ANÁLISE DO USO DE INVERSORES PARA MOTORES … · 2.3 O compressor: tipos e ... Tipos de ligação...

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA E COMPUTAÇÃO

ANÁLISE DO USO DE INVERSORES

PARA MOTORES MONOFÁSICOS EM

APARELHOS DE AR CONDICIONADO

VISANDO À EFICIÊNCIA ENERGÉTICA

Gustavo Pires Dias

São Carlos

2014

GUSTAVO PIRES DIAS

ANÁLISE DO USO DE INVERSORES

PARA MOTORES MONOFÁSICOS EM

APARELHOS DE AR CONDICIONADO

VISANDO À EFICIÊNCIA ENERGÉTICA

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à

Escola de Engenharia de São Carlos, da

Universidade de São Paulo

Curso de Engenharia Elétrica com ênfase em

Sistemas de Energia e Automação

ORIENTADOR: Prof. Dr. José Carlos de Melo Vieira Júnior

São Carlos

2014

Dias, Gustavo Pires

Análise do uso de inversores para motores

monofásicos em aparelhos de ar condicionado visando à

eficiência energética. / Gustavo Pires; orientador

José Carlos de Melo Vieira Júnior. São Carlos, 2014

Monografia (Graduação em Engenharia Elétrica

com ênfase em Sistemas de Energia e Automação)

– Escola de Engenharia de São Carlos da

Universidade de São Paulo, 2014.

1.eficiência energética. 2.condicionadores de

ar. 3.motor de indução monofásico. 4.MATLAB. I

título

Dedico esse sonho ao meu querido pai, pessoa a qual tenho me espelhado para

grande crescimento pessoal e profissional, buscando sempre o certo e verdadeiro,

para ser assim quem sabe, feliz e realizado. Essa pessoa me ensinou a ser assim.

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a minha família e amigos pelo apoio. Meus pais Luís

Carlos Dias e Maria Tereza Pires Dias e minha segunda mãe Maria Isabel Dias,

pessoa que tem grande responsabilidade por essa conquista. Meu irmão João Vitor

Pires Dias, o qual tenho muito amor e orgulho. Agradeço ainda a grande ajuda e

força que foi prestada pela Danitielle Cineli Simonato.

Ao meu orientador que muito apoiou e ajudou na elaboração desse trabalho,

Prof. José Carlos de Melo Vieira Júnior.

E por fim, não menos importante, a Deus pela oportunidade que me está

sendo dada.

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO.......................................................................................................21

1.1 Objetivos...................................................................................................23

1.2 Organização do documento...................................................................23

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA.............................................................,...............25

2.1 Breve histórico........................................................................................25

2.2 Princípios físicos e funcionamento dos condicionadores de ar.........26

2.3 O compressor: tipos e características..................................................28

2.4 Composição e características de funcionamento dos aparelhos

condicionadores de ar..................................................................................29

3. METODOLOGIA....................................................................................................39

3.1 Modelo do motor de indução monofásico convencional.....................39

3.2 Modelo do motor de indução monofásico com inversor.....................40

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO.............................................................................43

4.1 Resultados da simulação com parada e partida do motor de indução

monofásico.....................................................................................................44

4.1.1 Corrente total do motor...........................................................45

4.1.2 Energia elétrica consumida.....................................................46

4.1.3 Fator de potência......................................................................46

4.1.4 Torque eletromagnético...........................................................47

4.1.5 Velocidade de rotação.............................................................48

4.2 Resultados da simulação com parada e partida do motor variando o

torque requerido............................................................................................49

4.3 Resultados da simulação com parada e partida do motor variando a

tensão de alimentação (distúrbios)..............................................................55

4.4 Discussão dos resultados.....................................................................57

5. CONCLUSÃO........................................................................................................59

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS......................................................................61

APÊNDICE A……………………………………………………………...........................63

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Ciclo de refrigeração de um condicionador de ar......................................26

Figura 2 - Esquema de um condicionador de ar tipo janela.......................................27

Figura 3 - Esquema de um condicionador de ar do tipo Split..................................27

Figura 4 - Característica conjugado-velocidade do compressor durante a partida....29

Figura 5 - Componentes de um condicionador de ar do tipo convencional...............30

Figura 6 - Componentes de uma Condensadora de um condicionador de ar do tipo

“Split”..........................................................................................................................30

Figura 7 - Componentes de uma Evaporadora de um condicionador de ar do tipo

“Split”..........................................................................................................................31

Figura 8 - Ciclo do termostato em operação normal..................................................31

Figura 9 - Tipos de ligação de motores monofásicos usados em condicionadores de

ar do tipo convencional...............................................................................................33

Figura 10 - Características conjugado-velocidade para motores monofásicos..........34

Figura 11 - Diagrama de blocos de um inversor de frequência trifásico....................36

Figura 12 - Circuito equivalente do motor de indução monofásico a duplo

capacitor.....................................................................................................................39

Figura 13 - Circuito utilizado no Simulink...................................................................40

Figura 14 - Circuito do motor com todos os estágios, assim como o conjunto

retificador, com os diodos, posteriormente o filtro com o conjunto de capacitores e,

por fim, o retificador (IGBT) utilizado no Simulink......................................................41

Figura 15 - Especificações do motor escolhido para simulações. Observa-se a

potência e a tensão de alimentação...........................................................................44

Figura 16 - Gráfico da corrente elétrica total, sendo que o gráfico de cima

corresponde ao motor monofásico direto, já o segundo gráfico representa o gráfico

do motor ligado com o inversor..................................................................................45

Figura 17 - Gráfico da Energia Elétrica Total, sendo que a linha cheia corresponde

ao motor monofásico direto, já a linha pontilhada representa o gráfico do motor

ligado com o inversor.................................................................................................46

Figura 18 - Gráfico do Fator de Potência do sistema, sendo que a linha cheia

corresponde ao motor monofásico direto, já a linha pontilhada representa o gráfico


Figura 19 - Gráfico do Torque Eletromagnético, sendo que o gráfico de cima

corresponde ao motor monofásico direto, já o de baixo representa o gráfico do motor


Figura 20 - Gráfico da velocidade da rotação do sistema, sendo que a linha cheia

corresponde ao motor monofásico direto, já a linha pontilhada representa o gráfico


Figura 21 - Gráfico do torque eletromagnético dos dois motores..............................50

Figura 22 - Gráfico do Fator de potência do motor com a variação de torque de 0.95

p.u. com o inversor de frequência e sem o mesmo, ou seja, ligado de forma

direta...........................................................................................................................51

Figura 23 - Gráfico da energia elétrica consumida pelos motores. A linha contínua

representa o motor ligado de forma direta, já a linha pontilhada representa o motor

ligado com o inversor. Pode-se observar que a diferença de energia consumida é

muito grande...............................................................................................................52

Figura 24 - Gráfico da corrente elétrica total do motor ligado direto e com o mesmo


Figura 25 - Gráfico da velocidade de rotação do motor direto e do mesmo com o

inversor.......................................................................................................................54

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Dados do motor direto variando o torque no eixo do motor......................54

Tabela 2 - Dados do motor com o inversor variando o torque aplicado no eixo do

motor..........................................................................................................................55

Tabela 3 - Contendo alguns dados das simulações realizadas do motor ligado de

forma direta. Observa-se a eficiência do sistema nessa

tabela..........................................................................................................................56

Tabela 4 - Contendo alguns dados das simulações realizadas do motor ligado com o

inversor de frequência................................................................................................57

RESUMO

DIAS, G. P. Análise do uso de inversores para motores monofásicos em aparelhos de

ar condicionado visando à eficiência energética. (No de páginas 63). Trabalho de

Conclusão de Curso – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo,

São Carlos, 2014.

