigerante.

A diferena entre os ciclos ideal e real podem ser observadas no grfico da

presso pela entalpia, apresentado na Figura 2.1. Este grfico representa a perda

causada pelo superaquecimento do vapor de suco por Tsup, tal perda est

associada entrada do compressor e desloca o ponto 1 para a posio 1. Vinculado

ao dispositivo de expanso est a perda pelo subresfriamento do lquido refrigerante

que representada no grfico por Tsub e movimenta o ponto 3 para 3. O grfico

ilustra tambm as perdas de presso associadas sada do compressor que so

caracterizadas por Pd e reposiciona o ponto 2 para a posio 2. Por fim as perdas

pelo atrito do lquido refrigerante de forma relevante esto no evaporador, so

apresentadas como Ps e altera o ponto 4 para 4 [5].

A maior consequncia dessas diferenas uma diminuio da eficincia do

ciclo e consequentemente uma maior quantidade de trabalho precisa ser entregue ao

ciclo, o que resulta em um maior consumo de energia pelos sistemas de refrigerao.

33

No ciclo de refrigerao por compresso existem quatro dispositivos

fundamentais para o funcionamento do mesmo, a saber:

compressor, dispositivo responsvel pela circulao do fluido refrigerante em

um sistema de refrigerao por compresso, sendo assim, o responsvel por

comprimir o lquido refrigerante possibilitando-o de rejeitar calor, atravs da injeo

de trabalho no ciclo e do consumo de energia eltrica.

dispositivo de expanso, o qual responsvel por expandir o lquido

refrigerante e assim possibilitando o ltimo a absorver calor;

condensador, duto onde o lquido refrigerante se encontra a alta presso e alta

entalpia para rejeitar calor;

evaporador, duto onde o lquido refrigerante se encontra a baixa presso e

baixa entalpia para absorver calor.

Na figura 2.2 est a representao grfica destes dispositivos dentro de um

ciclo de refrigerao, assim como a direo do fluido refrigerante e os fluxos de calor.

Figura 2.2: Ciclo de Refrigerao, adaptado de [6].

Na proposta de anlise do consumo de energia e eficincia deste sistema

necessrio um olhar mais cauteloso sobre o elemento consumidor de energia eltrica,

o compressor. Este realiza trabalho sobre o lquido refrigerante, mas para tal utiliza a

energia cintica cedida pelo eixo do motor de induo, em outras palavras o elemento

que realmente consome energia eltrica no sistema de refrigerao o motor de

induo.

34

Na refrigerao, assim como em outras reas existem formas de analisar o

desempenho dos seus sistemas. O clculo de cada indicador de desempenho est

relacionado com o parmetro ou objetivo em questo. Voltando-se o olhar para a

questo de eficincia energtica um indicador de alta importncia o COP,

Coeficiente de Performance, que calculado pela razo entre o calor absorvido pelo

evaporador e o trabalho realizado pelo compressor

Uma representao esquemtica de um refrigerador domstico, com seus

principais dispositivos e o fluxo do lquido refrigerante apresentada na figura 2.3,

onde a cor azul do refrigerante representa baixa temperatura e a cor vermelha

representa alta temperatura.

Figura 2.3: Esquema de um refrigerador domstico, adaptado de [7].

35

2.2. Motor de induo monofsico

2.2.1. Histrico

O conceito do motor de induo originou-se do trabalho do engenheiro italiano

Galilleo Ferraris sobre campos girantes. Embasado em tais teorias, o engenheiro

iugoslavo Nicola Tesla desenvolveu o princpio de funcionamento do motor de

induo, em torno do ano de 1881, porm essa concepo de motor eltrico foi

patenteada pelo engenheiro russo Michael Von Dolivo Dobrowolski durante o perodo

em que trabalhou na empresa alem AEG, no ano de 1889.

As primeiras aplicaes do motor de induo foram realizadas a partir de redes

polifsicas e visando a indstria, contudo, com o passar do tempo, aprimoramento das

teorias e com a implementao de redes eltricas residenciais e comerciais

predominantemente monofsicas e/ou bifsicas, os motores de induo monofsicos

representam hoje uma grande fatia do mercado.

O motor de induo apresenta algumas vantagens quando comparado a outros

motores eltricos, as quais se destacam [8]:

simplicidade e baixo custo de construo;

eliminao do atrito dos contatos eltricos deslizantes;

Se comparado com o motor de induo trifsico, o motor de induo

monofsico apresenta certas desvantagens as quais se destacam:

maior corrente eltrica, principalmente a corrente de partida;

menor rendimento;

inexistncia do torque de partida.

A figura 2.4 um comparativo dos motores de induo monofsico e trifsico,

nela esto representadas graficamente as principais caractersticas de ambos.

Analisando a figura, constata-se que para motores de induo trifsico e monofsico

de mesma potncia, os rendimentos so prximos, contudo o motor trifsico apresenta

uma massa consideravelmente menor e um fator de potncia mais adequado rede

eltrica, mas a maior e mais relevante diferena observada na corrente nominal dos

motores: com uma corrente relevantemente menor, o motor trifsico apresenta uma

maior eficincia, um menor aquecimento e um menor estresse da prpria mquina.

36

Figura 2.4:Comparativo do motor monofsico versus motor trifsico da fabricante

WEG, ambos de 1cv [9].

Como apresentado anteriormente, apesar das desvantagens do motor de

induo monofsico para com o motor de induo trifsico, a priorizao do motor

monofsico justificada pela configurao das redes de consumo eltrico em baixa

tenso, prioritariamente monofsicas e/ou bifsicas.

Uma das principais caractersticas do motor de induo monofsico a falta do

torque de partida, que pode ser solucionado de algumas maneiras dependendo das

caractersticas da aplicao. Desta forma, a classificao dos motores monofsicos

baseada no seu mtodo de partida.

2.2.2. Princpio de funcionamento e classificao

Os conceitos que embasam os motores de induo so as teorias de campo

eletromagntico, interao entre circuitos eltricos e campos eltricos alm da teoria

de campos girantes sumariamente difundidas na Fsica, Eletromagnetismo e

Engenharia.

O motor de induo une essas teorias de forma simples, robusta e altamente

adaptvel, criando assim uma enorme gama de circuitos diferentes, porm com a

mesma base construtiva, abordada e rapidamente explicada a seguir.

