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FRANCISCO ERNESTO MORENO GARCIA
ESTUDO EXPERIMENTAL DE UM CONTROLE ADAPTATIVO PARA UM SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO.
UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
2006
Livros Grátis
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FRANCISCO ERNESTO MORENO GARCIA
ESTUDO EXPERIMENTAL DE UM CONTROLE ADAPTATIVO PARA UM SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO.
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-
graduação em Engenharia Mecânica da
Universidade Federal de Uberlândia, como parte
dos requisitos para a obtenção do título de
MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA.
Área de Concentração: Energia e Sistemas
Térmicos.
Orientador: Prof. Dr. Enio Pedone Bandarra
Filho.
UBERLÂNDIA - MG 2006
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)
M843e
Moreno Garcia, Francisco Ernesto, 1981- Estudo experimental de um controle adaptativo para um sistema de refrigeração / Francisco Ernesto Moreno Garcia. - 2006. 95 f. : il. Orientador: Enio Pedone Bandarra Filho. . Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de Uberlândia, Progra- ma de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Inclui bibliografia.
1. Refrigeração -Teses. I. Bandarra Filho, Enio Pedone. II. Universida- de Federal de Uberlândia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. III. Título.
CDU: 621.56
Elaborada pelo Sistema de Bibliotecas da UFU / Setor de Catalogação e Classificação
FRANCISCO ERNESTO MORENO GARCIA
ESTUDO EXPERIMENTAL DE UM CONTROLE ADAPTATIVO PARA UM SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO.
Dissertação APROVADA pelo Programa de Pós-
graduação em Engenharia Mecânica da
Universidade Federal de Uberlândia.
Área de Concentração: Energia e Sistemas
Térmicos.
Banca Examinadora: ---------------------------------------------------------------------------- Prof. Dr. Enio Pedone Bandarra Filho – UFU - Orientador ---------------------------------------------------------------------------- Prof. Dr. Oscar Saul Hernandez Mendoza – FEMEC – UFU ---------------------------------------------------------------------------- Prof. Dr. João M. D. Pimenta – UNB
Uberlândia, Novembro de 2006.
Aos meus pais, Elizabeth Garcia e Ernesto Moreno Fossi, exemplos de amor, de humildade, de luta, incentivadores constantes e inigualáveis na minha caminhada, que sempre orientaram meus primeiros passos imprescindíveis, dedico essa conquista.
A minha irmã Flor Elizabeth, pelo amor, amizade e apoio.
FRANCISCO
AGR ADE CIME NTOS A Deus por me dar todas as oportunidades presentes na minha vida.
A Prof. Dr. Enio Bandarra Filho pelo exemplo de trabalho e por ser um ótimo pesquisador.
Também pelo ensino e paciência que teve ao me orientar.
À Universidade Federal de Uberlândia e à Coordenação da Pós-Graduação da Faculdade
de Engenharia Mecânica, em nome de todos os professores e funcionários que direta e
indiretamente contribuíram para a realização desta dissertação de mestrado.
Aos meus amigos do LEST: Ângelo Tumialan Borja, Gleyzer Martins e Jose Edmundo Pitillo,
pela colaboração dedicada e despretenciosa que ofereceram à esta dissertação.
Aos meus amigos e irmãos Manuel Villafañe Saldarriaga, Israel Cardenas Nuñez, José
Antônio Tumialan Borja, pelo apoio motivacional e pelo companheirismo manifestados ao
longo da duração desta pós-graduação.
Aos meus amigos e amigas pelas horas de descontração, atualização cultural e alegria nas
oportunidades de convivência vividas no Brasil.
À CAPES (Fundação Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior) pelo
apoio financeiro.
À empresa BITZER compressores pela doação do compressor para a montagem da
bancada de ensaios, a ACP pelos trocadores de calor, e EMERSON Climate Technologies,
pela válvula de expansão e a Polipex pelo isolamento da Bancada.
A toda minha família CANAL COLMENARES, família GARCIA, família MORENO FOSSI, e
Padre Humberto Nieto pela importância que representam na minha vida. E finalmente,
expresso o mais sincero agradecimento ao Prof. Oscar Saul Hernandez Mendoza,
compreensão, oportunidade, paciência, conhecimento transmitido e amizade fraternal
dispensados à minha pessoa. Muito obrigado.
ESTUDO EXPERIMENTAL DE UM CONTROLE ADAPTATIVO PARA UM SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO.
SUMÁRI O
Capitulo I
INTRODUÇÃO 1
Capitulo II REVISÃO BIBLIOGRAFICA 3
2.1 Sistemas de Refrigeração por compressão de vapor 3
2.2 Otimização e controle de operação de sistemas de refrigeração 7
Capitulo III BANCADA EXPERIMENTAL 13
3.1 Considerações Iniciais 13
3.2 Construção da Bancada experimental 14
3.3 Componentes da Bancada Experimental 17
3.3.1 Compressor 17
3.3.2 Condensador e evaporador 19
3.3.3 Válvula de expansão 20
3.3.4 Filtro secador 21
3.3.5 Controlador Lógico Programável (CLP) 22
3.3.6 Variador de freqüência 25
3.3.7 Medidor de vazão tipo Coriolis 28
3.4 Sistema aquisição de dados e comando 29
3.4.1 Conceito da Automatização como ferramenta básica 29
3.4.2 Nível Sensores / Ação / Condicionamento 30
3.4.3 Nível de Controle (Nível de campo) 36
3.4.4 Nível Supervisionamento, Gestão e Análise 38
Capitulo IV CONTROLE ADAPTATIVO 41
4.1 Introdução 41
4.2 Fundamentos da Lógica fuzzy 41
4.2.1 Base de regras 44
ii
4.2.2 Fuzzyficação 44
4.2.3 Inferência 45
4.2.4 Defuzzyficação 45
4.3 Controlador Fuzzy Adaptativo 46
4.3.1 Monitor do Processo 46
4.3.2 Mecanismo de adaptação 47
Capitulo V RESULTADOS EXPERIMENTAIS 53
5.1 Identificação física dos parâmetros 53
5.2 Procedimento Experimental 54
5.2.1 Conhecimento de condições iniciais da bancada experimental 58
5.2.2 Resposta do sistema ao aumentar a massa do refrigerante 63
5.2.3 Avaliação do sistema em Malha fechada 68
Capitulo VI CONCLUSÕES 83
Referencias Bibliográfica 85
ANEX OS
ANEXO I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
ANEXO II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
iii
SIMBOLOGIA
Letras Latinas
A - Variável lingüística aumenta
cp - Calor específico
$C - Tarifa custo por kWh consumido
CV - Variável de controle
COP - Coeficiente de eficácia
D - Variável lingüística “DIMINUI”
DTw,cd - Diferença de temperatura da água no condensador
DTw,ev - Diferença de temperatura da água no evaporador
wE - Encargo da energia utilizada
e - Erro da entrada
FE - Fator de Escala
Freq - Freqüência
G - Variável lingüística grande
h - Entalpia
pK - Ganho proporcional
iK - Ganho integrativo
dK - Ganho derivativo
Kv - Fator de escala
KKv - Saída mecanismo interno de adaptação do controlador
M - Variável lingüística mantém
m - Massa
ref,evm - Vazão mássica do refrigerante no evaporador
ref,cdm - Vazão mássica do refrigerante no condensador
wm - Vazão mássica da água evaporada
N - Variável lingüística NEGATIVO
P - Variável lingüística POSITIVO
mP - Demanda potência elétrica
PV - Variável do processo
Q - Fluxo de transferência de calor
iv
ev,pl ev,flQ /Q - Fluxo de transferência de calor do evaporador com carga parcial/ carga total
R - Regra fuzzy
ref - Refrigerante
r - Referência ”setpoint”
T - Norma t
satT - Temperatura Saturação
eevT - Temperatura de entrada do refrigerante no evaporador
sevT - Temperatura de saída do refrigerante no evaporador
ecdT - Temperatura de entrada do refrigerante no condensador
scdT - Temperatura de saída do refrigerante no condensador
Tsb - Temperatura de subresfriamento
Tsp - Temperatura de superaquecimento
Tev - Temperatura de evaporação
Tcd - Temperatura de condensação
TR - Tonelada Refrigeração
U - Universo do discurso
cU - Saída de controle
V - Volume
w - Água
W - Potência
uW - Energia consumida
Z - Variável lingüística zero
Letras Gregas
α - Valor de pertinência
µ - Função de pertinência
Ω - Resistência (Ohmios)
v
SIGLAS
ASCII Código Standard Americano para troca de informação
ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers CLP Controlador Lógico Programável
CMRR Radio Rechaço modo comum
COP Coeficiente de eficácia CPU Unidade Central de Processamento
DF1 Protocolo de comunicação serial full duplex
DH485 Protocolo de alta comunicação
EES Software solução equações engenharia.
