Velocidade variável

Melhor qualidade de fonte de alimentação, diagnósticos do sistema, controle de umidade, economia de energia, controle de temperatura preciso, menos ruídos, segurança de processo, maior conforto.

A tecnologia do compressor inverter oferece novas oportunidades para sistemas de ar condicionado, principalmente em termos de edifícios energicamente eficientes, consumo de energia reduzido e custos operacionais mais baixos. 

Além disso, a tecnologia melhora o fator de potência, levando a uma melhor qualidade de fonte de alimentação, e ao melhor diagnóstico de sistema e a protocolos de comunicação abertos que facilitam os serviços. 

A adaptação contínua à demanda de refrigeração proporciona maiores economias de energia e controle preciso de temperatura.

O compressor adequa a capacidade de refrigeração à entrada de energia. A unidade lida efetivamente com mudanças na temperatura e funciona em carga parcial, o que pode representar mais de 30% de redução na conta de luz todo ano se comparado aos compressores de velocidade constante ou a compressores modulados mecanicamente. O controle estável de temperatura garante ótimos resultados aos processos e proporciona maior conforto. De modo geral, isso significa eficiência energética nos edifícios.

A modulação da capacidade atenua a demanda por picos de energia, o que também contribui para aumentar a confiabilidade e a qualidade da energia fornecida.

O controle de partida suave leva a uma corrente de irrupção próxima de zero e melhora o EER:

• A partida DOL (Direta-on-line) do compressor usa de 5 a 6 vezes a corrente nominal até que a velocidade de funcionamento é obtida. O compressor de velocidade constante tradicional em um sistema faz de 8 a 12 ciclos de início e parada e todo início irá retirar alta corrente do suprimento que leva a um alto consumo de energia e à sobrecarga no abastecimento e nas partes mecânicas do compressor.
• A maioria dos compressores scroll inverter possuem uma partida suave que evita a ocorrência de torques. Eles impedem que haja tensão mecânica na máquina e geram custos mais baixos de serviços além de menor desgaste. A baixa corrente de irrupção também ajuda na economia de custos fixos provenientes das utilidades (cálculo da corrente de pico) e reduz as cargas de rede elétrica e reserva de energia.

Os benefícios adicionais dos compressores inverter são:

• Melhor controle de umidade, tornando a unidade adequada até mesmo para instalações em spas graças ao ajuste de capacidade da unidade, o que resulta em melhor controle da temperatura de evaporação.
• Menos ruído se comparado a sistemas on-off convencionais durante operação com carga parcial.
  Além dos benefícios padrão para toda a linha e tecnologia de compressores variadores, a Danfoss Commercial Compressors pré-qualificou os compressores inverter e drives para funcionarem juntos.

Isso complementa uma longa lista de benefícios aos fabricantes, engenheiros, consultores e usuários finais em termos de:

• redução do número de componentes no sistema
• Maior confiabilidade e funcionamento contínuo
• Maior facilidade para implementar a tecnologia
• Redução de custos aplicados
• Tempo de mercado mais rápido.

Figura 1

O consumo de energia para sistemas de refrigeração usando diferentes configurações dos compressores. O índice de consumo médio baseado em simulações para compressores de 10-30TR usados em aplicações de relação de pressão baixa (cumeeira); Índice 100 = Consumo de energia do VZH scroll inverter da Danfoss.

Figura 2

Perfil de carga típico em um edifício.
Somente algumas porcentagens das operações estão em carga completa em um edifício. Os sistemas HVAC são projetados para condições de pico (lado direito do gráfico). Porém, estas condições não são as mesmas em que o equipamento irá operar na maior parte do tempo. Este gráfico representa os dados climáticos anuais típicos e as horas de funcionamento (% do ano) para cada condição. 

Fonte: Ferramenta HVAC Danfoss

a seleção de compressor e drive e o projeto cuidadoso tornam o sistema geral confiável e eficiente.

Importância do drive de velocidade variável: O compressor e o drive precisam estar qualificados para funcionar juntos e de modo eficiente em diversas aplicações dedicadas. O drive modula a velocidade do compressor e impede que o compressor funcione fora dos limites de operação. Os conversores de frequência inverter precisam usar algoritmos desenvolvidos especificamente para aquecimento, ventilação e ar condicionado (HVAC) ou para refrigeração. Eles garantem o funcionamento do sistema dentro dos limites de aplicação. O drive pode também gerenciar outros controladores, tais como válvulas de injeção a óleo ou compressores múltiplos. Conforme a velocidade de rotação do compressor muda, a quantidade de refrigerante — e óleo — fluindo através do compressor aumenta ou diminui. O drive garante que o compressor esteja perfeitamente lubrificado em todas as suas velocidades.