37

Os motores de induo so mquinas eltricas assncronas, alimentadas por

fontes alternadas (senoidais), constitudas por duas partes: o estator e o rotor. O

estator a parte estacionria do motor e a qual recebe a fonte de alimentao,

geralmente o estator externo ao rotor. O rotor a parte dinmica do motor, ou seja, a

parte ao qual se movimenta devido fora gerada pela interao dos campos

magnticos entre as duas partes do motor, predominantemente o rotor interno ao

estator. Tanto o estator quanto o rotor so projetados, construdos e montados em um

eixo comum, porm sem que haja contato entre eles, este espao denominado

entreferro [2].

Alimentando o motor de induo em uma rede monofsica, alimenta-se o

estator com uma corrente igualmente monofsica. Nessas condies, o estator induz

um campo pulsante que por sua vez gera dois torques de mdulos iguais e sentidos

opostos. Nesta situao o rotor consegue manter sua inrcia, mas considerando o

motor parado no h torque de partida que acelere o rotor e coloque o motor em seu

regime de funcionamento. Portanto para partir o motor de induo monofsico utiliza-

se um circuito auxiliar ou secundrio [2].

O circuito auxiliar responsvel pela partida do motor e pode ser desligado ou

no durante o regime permanente. Para gerar um torque suficiente para a partida, o

enrolamento auxiliar deve gerar uma corrente eltrica defasada em relao corrente

eltrica do enrolamento principal, geralmente esta defasagem aproxima-se de 90

eltricos. Tal circunstncia gera um campo girante desequilibrado similar ao de um

motor de induo bifsico com capacidade de partir o motor [9].

O enrolamento principal ou de marcha se mantm ligado durante todo o tempo,

seja na partida, seja em regime permanente. Ambos os circuitos, principal e auxiliar,

so montados no estator.

O enrolamento principal responsvel por gerar o campo pulsante e manter o

motor em regime. O circuito auxiliar formado essencialmente por um enrolamento

auxiliar, podendo apresentar alguns outros elementos como capacitor e chave

centrfuga. O objetivo do enrolamento auxiliar gerar o campo girante capaz de criar

um torque que rompa a inrcia do rotor. Tcnicas comumente utilizadas na construo

do circuito auxiliar para induzir este campo girante so a base da classificao dos

motores de induo monofsicos.

Na figura 2.5 est representado o circuito equivalente de um motor de induo

monofsico com dois enrolamentos, o enrolamento principal e o auxiliar, assim como

uma chave centrfuga que desacopla o enrolamento auxiliar durante o regime

permanente do motor.

38

Figura 2.5: Circuito equivalente do motor de induo monofsico de fase dividida

Os principais circuitos de partida do motor de induo monofsico que os

classificam so [10]:

Fase dividida;

Esta construo se caracteriza por ter apenas os dois enrolamentos, principal e

auxiliar. Para atingir a defasagem necessria entre as correntes, o enrolamento

auxiliar construdo com um nmero menor de espiras e um fio de dimetro menor

que o do enrolamento principal. Neste motor o enrolamento auxiliar desconectado

aps atingir uma velocidade pr-determinada, geralmente por uma chave centrfuga

[10].

Capacitor de partida;

Este tipo de motor tem a construo semelhante ao motor de induo de fase

dividida. Por meio da adio de um capacitor em srie com o enrolamento auxiliar, tal

adio gera um aumento da defasagem entre os ngulos das correntes

proporcionando um aumento no torque de partida [10].

Capacitor permanente;

O motor com capacitor permanente apresenta em sua construo os

enrolamentos, principal e auxiliar, semelhantes, ou seja, mesmo nmero de espiras e

mesmo fio, porem o enrolamento auxiliar est em srie com um capacitor. Durante o

regime deste motor o enrolamento auxiliar no desconectado, por estas

caractersticas esta construo apresenta um baixo torque de partida e de marcha. A

vantagem desta configurao sua capacidade de reverso de sentido atravs de

uma chave de reverso que recondiciona o capacitor colocando-o em srie com o

enrolamento principal, invertendo os enrolamentos [10].

39

Duplo capacitor;

Como o prprio nome esclarece, este tipo de motor apresenta dois capacitores,

paralelos entre si e em srie com o enrolamento auxiliar. O capacitor permanente se

mantm operando durante a partida e o regime, ao passo que o capacitor de partida

atua apenas durante a partida e aps o motor atingir uma determinada velocidade uma

chave centrfuga em srie ao mesmo se abre, desacoplando-o durante o regime [10].

Polo ranhurado.

O motor de polo ranhurado um motor de construo bastante simples, sem a

utilizao de chaves centrfugas, capacitores ou enrolamentos especiais. Ele conta

apenas com um enrolamento monofsico, rotor do tipo gaiola fundida e peas polares

especiais. A potncia deste tipo de configurao geralmente fracionria [10].

2.3. Motor de velocidade varivel

Desde sua concepo, o motor de induo foi amplamente estudado,

modificado e melhorado de maneira que, ao longo de sua histria, inmeras

configuraes e anlises foram realizadas a fim de minimizar suas deficincias e

maximizar sua eficincia atingindo o atual estgio de desenvolvimento.

Na busca por melhorias de desempenho, o motor de induo foi acoplado a

sistemas de controle, com a finalidade de adequar o seu regime necessidade

momentnea atravs de variaes da sua velocidade.

Em relao operao de um motor de induo monofsico, importante

saber quais os parmetros que alteram a sua velocidade, os quais esto relacionados

como segue:

Nmero de polos;

Frequncia de alimentao do motor;

Nvel de tenso fornecido ao motor.

Consequentemente, os projetos de controle de velocidade so baseados nos

parmetros citados. A utilizao de cada controle analisada projeto a projeto,

dependo de suas especificaes, complexidade, robustez e viabilidade econmica.

Um dispositivo de controle de velocidade interessante para estes motores so os

inversores estticos de frequncia.

40

2.3.1. Inversor de frequncia

Para o controle de motores de induo um dispositivo bastante utilizado o

inversor esttico de frequncia ou simplesmente inversor de frequncia, que consiste

basicamente de um circuito de eletrnica de potncia controlado.

O inversor de frequncia divido em trs estgios:

Retificador;

Filtro;

Inversor.

O Retificador o estgio de entrada, constitudo de diodos tem como funo

retificar o sinal CA da rede em um sinal CC.

O Filtro o estgio intermedirio, composto por elementos que armazenam

energia, geralmente capacitivos, responsvel pela eliminao do ripple e pela

regulao da tenso CC.

O inversor o estgio de sada, formado por transistores, frequentemente

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), transforma a energia CC do estgio

intermedirio em sinais CA em sua sada com tenso e frequncia varivel, o

inversor tambm o estgio controlado.