FET Transistor Efeito campo
HMI Interface homem maquina
HVAC Ar condicionado, aquecedor e ventilação IGBT Transistor Bipolar com porta isolado
JOG Classe de interruptor elétrico non-mantido set de dois estados.
LABVIEW Software visual de laboratório e instrumentação
LADDER Diagrama de Contatos de Reles
LEST Laboratório de Energia e Sistemas Térmicos MIMO Múltiplas entradas e múltiplas saídas
OPserver Servidor interativo de informação para equipamentos on-line
PID Proporcional Integral Derivativo
PI Proporcional Integral
PWM Modulação largo de pulso
R22 Refrigerante Monoclorofluorometano
RS232 Interconexão física serial binária entre dois equipamentos
RSlinx Aplicação de servidor completa de comunicação da Allan Bradley.
RUN Modo de trabalho
SCADA Sistema de controle e aquisição de dados
SLC5/03 Modelo processador marca Allan Bradley
SIGNET George Fischer Signet Inc.
TAG Línea pacotes de dados de transmissão
TOGGLE Classe de Interruptor elétrico com mecanismo para aplicar set de dois estados.
TIXA Tipo de família válvula de expansão
VAC Volumem de ar constante
vi
GARCIA, F. E. M. Estudo experimental de um controle adaptativo para um sistema de refrigeração. 2006. 95 f. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Uberlândia,
Uberlândia, Minas Gerais, Brasil.
RESUMO
Este trabalho trata do uso do e um controle adaptativo num sistema de refrigeração por
compressão de vapor visando economia de energia, utilizando R-22 como fluido de trabalho.
O equipamento experimental é composto por um compressor semi-hermético alternativo,
condensador e evaporador de tubos concêntricos resfriados a água e válvula de expansão
termostática com equalização manual e variador de freqüência para controlar a velocidade
de rotação do compressor. O sistema foi totalmente instrumentado, usando sensores de
temperaturas tipo PT-100 na entrada e saída de cada componente, sensores de pressão
piezo-resistivos, medidor de vazão de refrigerante tipo coriolis, placa condicionadora de
sinais com saída analógica, uso de controlador lógico programável (CLP) para digitalizar os
sinais analógicos, software de monitoração e operação do sistema, implementado em
LABVIEW, uso de controle difuso – adaptativo para controle da velocidade de rotação do
compressor, uso de PID para controle de temperatura de alimentação da água para o
evaporador, torre de resfriamento para resfriar a água saindo do condensador. O estudo
utilizou alem do controlador difuso, controle On-Off e controle PI, analisando os resultados
obtidos, realizando comparações e recomendações.
Palavras Chave: Sistemas de refrigeração, Controle lógica difusa adaptativa, CLP, PI
vii
GARCIA, F. E. M. Experimental study of a refrigeration system using an adaptative
control. 2006. 95 f. M.Sc. Dissertation, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia,
Minas Gerais, Brasil.
ABSTR A CT
This research deals with a experimental study of vapor compression refrigeration system,
with variable speed compressor using adaptative fuzzy control, comparing it’s results with
On-Off and PI control. The experimental equipment used is composed of a semi-hermetic
compressor, concentric tube evaporator and condenser, thermostatic expansion valve with
manual equalization. The equipment was totally instrumented using PT-100 temperature
sensors, piezo-resistive pressure transducers, coriolis mass flow rate meter, cooling tower to
refrigerant water leaving condenser, electrical resistance, using PID to control water
temperature supply to evaporator, analogical signal amplification and conditioning and logic
programming controller (PLC) to digitalize and operate PID and variable speed compressor.
It was used LABVIEW software for monitoring and operation of experimental equipment.
Results are compared using different mass refrigerant inventory in the experimental
equipment, as will as different temperatures of water supply to evaporator. Keeping exhaust
evaporator water temperature constant, analysis and recommendation are given when the
three types of control are used, showing advantages and limitation of each one.
Key Words : Refrigeration of Systems, Logical control diffuse adaptative, CLP, PI.
viii
CAPITULO I
INTRODUÇÃO
Instalações de refrigeração com oito ou mais horas de uso diário contínuo, ou que
apesar de recentes, mostram-se ineficientes por falhas no projeto, execução, ou ainda, por
falta de manutenção adequada são passíveis de apresentarem defeitos com o tempo. Tanto
em um caso como em outro, a percepção do usuário é à eficiência no consumo energético
para qualquer sistema de refrigeração. A economia de energia é parte propiciada pela
otimização do desempenho dos equipamentos como resultado de uma racionalização e
técnicas de controle aplicadas a estes sistemas.
Aspectos importantes, como por exemplo, custos da energia elétrica, trouxeram aos
ambientes residenciais, comerciais e, principalmente, industriais, estratégias e tecnologias
com o objetivo de corresponder às exigências requeridas em função da relação entre o
rendimento em cada instalação com as diferentes condições de operação, para obtenção de
um controle com uma maior qualidade e confiabilidade nos processos termodinâmicos e
mecânicos, alem, é claro, de um menor consumo de energia.
Paralelamente e conjuntamente com as estratégias de controle, a instrumentação tem
apresentado uma evolução significativa hoje em dia, o que tem facilitado a obtenção de um
completo registro de variáveis, baseado na utilização de processadores, cujo campo de
aplicação em áreas como a refrigeração e ar condicionado vêm crescendo
substancialmente.
Assim, a instrumentação é uma ferramenta fundamental para automatizar e otimizar
sistemas de ar-condicionado e de refrigeração. Isso permite que o usuário passe a ter
condições de controlar e analisar o sistema, a partir de uma central, utilizando para tal o
funcionamento e as condições da instalação com programas (softwares) apropriados. No
futuro, os processos integrados tendem a crescer ainda mais, bem como a integração entre
2
sistemas correntes, além da utilização cada vez maior de equipamentos integrados gerando
um desempenho ótimo nos processos e propiciando a diminuição dos erros.