Pode-se dizer que na grande área da engenharia elétrica, a qualidade de energia é um ramo

muito importante e o estudo de eficiência energética tem se tornado cada vez mais relevante

devido à constante busca pelo melhor aproveitamento energético. Tendo em vista que

aparelhos de ar condicionado têm se tornado cada vez mais comum nas residências

brasileiras, o estudo do mesmo se faz necessário tendo no seu horizonte a busca pela

eficiência energética. Optou-se por estudar a diferença do aparelho de ar condicionado com

um compressor com motor monofásico convencional e outro com o mesmo sendo utilizado

um inversor para o controle da máquina, acelerando em rampa. Serão apresentadas as

vantagens e desvantagens dos sistemas e algumas simulações, tais como a corrente de

partida que se mostrará menor, por conseguinte menor consumo de energia e maior

estabilidade da velocidade de rotação em regime permanente.

PALAVRAS-CHAVE: Eficiência Energética; Condicionadores de Ar; Inversores de

Frequência; Motor de Indução Monofásico; MATLAB.

ABSTRACT

DIAS, G. P. Investigating the use of inverters for single-phase motors in air

conditioners for improving efficiency. (Number of pages 63). Course Conclusion Work –

São Carlos School of Engineering, University of São Paulo, São Carlos, 2014.

It is possible to say that, in the large area of electrical engineering, power quality is a very

important field and study of energy efficiency has become increasingly important due to the

constant search for better energy yield. And considering that air conditioning has become

even most common in Brazilian households, the study of this becomes needed, with energy

efficiency in the horizon. So, this research proposes the study of the difference between an

air conditioner compressor with a conventional single-phase motor and another using an

inverter to control the machine, accelerating in ramp. The objective is to present advantages

and disadvantages of the systems, and some simulations. This study will also present

advantages and disadvantages of the systems and some simulations, such as inrush current,

which will show smaller, and thus showing a reduction in power consumption and increased

stability of the rotation speed in steady state.

KEYWORDS = Energy Efficiency; Air Conditioners; Frequency Inverters; Single Phase

Induction Motor; MATLAB.

21

1. Introdução

O estudo da qualidade da energia elétrica constitui hoje uma das áreas mais

promissoras e consolidadas da Engenharia Elétrica. Esta sem dúvidas envolve todas as

concessionárias, fabricantes, consumidores e o poder público.

Antigamente observavam-se apenas parâmetros como continuidade do fornecimento

de energia, sem observar nem ter parâmetros de qualidade. Já nos tempos atuais, além da

continuidade do fornecimento de energia, atenta-se ainda para normas pré-estabelecidas.

Existe também uma preocupação com as cargas conectadas ao sistema elétrico e a

forma com que estas podem impactar sobre o sistema. O perfil das cargas do sistema atual

de energia elétrica, fruto do desenvolvimento da eletrônica de potência, pode contribuir para

uma economia de energia e redução de custos, contudo, um aspecto negativo da evolução

da eletrônica de potência é a inserção de harmônicos no sistema, distorcendo assim a forma

de onda das tensões e correntes, “poluindo” a rede elétrica. Isso causa um aumento nas

perdas no sistema de distribuição de energia elétrica e cria interferência em sistemas de

comunicação, além do mau funcionamento dos equipamentos ligados à rede.

O efeito é mais danoso para sistemas que operam com níveis de tensão muito

baixos. Normas internacionais relativas à qualidade da energia elétrica, tais como IEEE

(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 519, IEC 61000 e EM 50160, [2]-[7]

estabelecem limites para os níveis de distorção harmônica de tensão com os quais os

sistemas elétricos podem operar adequadamente, bem como que, novos equipamentos não

extrapolem determinados valores na injeção de corrente [1].

A ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica) é o órgão público criado para

regularizar a distribuição de energia elétrica. É também responsável por criar procedimentos

para a distribuição de energia elétrica, como o PRODIST (Procedimentos de Distribuição), o

qual é constituído por documentos que normatizam e padronizam as atividades técnicas

relacionadas ao funcionamento e desempenho dos sistemas de distribuição de energia

elétrica. Desse documento, elaborado em dezembro 2008, utilizou-se o módulo 8 intitulado

“Qualidade da Energia Elétrica” [8] no presente trabalho.

É importante enfatizar que o desenvolvimento do aparelho de ar condicionado

inteligente, comumente intitulado de ar condicionado inverter é fruto também do

desenvolvimento de motores elétricos com acionamento utilizando-se inversores de

frequência. Anteriormente esse equipamento era muito caro e de difícil acesso à maioria da

população, porém, atualmente, observa-se maior aceitação do mesmo, sendo que o preço

se tornou mais acessível devido ao advento de novas tecnologias de fabricação de

componentes eletrônicos.

22

O inversor de frequência, muito utilizado para controlar a frequência do motor elétrico

ou o torque, o faz transformando primeiramente o sinal da rede alternada em contínuo. Este,

por sua vez, é transformado em um sinal alternado novamente, porém com características

diferentes. O mesmo se torna pulsado e com largura de pulso modulada também, para

assim poder ajustar a frequência e tensão a fim de controlar a velocidade e o torque da

máquina.

Para o presente trabalho, optou-se por estudar a utilização de aparelhos de ar

condicionado convencional e inteligente, tendo em vista que esses dois estão cada vez mais

presentes nas casas da população brasileira tanto o convencional como a linha inverter,

pela facilidade a financiamentos, contribuindo assim para o constante aumento da busca

pelo conforto térmico em suas residências.

A EPE (Empresa de Pesquisa Energética) tem por finalidade prestar serviços na área

de estudos e pesquisas destinadas a subsidiar o planejamento do setor energético

brasileiro, sendo assim, a mesma criou o PNE (Plano Nacional de Energia) que estima que

cerca de 3% da energia elétrica consumida se deve ao condicionamento de ar para

ambientes domiciliares.

Embora apresente pequena expressão em nível nacional, o consumo de aparelhos

de ar condicionado se mostra mais expressivo em regiões com maior temperatura média,

como é o caso de alguns estados nas regiões Sudeste e Nordeste, intensificando-se nos

meses de verão, justificando, assim, ações e medidas no sentido de aumento da eficiência

destes equipamentos.

Do catálogo de aparelhos de ar condicionado escolhido, obtém-se o dado de que

para um aparelho de ar condicionado do tipo janela de 7.500 BTU/h (British Thermal Unit) e

cerca de 1.000W de potência elétrica consuma cerca de 480 kWh/ano.

Durante os meses de verão, sobretudo nas regiões com maior temperatura média,

estima-se um consumo médio de 120 kWh/aparelho/mês, o que justifica a adoção de

medidas no sentido do aumento da eficiência destes aparelhos. Dentre os inúmeros

modelos de aparelhos de ar condicionado, o mais utilizado é o modelo Split (76%), na

potência de 12.000BTU/h (Categoria 2). Este será alvo de estudo nas simulações

elaboradas e apresentadas nesse trabalho [8].

Os aparelhos de ar condicionado em geral utilizam compressores do tipo herméticos.

A característica hermética dos compressores limita a observação apenas das grandezas de

tensão e correte de suprimento. O motor elétrico de indução monofásico é parte

fundamental do compressor. Este será utilizado no presente trabalho para a simulação do

aparelho de ar condicionado.

23

1.1 Objetivos

Tendo em vista que se utilizará motor de indução monofásico como padrão, obtém-se

deste trabalho a comparação de desempenho do ponto de vista da eficiência energética dos

seguintes subsistemas do ciclo de refrigeração:

a) Motor de indução monofásico convencional com controle “liga-desliga”;

b) Motor de indução monofásico controlado por um inversor de frequência;

O objetivo foi comparar a energia consumida nos dois tipos de motores, simulando

partida, parada e alterações de torque e alterações de tensão de alimentação.

Buscar-se-á obter, atualizando-se do inversor de frequência e acionando a máquina

com aceleração em rampa, uma corrente de partida menor, evitando assim maiores

desgastes do motor, e diminuindo as perdas no motor, investindo assim em eficiência

energética.

1.2 Organização do Documento

O trabalho a seguir foi organizado em cinco seções principais:

• A “Introdução” apresenta a temática do trabalho,

• A seção “Objetivos” apresenta toda a questão norteadora do trabalho.

• A seção “Fundamentação Teórica” apresenta um breve histórico sobre os

aparelhos condicionadores de ar, seus princípios físicos e funcionamento,

tipos de compressores e suas características.