A figura 2.6 representa um diagrama de blocos de um inversor de frequncia

trifsico da fabricante WEG, a figura mostra tambm as formas de onda da corrente e

tenso de sada do inversor, e consequentemente de entrada do motor. A tenso de

entrada a tenso da rede de alimentao que retificada para um sinal de tenso

positiva com o valor de pico igual ao valor de pico da rede de alimentao. O filtro

transforma sua onda de tenso senoidal positivo em um sinal CC com um pequeno

ripple. Aps este estgio, a energia est pronta para ser entregue carga, entrega que

realizada pelo inversor e controlada pelo sistema de controle do inversor de

frequncia. Tal controle feito a partir da corrente, gerando assim uma corrente de

sada senoidal quase perfeita e uma tenso de sada na forma pulsante [3].

41

Figura 2.6: Diagrama de blocos de um inversor de frequncia trifsico [3].

O inversor de frequncia utilizado principalmente para controlar motores em

regimes transitrios, durante as partidas e alteraes abruptas de carga, com

eficincia e suavidade evitando grandes variaes das grandezas eltricas e

agresses desnecessrias ao motor e rede de alimentao, mas pode ser utilizado

tambm para adequar o motor carga momentnea ou a aplicao gerando economia

de energia e/ou uma melhor eficincia energtica.

Os inversores de frequncia apresentam duas formas de controle mais

difundidas, so elas [3].

Controle escalar;

Controle vetorial.

O controle escalar o mais simples, mais robusto e barato. Esta forma de

controle baseia-se em uma relao entre tenso e frequncia, de forma a manter esta

relao constante. Pela sua simplicidade esta forma de controle no comumente

implementada em motores que necessitem de uma resposta rpida ou que

apresentem um regime de trabalho inconstante por sua resposta no ser satisfatria

[3].

O controle vetorial um controle mais complexo, refinado e de resposta mais

rpida. Tal controle separa a corrente do motor em dois vetores para anlise e controle

independente,vetor de torque e vetor de fluxo magntico. O controle vetorial pode ser

classificado como [3]:

Controle vetorial em malha aberta (sensorless);

Controle vetorial em malha fechada.

O controle em malha aberta, como o prprio nome indica, no necessita de

uma realimentao externa, portanto mais barato e menos complexo que o controle

de malha fechada e consegue atingir um desempenho bastante similar em mdias e

altas velocidades.

42

O controle em malha fechada o mais refinado e preciso alm de ser o que

apresenta a resposta mais rpida, no entanto necessita de uma realimentao

externa, a medio da velocidade do motor, geralmente feita por um encoder ou um

tacmetro, considerando um controle vetorial direto [3]. Para o controle vetorial indireto

calcula-se a velocidade a partir de medidores de fluxo eletromagnticos ou da medio

das correntes dos enrolamentos.

Em todos os controles mencionados, o sinal de sada uma sequncia de

pulsos em alta frequncia e de largura varivel, conhecida como onda modulante. Esta

onda modulante interage com a tenso do estgio de sada, conhecida como onda

portadora, gerando um sinal de sada do inversor de frequncia que apresenta as

caractersticas de uma corrente senoidal e uma tenso pulsante. Esta tcnica

conhecida como PWM (Pulse Width Modulation) ou Modulao por Largura de Pulso.

2.4. Estado da Arte

Desde a inveno do primeiro motor de induo em 1881 com o engenheiro

Nicola Tesla, tal motor alvo de inmeros estudos, anlises e artigos evoluindo at

atingir os patamares atuais. O desenvolvimento deste tipo de motor, assim como o

ciclo de refrigerao no se limita apenas a nveis tericos, eltricos ou

eletromagnticos, mas alcana desenvolvimentos nas reas de termodinmica,

engenharia dos materiais e engenharia qumica.

Nos artigos encontrados hoje, o motor de induo no apresenta melhorias

relevantes seja no aspecto construtivo, eltrico ou de materiais, enquanto o ciclo de

refrigerao apresenta melhorias, seja no nvel de novos dispositivos, como vlvulas

de expanso eletromecnicas, materiais, como novos refrigerantes, ou mesmo

processos, como o frost-free.

Entretanto quando aplicado a sistemas que suportam regime de velocidade

varivel, o motor de induo apresenta um potencial de desenvolvimento grande,

devido a duas limitaes intrnsecas de seu projeto: alta corrente de partida e

funcionamento de regime em velocidade constante. Tais caractersticas so

contornadas com a utilizao de um motor com velocidade varivel acoplado a um

sistema de controle de velocidade.

Tal sistema formado por dois componentes: um sistema de entrega de

potncia e um sistema de controle de velocidade, ambos os sistemas so

relativamente novos, porm bastante consolidados. Atualmente, as principais reas de

pesquisa dos sistemas de entrega de potncia, ou eletrnica de potncia, so os

43

transistores bipolares, IGBT, enquanto que nos sistemas de controle os artigos

apresentam uma maior pulverizao dos temas, sendo os temas com maior destaque

o controle escalar e o controle vetorial direto e indireto.

Com um sistema de velocidade varivel pode-se gerar partidas mais suaves,

evitando os picos de corrente na partida dos motores o que acarreta em uma

economia considervel de energia. As vantagens no se limitam exclusivamente

partida e sim na reduo destas, pois com esse motor controla-se no somente a

velocidade do motor, mas tambm a capacidade de refrigerao do sistema a fim de

mant-lo mais tempo em funcionamento e com um nmero menor de partidas.

Neste sistema a forma mais eficiente de controlar a capacidade de refrigerao

a variao da velocidade do compressor, isso porque a capacidade de refrigerao

se adapta s diferentes condies de carga [11].

Na grande maioria dos trabalhos realizados, a exemplo [11]-[15], os esforos

se concentram em modelagens matemticas dos sistemas de refrigerao, da

modelagem ou implementao de novos sistemas de controle de motores de

velocidade varivel, ou ainda a comparao entre os sistemas de grande porte,

criando assim uma lacuna na pesquisa, quando se refere uma oposio de sistemas

de controle, suas diferenas, vantagens ou desvantagens associados refrigerao

domstica, ou de pequeno porte.

Este trabalho tem como meta preencher parcialmente esta lacuna comparando

parmetros entre um sistema de controle liga-desliga acoplado a um motor de

induo monofsico e um inversor de frequncia com controle vetorial acoplado a um

motor de velocidade varivel.

A importncia deste novo sistema de controle pode ser demonstrada pelo

mercado japons de eletrodomsticos que em 2002 tinha 37% de seus produtos

fabricados (especificamente refrigeradores, condicionadores de ar, lavadoras de roupa

e aspiradores de p) j utilizando inversores de frequncia [16].