O presente trabalho se concentrou na implementação do controle e avaliação do
desempenho de um aparelho de ar condicionado comercial tipo Self-Contained com
capacidade de refrigeração de 17,5 kW (5 TR). Entretanto, devido à dificuldade em controlar
as condições ambientes, optou-se pela substituição dos trocadores de calor resfriados
/aquecidos a ar por trocadores em que o fluido secundário era a água. Essa alteração
possibilitou um melhor controle da variação da carga térmica no evaporador. Nessas
condições, o sistema adaptado tornou-se um resfriador de Liquido “Chiller”, onde era
possível variar a carga térmica no evaporador e a rotação do compressor, utilizando um
variador de freqüência comandado por um Controlador Lógico Programável CLP. Com isso,
foi possível levantar os melhores pontos de operação, com o objetivo principal de
economizar energia com base no conhecimento em uma das áreas de pesquisa de suma
importância para comunidade cientifica.
A seguir, é apresentado, de forma resumida, o conteúdo de cada capítulo desta
dissertação.
No Capitulo II, é apresentada uma revisão bibliográfica levantada sobre os diferentes
estudos desenvolvidos no desempenho, otimização e controle dos sistemas de refrigeração
por compressão de vapor.
No Capitulo III se encontra a descrição dos principais componentes da bancada
experimental que foi construída no Laboratório de Energia e Sistemas Térmicos (LEST) da
Universidade Federal de Uberlândia.
No capitulo IV, são apresentados os fundamentos básicos do Controlador Lógico
Fuzzy Adaptativo no controle do sistema de refrigeração.
Os resultados experimentais, a partir de testes de avaliação em diferentes condições
de operação do sistema de refrigeração são apresentados no Capitulo V, bem como sua
análise.
Finalmente, o capitulo VI apresenta as conclusões gerais deste trabalho, incluindo
futuros desdobramentos deste trabalho.
No anexo I é apresentada as curvas de calibração dos sensores de Temperatura,
Pressão, entre outros de nossa bancada experimental. No anexo II uma apresentação do
código de programação LABVIEW desenvolvido exclusivamente para esta pesquisa.
CAPITULO II
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. Sistemas de Refrigeração por compressão de vapor
Na maioria dos equipamentos que são utilizados nos sistemas de refrigeração e de
ar condicionado, a técnica de controle implementada é a garantia de uma determinada
condição térmica, a fim de condicionar um ambiente, variando a condição operacional de
funcionamento do compressor do sistema de refrigeração em função de um intervalo de
tempo pré-definido. Nesses equipamentos, quando o sensor de temperatura do ambiente a
ser refrigerado acusa uma temperatura igual à temperatura máxima do intervalo de
temperaturas, um termostato de dois estados tipo liga/desliga (On-Off) é direcionado para a
posição liga e o compressor é acionado, em velocidade constante, até que o sensor acuse
uma temperatura igual à temperatura mínima do intervalo, fazendo assim com que a
termostato altere seu estado para a condição desliga e o compressor seja desligado. Dessa
forma, termostato atua na realimentação do sistema e no acionamento do compressor,
devendo por isso ser dimensionada para suportar correntes e tensões elevadas, as quais
levam a picos de corrente. Entretanto, apesar de funcionais com este dispositivo de controle,
tais equipamentos não apresentam, nem de longe, a melhor eficiência energética nos
setores de refrigeração e ar condicionado pela própria condição de operação.
È assim Nguyen et al. (1982) estudaram a degradação de rendimento das diferentes
configurações de ar condicionado devido às perdas do ciclo à modulação liga-desliga (On-
Off) e concluíram que o funcionamento intermitente do sistema causa ainda mais
inconvenientes, como por exemplo, a quantidade de energia consumida para acionar o
compressor, em condições de manter uma ótima temperatura através do evaporador.
4
Lida et al. (1982) realizaram investigações experimentais em uma bomba calor com um
compressor hermético com potência de 3 kW (4 HP), averiguando, assim, que os limites
práticos para a variação da velocidade do compressor devem permanecer na faixa entre 25
e 75 Hertz. Tais resultados indicaram melhorias em relação à eficiência de energia com o
compressor inversor-dirigido, comparado a um sistema de capacidade fixa. A razão indicada
para essa melhoria era uma eficiência, que reduzisse as perdas de consumo e
proporcionasse um ciclo de potência satisfatório. Garstang (1990) observou que em
condições especiais de funcionamento, com um rígido controle da temperatura do ambiente
ou grande variação da carga térmica, provocam uma alta taxa de intermitência na operação
destes sistemas, acelerando o desgaste dos equipamentos, principalmente da unidade
compressora. O´Neal e Katipamula (1991) desenvolveram um modelo de primeira ordem
validado experimentalmente para ar condicionado e bombas de calor. Os resultados
apresentados mostraram uma redução na eficiência nestes sistemas, a medida em que se
liga e desliga o aparelho durante pequenos intervalos de tempo.
As aplicações de novas tecnologias, como é o caso da utilização de variadores de
freqüência, facilitam a implementação de sistemas mais eficientes em relação à redução do
consumo de energia dos sistemas de refrigeração. Desde que tais sistemas operem, na
maioria das vezes, em condições estáveis, as economias consideráveis de energia podem
ser conseguidas levantando a eficiência da combinação do inversor e do motor com a carga
em operação às baixas velocidades.
Assim, no Brasil, em meados da década de 90, observou-se desenvolvimentos de
sistemas que utilizaram compressor de capacidade variável. Em 1996, uma empresa
nacional de compressores (Embraco), conseguiu um método de controle da velocidade de
operação de um compressor hermético, apresentando motor de velocidade variável, para
manter a temperatura do ambiente sob refrigeração dentro de um intervalo de temperaturas
previamente definido, sem a necessidade de submeter o motor do compressor a operações
contínuas de liga e desliga (On-Off) ou ainda, utilizar circuitos eletrônicos complexos para
tratamento do sinal de realimentação. O sistema era composto por um termostato acionável
em pelo menos dois estados limites de temperatura de um ambiente a ser refrigerado e um
motor de velocidade variável provido de uma unidade de controle.
Na maioria dos sistemas de refrigeração convencionais, a pressão diferencial ideal de
operação é mantida entre as pressões de alta e baixa do sistema, assegurada pela
operação eficiente da válvula termostática de expansão. Esta estratégia não aproveita a
vantagem oferecida pelas variações na temperatura do ambiente para que o sistema opere
a temperaturas adequadas. O benefício significativo na economia de energia é permitir que
o sistema opere a pressões adequadas nos períodos quando a carga térmica e
5
temperaturas ambientes são baixas. Os diferentes estudos realizados por diversos
pesquisadores introduzem uma série de ensaios que permitem, por exemplo, variar as
pressões dentro de uma escala ótima, de acordo as exigências da válvula de expansão.