• A seção denominada “Metodologia” apresenta a modelagem e simulação dos

sistemas propostos.

• Em seguida a seção “Resultados e Discussão” apresenta os resultados

obtidos na simulação do presente trabalho, bem como a discussão dos

mesmos.

• Por fim, a seção “Conclusão” aponta as principais conclusões obtidas neste

trabalho.

25

2. Fundamentação Teórica

Neste capítulo será introduzido de forma sucinta, o ciclo de refrigeração por

compressão e seus principais componentes. Tendo isso em mente, partir-se-á para o estudo

do compressor, que é importante neste trabalho, visto que o mesmo é acionado pelo motor

de indução monofásico.

2.1 Breve Histórico

Durante muito tempo, o homem pensou em diversas maneiras de amenizar os

efeitos do calor. O engenheiro Wills Carrier inventou o primeiro processo mecânico para

condicionar o ambiente de uma gráfica em Nova York, pois devido à elevada temperatura

em conjunto com a elevada umidade do ambiente de impressão, as impressões

apresentavam-se fora de foco ou com defeitos como borrões. Este foi o primeiro processo

contínuo que resfriava o ar e retirava umidade do ambiente. Este processo foi

posteriormente implementado em outras indústrias, como a têxtil, de papel, farmacêutica, de

tabaco e alguns estabelecimentos comerciais. Posteriormente, Carrier desenvolveu em 1914

o primeiro aparelho condicionador de ar residencial, o qual era de grande porte e mais

simples se comparado com os da atualidade. No mesmo ano desenvolveu projetos para

hospitais com o objetivo de aumentar a umidade de um berçário (para bebês nascidos de

forma prematura), no Allegheny Hospital de Pittsburg [8].

Já na década de 1920 os aparelhos de ar condicionado começaram a se tornar

popular entre os norte-americanos, em muitos prédios públicos e em edificações. Esses

aparelhos foram instalados em locais tais como a Câmara dos Deputados, o Senado

Americano e escritórios da Casa Branca, sem contar que a utilização dos mesmos em salas

de cinema alavancou a indústria cinematográfica, pois estas, na época de verão,

apresentavam um ambiente quente e desconfortável. Wills Carrier, na década de 1930,

desenvolveu também o primeiro sistema de condicionador de ar para arranha-céus com

distribuição de ar em alta velocidade através de dutos “Weathermaster”, que economizava

mais espaço em relação a outros equipamentos da época. A partir de 1950, os modelos

residenciais de aparelhos de ar condicionado começaram a ser produzidos em larga escala

dando início a um mercado de amplitude mundial e em constante expansão, com muito

espaço para desenvolvimento tecnológico e novidades em produtos [8].

26

2.2 Princípios físicos e funcionamento dos condicionadores de ar

O ciclo de refrigeração de um condicionador de ar compreende a retirada de calor de

um recinto insuflando ar frio. Esse ciclo é bem exemplificado na Figura 1.

Figura 1 - Ciclo de refrigeração de um condicionador de ar

Fonte: www.arcondicionado.com.br/faq-arcondicionado

Nesse ciclo, o gás refrigerante, ao entrar no compressor na forma gasosa e sob

baixa pressão, é comprimido e, dessa forma, sai superaquecido a uma temperatura elevada,

em torno de 50°. Posteriormente este gás arrefece e condensa-se em um líquido saturado,

por convecção normalmente forçada (ventilador externo). Ao passar pelo condensador, o

gás, sob elevada pressão, se torna líquido saturado ao perder calor para o ambiente

externo.

Logo após sair do condensador sob elevada pressão e baixa temperatura, o líquido

passa pela válvula de expansão e ao expandir-se, tendo sua temperatura próxima dos 7°, é

conduzido ao evaporador, aparelho responsável por fazer o gás absorver calor do ar,

resfriando assim o ambiente interno a ser climatizado [8].

A Figura 2 mostra um exemplo de funcionamento de um aparelho de ar condicionado

do tipo janela e a Figura 3 é um exemplo de funcionamento de um condicionador de ar do

tipo Split. É importante enfatizar que ambos os esquemas funcionam de maneira similar, a

diferença é que a condensadora da máquina Split localiza-se distante da evaporadora.

27

Nesses modelos ambas as unidades são interligadas por uma tubulação,

normalmente constituída de cobre, material mais resistente, e tem-se também, para a

mesma finalidade, a utilização da tubulação de alumínio, menos resistente e mais difícil de

manusear, porém mais barato. Atualmente, tem-se optado pelo modelo Split pelo fato de ser

mais silencioso, porém, ultimamente, com o desenvolvimento de tecnologias de isolação de

ruídos, os aparelhos de janela têm se tornado atraente também, tendo em vista que o nível

de ruído de ambos se torna próximo.

Figura 2 - Esquema de um condicionador de ar tipo janela

Fonte: www.casa.hsw.uol.com.br/ar-condicionado.htm

Figura 3 - Esquema de um condicionador de ar do tipo Split

Fonte: www.portaldoeletrodomestico.com.br/funciona_ar_condicionado.htm

28

2.3 O compressor: tipos e características

Em um sistema de refrigeração, o compressor é responsável pela compressão que o

fluido refrigerante sofre dentro da unidade condensadora, sendo esse o aparelho do tipo

Split. É importante lembrar que existem outros componentes dentro da mesma unidade,

como, por exemplo, a válvula expansora. Esta tem a função de expandir o ar e resfria-lo

para que nesse momento seja levado pela tubulação de cobre para a unidade evaporadora,

localizada na parte interna do ambiente a ser climatizado. Esta unidade circula o fluido

refrigerante em baixas temperaturas atingidas pela expansão. Circula-se o ar com ventilação

forçada e utiliza-se um sistema de controle para que o compressor seja desativado ao se

atingir a temperatura desejada.

A função do compressor é aspirar o gás e impulsioná-lo (aumento de pressão) e

pode-se dizer que o mesmo é composto, basicamente, por duas unidades, uma elétrica e

outra mecânica. A primeira é composta pelo circuito de acionamento do motor, já a outra se

trata do motor em si. Ambas, dependendo do porte do conjunto de equipamentos, devem

estar juntas formando assim os chamados “compressores herméticos”. Porém em

equipamentos de grande porte, utilizam-se compressores “semi-herméticos” ou abertos, os

quais apresentam as partes separadas, embora haja um acoplamento mecânico. Ainda a

respeito dos compressores, é importante salientar a existência de basicamente dois tipos, o

compressor rotativo e o compressor alternativo, sendo que este apresenta menor eficiência

e menor custo de produção. O primeiro possui custo de fabricação maior e oferece como

benefício maior rendimento energético [8].

Sabe-se que o conjugado de partida de uma carga mecânica acoplada ao eixo do

motor é função da velocidade aplicada à mesma. Para o caso de compressores de ar, na

partida o gás ainda não está comprimido, de modo que o conjugado resistente possui uma

característica similar à Figura 4, onde Tc significa a curva de torque do motor de indução

monofásico em função da velocidade de rotação ω. Quando a carga está em repouso, há

um conjugado resistente de 30%, e durante o processo de partida o conjugado varia,

tendendo a se comportar de forma quadrática com a velocidade [9].

29

Figura 4 - Característica conjugado-velocidade do compressor durante a partida

Fonte: FITZGERALD, A.F.; KINGSLEY, C.; KUSKO, A. Electric Machinery McGraw-Hill, 1971. p. 623

Após o compressor atingir a pressão nominal (velocidade constante), o conjugado

resistente não depende mais da velocidade do motor, permanecendo-se constante. Dessa

forma quando o compressor é desligado, é necessário esperar a descompressão do gás

para liberar novamente o equipamento, pois o motor é dimensionado para partir com o

compressor descarregado [10].

2.4 Composição e características de funcionamento dos aparelhos

condicionadores de ar

Podem-se classificar os equipamentos de ar condicionado de duas formas. A

primeira é do tipo convencional, que opera com a mesma potência o tempo todo. O segundo

são os aparelhos inteligentes, cuja potência é variável em função das mudanças de

temperatura interna do recinto a ser climatizado [8].