45

3. Modelagem e simulao dos sistemas

No captulo em questo ser tratada inicialmente a parte de modelagem dos

sistemas em anlise, os programas utilizados para realizar tal modelagem, as

premissas em que foi embasado o trabalho e os dados necessrios para sua

realizao.

As principais caractersticas dos motores utilizados assim como seus dados

mais importantes esto explicitados no apndice deste trabalho.

3.1. Modelagem dos sistemas

3.1.1. Motor de induo monofsico convencional

A modelagem do circuito foi realizada com a ferramenta SimPowerSystems,

pertencente ao programa computacional MatLab. A simulao do sistema

convencional de refrigerao foi feita apenas com um motor de induo monofsico a

duplo capacitor, alimentado diretamente por uma fonte de tenso alternada.

A escolha do motor de induo a duplo capacitor para a simulao do sistema

de refrigerao convencional dada pela ampla utilizao desta configurao de

motor em sistemas de refrigerao domstica, o que caracteriza assim a fidelizao do

modelo simulado ao modelo real. A figura 3.1 apresenta o circuito equivalente desta

configurao, que conta com dois capacitores em paralelo e um deles o de partida em

srie com uma chave centrfuga.

Figura 3.1: Circuito equivalente do motor de induo monofsico a duplo capacitor.

46

As principais caractersticas deste modelo so:

O alto torque de partida [10], [17];

Alta eficincia em regime de trabalho [17];

Alto fator de potncia.

O alto torque de partida devido ao capacitor de partida, que se mantm em

funcionamento durante a partida do motor e posteriormente retirado do circuito. A

alta eficincia do motor em regime permanente consequncia do segundo capacitor

do circuito, denominado capacitor de marcha, que fica em paralelo ao capacitor de

partida. A principal diferena entre os dois capacitores o valor da capacitncia,

sendo que o capacitor de partida apresenta uma maior capacitncia em relao ao

capacitor permanente [17]. Com a utilizao de capacitores tanto em partida quanto

em regime, tem-se um efeito secundrio de aumentar o fator de potncia do motor,

garantindo no apenas uma melhoria na eficincia do sistema, mas tambm uma

melhor qualidade de energia para a rede de alimentao.

3.1.2. Motor de induo monofsico velocidade varivel

Assim como o motor convencional, a simulao do motor de induo

monofsico de velocidade varivel foi realizada com o auxlio da ferramenta

SimPowerSystems, pertencente ao programa computacional MatLab. Para esta

simulao foi utilizado um motor de induo monofsico de fase dividida com o

enrolamento auxiliar montado a 90 em relao ao enrolamento principal, sendo que

este tipo de motor permite o acesso s duas fases de forma individual.

Para a simulao do inversor de frequncia foi necessrio mont-lo a partir de

seus estgios mencionados anteriormente assim como seu controle, pois o programa

computacional no apresenta um modelo pronto para utilizao.

O estgio de entrada do retificador foi simulado por um bloco de retificao

composto por diodos, prprio do programa. O estgio intermedirio foi montado por

um conjunto de capacitores. O estgio de sada foi simulado por um bloco de

transistores, IGBT, tambm prprio do programa. O controle do inversor de frequncia

foi adaptado de um modelo de controle vetorial pr-existente no MatLab que utiliza

como referncia um valor de velocidade.

Para este controle, utiliza-se a teoria de motores cc caracterizando-se o

sistema apenas por duas correntes, corrente de magnetizao e corrente de fluxo

rotrico. A corrente de magnetizao calculada a partir das caractersticas

47

construtivas do motor, como uma constante, por apresentar uma variao infinitesimal

no motor real durante o seu funcionamento. A segunda corrente, corrente de fluxo

rotrico, calculada a partir da velocidade de referncia aplicada a um controlador

proporcional-integral-derivativo (PID) a fim de estimar o torque eltrico necessrio para

tal velocidade, assim atravs de uma funo do fluxo rotrico e de magnetizao

calcula-se a corrente de fluxo rotrico. Com ambas as correntes calculadas, resta

apenas calcular a fase entre elas, essencial para atingir o torque necessrio, que

calculada a partir do fluxo rotrico, do fluxo de magnetizao e da velocidade medida

do motor.

Com as correntes e a fase entre elas calculadas, basta agora fazer a

transformada inversa, de correntes de magnetizao e rotrica, para correntes de

fase, corrente principal e corrente auxiliar, s quais so comparadas com as correntes

reais do motor. A sada do controlador a quantidade de pulsos necessrios para que

as correntes reais do motor atinjam o valor calculado.

Na figura 3.2 est representado um diagrama de blocos deste controle, onde os

blocos em azul representam clculos realizados pelo controlador, em verde esto

representadas as entradas e sadas do controle e em laranja esto representadas as

medies necessrias para o correto funcionamento do controle.

Figura 3.2: Diagrama de blocos do controle vetorial.

O controle vetorial em questo utiliza para velocidade de referncia uma rampa

de partida que atinge o seu valor de regime em 2,25 segundos. As principais

caractersticas desse sistema so:

Partida suave;

Alta eficincia na partida e em regime;

48

Alto torque de partida;

Condicionamento do torque carga.

3.2. Simulao dos sistemas

Para as simulaes foram mantidas constantes todas as condies externas, a

alimentao dos sistemas foi realizada por uma fonte de tenso alternada com valor

eficaz de 110 V; o valor de torque inercial gerado pela carga do compressor

hermeticamente fechado foi considerada 1 p.u..

Para a anlise dos circuitos amostramos algumas grandezas, so elas:

Corrente total de entrada do motor de induo monofsico;

Corrente do enrolamento principal;

Corrente do enrolamento auxiliar;

Torque eletromagntico (conjugado);

Velocidade do motor;

Alm dessas medidas, durante as simulaes foi realizado o clculo de quatro

dados importante para a anlise:

Potncia mecnica do eixo;

Fator de potncia do motor;

Potncia eltrica do motor;

Energia eltrica consumida pelo motor de induo.

3.2.1. Motor de induo monofsico convencional

A Figura 3.3 apresenta a representao grfica do modelo do motor de induo

monofsico a duplo capacitor utilizado na sua respectiva simulao. Para uma melhor

anlise da partida do motor, a chave que energiza o motor fechada um instante aps

o tempo zero de forma que fosse possvel visualizar antes e depois de sua partida.

49

Figura 3.3: Modelo equivalente do motor de induo monofsico a duplo capacitor

simulado.