Este estudo foi avaliado por Tassou e Qureshi (1998), que apresentaram o desenvolvimento
de uma bancada experimental para um sistema de refrigeração, mostrada na figura 1a, com
diferentes tipos de compressores, operando com uma válvula de expansão termostática. Os
resultados apresentados mostraram um pouco aumento representativo do COP com o
aumento da freqüência para as distintas temperaturas de condensação, como pode ser
observado na figura 1b para o compressor semi-hermético. Finalmente os autores
concluiriam, que, em termos energéticos, observou-se uma melhora quando se trabalha com
a tecnologia de um inversor acionado por modulação de pulso largo (PWM) como dispositivo
para variar a velocidade, que forneceu as mínimas perdas da ordem de 5%. Isto mostrou a
viabilidade de variar a velocidade por intermédio de sistemas inversores por modulação de
pulso largo (PWM) com motores de indução “Standard”, pois permitem uma eficiência ótima
quando comparados aos sistemas de refrigeração com velocidade fixa.
CO
P
Freqüência [Hz] (a) (b)
Figura 1. (a) Bancada experimental. (b) Variação do COP em função da variação da
freqüência para o compressor semi-hermético, para diversas pressões de
condensação, Tasson e Qureshi (1998).
Posteriormente, Cuevas e Winandy (2001) analisaram o rendimento de um sistema de
ar condicionado com dois tipos de modulação: On-Off e velocidade variável com inversor. A
modelagem deste sistema foi desenvolvida pelos autores baseando-se no conjunto dos
diferentes componentes do ciclo de refrigeração como: válvula expansão, evaporador,
compressor rotativo tipo scroll e um condensador, tendo o fluido principal no circuito o R-22.
6
A figura 2 ilustra o esquema da bancada experimental e um fluxograma com as variáveis do
sistema proposto por Cuevas e Winandy (2001).
Figura 2. Sistema de refrigeração modelado Cuevas e Winandy (2001).
A completa operação dos ensaios simulados do sistema de ar condicionado foi
assumida operando em modo de VAC (Volume de ar constante) nas entradas dos modelos
de condensador e evaporador do sistema. A simulação foi realizada durante períodos de
funcionamento, tanto em modulação On-Off quanto na modulação da velocidade variável.
Os resultados apresentados por Cuevas e Winandy (2001) é ilustrado na Figura 3. É
interessante notar que a modulação do inversor proporcionou um melhor desempenho que a
modulação tipo On-Off em praticamente toda a faixa da capacidade de refrigeração, exceto
quando se aproxima da carga máxima, onde o efeito das perdas do inversor faz com que a
modulação do inversor seja menos eficiente.
Figura 3. Coeficiente de eficácia, COP, dos três tipos de modulação em função da
capacidade de refrigeração com carga parcial e total, Cuevas e Winandy (2001).
Válvula Termostática.
Condensador
Evaporador
Compressor
Demanda Frigorífica
CP CD EV
, ,r ex cdh
mt∆
,a ev
, ,w su evt
evQ
, ,w ex evt
,ex evt
ambt
N
,su cpt
,ex cpP
wt
rm
,ex cpt
∆
,amb cpQ, ,a su cdt
cpWmt∆ m
cdQ
, ,d su evt
rm
cdPevP
Ideal Inversor ON-OFF
, ,/ev pl ev flQ Q0.0
1.6
1.4
1.2
1.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0
0.2
0.4
0.6
0.8 /pl flOP COP C
7
2.2. Otimização e controle de operação de sistemas de refrigeração
Na área de estratégias de controle operando nos processos de compressão de vapor,
começa na procura de resultados iniciais positivos nas pesquisas, baseados no
melhoramento de sistemas de controle tradicional para única entrada e única saída (SISO),
devid
) complexo que compensa as
desvantagens dos modelos simples.
Qiang e Wen-Jian Cai (2000) apresentaram um desenvolvimento experimental para
um sistema ar condicionado controlad auto-sintonizado, como mostra a figura
4. No referido controlador, foram explorados dois métodos distintos da identificação para
servir uma larga escala dos processos. Foram incorporadas duas regras do projeto de PID
para conseguir desempenhos elevados do controle para processos com características
dinâmicas diferentes ao clássico. A experiência foi executada em um sistema de controle
distribuído e aplicado na indústria. Os resultados experimentais demonstraram um ótimo
esempenho do referido sistema e a eficiência superior do controlador PID auto-sintonizado
o a que as funções de transferência do sistema não são conhecidas freqüentemente,
ou a dinâmica do sistema muda durante o tempo, como é o caso quando ocorre pequenas
fugas de fluido refrigerante ou a mudança dos coeficientes na transferência de calor devido
a sujeiras ou incrustações. Conseqüentemente, a estratégia ideal de controle para estes
sistemas, devido ao pouco conhecimento prévio do sistema, é a capacidade de se adaptar
às mudanças nas condições do sistema. Tal é o exemplo de Fredsted e Bernardi (1999) que
utilizaram modelos físicos e matemáticos complexos para o compressor e a válvula da
expansão, com o objetivo de calcular o sinal retro-alimentado, desenvolvendo então um
controlador tipo Proporcional Integral Derivativo (PID
o por um PID
d
sobre o controlador PID clássico manualmente ajustado.
Figura 4. Controle PID auto-sintonizado, Qiang e Wen-Jian Cai (2000).
PID
Teste
Algoritmo Sintonização
Planta
M
SP MV PV
8
A melhoria do desempenho e a minimização do consumo de energia também
requerem o ajuste de estratégias que levam a procura de desenvolvimentos de pesquisas
de novas tecnologias para projetos mais eficientes ou na adequação de sistemas de
refrigeração combinado com as condições de cargas dos sistemas. Algumas pesquisas
stão centradas nos algoritmos de controle para múltiplas entradas e múltiplas saídas
IMO), que coordenam o conjunto de ações, otimizando os critérios de forma a manter o
istema o mais próximo possível de uma trajetória de referência, que pode ser o próprio set
oint ou, em geral, uma trajetória suave de mudança de set point. É o caso do controle do
rau da abertura da válvula de expansão, utilizando lógica fuzzy com modificador de ganho,
onforme apresentou Carvajal (2000), a fim de manter um grau de superaquecimento
onstante como set point. Conseqüentemente, esta estratégia de controle utilizada
onseguiu garantir a estabilidade do grau de superaquecimento no sistema com variações
feriores a 1°C, para diferentes níveis de carga térmica, como é mostrado na figura 5.
ntrolador difuso
(Carvajal, 2000).
Nessas condições, para sistemas que integram um controle adequado, percebe-se
claramente uma melhora do desempenho do processo, minimizando o superaquecimento do
evaporador e as rotações do compressor, cumprindo, ainda, as exigências de variações na
carga térmica de refrigeração. Tal é caso apresentado, por Deng (2000), que desenvolveu
uma estratégia de controle técnica do tipo feedforward para um sistema de ar condicionado
como mostra a Figura 6a, baseado num modelo matemático, que usa o princípio da
conservação de energia. Este projeto incluiu um algoritmo de equações de estado para o
e
(M
s
p
g
c
c
c
in
Figura 5. Evolução temporal da variável de controle utilizando o co
6789
101112131415
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600
Tim
1617181920
e [sec.]