A ênfase neste trabalho de conclusão de curso se dá em condicionadores de ar do

tipo convencional, os quais podem ser do tipo janela ou “Split”. Na Figura 5 pode-se

observar um aparelho do tipo janela, o qual apresenta o condensador, o compressor e o

evaporador em um mesmo equipamento. Este é instalado em um orifício aberto na parede

(por isso o nome janela) e pode-se dizer que é o equipamento que produz maior nível de

ruído sonoro quanto funcionando, porém com instalação bem simplificada [8].

30

Figura 5 - Componentes de um condicionador de ar do tipo convencional

Fonte: www.hsw.uol.com.br/como-conservar-condicionador-de-ar1.htm

Na Figura 6 podem-se observar os componentes da condensadora (parte externa)

que é responsável por resfriar, comprimir e expandir o líquido refrigerante. Na Figura 7

observa-se a evaporadora, responsável por transferir calor do ambiente para o fluido

refrigerante [11].

Figura 6 - Componentes de uma Condensadora de um condicionador de ar do tipo Split


31

Figura 7 - Componentes de uma Evaporadora de um condicionador de ar do tipo Split


Ambos os tipos de aparelhos, convencional ou Split, devem operar em uma

temperatura escolhida pelo usuário do equipamento a qual é obtida através de um

termostato na parte interna do ambiente (evaporadora). A Figura 8 mostra o funcionamento

do equipamento em regime permanente com a temperatura em consonância com o princípio

de funcionamento. Pose-se dizer que a temperatura do ambiente é representada por ϴ e o

tempo por t. Liga-se o compressor ao obter medidas de temperatura acima da máxima e

desliga-o ao obter leituras de temperatura abaixo da mínima. As temperaturas máxima e

mínima são obtidas através da temperatura pré-definida pelo usuário [8].

Figura 8 - Ciclo do termostato em operação normal


32

a) Tipos de motores utilizados

Os aparelhos de ar condicionado do tipo convencional funcionam com um

compressor acionado por um motor de indução monofásico. Este, por sua vez, não possui

conjugado de partida. Para tanto, torna-se necessária a utilização de um enrolamento

auxiliar com o intuito de criar um campo magnético girante e, posteriormente o conjugado de

partida [10].

Existem algumas maneiras de partir esses motores para criar o conjugado de partida

e essas são [11]:

(a) Motor com enrolamento auxiliar (fase dividida).

(b) Motor com capacitor de partida.

(c) Motor com capacitor permanente.

(d) Motor com dois capacitores.

Estes métodos de partida estão ilustrados na Figura 9. Todas as possibilidades

visam defasar as correntes do enrolamento principal e auxiliar em um ângulo próximo a 90°

obtendo, assim, o conjugado de partida inicial. A Figura 9(a) representa a fase principal do

motor sendo ligada em paralelo com o enrolamento auxiliar por uma chave. Esta desliga o

enrolamento auxiliar após a partida. A Figura 9(b) representa o enrolamento principal sendo

conectado em paralelo ao enrolamento auxiliar por uma chave e um capacitor. A Figura 9(c)

representa o enrolamento principal do motor sendo ligado em paralelo com o enrolamento

auxiliar, o qual está ligado em série com um capacitor permanente. A Figura 9(d) representa

o enrolamento principal sendo ligado em paralelo com o enrolamento auxiliar o qual está em

série com outros dois capacitores, estes ligados em paralelo, sendo um dos capacitores

desconectados pela chave após a partida.

33

Figura 9 - Tipos de ligação de motores monofásicos usados em condicionadores de ar do tipo

convencional.


As curvas apresentadas na Figura 10 caracterizam o conjugado de partida em

função da velocidade de rotação do motor para os tipos de ligação apresentados na Figura

9. A curva “b” da Figura 10 representa o comportamento do motor com o capacitor de

partida com a chave que liga e desliga o enrolamento auxiliar em série com o capacitor. Já a

curva “d” representa o conjugado de partida do motor de indução ligado com capacitor de

partida e permanente. A curva “a” representa o motor ligado apenas com o enrolamento

principal em série com o paralelo, o qual é desconectado após a partida pela chave. E, por

fim a curva “c” representa o enrolamento principal em paralelo com o enrolamento auxiliar

com capacitor permanente [10].

34

Figura 10 - Características conjugado-velocidade para motores monofásicos


A ligação da Figura 9 (a) exemplifica o motor com enrolamento auxiliar o qual possui

reatâncias e resistências mais elevadas do que o enrolamento principal, provocando uma

corrente defasada da corrente do enrolamento principal, criando-se assim o campo girante

para partir a máquina. Após a partida, por meio de uma chave centrífuga que opera em

torno de 75% da velocidade nominal, desconecta-se o enrolamento auxiliar do enrolamento

principal. O conjugado de partida desse arranjo é moderado e o motor possui baixa corrente

de partida [10].

Já o motor com capacitor de partida da Figura 10(b) possui o mesmo funcionamento

do anterior, porém no enrolamento auxiliar inclui-se um capacitor de partida e ambos são

desconectados pela chave centrífuga após o motor atingir 75% da velocidade nominal. Este

tipo de arranjo proporciona maior torque de partida podendo, assim, acionar cargas que

apresentam elevada massa inercial.

Tem-se na Figura 9(c) o arranjo de um motor com um capacitor permanente ligado

ao enrolamento auxiliar que, ao contrário dos anteriores, não é desligado por chave alguma.

Esse permanece ligado o tempo todo, funcionando assim com o filtro das vibrações

ocasionadas devido a interações das ondas de fluxo e força magneto-motriz que giram em

sentidos opostos, passando uma pela outra e duas vezes a velocidade síncrona. Tais

pulsações de frequência dupla do estator podem ser reduzidas pelo capacitor. Tem-se

assim um motor sem vibração, porém com conjugado de partida prejudicado, pois o

capacitor é projetado para funcionar em regime permanente. Devido a essas considerações

esse motor apresenta melhor rendimento e fator de potência em funcionamento à plena

carga e assim tem a sua aceitação mais ampla no mercado de condicionadores de ar.

35

Por último o motor com capacitor de partida e permanente, representado na Figura

9(d), possui as vantagens dos arranjos anteriores, obtendo assim um melhor desempenho

em condições transitórias e em regime permanente, porém constitui um arranjo mais caro

por ter dois capacitores e uma chave centrífuga.

Com base nessas informações os fabricantes optam pelo arranjo com capacitor de

partida permanente da Figura 9(c), em função de um baixo custo devido a não necessidade

da chave centrífuga e de um capacitor a mais.

b) Motor de velocidade variável

O motor de indução amplamente estudado sofreu diversas modificações em suas

estruturas a fim de buscar sempre maior eficiência e menor consumo de energia elétrica.

Nessa busca por eficiência energética, o motor de indução monofásico foi acoplado ao

sistema de controle com a finalidade de adequar o seu regime às necessidades

momentâneas através da variação da velocidade. Os fatores que alteram a velocidade do

motor de indução monofásico são os números de polos, a frequência de alimentação do

motor (no Brasil 60Hz) e o nível de tensão fornecido ao motor. A maioria dos projetos de

controle de motor é feito com base nos parâmetros apontados anteriormente.

c) O inversor de frequência

Muito utilizado para o controle da velocidade em motores de indução, o inversor de

frequência é constituído basicamente dos seguintes componentes: o retificador, o filtro e o

inversor.

O retificador é responsável pela entrada do sistema, constituído por diodos, tem a

finalidade de retificar o sinal CA da rede em um sinal CC. Já o filtro é o estágio

intermediário, composto por elementos armazenadores de energia, como capacitores,

responsáveis esses por eliminar o ripple e regularização da tensão CC. O inversor é o

estágio de saída, composto por um conjunto de transistores ou IGBT (Insulated Gate Bipolar

Transistor), os quais transformam a tensão CC do estágio intermediário em sinais alternados

com tensão e frequência variável.

A Figura 11 mostra um diagrama de blocos de um inversor de frequência monofásico

ou trifásico do fabricante WEG, mostrando também as formas de onda da corrente e tensão

de saída do inversor, e consequentemente de entrada do motor.