3.2.2. Motor de induo monofsico velocidade varivel

A Figura 3.4 mostra a representao grfica do modelo do motor de induo

monofsico velocidade varivel utilizado na sua respectiva simulao, neste modelo

no se faz necessrio o uso da chave devido existncia do controle que foi

programado para inicializar o motor em um instante aps o tempo zero.

Figura 3.4: Modelo equivalente do motor de induo monofsico velocidade varivel

simulado.

51

4. Resultados

As caractersticas das simulaes dos motores e seus respectivos resultados

so apresentados neste captulo, tais simulaes podem ser dividas em trs

categorias:

Simulao de partida;

Simulao de distrbios;

Simulao de um ciclo de funcionamento.

Para o encerramento do captulo ser realizada uma discusso sobre as

simulaes e seus resultados a fim de caracterizar os mesmo, assim como apontar as

diferenas, e peculiaridades de cada sistema.

4.1. Resultados da simulao de partida

Para a caracterizao do comportamento dos sistemas em comparao foi

realizada inicialmente a simulao da partida em condies estveis de carga e

alimentao de forma que ambos os sistemas foram alimentados no instante de tempo

igual a zero, os resultados so apresentados a seguir.

4.1.1. Corrente eltrica total do motor de induo

Na figura 4.1 esto representadas as correntes totais do motor de induo

convencional e velocidade varivel. No momento da partida a corrente total do motor

convencional aproxima-se de 27 Apico (19,09 Arms), enquanto a corrente de regime no

ultrapassa 3,5 Apico (2,47 Arms). No motor velocidade varivel a corrente de partida

no alcana os 7,0 Apico (4,95 Arms), e a sua frequncia varia. A corrente de regime

permanente ultrapassa levemente 3,5 Apico (2,47 Arms) o que se deve devido

compensao do controle vetorial para com o efeito de escorregamento do motor.

No motor com controle convencional a corrente total comea a decair no

instante imediatamente aps t=0,6 s, isto ocorre, pois neste instante o motor atinge

75% de sua velocidade nominal fazendo com que a chave centrfuga abra e desacople

o capacitor de partida, enquanto que no motor com controle vetorial a corrente decai

no instante t=2,25 s, momento ao qual o motor atinge sua velocidade nominal de

regime.

52

Figura 4.1: Grfico das correntes eltricas totais dos motores convencional e

velocidade varivel.

4.1.2. Corrente eltrica do enrolamento principal do motor de

induo

A figura 4.2 apresenta os grficos das correntes do enrolamento principal do

motor convencional e velocidade varivel. No motor convencional a corrente de

partida no atinge o valor de 20,0 Apico (14,14 Arms) enquanto a corrente de regime

registra 2,9 Apico (2,05 Arms). O motor velocidade varivel registrou 3,0 Apico (2,12 Arms)

em regime, enquanto que na partida alcanou 5,5 Apico (3,89 Arms), com variao na

sua frequncia.

53

Figura 4.2: Grfico das correntes eltricas do enrolamento principal dos motores

convencional e velocidade varivel.

4.1.3. Corrente eltrica do enrolamento auxiliar do motor de

induo

Na figura 4.3 esto representadas as correntes do enrolamento auxiliar, do

motor convencional e velocidade varivel. A corrente do motor convencional no

momento da partida atinge 10,0 Apico (7,07 Arms) enquanto que, em regime atinge 1,85

Apico (1,31 Arms). No motor velocidade varivel as correntes no extrapolam os 4,5

Apico (3,18 Arms) na partida e durante o regime registra-se 2,4 Apico (1,70 Arms).

54

Figura 4.3: Grfico das correntes eltricas do enrolamento auxiliar dos motores


4.1.4. Fator de potncia do motor de induo

Na figura 4.4 esto representados os fatores de potncia de ambos os motores,

o motor velocidade varivel apresenta um fator de potncia mais elevado na partida,

contudo em regime o fator de potncia mais elevado do motor convencional a duplo

capacitor.


varivel.

55

4.1.5. Potncia eltrica do motor de induo

A figura 4.5 apresenta o grfico da potncia de cada motor durante a partida.

Este grfico comprova o que os grficos das correntes indicavam, o motor

convencional utiliza uma potncia eltrica extremamente alta para partir,

aproximadamente 8,12 vezes maior que sua potncia em regime caracterizando assim

o seu alto consumo de energia eltrica durante a partida. O motor velocidade

varivel se mantm bastante eficiente, necessitando de cerca 3,65 vezes a sua

potncia de regime para partir e de maneira mais suave. Observa-se tambm na figura

4.5 que aps a partida, durante o regime permanente o motor velocidade varivel se

mantm mais eficiente consumindo a potncia de 222,3 W enquanto que o motor

convencional consome 240,6 W, ambos acionando a mesma carga.

Figura 4.5: Grfico da potncia eltrica dos motores convencional e velocidade

varivel.

4.1.6. Energia eltrica consumida pelo motor de induo

A energia eltrica consumida segue o mesmo padro da potncia eltrica,

como apresenta a figura 4.6. Durante a partida, o consumo de energia eltrica do

motor convencional significativamente maior que o motor velocidade varivel e

mesmo durante o regime permanente esta diferena continua aumentando. No

instante de tempo igual a trs segundos aps a partida dos dois sistemas,

caracterizando assim que ambos j se encontrassem em regime, o consumo do motor

56

convencional foi aproximadamente 2,36 vezes o consumo do motor velocidade

varivel.


velocidade varivel.

4.1.7. Torque eletromagntico gerado pelo motor de induo

A figura 4.7 apresenta a impresso dos torques eletromagnticos dos motores,

convencional e velocidade varivel. O torque do motor convencional sofre bastante

variao na partida enquanto o torque do motor velocidade varivel bastante

estvel, desde os primeiros instantes, gerando apenas o torque exigido.

57

Figura 4.7: Grfico torque eletromagntico (conjugado) gerado pelos motores


4.1.8. Potncia mecnica do eixo do motor de induo

A figura 4.8 apresenta o grfico da potncia mecnica dos motores,

convencional e velocidade varivel. A potncia mecnica do motor convencional

apresenta uma caracterstica no linear at o seu valor de regime enquanto a potncia

mecnica do motor velocidade varivel apresenta caractersticas lineares.


velocidade varivel.

58

4.1.9. Velocidade do eixo do motor de induo

Na figura 4.9 est a representao grfica da velocidade dos motores,

convencional e velocidade varivel. A exemplo da potncia mecnica, a velocidade

do motor convencional apresenta comportamento quadrtico at sua velocidade de

regime enquanto o motor velocidade varivel apresenta comportamento linear.


varivel.