Tem
pera
ture
[ºC
]
Saturation Temperature + 10 ºCCompressor Input TemperatureTemperatura Saturação +10ºC Temperatura entrada Compressor
Tempo [s]
Tem
pera
tura
[ºC
]
9
equipamento experimental com ensaios que confirmaram o diagnóstico das rotinas
. termodinâmicas apropriadas que envolvem o sistema de ar condicionado
(a)
CondensadorVisor
(b)
Figura 6. (a) Bancada experimental de um sistema de ar condicionado. (b) Ação do
etros operando em condições normais. Para responder a esta mudança, o
controlador calculou a velocidade requerida do compressor, para a vazão mássica de ar
reque
Tubulação Refrigerante
Damper
Medidor vazão
Refrigerante
Compressor Filtro
Entrada Cônica
Vent
ilado
r
T(wb, db)
Evaporador
TEV
T(wb, db)T(wb, db)
Medidor Fluxo Água
HP LP
controlador na velocidade do compressor em função a mudanças na vazão
mássica de ar, Deng (2000).
Os resultados obtidos por Deng (2000), apresentaram uma elevada eficiência
energética no sistema, mesmo considerando limitações na resposta, em parte fornecidas
pela capacidade térmica, em virtude da dinâmica da planta e do sensor. Nos seus
experimentos para o novo controlador tipo feedforward, mostrado na figura 6b, o autor
apresentou a ação do controlador na velocidade do compressor mediante alterações no
fluxo de massa de ar no evaporador. O ponto ajustado inicialmente para este teste foi a
entalpia de 31,9 kJ/kg. A taxa de fluxo de massa do ar foi medida inicialmente em 0,23 kg/s.
Após 900 segundos, a vazão mássica do ar foi alterada manualmente para 0,28 kg/s, com
outros parâm
rida e acionou o compressor fazendo com que o mesmo alcançasse a nova velocidade
de rotação.
É interessante observar que a contínua evolução das estratégias de controle tem
proporcionado grandes avanços que podem ser aplicados a sistemas de refrigeração. È o
10
caso no uso do controle fuzzy nos processos industriais nas últimas décadas, devido à sua
capacidade de atuar no sistema baseando-se apenas no conhecimento especialista e na
capacidade de inter-relacionar todas as variáveis do processo. Da Silva e Junior (2001)
desenvolveram simulações com a finalidade de trabalhar um controle fuzzy da temperatura
de condensação em um sistema de resfriamento de liquido, sob condições pré-definidas e
perturbações na temperatura da água do condensador. O controle fuzzy desenvolvido
mostrou-se satisfatório e de fácil implementação, apresentando um off-set na temperatura
de condensação de 2,4ºC e -1,5ºC para perturbações na temperatura de entrada da água no
condensador, sendo reduzido para 0,3ºC e -0,7ºC após a sintonia do controlador e
submetido às mesmas perturbações. Abordando a aplicação de controladores baseados em
lógica nebulosa (ou Fuzzy) em sistemas de aquecimento, Da Costa et al. (2001) propuseram
uma sistemática para a especificação de funções de pertinência do controlador a fim de que,
mantendo a temperatura dentro de limites toleráveis (conforto térmico), a variância do sinal
de controle, o número de picos e o valor total do consumo de energia, fossem reduzidos.
Seus resultados, a partir da modelagem do sistema de aquecimento conformado por um
ambiente fechado com aquecedor elétrico, foram comparados com outras estratégias de
controle como o tipo liga/desliga, On-Off. O desempenho apresentado pelo controlador fuzzy
clássico apresentou um pequeno aumento no consumo de energia quando comparado com
o controlador tipo liga/desliga. Eles consideram aceitável devido à sua regulação precisa da
temp
adaptativo implementado no
micro
eratura em torno do valor de referência fortemente desejável, entretanto observaram,
de maneira positiva, o menor desgaste no mecanismo de acionamento de potência do
compressor com o controlador fuzzy desenvolvido.
É muito importante destacar que as utilidades dos controladores fuzzy dispensam a
modelagem matemática clássica dos sistemas físicos, dependem do conhecimento prévio
que um especialista possui sobre o processo que se deseja controlar. Estas observações
suscitaram nos últimos tempos o aparecimento dos controladores nebulosos (ou fuzzy)
adaptáveis, Cardenas (2002), desenvolveu o controlador fuzzy
controlador como hardware de baixo custo e versátil, onde revelaram a capacidade de
modificar seu comportamento em resposta às mudanças nas dinâmicas do processo e/ou
perturbações que são muito comum nos sistemas mecânicos. Aprea et al. (2005), avaliaram experimentalmente o desempenho de um sistema de
compressão de vapor capaz de operar como um sistema de refrigeração do tipo
resfriamento de líquido, “chiller”, e uma bomba de calor, como pode ser observado na figura
7. É comparado um algoritmo de controle básico baseado na lógica fuzzy com o rendimento
do controle termostático clássico de ciclos tipo liga/desliga, On-Off, no compressor operando
na freqüência nominal de 50 Hz. Os resultados levantados para o compressor rotativo tipo
11
scroll apresentou um ótimo rendimento devido à facilidade de operar com freqüências
mínimas da ordem de 15 Hz em comparação com o compressor reciprocante semi-
hermético, que possui o limite inferior de freqüência da ordem de 30 Hz. Nesta faixa de
freqüências reduzidas, abaixo de 30 Hz, o compressor reciprocante apresenta consideráveis
vibrações e incremento de ruídos, além de não lubrificar adequadamente os cilindros.
Especificamente, no que se refere ao sistema de resfriamento de líquido, operando com
diferentes temperaturas de set point (7, 11 e 15ºC) da água resfriada do evaporador e para
diferentes vazões da bomba de água, uma significante economia de energia da ordem de
20% foi alcançada com o uso do compressor rotativo tipo scroll. Resultados similares foram
obtidos quando o sistema operou como bomba de calor. O melhor desempenho energético
i obtido quando a velocidade do compressor scroll variou. Isso se deve, basicamente, à
eficiência global do sist
velocidade
fo
ema e também pela menor relação de compressão à medida que a
do compressor diminui.
Figura 7. Diagrama esquemático e bancada experimental de Aprea et al. (2005).
Aproveitando a mesma bancada, os referidos autores, realizaram novos ensaios
substituindo o fluido de trabalho utilizado, R-22 pelo R-417A, conhecido comercialmente
como Isceon 59. Esse fluido é bastante utilizado em operação de “drop-in” (substituição do
fluido refrigerante, mantendo os mesmos equipamentos). Verificou-se, experimentalmente,
que o COP e a eficiência energética da planta, quando o R-22 é utilizado como fluido
principal, são mais elevadas do que o COP e a eficiência energética obtidos con
de trabalho o R-417a, em ambas operações como bomba de ca
siderando
como fluido lor ou como
resfriador de liquido. Como pode ser observado, a figura 8 ilustra a menor eficiência do R-
17a em comparação como os resultados obtidos com o R-22.
4
12
Figur
ura da água que circula no evaporador (DTw,
ev) e o principio de conservação da massa no sistema, como pode ser observado na figura
forma a manter um Tsq > 10°C e Tsb > a 0°C.
a 8. Coeficiente de eficácia em função da temperatura da água de entrada, variando o
fluido refrigerante e a vazão mássica, Aprea et al. (2005).