36

Figura 11 - Diagrama de blocos de um inversor de frequência trifásico [6].

Fonte: Dados do próprio autor

O motor de indução monofásico, tendo em vista os aspectos construtivos, elétricos

e de materiais pode operar próximo do seu desempenho máximo. Entretanto, quando se

atenta para a utilização de inversores de frequências no controle da máquina, fica claro que

existe uma vasta área a ser desenvolvida. Tanto no controle do toque do motor como em

aplicações médicas que necessitam de toque constante, como na utilização de inversores

para o acionamento de motores, pode-se controlar o mesmo com a utilização de sistemas

que se baseiam em uma rampa para aumentar a frequência e a tensão média aplicada no

motor, acelerando assim o mesmo de forma suave a fim de se evitar correntes altas nas

partidas, minimizando as perdas no processo por diminuir as correntes que circulam pelos

enrolamentos.

É importante enfatizar que os inversores de frequência apresentam basicamente

duas formas de controle [12], sendo o primeiro conhecido como controle vetorial, que é mais

complexo e robusto. Esse tipo de controle separa a corrente aplicada na máquina em dois

vetores, sendo um o vetor torque e o outro, o vetor fluxo magnético. Dividido em dois

vetores, o controle vetorial em malha aberta (sensorless) é o sistema mais barato por não

haver a necessidade de sensores para fechar a malha de controle, evitando assim a

necessidade de uma realimentação externa. Este apresenta resultados bastante próximos

do controle vetorial em malha fechada.

Já a segunda possibilidade de controle conhecido como controle em malha fechada

é um sistema mais complexo devido à necessidade de transdutores para fechar a malha de

controle. Devido à existência desta malha, o controle se torna mais preciso e refinado, além

de apresentar respostas rápidas. Esses sensores podem ser dos mais diversos, mas para

aplicação em motores o encoder é o transdutor mais utilizado, tendo ainda o tacômetro

como um equipamento que também possa ser utilizado nessas aplicações [12].

37

Em ambos os controles abordados, malha aberta e malha fechada, o sinal de saída é

uma sequência de pulsos em alta frequência e de largura variável. Esta técnica é conhecida

como PWM (Pulse Width Modulation) ou modulação por largura de pulso.

39

3. Metodologia

Neste capítulo será apresentado todo o modelo utilizado no trabalho para a análise

de eficiência de energia. Os dados utilizados serão apresentados e seu estudo será

realizado posteriormente.

3.1. Modelo do motor de indução monofásico convencional

Utilizou-se o modelo de exemplo disponibilizado pelo Simulink, pertencente ao

programa Matlab 2013. Para simular o motor convencional de aparelho de ar condicionado

utilizou-se o motor de indução monofásico ligando-o de forma direta e conectando o

capacitor permanente em série com o enrolamento auxiliar. O circuito equivalente deste

motor é apresentado na Figura 12 [9].

Figura 12 - Circuito equivalente do motor de indução monofásico a duplo capacitor.


No Simulink, preparou-se o circuito que é mostrado na Figura 13 com o motor ligado

de forma direta. Após isso, simulou-se o sistema em 40 segundos. No início a chave foi

ligada, e o motor inicia o ciclo acelerando até a velocidade de regime, na qual permanece

por 30 segundos. Nesse momento o motor é desligado e então desacelera até parar antes

do tempo final de simulação estipulado em 40 segundos. Esse foi o procedimento usado

tanto no motor ligado de forma direta, como no motor ligado com o inversor. Esse

procedimento será padronizado para poder comparar os sistemas.

40

Figura 13 - Circuito desenvolvido no Simulink.


Dados como corrente total, torque eletromagnético, velocidade do eixo, fator de

potência e energia consumida foram medidos para análises posteriores. Iniciou-se a

simulação com torque nominal (1 pu) e, após os primeiros cinco segundos para o motor

acelerar e estabilizar sua velocidade, aplicou-se a variação de torque que foi desconectada

após trinta segundos do início do experimento, sendo que o mesmo contempla quarenta

segundos.

3.2 Modelo do motor de indução monofásico com inversor

O motor foi extraído do programa utilizado, o Simulink. Adaptou-se o mesmo

colocando a parte do retificador, filtro e inversor antes do motor, para poder ser comparado

com o motor sem o inversor.

O programa citado anteriormente fornece um motor de indução com o enrolamento

principal montado a 90º em relação ao enrolamento auxiliar, sendo que ambos os

enrolamentos são acessados de forma separada. A partir daí elaboraram-se os estágios,

assim como o retificador, o filtro e o inversor para poder realizar o trabalho.

Na Figura 14 pode-se observar que se utilizou uma fonte de tensão variável, ligada

diretamente com uma chave que liga a alimentação no início da simulação e desliga o

sistema após 30 segundos para poder observar o comportamento do motor. Logo após a

chave, encontra-se o primeiro estágio, conhecido como retificador, constituído por um

conjunto de diodos que são responsáveis por retificar o sinal. Já o segundo estágio, tem-se

o conjunto de capacitores, responsável por diminuir o ripple do sinal. E, por fim, tem-se o

inversor, constituído por IGBTs, fornecido pelo próprio programa. O controle do inversor de

frequência foi obtido através da adaptação do sistema pré-existente fornecido pelo próprio

Matlab, o qual utiliza como referência o valor de velocidade.

41

Figura 14 - Circuito do motor com todos os estágios.


O controle utilizado no trabalho caracteriza o sistema por basicamente duas

variáveis: a corrente de magnetização e a corrente de fluxo rotórico. A primeira é obtida

através das características construtivas do motor representado por uma constante devido à

desprezível variação da tensão durante o funcionamento do sistema. Já a segunda corrente

é obtida a partir da velocidade de referência aplicada a um controlador-proporcional-

integrativo-derivativo (PID) [13]. De posse de ambos dados, calcula-se, também, a fase

entre elas que posteriormente é utilizado para calcular o torque necessário para atingir a

velocidade desejada. Neste presente trabalho é de 1800 rpm.

Tendo a corrente de magnetização e corrente rotórica, faz-se a transformada inversa

de correntes de magnetização e rotórica para correntes de fase, corrente principal e corrente

auxiliar. Posteriormente, esses dados são comparados com os dados obtidos através de

sensores para assim poder enviar à saída um sinal composto por uma somatória de pulsos

necessários para que as correntes reais do motor atinjam o valor calculado.

43

4. Resultados e Discussão

Neste capítulo, os resultados e a discussão das simulações elaboradas serão

apresentadas. As mesmas podem ser subdivididas em basicamente duas fases;

primeiramente as simulações que mostram o comportamento do motor ligando e desligando

após a estabilização de sua velocidade e funcionamento deste durante um período curto de

tempo. Posteriormente, serão apresentados os resultados das simulações dos motores

sendo submetidos a variações de tensão da ordem de 0,85 p.u.

As correntes nos enrolamentos auxiliares, as correntes nos enrolamentos principais,

as correntes totais, a energia elétrica consumida, o fator de potência de cada sistema, o

torque eletromagnético e a velocidade de rotação do motor serão analisados.

Lembra-se que os dados dos dois tipos de motores serão apresentados

separadamente, porém no fim será comparado o motor ligado de forma direta com o mesmo

sendo ligado com um inversor de frequência com partida suave.

Escolheu-se um compressor cuja potência é da ordem de 12000 BTU (Figura 15). As

características descritas na Figura 15 e os valores nominais dessa máquina são conforme

as características que estão apresentadas no apêndice A. A partir disso simulou-se então

um motor que apresente a potência de 1000 W e tensão de alimentação de 220 Vrms com a

frequência de 60Hz.

44

Figura 15 – Especificações do aparelho de ar condicionado escolhido para simulações.

Fonte: Catálogo do aparelho de ar condicionado utilizado no experimento.

O catálogo do motor utilizado tanto para ligar o sistema de forma direta como o

mesmo ligado com o inversor de frequência. Importante lembrar que esse foi escolhido, pois

é muito vendido para ambientes residenciais, como quartos, salas e também para ambientes

comerciais como pequenas salas e ambientes de poucas pessoas e circulação das

mesmas.