4.1.10. Resultados em regime permanente

Ao fim das simulaes foram extrados resultados com relevante importncia

para a anlise proposta por este trabalho, tais dados foram registrados trs segundos

aps a energizao de cada um dos sistemas de forma a garantir que ambos os

sistemas j se encontrassem em regime permanente e esto representados na tabela

4.1. Estes dados representam a potncia eltrica consumida na partida dos motores e

as principais caractersticas de regime permanente, fator de potncia, potncia

mecnica e velocidade de regime do motor, assim como um clculo de eficincia dos

motores caracterizado pela razo entre a potncia mecnica entregue pelo eixo do

motor e a potncia eltrica entregue ao motor.

59

Tabela 4.1: Resultados extrados aps trs segundos.

Fator de

potncia

Potncia

eltrica

(W)

Energia

eltrica

consumida

(Wh)

Potncia

mecnica

do eixo

(W)

Velocidade

do eixo

(rpm)

Pot. Mec.

/ Pot. Elet.

Motor

convencional0,895 240,6 0,534 181,5 1733 0,754

Motor

velocidade

varivel

0,837 222,3 0,226 188,5 1800 0,850

4.2. Resultados da simulao de distrbios

Para uma anlise completa e detalhada faz-se necessrio tambm a simulao

de condies adversas e transitrias dos sistemas a fim de comparar suas respostas

em tais condies, desta forma so apresentadas algumas destas condies.

4.2.1. Variao da tenso de alimentao

Uma situao relativamente comum a flutuao da tenso de alimentao,

que pode ser gerada por diversos fatores, entre eles pode-se citar a entrada e sada

de grandes cargas na rede que geram um afundamento de tenso e uma sobretenso,

respectivamente.

Na representao desses distrbios, foram geradas simulaes com variaes

na tenso de alimentao de forma a respeitar as resolues normativas presentes no

PRODIST, que garante uma qualidade de energia adequada. Segundo o Mdulo 8 do

PRODIST ,a energia eltrica apresenta uma qualidade adequada para os pontos de

conexo residencial, tenso igual ou inferior a 1kV, quando a flutuao de tenso de

alimentao no ultrapassa o valor de 5% do valor contratado ou nominal, seja para

mais ou para menos.

Para caracterizar estas situaes, as simulaes foram realizadas garantindo

que os distrbios de alimentao ocorressem quando ambos os motores j se

encontrassem em regime permanente, de forma que os distrbios foram efetuados 3

segundos aps a energizao dos sistemas e sua tenso de alimentao variou a

partir de 0,95 da alimentao nominal dos motores at atingir o valor de 1,05, com

variaes de 0,01.

60

Os dados de maior relevncia destas simulaes para este trabalho esto

representados nas tabelas 4.2 e 4.3 e so eles: a potncia eltrica absorvida pelos

motores, a potncia mecnica no eixo dos motores, a velocidade em que os motores

operam e um clculo da eficincia dos motores, representado pela razo entre as

potncias citadas anteriormente.

A tabela 4.2 apresenta as respostas do motor convencional perante tais

simulaes. perceptvel a vulnerabilidade do motor convencional s flutuaes de

tenso, apresentado valores diferentes para todos os dados em todas as simulaes.

Com o aumento do valor da tenso de alimentao, o motor convencional apresenta

uma maior potncia eltrica, uma maior potncia mecnica em seu eixo e tambm gira

a uma velocidade maior, porm perde eficincia medida que a tenso se eleva.

Tabela 4.2: Resultado das simulaes de flutuao de tenso no motor convencional.

Tenso

(p.u.)

Potncia

Eltrica

Entrada (W)

Potncia

Mecnica do

Eixo (W)

Velocidade do

Motor (rpm)

Pot. Mec. / Pot.

Elt.

0,95 236,1 180,6 1725 0,7649

0,96 236,9 180,8 1727 0,7632

0,97 237,8 181 1728 0,7611

0,98 238,7 181,2 1730 0,7591

0,99 239,6 181,3 1732 0,7567

1,00 240,6 181,5 1733 0,7544

1,01 241,6 181,6 1735 0,7517

1,02 242,5 181,8 1736 0,7497

1,03 243,6 181,9 1737 0,7467

1,04 244,6 182,1 1739 0,7445

1,05 245,7 182,2 1740 0,7416

Motor convencional

A tabela 4.3 indica os dados das simulaes do motor com velocidade varivel

sob as oscilaes de tenso. Este motor mantm a sua potncia mecnica e sua

velocidade, estveis e constantes demonstrando uma alta robustez enquanto sua

potncia eltrica oscila entre 219 W e 224 W durante as simulaes, independente da

oscilao de tenso, o mesmo ocorre com sua eficincia que varia entre 0,86 e 0,84.

61

Tabela 4.3: Resultado das simulaes de flutuao de tenso no motor com

velocidade varivel.

Tenso

(p.u.)

Potncia

Eltrica

Entrada (W)

Potncia

Mecnica do

Eixo (W)

Velocidade do

Motor (rpm)

Pot. Mec. /

Pot. Elt.

0,95 221,8 188,5 1800 0,8499

0,96 222,3 188,5 1800 0,8480

0,97 222,7 188,5 1800 0,8464

0,98 223,4 188,5 1800 0,8438

0,99 223,4 188,5 1800 0,8438

1,00 221,6 188,5 1800 0,8506

1,01 221,3 188,5 1800 0,8518

1,02 219,9 188,5 1800 0,8572

1,03 220,1 188,5 1800 0,8564

1,04 220,7 188,5 1800 0,8541

1,05 221,4 188,5 1800 0,8514

Motor com velocidade varivel

4.2.1.1. Afundamento da tenso de alimentao

Para avaliar o comportamento de ambos os sistemas sob a condio de

afundamento transitrio de tenso foi realizada uma simulao em que 3 segundos

aps a energizao dos sistemas, a tenso de alimentao cai para 0,95 da

alimentao nominal requerida pelos motores. Os dois sistemas atingem a velocidade

de regime permanente em um tempo inferior a 2,5 segundos, de forma que quando o

afundamento de tenso acontece, os sistemas j apresentam condio de regime.

Como demonstra a figura 4.10, a velocidade do motor com sistema de controle

liga-desliga apresentou uma leve queda se limitando velocidade de 1725 rpm

enquanto o motor controlado pelo inversor no sofreu alterao mantendo-se em 1800

rpm.

62


varivel com afundamento de tenso.