Finalmente, um dos trabalhos mais recentes aplicando estratégias de controle
inteligente encontrados foi realizado por Borja (2006) que desenvolveu o controle de dois
parâmetros distintos no circuito, a válvula de expansão eletrônica e da velocidade de
rotação do compressor. Tais controles foram baseados em Redes Neurais Artificiais, neste
caso, o controlador preditivo é projetado para trabalhar simultaneamente nos dois
atuadores, controlando a diferença de temperat
10, alem de controlar a temperatura do refrigerante R134a na entrada no compressor, de
(a) (b)
Figura 10. Ação do controlador com Redes Neurais Artificiais: (a) Evolução das diferenças
de temperatura (DTw,ev ; DTw,cd). (b) Evolução da vazão de refrigerante nos
trocadores. Borja (2006).
Temperatura da água na entrada [ºC]
CO
P
CAPITULO III
BANCADA EXPERIMENTAL
3.1. Considerações Iniciais
A refrigeração por compressão é muito utilizada atualmente em diversas aplicações
como em residências, comércios, transportes, etc. O seu princípio de funcionamento, como
qualquer sistema de refrigeração, tem por objetivo a retirada de calor de um determinado
processo e o transporte desta carga térmica para o exterior, produzindo assim o efeito
desejado tal como resfriamento ou congelamento. O ciclo básico de refrigeração por
compressão é apresentado na figura 3.1 e pode ser analisado sob diversos aspectos, como
por exemplo, evaporador, condensador, dispositivo de expansão, compressor, além de
outros componentes. Por intermédio dele, é possível acompanhar o desempenho de um
equipamento de refrigeração, podendo alterar algumas variáveis, objetivando a melhora da
eficiência.
Qcd
Válvula Expansão
CONDENSADOR
W
EVAPORADOR
Compressor
Qev
Figura 3.1 - Ciclo básico de refrigeração por compressão a vapor.
14
A título de ilustração e conhecimento, o ciclo básico, apresentado pela figura anterior,
pode ser acompanhado, iniciando com o refrigerante que é comprimido no compressor no
estado de vapor superaquecido, tendo sua pressão e temperatura aumentadas e seguindo
diretamente para o condensador. O calor ganho no processo de compressão é rejeitado
para o exterior, causando assim o resfriamento e conseqüentemente a mudança da fase
vapor para líquido. Deixando o condensador o refrigerante se encontra como líquido
subresfriado e segue para o dispositivo de expansão (tubo capilar ou válvula de expansão).
Esse dispositivo provoca uma queda de pressão e diminui também a temperatura, que
correspondente à de evaporação do refrigerante no sistema. Em seguida, o refrigerante,
segue para o evaporador, já com um titulo determinado, geralmente, na faixa dos 20% e é
evaporado completamente. Por segurança, o fluido deixa o evaporador como vapor
superaquecido. Nesse processo, o fluido refrigerante retira calor do ambiente desejado e
segue para o compressor, onde, novamente, reinicia o ciclo.
3.2. Construção da Bancada Experimental
Inicialmente foi doado ao Laboratório de Energia e Sistemas Térmicos (LEST) um
aparelho comercial de ar condicionado tipo self-contained com capacidade de 5TR com
mais de 20 anos de uso da marca Hitachi, com parte de seus equipamentos danificados,
conforme ilustra a figura 3.2.
Figura 3.2 - Fotografia do aparelho de ar condicionado tipo Self Contained da marca Hitachi,
utilizado na presente pesquisa.
15
A partir daí, foi sugerido a construção de uma bancada experimental para avaliar o
desempenho do referido equipamento, porém alterando sua configuração, já que o
condensador e evaporador realizavam a troca de calor com o ar. Nessas condições, foi
conseguido junto a uma empresa de trocadores de calor, ACP Termotécnica, um
evaporador e condensador de tubos concêntricos com troca de calor com água. Com essas
alterações, foi possível controlar e medir as variáveis utilizando água, já que no caso de se
operar com o ar seria necessário o controle de parâmetros como a umidade, temperatura,
entre outros.
Para o resfriamento da água de condensação, foi utilizado um circuito secundário
composto por uma torre de resfriamento, que foi instalada no lado externo ao laboratório. A
água de alimentação do evaporador, que era responsável pela variação da carga térmica, foi
circulada por intermédio de uma bomba e era proveniente do tanque armazenamento
térmico, que continha um resistor elétrico, com potencia de 15 kW comandada por um
controle PID programado no controlador lógico programável (CLP). O fluido refrigerante
utilizado do circuito principal foi HCFC-22, ou R-22. Em relação à instrumentação, para as
medidas de temperatura foram utilizados sensores do tipo PT100 e para pressão, sensores
do tipo piezos-resistivos. Foi adquirido, um variador de freqüência para controlar a
velocidade de rotação do compressor. Um medidor de vazão do tipo coriolis foi adicionado
ao circuito principal, complementando a instrumentação.
A aquisição de dados foi realizada por intermédio de uma placa eletrônica com sinal de
saída analógica que foi projetada no LEST para essa finalidade. Os sinais analógicos eram
convertidos em digitais por intermédio do CLP e os dados eram monitorados e gerenciados
através de um programa elaborado no LABVIEW.
A seguir é apresentado o esquema da montagem da bancada experimental, bem como
o detalhamento de cada componente.
A figura 3.3 ilustra a bancada experimental que foi construída no início dos ensaios.
Como pode ser observado nessa figura, o compressor utilizado era um modelo hermético da
Hitachi e pelo tempo de utilização (mais de 20 anos) apresentou diversos problemas,
operando de forma irregular, o que acarretou na sua substituição.
16
Figura 3.3 - Bancada experimental com isolamento no início dos ensaios.
Nessas condições, foi solicitado a uma empresa nacional de compressores, Bitzer
compressores, a doação de um modelo de mesmas características, que pudesse substituir o
modelo antigo da bancada. Conforme pode ser observado na figura 3.4 o equipamento
experimental apresenta inclusive isolamento térmico no condensador e incorpora o novo
compressor para os ensaios, (Bitzer, octagon semi-hermético).
Figura 3.4 - Bancada experimental final com isolamento utilizada para os ensaios.
17
Uma observação interessante deve ser feita a respeito de ciclos reais e ideais, os
ciclos reais desviam-se dos ciclos idealizados, devido às perdas de pressão, nos trocadores,
processo de compressão não isentrópico, entre outras. Porém, o ciclo ideal serve como uma
referência para a análise do ciclo real. Já que um dos objetivos é atingir a melhoria de cada
processo que o constitui. Na figura 3.5 é apresentado, num diagrama de pressão em função
da entalpia, os principais processos e características de um ciclo ideal (1 - 2 - 3 - 4 - 1) e de
um ciclo real (1’ - 2’ - 3’ - 4’ - 1’).
Figura 3.5 - Diferenças entre os ciclos ideal e real de refrigeração por compressão de vapor
no diagrama P versus h.
Com o conceito bem fundamentado, é possível prever, por exemplo, um grau de
superaquecimento ótimo do fluido refrigerante para evitar qualquer presença de líquido na
entrada do compressor, comprometendo o sistema. Por outro lado, um adequado sub-
resfriamento do refrigerante permite a garantia da fase líquida na entrada da válvula de
expansão, que além de permitir uma boa expansão, melhora o efeito frigorífico.
A seguir será apresentada uma descrição dos principais componentes do sistema que
compõe a bancada experimental de ensaios.