4.1 Resultados da simulação com parada e partida do motor de indução

monofásico

O comportamento de ambos os sistemas será descrito a seguir. Tanto o motor

convencional quanto o motor ligado utilizando o inversor serão simulados tendo como base

o tempo de 40 segundos. Sendo assim, a partida de ambos os sistemas ocorre durante os

cinco primeiros segundos e, posteriormente, a parada dos mesmos ocorrem nos últimos

45

cinco segundos, tendo assim um intervalo de 30 segundos para poder avaliar o

comportamento do mesmo.

4.1.1 Corrente total do motor

Como observado na Figura 16 pode-se concluir o valor da corrente total do motor

ligado direto é a mesma do sistema motor-inversor em regime permanente. A corrente de

partida total do motor direto é da ordem de 12,75 A. Esse valor é resultado da soma da

corrente do enrolamento principal e a corrente do rolamento auxiliar. Já a corrente de partida

do motor ligado com o inversor é da ordem de 7,902 A. Sendo assim, a corrente de partida

do motor direto é 1,613 vezes maior que a mesma do motor com o inversor. É importante

também enfatizar que a duração da partida do motor com o inversor é maior, apesar da

corrente ser menor, mas essa é a ideia, diminuir a corrente de partida para diminuir as

perdas no interior do mesmo, mesmo que a máquina atinja a velocidade nominal em um

período de tempo menor. O valor de corrente elétrica é retirado da soma das correntes do

enrolamento auxiliar e principal. Tem-se, também no gráfico, a corrente total do motor ligado

direto e do motor com o inversor em regime permanente da ordem de 3,791A.

Figura 16 - Gráfico da corrente elétrica total dos motores utilizados.

Fonte: Dados do próprio autor.

46

4.1.2 Energia elétrica consumida

Na Figura 17 observa-se que a energia elétrica consumida por ambos os sistemas é

bem diferente. O motor ligado direto apresenta 2,276x105 Ws de consumo já o motor ligado

com o inversor tem 0,759 x105 Ws de consumo no mesmo período, sendo assim o consumo

do motor direto é 1,68116 vezes maior que o mesmo sendo utilizado com o motor. Ambos

apresentam correntes bem diferentes na partida, porém o motor com o inversor apresenta

corrente menor. Observa-se que o sistema não apresenta valores após os trinta primeiros

segundos, pois o mesmo foi desconectado da energia por uma chave.

Figura 17- Gráfico da energia elétrica total consumida pelo motor.


4.1.3 Fator de potência

A Figura 18 mostra o fator de potência do motor direto (linha contínua) e o motor com

o inversor (representado pela linha tracejada). O primeiro apresenta um fator de potência de

0,7934, já o segundo apresenta o valor de 0,9978. O fator de potência foi extraído nos

terminais do motor ligado direto e o fator de potência do motor com o inversor é obtido na

entrada do sistema motor-inversor obtendo assim o fator de potência visto pela fonte.

47

Figura 18 - Gráfico do Fator de Potência do sistema.


4.1.4 Torque eletromagnético

A Figura 19 representa a curva de torque de cada sistema. O motor ligado direto

apresenta torque inicial baixo e se eleva rapidamente até o máximo de 11,51 N.m para

atingir a velocidade nominal. Ao atingi-la, o torque cai para 1,58 N.m. Já o motor ligado com

o inversor apresenta torque inicial menor, da ordem de 3,23 N.m. O torque, após o regime

permanente ser atingido, reduz-se para o valor de 1,158N.m.

48

Figura 19 - Gráfico do Torque Eletromagnético.


4.1.5 Velocidade de rotação

Tem-se na Figura 20 as velocidades dos motores ligados direto e utilizando o

inversor de frequência. Como é possível observar, o sistema com o inversor de frequência

apresenta uma rampa de aceleração até que a velocidade de 1800 rpm seja atingida, porém

de forma mais lenta. Já a velocidade que o motor ligado direto apresenta é menor, da ordem

de 1739 rpm. Isso já era de se esperar, pois ao ligar o motor dessa maneira, sempre haverá

escorregamento do mesmo.

49

Figura 20 - Gráfico da velocidade da rotação do sistema.


4.2 Resultados da simulação com parada e partida do motor variando o torque

requerido

A variação do torque requerido ao sistema pode ser causada pela alteração da

temperatura escolhida pelo usuário. Caso opte-se por uma temperatura menor, o torque

será maior, se o objetivo for apenas amenizar a sensação do calor, será necessário um

torque menor. Sabe-se, ainda, que a variação de torque também pode ser causada por

possíveis vazamentos que alteram a pressão do fluido refrigerante, ou até mesmo um

possível entupimento parcial da válvula de expansão também pode aumentar o torque

exigido do compressor.

A seguir, será apresentado o comportamento do motor ligado de forma direta e do

motor ligado com o inversor sendo que após o sistema entrar em regime permanente o

mesmo será induzido a trabalhar com diferentes torques. Primeiramente será mostrado o

comportamento do motor com 0,95 p.u. de torque e depois apenas serão mostrados os

dados das simulações com 0,9 p.u. e 0,85 p.u.

O torque será alterado após os dez primeiros segundos e após os primeiros vinte

segundos volta ao valor nominal totalizando assim uma alteração de dez segundos no

torque exigido. Após os trinta segundo iniciais, o motor é desligado.

50

Através da Figura 21 pode-se observar o motor ligado direto e o mesmo com o

inversor, sendo que após a estabilização do sistema, aplicou-se a variação de 0,95 p.u. de

torque. O sistema direto apresenta torque inicial baixo e logo se eleva ao máximo de 11,51

N.m até que a velocidade de regime permanente seja atingida. Após isso aplicou-se a

variação desejada e verificou-se que o torque abaixou de 1,58 N.m para 1,43 N.m. Já o

sistema com o inversor apresentou menor variação após a aplicação do torque de 0,95p.u.,

descendo de 1,58 N.m para 1,53 N.m.

Figura 21 - Gráfico do torque eletromagnético dos dois motores.


A Figura 22 mostra o fator de potência do motor direto e do sistema motor inversor.

Como característica marcante do sistema ligado de forma direta, o fator de potência

apresenta valor mais distante de 1, sendo igual a 0,7886. Já o motor ligado com o inversor

apresenta fator de potência muito próximo do unitário, sendo da ordem de 0,9984.

51

Figura 22 - Gráfico do Fator de potência do motor com a variação de torque de 0.95 p.u.


A energia consumida por ambos os sistemas está representada na Figura 23. Nesta

pode-se observar que o motor ligado direto consome em torno de 127.300 Ws. Já o mesmo

ligado com o inversor apresenta consumo na ordem de 75.100 Ws. Pode-se observar uma

grande diferença dos sistemas, sendo que o segundo apresenta maior aproveitamento da

energia consumida.

52

Figura 23 - Gráfico da energia elétrica consumida pelos motores.


A corrente total consumida pelo motor em ambas as situações está representada na

Figura 24. Pode-se observar a corrente de partida do motor ligado direto acima da corrente

do motor ligado com o inversor, sendo acelerado em rampa. O primeiro apresenta corrente

da ordem de 12,75A já o segundo apresentou 7,902A. Após a estabilização do sistema,

aplicou-se a variação do torque requerido pelo usuário para 0,95p.u., sendo que as

correntes totais dos motores se alteraram de 3,791A para 5,68A no motor direto, já o outro a

corrente total alterou de 3,791A para 5,543A, apresentando assim uma variação menor do

sistema.

53

Figura 24 - Gráfico da corrente elétrica total do motor ligado direto e com o mesmo ligado com o

inversor.


A velocidade de rotação do motor direto e do mesmo utilizando o inversor é

representada na Figura 25. O motor ligado com o inversor não apresenta alteração em sua

velocidade de rotação sendo que após a partida a mesma estabiliza-se em 1800 rpm e não

se altera. Já o motor, ao ser ligado diretamente na rede, apresenta alteração em seu valor

indo de 1739 rpm para 1769 rpm. Desta forma apresenta uma elevação em sua velocidade

ao alterar-se o torque no eixo do motor.