A queda da velocidade indica uma queda na potncia mecnica do eixo do

motor e consequentemente uma queda na capacidade frigorfica do sistema. A queda

da potncia mecnica do sistema liga-desliga pode ser observada na figura 4.11 que

diminui de 181,5 W para 180,2 W enquanto no sistema controlado pelo inversor a

potncia se mantm em 188,5 W.


velocidade varivel com afundamento de tenso.

Porm o resultado que apresenta variao em ambos os sistemas o fator de

potncia, ao qual aumenta no sistema liga-desliga de 0,895 para 0,906, seguido pelo

63

sistema com o inversor que tambm sobe de 0,837 para 0,840, como comprovado

na figura 4.12.


varivel com afundamento de tenso.

4.2.1.2. Sobretenso de alimentao

Na simulao de sobretenso transitria os procedimentos foram similares ao

de afundamento, o distrbio de alimentao foi gerado 3 segundos aps a energizao

dos sistemas e sua intensidade foi de 1,05 do valor nominal de alimentao dos

motores.

A velocidade do sistema controlado pelo inversor se manteve constante a 1800

rpm, entretanto a velocidade do sistema liga-desliga teve um aumento alcanando

1740 rpm, como demonstra a figura 4.13.

64


varivel com sobretenso.

Como esperado com o aumento da velocidade, a potncia mecnica do eixo

teve uma elevao no sistema liga-desliga atingindo o valor de 182,2 W,

representado na figura 4.14, enquanto a potncia mecnica do sistema com inversor

se manteve estvel em 188,5 W.


velocidade varivel com sobretenso.

Novamente a nica medio que apresentou variao em ambos os sistemas

foi o fator de potncia, porm desta vez enquanto o valor do sistema com o inversor

65

apresentou uma queda infinitesimal, o valor do sistema liga-desliga teve uma queda

atingindo 0,883 assim relata a figura 4.15.


varivel com sobretenso.

4.2.2. Variao da carga em regime

Durante a operao do motor ocorrem situaes em que a carga associada ao

mesmo se altera, por exemplo se houver um vazamento do lquido refrigerante a carga

associada ao eixo do motor pode diminuir enquanto que um entupimento parcial do

dispositivo de expanso pode gerar um aumento desta carga. Para analisar a resposta

dos dois sistemas em estudo a uma alterao de carga durante o regime de operao

foram realizadas simulaes para ambos os sistemas de maneira que aps a partida

houvesse uma alterao no valor da carga com duas situaes possveis, uma em que

o valor da carga aumentasse e outra em que o valor da carga diminusse a fim de

aumentar a amplitude do estudo.

4.2.2.1. Diminuio da carga em regime

Ambos os sistemas atingem seu estado de regime permanente antes do tempo

de 2,5 segundos aps sua energizao, portanto a alterao da carga acoplada ao

eixo do motor realizada 3 segundos aps a energizao de cada sistema, garantindo

assim que estejam em regime. Para a anlise referente diminuio da carga

66

acoplada ao eixo do motor foi realizada uma alterao de 1 p.u. para 0,85 p.u. do valor

nominal da carga do eixo.

Com uma menor carga para ser acionada, o motor necessita fazer menos fora

para girar consequentemente a potncia mecnica do motor tende a ser menor. Tal

fato pode ser atestado pela figura 4.16, a potncia do eixo do motor do sistema liga-

desliga atinge apenas o valor de 155,3 W enquanto a potncia do sistema com o

inversor no ultrapassa o valor de 160,2 W.


velocidade varivel com diminuio da carga acoplada ao eixo do motor.

Com menos exigncia ao motor sua velocidade aproxima-se da velocidade

nominal, no caso do sistema liga-desliga, chegando a 1744 rpm como apresenta a

figura 4.17, j a velocidade do sistema com o inversor se mantm inalterada.

67


varivel com diminuio da carga acoplada ao eixo do motor.

Quando analisado o fator de potncia dos sistemas, observa-se atravs da

figura 4.18 o mesmo padro de resposta, com queda em ambos os sistemas. Para o

sistema com o inversor o fator de potncia caiu de 0,837 para 0,804 enquanto o

sistema liga-desliga foi de 0,895 para 0,875.


varivel com diminuio da carga acoplada ao eixo do motor.

68

4.2.2.2. Aumento da carga em regime

Para a anlise dos sistemas com um aumento de carga no eixo do motor

durante o regime de operao foram seguidos os mesmos padres da diminuio de

carga de forma que no instante igual a 3 segundos a carga foi alterada de 1 p.u. para

1,05 p.u. do valor nominal.

Com o aumento da carga acoplada ao eixo previsvel supor que a fora

exigida do motor seja maior e a potncia mecnica de seu eixo aumente, como

demonstrado pela figura 4.19, onde a potncia mecnica do sistema liga-desliga

atinge 190,1 W e a do sistema com inversor alcana 197,9 W.


velocidade varivel com aumento da carga acoplada ao eixo do motor.

Com o aumento da carga no eixo do motor seria aceitvel uma queda de

velocidade do mesmo no sistema liga-desliga, porm tal queda foi pequena sendo

reduzida apenas 4 rpm e marcando 1729 rpm, enquanto o sistema controlado pelo

inversor no tem sua velocidade alterada como apresenta a figura 4.20.

69


varivel com aumento da carga acoplada ao eixo do motor.

Cabe aqui salientar que apesar de realizadas as simulaes das partidas com

as alteraes de carga anteriormente mencionadas, os resultados apresentados so

bastante semelhantes s simulaes j representadas, portanto suas representaes

foram omitidas deste trabalho.

4.3. Resultados da simulao de um ciclo de

funcionamento

Aps a anlise da partida dos sistemas e da resposta a possveis perturbaes,

seja de alimentao ou de carga, resta agora analisar o gasto energtico destes

sistemas. Para tal foram realizadas simulaes de um ciclo completo de

funcionamento de um refrigerador. O ciclo completo formado por duas partes, o ciclo

de funcionamento do sistema de refrigerao, que representa o momento de

resfriamento do mbito interno do refrigerador atingindo uma temperatura de

referncia pr-definida, geralmente um pouco inferior temperatura desejada; ciclo de

repouso do sistema de refrigerao, momento em que o refrigerador lentamente

absorve calor do meio normalmente por conduo e irradiao.

O consumo de energia pelo motor ocorre somente quando ele est em

funcionamento, logo no ciclo de funcionamento. Segundo [18] em mdia um ciclo de

funcionamento do motor dura 8,8 minutos e pelos dados apresentados em [18], este

ciclo repete-se ao longo do dia aproximadamente 40 vezes.