3.3. Componentes da Bancada Experimental 3.3.1. Compressor
Na grande maioria de aplicações em sistemas de refrigeração e ar condicionado, o
compressor alternativo é o mais utilizado para o processo de compressão dos gases
18
refrigerantes; trabalhando de acordo com a capacidade de refrigeração requerida, na faixa
de operação (temperatura de evaporação e condensação), além de outras especificações
básicas. A seguir um detalhamento do compressor utilizado na presente pesquisa é
apresentado.
No inicio dos ensaios, o compressor utilizado foi tipo hermético modelo 502Fh2 de 3,75
kW, alimentação trifásica, 5 Hp da marca Hitachi. Após os problemas mencionados
anteriormente, o compressor antigo foi substituído por um modelo semi-hermético que
possui no seu interior um motor elétrico trifásico acoplado a um mecanismo tipo biela-
manivela, contendo válvulas e câmaras para a descarga do fluido refrigerante. O modelo do
compressor Bitzer alternativo, semi-hermetico é o Octagon 2DC-3.2, conforme ilustra a
figura 3.6 e suas características técnicas são apresentadas na tabela 3.1.
Figura 3.6 - Compressor Alternativo Semi-Hermético 2DC-3.2, Bitzer International (2004).
Tabela 3.1 - Características técnicas do compressor utilizado na bancada
Refrigerante R-22
Marca Bitzer
Modelo 2DC-3.2
Temperaturas de operação Tev=5°C e Tcd=35°C
Capacidade de Refrigeração 15,14 kW (4,3 TR)
Consumo de Potencia 3,17 kW
Alimentação Trifásica 220 V / 60 Hz
Corrente de Operação 11,94 A
19
A figura 3.7, a seguir, mostra a faixa de operação em que trabalha o compressor
octagon modelo 2DC-3.2 utilizado na bancada experimental, ilustrando, ainda, a faixa de
utilização na presente pesquisa.
Faixa de Utilização
Figura 3.7 - Faixa de operação do compressor utilizado na bancada experimental. Bitzer
International (2004).
3.3.2. Condensador e evaporador
Os trocadores de calor utilizados na bancada experimental são de tipo “tubos
concêntricos”, conhecidos comercialmente como Tube in Tube. Os trocadores de calor
(evaporador e condensador) utilizados nos ensaios são compostos por tubo interno de cobre
com diâmetro de 15,6 mm. O tubo externo é confeccionado em ferro, com diâmetro externo
de 22,2 mm e pintura epóxi. Para o processo de troca de calor, a água escoa através do
tubo interior e o refrigerante no tubo externo, onde o escoamento é em contra corrente com
o refrigerante entrando na parte superior e água na parte inferior do trocador. Para o
condensador e evaporador utilizados no presente trabalho, apresentam suas capacidades
nominais de 5 TR e 7,5 TR, respectivamente. É interessante notar que a capacidade do
evaporador é superior devido ao circuito frigorífico não possuir um acumulador de sucção,
que tem por objetivo proteger o compressor com a entrada de líquido. O único inconveniente
na utilização de um evaporador de maior capacidade é que o grau de superaquecimento é
incrementado.
20
Figura 3.8 - Trocador de calor tipo Tube in Tube de 5 TR fabricado pela empresa ACP
Termotécnica e utilizado na bancada experimental.
3.3.3. Válvula de expansão
A válvula de expansão termostática, como se observa na figura 3.9, é provavelmente o
componente que mais requer conhecimento e habilidade para um perfeito manuseio e
operação de um sistema de refrigeração. O superaquecimento é a garantia de que o
sistema está operando em segurança. Ela deve estar bem regulada para garantir o perfeito
funcionamento do sistema sem, entretanto, comprometer a sua eficiência. Se o
superaquecimento for dimensionado para um valor muito maior que o necessário, isso pode
ocasionar uma perda da capacidade frigorífica no sistema. Em contrapartida, se for
dimensionado para um valor pequeno, pode fazer com que o refrigerante retorne na fase
líquida para a sucção do compressor e, desta forma, provocar a quebra do mesmo pelo
denominado golpe de líquido.
Figura 3.9 - Válvula Expansão tipo TIXA 5R, fabricada pela Emerson.
21
A válvula utilizada no presente trabalho é do tipo TIXA 5R foi doada pela Emerson e
suas características técnicas são: Entrada: 1/2”, Saída: 5/8”, Equalização: Externa e
Capacidade mostrada na tabela 3.2.
Tabela 3.2 - Capacidade da Válvula de Expansão Termostática Tipo TIXA 5R, em TR.
Tev = 5 °C Tev = 0 °C Tev = -5 °C
Tcd = 30 °C 4,8 4,6 4,4
Tcd = 35 °C 5 4,8 4,6
Tcd = 40 °C 5,2 5 4,8
Tcd = 45 °C 5,5 5,3 5,1
3.3.4. Filtro secador
Os filtros secadores são componentes de grande importância em um sistema de
refrigeração e muito utilizados. Como o próprio nome sugere, o "filtro secador" possui as
funções que se resumem, basicamente, em filtrar o fluido refrigerante e retirar a umidade
presente no sistema, impedindo que impurezas possam restringir a operação da válvula de
expansão, tubos capilares e até mesmo dos compressores. Estas impurezas podem ser
sólidas tais como rebarbas metálicas, resíduos de solda ou ainda cobre. Outros tipos de
impureza igualmente prejudiciais são as solúveis tais como os ácidos, água, resinas e ceras.
O modelo, doado pela Emerson, utilizado na presente pesquisa foi o modelo tipo – ST 120 x
1/2” como ilustra a figura 3.10. Suas características técnicas são: entrada: 1/2”, saída: 1/2” e
capacidade de absorção de água a 24°C de 8,6.
Figura 3.10 - Filtro Secador ST – EMERSON para R-22, utilizado na bancada experimental.
22
3.3.5. Controlador Lógico Programável (CLP)
Por definição, o Controlador Lógico Programável, (CLP), é um aparelho eletrônico, de
controle independente do processo, que se adapta aos processos mediante um programa
especifico (software) que contém uma seqüência de operações para executar. Essa
seqüência de operações define-se sobre sinais de entrada e saída ao processo, ligados
diretamente aos bornes dos módulos de expansão do CLP. A figura 3.11 ilustra o CLP e
seus módulos.
Figura 3.11 - Controlador Lógico Programável modelo SCL5/03 da Allan Bradley, utilizado
na bancada experimental.
O CLP comanda os sinais de saída conforme o programa previamente armazenado
em sua memória, a partir dos sinais de entrada. O programa é armazenado no CLP através
de um microcomputador (PC), permitindo funções como: depurações de programas,
simulação, monitoramento e controle do CLP. Os controladores caracterizam-se pelo
sistema tecnicamente avançado, tendo flexibilidade inerente e vantajosas sobre outros
sistemas. Seu ciclo de operação desenvolve uma série de varreduras em tempos
necessários, onde o controlador varre os dados de entrada, executando instruções do
programa, escrevendo suas saídas e mantendo trabalhos de comunicação no padrão de
gerenciamento.
Um CLP é empregado comumente em processos industrias que tenham uma ou
varias das seguintes necessidades:
• Espaço reduzido.
• Processos de produção que tem mudança periódica.
• Processos seqüenciais e centralizados.
• Maquinaria de processos variáveis e complexos.