54

Figura 25 - Gráfico da velocidade de rotação do motor direto e do mesmo com o inversor


A Tabela 1 apresenta os resultados do motor ligado de forma direta para alterações

no torque de carga. Pode-se ver que a corrente total do motor se reduz com a redução do

torque aplicado ao eixo do mesmo, de 3,791 A para 2,375 A. Já a energia elétrica

consumida do mesmo reduz de 1.276.000 Ws para 1.268.000 Ws. Em adição o fator de

potência varia também, aumentando de 0,7886 para 0.8676 e o torque eletromagnético

máximo diminui de 1,58 N.m para 1,38 N.m. Por fim a velocidade da máquina varia de 1739

rpm para 1788 rpm, chegando, dessa forma, mais próxima da velocidade nominal.

Tabela 1- Resultados do motor direto variando o torque no eixo do motor


MOTOR DIRETO Torque

(representa a carga do motor)

(p.u.)

Corrente Total (A)

Energia Elétrica Consumida

(Ws)

Fator de Potência

Torque Eletromagnético Máximo (N.m)

Velocidade de Rotação

(rpm)

1 3,791 1.276.000 0,7886 1,58 1739 0,95 3,680 1.273.000 0,7983 1,43 1769 0,9 2,950 1.271.000 0,8201 1,41 1775

0,85 2,375 1.268.000 0,8676 1,38 1788

55

A Tabela 2 apresenta os resultados do motor ligado com o inversor. Pode-se ver que

a corrente total do motor se reduz com a redução do torque aplicado ao eixo do mesmo, de

4,838 A para 3,531 A. Já a energia elétrica consumida do mesmo também diminui de

884.000 Ws para 832.000 Ws. O fator de potência varia também, aumentando de 0,9815

para 0,9991. Ainda o torque eletromagnético máximo diminui de 1,58 N.m para 1,43 N.m. E

por fim, a velocidade da máquina não varia, permanecendo no patamar de 1800rpm.

Tabela 2 - Dados do motor com o inversor variando o torque aplicado no eixo do motor.

MOTOR COM INVERSOR Torque

(representa a carga do motor)

(p.u.)

Corrente Total (A)

Energia Elétrica

consumida

Fator de Potência

Torque Eletromagnético

(N.m)

Velocidade de Rotação

(rpm)

1,00 4,838 884.900 0,9815 1,58 1800 0,95 4,543 873.000 0,9986 1,53 1800 0,90 3,732 854.000 0,9989 1,48 1800 0,85 3,531 832.000 0,9991 1,43 1800


4.3 Resultados da simulação com parada e partida do motor variando a tensão

de alimentação (distúrbios)

Para que se possa estudar melhor os sistemas, é interessante submetê-los a

flutuações de tensão de alimentação. Essas situações são muito comuns no sistema elétrico

de potência sendo representadas pela entrada de grandes cargas no sistema, por exemplo.

O PRODIST, conjunto de procedimentos elaborados pela ANEEL, possui normas

quanto a esses distúrbios. O Módulo 8 é responsável por regulamentar a qualidade de

energia para os consumidores residenciais, com tensão igual ou inferior a 1 kV, quando a

tensão de alimentação de alimentação ultrapassa o valor de 5% para mais ou para menos

do valor contratado pelo usuário.

No estudo que está sendo proposto, decidiu-se por variar a tensão de alimentação

de 0,95 p.u. para 1,05p.u. em passos de 0,05. Aplicou-se o distúrbio depois de 5 (cinco)

segundos em que se partiu o motor, e após os 20 (vinte) segundos a alimentação volta ao

normal, para após os 30 (trinta) segundos o sistema ser desligado completamente.

Escolheram-se resultados como o consumo de energia elétrica, energia mecânica do

eixo, velocidade do motor, assim como a comparação da energia mecânica sobre a energia

total do sistema. Estes resultados são apresentados nas tabelas 3 e 4, sendo,

respectivamente para o motor direto e para o motor com o inversor.

56

A Tabela 3 indica os resultados das simulações do motor ligado direto na rede. Os

resultados mostram que o consumo se altera com a variação da tensão terminal. É

perceptível que o funcionamento dessa máquina é prejudicado com alterações na fonte de

alimentação, mais do que o motor com o inversor. Valores diferentes da tensão de

alimentação representam diferentes valores no consumo de energia e no aproveitamento da

mesma. A energia consumida aumenta com o aumento da tensão de alimentação, a energia

mecânica também.

Tabela 3 - Dados das simulações realizadas do motor ligado de forma direta.

MOTOR DIRETO

Tensão (p.u.) Energia Elétrica (Ws)

Energia Mecânica do Eixo (Ws)

Energia Mecânica / Energia Elétrica

0,95 1.271.000 982.000 0,77262

0,96 1.271.800 982.000 0,77213

0,97 1.272.300 982.100 0,77191

0,98 1.272.500 982.200 0,77187

0,99 1.272.700 982.200 0,77175

1 1.276.000 982.300 0,76983

1,01 1.275.300 982.300 0,77025

1,02 1.276.700 982.400 0,76948

1,03 1.277.200 982.400 0,76918

1,04 1.277.900 982.500 0,76884

1,05 1.278.100 982.500 0,76872


A Tabela 4 indica os resultados das simulações do motor ligado com o inversor de

frequência. Este motor, como se pode ver, apresenta maior estabilidade a variações da

tensão de alimentação, mantendo assim a energia mecânica do eixo quase inalterada,

variando de 884.200.000 Ws para 885.600 Ws e a velocidade mantida em 1800 rpm. Além

disso, a eficiência do sistema aumenta tendo em vista que a energia de entrada do mesmo

varia muito pouco apesar da variação da tensão de alimentação. Observa-se que há um

melhor aproveitamento de energia tendo em vista que a divisão se torna cada vez mais

próxima do valor unitário. De forma lenta essa mudança é observada na tabela em questão.

57

Tabela 4 - Dados das simulações realizadas do motor com o inversor de frequência

MOTOR + INVERSOR

Tensão (p.u.) Energia Elétrica (Ws) Energia Mecânica do Eixo

(Ws) Energia Mecânica /

Energia Elétrica

0,95 884.200 753.300 0,85196

0,96 884.400 753.300 0,85176

0,97 884.500 753.300 0,85167

0,98 884.700 753.400 0,85159

0,99 884.800 753.400 0,85149

1 884.900 753.500 0,85151

1,01 885.100 753.500 0,85132

1,02 885.300 753.500 0,85112

1,03 885.400 753.500 0,85103

1,04 885.500 753.500 0,85093

1,05 885.600 753.500 0,85084


4.4 Discussão dos Resultados

Pelos gráficos e tabelas apresentados neste capítulo, pode-se concluir que a

corrente elétrica de partida do motor ligado direto é maior do que a mesma referente ao

motor ligado com o inversor. Como se pôde constatar, a mesma passa de 12,75 A para

7,902 A. Ainda referente à corrente do motor, porém em regime permanente, pode-se

afirmar que ambos apresentam corrente na ordem de 3,791 A. A se aplicar um degrau no

torque requerido, observou-se que o motor ligado com o inversor apresentou menor

variação do seu ponto de operação se comparado com a máquina ligada de forma direta.

Pode-se visualizar que o sistema com o inversor sobe a corrente para 4,68 A, já o outro

sobe para 4,543 A.

Quanto à energia consumida pelos sistemas, no período de 40 (trinta) segundos,

período em que se foi ligado e testado o sistema, pode-se concluir que a economia de

energia é visível. O motor direto consome 1.276.000 Ws já o motor com o inversor

apresenta o consumo da ordem de 884.900 Ws. Porém quando se aplica a variação do

torque no eixo do motor ou altera-se a tensão de alimentação, a energia consumida possui

uma pequena variação.

58

Já o fator de potência do motor ligado com o inversor permanece sempre próximo

do valor unitário. Ao se aplicar no mesmo variações na tensão de alimentação percebe-se,

ainda, que o aproveitamento de energia total entregue é menor à medida em que se

aumenta a tensão de alimentação.