70

As simulaes dos sistemas foram iniciadas da partida dos mesmos mantendo-

se ligados por 8,8 minutos. Algumas consideraes precisam ser realizadas neste

momento:

Durante toda a simulao foram mantidas a alimentao nominal e a carga no

eixo do motor em 1 p.u.;

A fim de fidelizar a comparao dos sistemas, o controle do inversor de

frequncia foi ajustado para manter o motor de velocidade varivel em 1733 rpm e

potncia do eixo do mesmo em 181,5 W, perfeitamente iguais velocidade e

potncia do motor com sistema liga-desliga garantindo a mesma capacidade de

refrigerao para os dois sistemas;

Esta forma de controle do motor velocidade varivel no a mais eficiente e

foi utilizada apenas para uso comparativo.

Para a anlise energtica o dado mais importante o de energia eltrica

consumida pelos motores. Para um ciclo de funcionamento, tais dados so

apresentados na figura 4.21. O sistema controlado pelo inversor apresenta um menor

consumo, 35,62 Wh ante 32,16 Wh do motor com controle liga-desliga, o que

demonstra uma maior eficincia do sistema controlado pelo inversor, mesmo quando

atuando fora de sua melhor condio.


velocidade varivel durante um ciclo de funcionamento.

71

4.4. Discusso dos resultados

Atravs dos grficos percebe-se que a partida do motor de velocidade varivel

mais suave, o torque mais estvel e a progresso de sua velocidade mais linear.

Tambm perceptvel que as correntes de partida do motor de velocidade varivel

so menores, o que gera um menor consumo de energia eltrica assim como um

menor estresse do motor.

Comparando as velocidades do eixo dos dois motores em regime permanente,

nota-se que o motor convencional apresenta uma velocidade um pouco inferior de

valor nominal, isso se deve ao escorregamento do motor. No entanto, o motor de

velocidade varivel atinge o seu valor nominal, mrito do controle do inversor que

contorna o efeito de escorregamento elevando levemente o valor de suas correntes.

Por efeito deste controle, o motor velocidade varivel alcana tambm um maior

conjugado e uma maior potncia mecnica no seu eixo mesmo absorvendo uma

menor quantidade de potncia eltrica, este ltimo causado pelo clculo das melhores

correntes, intensidade e defasagem das correntes principal e auxiliar, para produzir o

campo eletromagntico mais eficiente para girar o rotor. Outro efeito do controle pelo

inversor uma alta robustez a distrbios, seja na tenso de alimentao ou na

alterao da carga, o que garante estabilidade e alta confiabilidade de operao.

Durante as simulaes o motor convencional apresentou apenas uma

vantagem sobre o motor velocidade varivel, o fator de potncia em regime

permanente. Durante a partida os dois motores mantiveram fatores de potncia bem

semelhantes, com uma leve vantagem para o motor velocidade varivel, porm em

regime permanente o valor do fator de potncia do motor convencional se mostrou

aproximadamente 6,6% mais elevado que o motor velocidade varivel, fato

caracterizado pelo uso do capacitor de marcha.

Tais dados aliados gerao de harmnicos por parte do inversor indica a

necessidade de uma anlise dos distrbios que esse sistema pode causar qualidade

da energia eltrica da rede de alimentao e/ou maneiras de ameniz-las.

Os dados de consumo de energia eltrica dos motores apresentaram valores

bem distintos, o motor velocidade varivel no alcanou a metade da energia

consumida pelo motor convencional durante as simulaes de partida, fato que no

reflete sozinho o consumo dos sistemas na partida. No sistema do motor convencional

o nico consumidor de energia o prprio motor, enquanto que no sistema do motor

velocidade varivel alm do motor existe outro consumidor de energia, o inversor de

frequncia, o qual no teve o consumo de energia adicionado s simulaes deste

72

trabalho. O consumo de energia do inversor relevante e as principais fontes deste

consumo podem ser consideradas como perdas construtivas, entre elas se destaca a

energia perdida no chaveamento dos transistores.

Durante as simulaes de um ciclo de funcionamento do refrigerador a

diferena de consumo entre os sistemas diminuiu consideravelmente de maneira que

o motor controlado pelo sistema liga-desliga consumiu 10,77% de energia a mais do

que o motor controlado pelo inversor. Isto ocorreu, pois o motor velocidade varivel

foi induzido a funcionar como um motor velocidade fixa, afastando-se da sua melhor

condio de funcionamento.

Em complementao a estes resultados, analisando o desempenho dos

motores apenas nas condies de velocidade fixa e em um ciclo de funcionamento,

com base nos dados de [18] estima-se que um sistema de refrigerao domstica tem

em mdia 40 ciclos dirios, 280 ciclos semanais e 1200 ciclos mensais, considerando

um ms de trinta dias, o que geraria uma economia de energia relevante mesmo fora

da sua condio de maior eficincia para qualquer sistema de gerao, evitando

maiores investimentos em gerao, transmisso e distribuio de energia.

73

5. Concluses

Em uma realidade em que o crescimento da produo de energia no

acompanha o crescimento de sua demanda, toda e qualquer forma de equilibrar essa

equao deve ser relevada, estudada e se vivel, implementada.

O inversor de frequncia j uma realidade de mercado consolidado

tecnologicamente, a combinao deste ao motor de induo monofsico representa

uma tima soluo para minimizar esta demanda, no apenas em sistemas de

refrigerao domstica, mas tambm em outras aplicaes como condicionamento de

ambientes, mquinas de lavar, entre outras e no apenas a nvel nacional.

Outros aspectos merecem destaque quando se refere ao inversor, de forma

positiva ressalta-se a alta robustez a distrbios de qualidade de energia como

afundamentos de tenso, elevao de tenso e alterao da frequncia fundamental o

que garante uma maior estabilidade de funcionamento do motor e esta estabilidade

no se limita apenas s variaes na tenso de alimentao, mas tambm em

variaes de carga, merece ser ressaltado tambm que o inversor apresenta um

controle e que este programvel de maneira que o motor pode operar em

velocidades diferentes para condies diferentes em uma mesma aplicao

maximizando a sua eficincia energtica.

O nvel de eficincia deste sistema no depende apenas do sistema e sim de

correta adequao aplicao e para tal necessrio um estudo especfico, o que

inclui tambm uma correta programao do seu mdulo de controle. O que se torna

inevitvel afirmar que o inversor acoplado ao motor de induo uma boa soluo

de eficincia energtica.

75

Referncias Bibliogrficas

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