Em artigo especial Miguel Morales, Gerente de Desenvolvimento de Negócios para Microcontroladores C2000 da Texas Instruments mostra como um projeto eficiente de um controlador para aplicações AC pode ser importante para a economia de energia. Traduzimos o artigo, com permissão da Texas Instruments, para que o leitor tenha uma idéia de como isso pode ser feito num tempo em que economia é fator fundamental em qualquer projeto.
Recentemente, meu sobrinho mudou-se do Arizona para o Texas. Ele estava procurando explicar a diferença do clima no verão quando me controu: “O Arizona parece um forno, mas o Texas parece um chuveiro quente”. Qualquer que seja o clima que o leitor prefira, forno ou chuveiro, conforme seu gosto, mas em qualquer caso sou confidente em dividir o amor universal por um ar condicionado.
Infelizmente, os confortos que criamos tendem a comprometer nossos orçamentos, e o ar condicionado não é exceção. Ar condicionado é o número um em consumo de energia numa residência. Isso faz com que os vendedores de ar condicionado providenciem sistemas mais eficientes, tanto através de regulamentação industrial como em função da demanda pelo consumidor.
Este artigo resume as definições da indústria para eficiência e proporciona uma descrição de técnicas que os projetistas de sistemas de ar condicionado estão usado para superar o desafio dos padrões que aumentam a dada dia, e ao mesmo tempo reduzir os custos da implementação de seus sistemas.
Definindo Eficiência
Um padrão para medir a eficiência e o Energy Efficiency Radio ou EER. O EER é calculado como a capacidade líquida de resfriamento (medida em Btuh) dividida pela potência total de entrada (medida em kW). A medida pode ser tomada sob qualquer condição de operação, mas no final das contas, as comparações de EER foram padronizadas para uma única condição de operação.
A segunda medida da eficiência é o Seasonal Energy Efficiency Ratio ou SEER. O valor SEER é um o valor EER ponderados tanto em condições de alta como baixa umidade em diferentes modos de operação – indo do estado em funcionamento como repouso. O SEER é medido nas mesmas unidades que o EER, e então um valor mais alto indica uma eficiência mais alta.
Como os padrões mínimos para ficar de acordo com o requisitos dos EER e SEER aumentaram, as empresas de ar acondicionado tem conseguido se manter à frente das exigências, melhorando seus algoritmos de controle e aumentando a integração do sistema. No próximo item explicaremos como os vendedores de ar condicionado conseguiram isso pela combinação de algoritmos altamente eficientes de controle de velocidade com correção ativa de fator de potência.
Por que integrar Controle de Motor com PFC?
Os controles variáveis de velocidade de motores usam o ângulo digital de rotação do motor e uma técnica denominada Field Oriented Control, ou FOC, para obter maior resposta de toque nos extremos, superior e inferior, da curva de velocidade do compressor. Mais do que apenas ligando e desligando o motor, o FOC fornece um torque ótimo como um mínimo de ripple e vibração reduzida em toda a faixa de velocidade do motor. Além de aumentar a vida e a confiabilidade do motor, o controle de velocidade variável baseado em FOC reduz o desperdício de energia quando as saídas de controle não estão sintonizadas na velocidade do motor. Esta técnica é agora o padrão de outro dos projetos eficientes de ar condicionado.
A correção do fator de potência é usada para maximizar a potência ativa disponível num ar condicionado. Além de serem uma exigência do padrão IEC61000 EMC, a correção do fator de potência (PFC) tem muitas vantagens. Maximizando a potência ativa, a maior parte da energia fornecida pela concessionária de energia estará disponível para uso na aplicação e uma tensão de barramento maior poderá ser conseguida. Como a tensão máxima do barramento (rede) é proporcional à velocidade máxima do motor, uma implementação eficiente do PFC faz com que seja necessária menos energia para se obter maior capacidade de resfriamento do seu ar condicionado.
PFC Ativa significa um elo de realimentação fechado usando um microcontrolador (MCU) que adiciona o benefício de manter uma tensão constante de saída apesar das mudanças na carga. A carga é função da velocidade que também é gerenciada pela MCU no sistema. Assim, a simples implementação de uma MCU que combina PFC e um controle variável de velocidade do motor (FOC) surgiu como a combinação vencedora para máxima eficiência de um sistema de ar condicionado.
Uma técnica comum é combinar o controle variável de velocidade do motor e PC é explicada no artigo “Efficient Motor Control for HVAC Appliances” de Nene & Akin na edição de janeiro de 2011 da revista DESIGN. No blog do autor este artigo está resumido.
Intercalando o Controle de Motor e o PFC
Assuma um elo de controle de motor com uma frequência de operação de 20 kHz e um elo de PFC de 100 kHz. O controlador de corrente do PFC opera em metade da frequência de comutação de 50 kHz enquanto que o loop de controle opera em 10 kHz. A figura 1 mostra a sincronização ótima dos elos de controle do PFC e do controle do motor.
O MCU deve ter uma performance suficientemente elevada para manter estes dois loops de controle. De forma mais crítica, a MCU deve minimizar a latência de modo a prevenir a latência para prevenir que um loop de baixa frequência do controle do motor cause a ruptura do loop de alta frequência do PFC.
Isso pode ser acompanhado pelo uso de duas interrupções dedicadas, mas com atenção para os casos onde os cálculos no loop lento de controle do motor atrase a execução do loop rápido de controle do PFC. As conseqüências podem variar conforme a aplicação. Uma implementação melhorada pode gerenciar ambos os controles pela mesma interrupção. A interrupção única é disparada pelo controle PFC mais rápido enquanto que o controle de movimento mais lento é dividido em fatias de tempo que podem ser calculadas para os intervalos de latência do ISR do PFC. A figura 2 mostra como isso pode ser conseguido.
Dada a disponibilidade atual de soluções avançadas de controle em tempo real, esta técnica foi extrapolada para suportar o controle duplo de motores + PFC em velocidades de operação de processadores em velocidades baixas até 60 MHz. Outras implementações incluem o uso de aceleradores ou implementação em cernes duplos para o controle e o PFC separados. Existem várias características de produtos que podem atender eficientemente às necessidades de projetos de ar condicionado variando de complexidade. Veja mais em: http://www.ti.com/ep-mcu-c2x-mcugen-piccolo-spincycle-lp-en para saber sobre as famílias de MCUs da Texas que podem ser usadas nesta aplicação.
Independentemente das preferências de seu vendedor, mantenha-se de olho nas características que levem seu projeto a maior eficiência e para as implementações de software que reduzirão seu tempo de chegada ao mercado. Ao mesmo tempo, fique frio, fique confortável e considere como a vida pode ser melhor desfrutada se você estiver com um bom sistema de ar condicionado.