Habilidades necessárias ao fabricante (OEM) na integração do sistema inverter: nem todos os OEMs estão preparados para adotar a tecnologia inverter devido às seguintes razões:

1. Nível de competência e conhecimento da engenharia OEM na implementação da tecnologia inverter. A robusta experiência em mecânica deve ser complementada com habilidades em engenharia elétrica, assim como em programação e desenvolvimento do controlador.
2. Os compressores variadores mudam constantemente de velocidade para se adaptarem à carga, o que torna o gerenciamento de óleo do sistema mais complexo em comparação à tecnologia tradicional. Deter domínio do gerenciamento de óleo é essencial e - quando não utilizar um tipo de compressor livre de óleo - neste ponto, a experiência do fabricante faz a diferença.
3. O apoio aos OEMs na aplicação de compressores e drives inverter é fundamental à integração do sistema.

Concepções equivocadas sobre a tecnologia de velocidade variável

A tecnologia inverter reage lentamente às mudanças de carga: a velocidade de aceleração/desaceleração de alguns scrolls inverter está entre <0,1s; 3600s>Perdas do inverter com carga máxima de 5 a 10%. Em velocidade máxima, o inverter perde 3% de eficiência. Como a carga máxima não é o perfil dominante, a perda será mínima no consumo geral da unidade.

A circulação de óleo aumenta na operação de alta frequência. A taxa de circulação de óleo controlada eletronicamente por alguns scrolls inverter pode ser menos de 3% à velocidade máxima. O gerenciamento de óleo é mais complexo com sistemas de compressor inverter. Alguns scrolls inverter controlam a circulação de óleo tanto em velocidade mínima quanto em máxima, exigindo adaptações mínimas do projeto.

Os inverters não podem ser usados onde a EMC (Compatibilidade Eletromagnética) é uma preocupação. Algumas soluções inverter oferecem 2 níveis de filtro de EMC que atendem aos padrões europeus mais rigorosos relacionados à interferência eletromagnética.

Evitar um sistema de grande porte, reduzir a conta de energia elétrica e corrente de irrupção e maximizar o conforto são algumas das principais guias para capacidade variável.

Muitos sistemas de refrigeração e ar condicionado exigem processos confiáveis, mais eficientes, compactos, ecologicamente corretos, fáceis de instalar e de manter. Os requisitos de refrigeração podem variar por uma ampla faixa ao longo do dia e ao passar do ano devido às condições ambientais, ocupação e uso, iluminação, etc.

• Na refrigeração de conforto, poderá haver a necessidade de uma temperatura precisa e estável, além do controle de umidade em áreas como hospitais, centrais de TI e telecom, e refrigeração de processo.
• Em aplicações como escolas, restaurantes e escritórios, é importante que o sistema de refrigeração esteja apto a se adaptar a amplas mudanças de cargas diárias.
• Em aplicações de processo, tais como fermentação, túneis de cultivo e processos industriais, ajustes precisos de temperatura são necessários para garantir a qualidade da produção.

Três diferentes tendências de mercado estão convergindo para criar novas oportunidades para soluções eficientes e sustentáveis: 

• Eficiência energética
• Sistemas inteligentes
• Impacto ambiental

Eficiência energética não é mais uma opção. Os regulamentos de energia estão se fortalecendo. A construção de códigos de energia e padrões estão sendo desenvolvidos globalmente e incentivos de energia, recebendo maior atenção. Outra questão mundial é a segurança de energia. Como garantir que não haverá falta de energia algum dia?

Os sistemas de refrigeração e HVAC são normalmente projetados para atender a demandas de pico, que representam apenas uma pequena porcentagem da operação real. Tais sistemas levam a perdas de eficiência e custos extras em grande porte. A modulação eficiente da capacidade de energia é um meio de se adaptar a capacidade de refrigeração às demandas de refrigeração, desse modo, adequando essas exigências de aplicação.

Existem várias maneiras de se modular a capacidade de refrigeração em sistemas de refrigeração ou ar condicionado e aquecimento. As mais famosas em ar-condicionado são: ciclagem ON-OFF, circuito secundário de gás quente, configurações do manifold de compressores múltiplos, modulação mecânica (também chamada de digital) e tecnologia inverter. Cada uma possui vantagens e desvantagens.