Referente à máquina ligada diretamente na fonte e sem o equipamento de controle, o

motor convencional apresenta o fator de potência inicial, da ordem 0,7886, que se eleva

para 0,7933 ao se alterar o torque requerido de 1 p.u. para 0,95 p.u. (Figura 22).

Sobre o torque eletromagnético da máquina ligada direta quando comparada com o

motor ligado com o inversor pode-se afirmar que o primeiro sistema apresenta maiores

vibrações e grandes variações na amplitude da forma de onda. O torque inicial desse se

inicia baixo e eleva-se até o valor máximo de 11,58 N.m para a máquina atingir a velocidade

nominal. Já o motor com inversor, apresenta o torque inicial mais elevado, sendo da ordem

de 3,2 N.m e, posteriormente, baixando para 1,158 N.m. Ao se aplicar a variação do torque

observa-se que esse último sistema apresenta menor variação do que o convencional,

saindo de 1,58 Nm para 1,638 Nm. O convencional apresentou um salto de 6,01 N.m para

7,28 N.m.

É relevante também afirmar que a aceleração do mesmo é em rampa e de forma

mais lenta se comparada ao sistema direto. A máquina, quando ligada diretamente na rede,

sem a utilização do inversor, acelerou até estabilizar em 1739 rpm, sendo que ao variar o

torque no eixo do motor, a velocidade elevou-se até 1769 rpm sendo o torque no valor de

0,95 p.u.

59

5. Conclusão

É importante para o estudo de eficiência energética avaliar o funcionamento do

aparelho de ar-condicionado, uma vez que, este representará boa parte da demanda de

energia de uma residência, por apresentar elevado consumo de energia elétrica e se tornar

cada dia mais comum nas residências brasileiras. Além disso, segundo a ABRAVA

(Associação Brasileira de Refrigeração, Ar Condicionado, Ventilação e Aquecimento), "Os

grandes projetos dependem de grandes obras e a área de construção civil projeta

crescimento de 4% no próximo ano. Diante dessa estimativa, nossa avaliação para o

próximo ano é de acréscimo de 6% para o setor de ar-condicionado”. Estas são as

estimativas de crescimento para o ano de 2015.

Muito importante frisar a importância da aplicação do inversor de frequência no uso

de motores monofásicos como em aparelhos refrigeradores como o ar condicionado, as

geladeiras e freezers, podendo também ser aplicado em máquinas de lavar. Provou-se que

utilizando o mesmo obtém-se maior eficiência na utilização da energia elétrica, abaixando

assim o consumo de energia elétrica.

Pode-se citar, entre os pontos positivos da utilização do inversor para o controle do

motor, o controle da corrente de partida, sendo esta realizada tendo como base uma rampa

para acelerar o rotor até a velocidade desejada, diminuindo assim as correntes nos

enrolamentos principal e secundário. Isso diminui a necessidade de infraestrutura mais

robusta, possibilitando a utilização de cabos com bitolas menores, por exemplo.

Outro ponto positivo é o fato de que ao utilizar-se do conversor para controle do

motor, o conjunto se mostra robusto a distúrbios de alimentação mantendo sempre a

velocidade na mesma amplitude. Nesse ponto, o motor direto se mostrou bastante

vulnerável diminuindo ainda mais a eficiência energética ao se alterar a amplitude da fonte.

Muito importante lembrar também da robustez do conjunto citado acima por meio de

alterações do torque nominal aplicado ao eixo. Ao variar o torque no motor com o inversor,

observou-se que a velocidade de rotação não sofreu alteração e o torque eletromagnético

também permaneceu estável, bem diferente do motor direto, o qual se mostrou bastante

susceptível a essas alterações. Isto só foi possível, pois o inversor foi configurado para

manter a velocidade constante no motor.

Importante lembrar que o controle do motor também pode ser utilizado para

aperfeiçoar o ponto de operação da máquina, o qual pode ser programado para maximizar a

eficiência energética alterando se assim a velocidade e potencializando a aplicação dessas

máquinas para cada caso em que se está sendo utilizado. Além disso, este conjunto

60

apresenta fator de potência mais próximo do valor unitário, o que contribui para a grande

área da eficiência energética.

Tendo estas características todas em vista, a utilização do inversor para utilidades

domésticas torna-se interessante. Deve-se investir na correta utilização da energia elétrica e

investir cada vez mais na eficiência energética, ainda mais em sistemas de refrigeração

como ar condicionado.

61

6. Referências Bibliográficas

[1] IEEE Standard 519-1992, “Recommended Practices and Requirements for Harmonic

Control in Electric Power Systems”, 1992.

[2] IEEE Task Force, “The Effects of Power System Harmonics on Power System Equipment

and Loads”, IEEE Trans. Power App. and Systems, vol. 104, no. 9, Set. 1985, pp.2555-2563.

[3] R. D. Henderson e P. J. Rose, “Harmonics: The Effects on Power Quality and

Transformers,” IEEE Trans. Industry Applications, vol. 30, 1994, pp. 528-532.

[4] J. L. Afonso, J. S, Martins, C. Couto, “Active Filters with Control Based on the p-q

Theory”, IEEE Industrial Electronics Society Newsletter, vol. 47, nº 3, Set. 2000.

[5] A. B. de Vasconcellos, R. Apolônio, M. S. M. Alves, J.Moreira, T. I. R. de Malheiro,

“Análise da Qualidade de Energia Elétrica no Barramento que Alimenta os Equipamentos de

Auxílio à Navegação Aérea por Instrumentos do Aeroporto Marechal Rondon” In:

Conferência Brasileira sobre Qualidade da Energia Elétrica, 2009, Blumenau/SC.

[6] A. B. de Vasconcellos, J. A. Lambert, D. L. R. Martins, T. V. da Silva, T. I. R. de

Malherios, “Energy Quality in na Operation Center Of Data Processings In: COBEP 2009 -

The 10TH Brazilian Power Eletronics Conference, 2009, Bonito - MS.

[7] Resolução 345/2008 da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL).

[8] S. M. R., Sanhuela. “Modelagem e Análise de Condicionadores de Ar dos Tipos

Convencional e Inteligente e Influência no Comportamento Dinâmico das Redes Elétricas”,

Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica), Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia,

2007.

[9] Carrier Air Conditioning Company (United States). Handbook of Air Conditioning System

Design Carrier. New York: McGraw Hill Book Company, 1965. 780 p.

[10] A. F. Fitzgerald; C. Kingsley; A. Kusko. Electric Machinery: the processes, devices, and

systems of electromechanical energy conversion. New York: McGraw-Hill, 1971.

62

[11] FIX-IT-CLUB. Como conservar um aparelho de ar condicionado. Disponível em:

<http://www.hsw.uol.com.br/como-conservar-condicionador-de-ar1.htm>. Acesso em: 21 jun.

2013.

[12] WEG. Motores de indução alimentados por inversores de frequência PWM. Disponível

em: <http://ecatalog.weg.net/files/wegnet/WEG-motores-de-inducao-alimentados-por-

inversores-de-frequencia-pwm-027-artigo-tecnico-portugues-br.pdf>. Acesso em: 2 jul. 2014.

[13] CABRERA, M. C. “Análise da eficiência energética de motores monofásicos para

aplicações residenciais”. 2013. 81 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Engenharia Elétrica)-

Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2013.

63

APÊNDICE A

Dados do motor:

Parâmetros do Motor

Motor Monofásico

Classificação Capacitor de Partida Permanente

Potência Nominal (VA/HP) 1000

Tensão Nominal (Mrms) 220

Frequência Nominal (Hz) 60

Par de Polos 2

Resistencia do Enrolamento Principal (Ω)

4,12

Resistencia do Enrolamento Auxiliar (Ω)

7,14

Indutância do Enrolamento Principal (mH)

5,6

Indutância do Enrolamento Auxiliar (mH)

8,54

Inercia do rotor (Kg.m²) 0,0146

Capacitância de Partida (µF) 255

Capacitância de Marcha (µF) 21,1


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