• Ciclagem ON-OFF: resulta no desligamento do compressor de velocidade constante sob condições de carga baixa, podendo levar à ciclagem curta e à redução na vida útil do compressor. A eficiência da unidade é reduzida pela ciclagem da pressão e pelas perdas na transição. A capacidade de modulação é de 100% ou 0%.
• Circuito secundário de gás quente: envolve a injeção de uma quantidade de gás partindo da descarga em direção à sucção. O compressor continuará operando à mesma velocidade, mas, graças a esse circuito secundário, o fluxo de massa refrigerante que circula com o sistema é reduzido e, assim, reduz a capacidade de refrigeração. Isso naturalmente leva o compressor a funcionar sem necessidade durante os períodos em que o circuito secundário está operando. A capacidade de modulação varia de 0 a 100%.
• Configurações do manifold: vários compressores podem ser instalados no sistema para proporcionar a máxima capacidade de refrigeração. Cada compressor pode funcionar ou não para otimizar a capacidade de refrigeração da unidade. A capacidade de modulação pode ser tanto 0/33/66 ou 100% para uma configuração trio quanto 0/50 ou 100% para um tandem.
• Compressor modulado mecanicamente: esta modulação mecânica de capacidade interna está baseada no processo de compressão periódica com uma válvula de controle, os 2 conjuntos de scroll se movimentam alternadamente e desligam o compressor por um determinado período. Esse método varia o fluxo de refrigerante mudando o tempo médio de compressão, mas não a velocidade real do motor. Apesar de uma excelente razão de modulação – de 10 a 100% da capacidade de refrigeração –, os scrolls modulados mecanicamente apresentam alto consumo de energia, já que o motor funciona continuamente.
• Compressor variador: utiliza um conversor de frequência variável – conhecido também como drive variador – para desacelerar ou acelerar a velocidade do motor que roda o compressor. Este método altera o fluxo de refrigerante pela variação na velocidade do compressor. A razão de modulação depende da configuração do sistema e do fabricante. Ele modula de 10% (dependendo do modelo do compressor) até 100%, em capacidade total, com um inverter simples.

Ar condicionado é responsável por, aproximadamente, 20% do consumo de eletricidade anual total em um país como os EUA. A introdução da tecnologia do drive inverter em sistemas de ar condicionado e bombas de calor apresenta uma oportunidade para economias de energia significativas devido à operação eficiente de carga parcial, além de ajudar a melhorar a qualidade da energia da rede. 

O fator de potência é uma importante medida do quanto a empresa de energia precisa trabalhar para entregar eletricidade. 

Aumentar o fator de potência das instalações pode impactar diretamente a qualidade da fonte de alimentação. Para empresas de prestação de serviços elétricos, isso acarreta em menos perdas e melhor confiabilidade do serviço. Para proprietários de casas e construtoras, isso significa um equipamento mais eficiente com a possibilidade de programas de incentivos federais, estaduais e/ou para empresas de serviços locais. 

O fator de potência é a combinação do fator de potência de deslocamento (deslocamento de energia ativa e reativa) e o fator de potência de distorção (distorção da energia elétrica devido a harmônica).

Fator de potência perto de 1 significa:

• Nenhuma interferência com outros equipamentos instalados,
• Nenhuma interferência com a rede elétrica, 
• Redução nas perdas e maior eficiência. 

O uso de drives inverter permite uma melhoria significativa no fator de potência, já que o fator de potência de deslocamento é perto de 1. O fator de potência de distorção, contudo, afeta negativamente os transformadores, cabos, fusíveis e disjuntores devido a harmônica. 

A tecnologia inverter da Danfoss tem uma baixa distorção e alto fator de potência (0,98) devido à correção de um afogador CC enquanto outros conversores de frequência inverter ou sistemas modulados mecanicamente podem ter um fator de potência tão baixos quanto 0,60. 

Outros benefícios da correção do drive prequalificado nas soluções inverter da Danfoss: 

• melhora a tensão do circuito imediata sempre que necessário, o que aprimora as capacidades operacionais em tensões de alimentação baixas. 
• Aumenta a tensão no indutor CA, reduzindo a corrente e a tensão por toda a cadeia dos componentes de energia, ao mesmo tempo em que minimiza os custos. 
• A maior tensão de barramento CC reduz a corrente do motor e perdas. 
• A PFC (Active Power Factor Correction, ou Correção de Fator de Potência Ativa) pode ser ligada e desligada conforme desejado para a melhor eficiência do sistema.

Um compressor inverter é projetado para operar com um drive que ajusta, de modo contínuo, a velocidade do motor do compressor para entregar a refrigeração necessária.

Ele pode ser tanto um compressor semi-hermético, aberto, recíproco, rotativo ou scroll, incluindo compressores axiais, centrífugo e parafuso. Este tipo de compressor usa um drive especial para controlar a velocidade do motor do compressor (medida em rotações por segundo - RPS). Os compressores inverter podem operar em diferentes velocidades: O compressor inverter foi especialmente projetado para funcionar em diferentes velocidades do motor e, assim, gerar um fluxo mássico modulado de refrigerante e óleo, produzindo refrigeração.

O conversor de frequência variável indica o requisito de refrigeração ao motor do compressor. O motor se adapta continuamente para produzir mais ou menos a capacidade de refrigeração e se adequar à necessidade exata de refrigeração. A combinação de dois controladores - compressor e drive - proporciona uma modulação contínua de refrigeração. O princípio de velocidade variável exige um compressor muito confiável para funcionamento a toda velocidade e um sistema especial de lubrificação para sistemas usando óleo. O bom gerenciamento de óleo é um fator crítico para assegurar a vida útil do compressor. O sistema de gerenciamento de óleo garante uma boa lubrificação do conjunto de scroll, a uma baixa velocidade, e impede que o excesso de óleo seja injetado no circuito quando opera com velocidade máxima para manter uma proporção de circulação de óleo ideal.