23
Os elementos importantes que todo CLP possui tem em sua arquitetura podem ser
visualizados na figura 3.12. São a unidade de E/S (Entradas e Saídas), onde os sinais que
chegam dos sensores do processo são codificados e, paralelamente, os decodifica desde a
CPU, para posteriormente, encaminhar aos dispositivos atuadores. Nesta unidade existem
interfaces de adaptação para as saídas e entradas como proteção dos circuitos internos.
Outros elementos que o CLP possui em sua arquitetura podem ser resumidos como:
introdução, alteração e supervisionamento de toda a seqüência e estado interno do CLP. A
unidade, também possui dispositivos periféricos que são unidades de E/S, mais memória,
unidades de comunicação de rede, etc. Finalmente, a unidade de Interfaces, que é aquela
que facilita a comunicação do autômato com outros dispositivos exteriores, como por
exemplo, PC, HMI, etc.
µP
Programamemória sistema
Memória Dados RAM
Memória Trabalho EPROM
Outros elementos Analógicos e
digitais
Fonte alimentação
Unidade de programação
Interfaces Entradas Saídas
Área Memória Área CPU
Área Interfaces Área E-S
BUS CPU
Unidades Programação e Periféricos
Rede Alimentação Sensores Atuadores
Figura 3.12 - Arquitetura Interna do CLP.
Para o CLP utilizado no presente trabalho, que foi do tipo modular, tem-se como
processador principal o modelo SLC5/03, caracterizado por possuir memória de 8 kb,
controle de até 4096 pontos expansíveis mediante módulos de entrada e saída, canal
DH485 incorporado, canal RS232 incorporado suportando (DF1 Full – Duplex para
comunicações ponto a ponto, DF1 Half – Duplex Mestre /Escravo para comunicação tipo
SCADA, ou seja, ponto a multiponto, ASCII para a conexão a outros dispositivos ASCII tais
como leitores , etc..) Relógio/Calendário em tempo real incorporado, chave seletora de
24
modo RUN, REMote, PROGram, capacidade matemáticas expandidas – trigonometria, PID,
exponencial e instruções computacionais.
Na Unidade E/S, o módulo de saída discreto 1746-OW8 pode ser visualizado na figura
3.13, contendo 8 saídas tipo AC/DC, reles, 4 pontos de saídas pelo comum, voltagem de
operação nas faixas 5 a 265 Vac / 5 a 125 Vdc a freqüências de 47 ate 63 Hz.
(a) (b)
Figura 3.13 - (a). Modulo Expansão 1746-OW8. (b) Circuito elétrico interno de uma saída do
Modulo Expansão 1746-OW8. Allan Bradley Company Inc, (2003).
Adicionalmente na unidade E-S foi possível incorporar o módulo de entrada AC 1746-
IA8, como pode ser observado na figura 3.14. Este módulo possui 8 entradas para voltagem
e operação de 85 to 132 Vac na faixa de freqüência 47 a 63 Hz.
(a) (b)
Figura 3.14 - (a). Modulo Expansão 1746-IA8. (b) Circuito elétrico interno de uma saída do
Modulo Expansão 1746-IA8. Allan Bradley Company Inc, (2003).
25
Paralelamente, dentro da unidade E-S, foi incorporado o módulo de entrada para
voltagem 1746-NI16V de 16 bits de resolução com 16 canais de entrada analógica, como
mostrado na figura 3.15, na qual as faixas de voltagem de entrada analógica são: 0 a 10
Vdc, ±10 Vdc, 1 a 5 Vdc. Neste caso, é programado o CLP para operar com entradas
analógicas em modo referenciado de ±10 Vdc para os sinais de temperatura e as de modo
de 1 a 5 [Vdc] para os sinais de pressão.
Figura 3.15 - Modulo Expansão 1746-NI16V. Allan Bradley Company Inc, (1999).
3.3.6 Variador de freqüência
O Variador de freqüência utilizado nos experimentos; tem capacidade para controlar a
velocidade dos motores AC até 5 HP, da marca YASKAWA e seu modelo é V7AM23P7,
conforme ilustra a figura 3.16. O variador é controlado por intermédio de um
microprocessador que incorpora uma tecnologia tipo transistor bipolar com porta isolada
(IGBT), o que lhe confere confiabilidade e flexibilidade. Um processamento especial de
modulação de duração de impulsos com freqüência de repetição de impulso ultra-sônico
selecionável que permite o funcionamento do motor em modo silencioso. O variador e o
motor têm uma proteção proporcionada por um amplo sistema de funções protetoras
programáveis no variador.
26
Figura 3.16 - Variador de freqüência modelo Yaskawa V7AM23P7, utilizado na bancada
experimental.
O diagrama elétrico de potência do variador com o motor do compressor é mostrado
na figura 3.17.
Variador YaskawaTomada CompressorDisjuntor Trifásico
Figura 3.17 - Circuito de instalação trifásico, utilizado no presente trabalho.
O variador de freqüência possui um borne de controle, pelo qual os sinais são
enviados no modo discreto de controle tais como, arranque, parado e sentido rotação, além
de possuir entradas analógicas de 0 – 10 Vdc, conforme pode ser observado na figura 3.18.
27
Figura 3.18 - Borne de controle do variador de freqüência V7AM23P7. Yaskawa Company
Inc (2001).
A programação do variador de freqüência foi realizada para seu ótimo funcionamento e
o mesmo possui um conjunto de 95 parametros, das quais determinam a forma como deve
funcionar o variador de freqüência, o que proporciona uma programação para
funcionamento adequado, entre os quais podem ser destacados os mais importantes:
• Tempo de aceleração
• Tempo de Desaceleração
• Modo de variação da velocidade
• Controle de arranque e parada
• Velocidade máxima (Hz)
• Velocidade mínima (Hz)
• Número de par de pólos do motor, etc..
O variador de freqüência comanda o motor do compressor, levando-se em
consideração um aspecto muito importante que se refere ao valor da potência do motor, o
28
qual não deve exceder o valor máximo permitido pelo variador, que no caso da presente
pesquisa foi de 3,70 kW.
O variador obtém alimentação através do acionamento de um disjuntor trifásico. A
saída de potência permanece desativada até a presença de um sinal discreto ON no borne
S1 do variador produzido pelo CLP.
A variação de velocidade proporcional conecta-se aos bornes S6 e S7 para incremento
e diminuição da rotação, respectivamente, e referenciadas no borne SC (+Vdc) do variador,
onde os sinais discretos são gerados pelo modulo de saídas 1746-OW8 do CLP, como pode
ser observado na figura 3.19.
Bornes de controle Variador freqüência
Modulo Saída 1746-OW8 CLP
Figura 3.19 - Ligação entre o CLP e variador de freqüência.
3.3.7 Medidor de vazão tipo Coriolis
Ferramenta de instrumentação, por o qual, é possível medir a vazão mássica da maioria
dos fluidos, quais sejam, multifásicos, líquidos com alta viscosidade, líquidos com uma
certa quantidade de vapor, além de gases. Os limites de operação do medidor,
necessariamente, deve estar dentro da faixa de temperatura sugerida no catálogo, no
caso entre -50 e 200ºC. A figura 3.20 ilustra o referido medidor.
O princípio de funcionamento físico desse medidor se dá por intermédio do efeito, ou
força tipo Coriolis. O fluído quando passa através do medidor possui uma determinada
velocidade angular gerada pela excitação dos tubos de medição através de uma bobina de
excitação. Essa velocidade angular acelera o fluido aumentando sua velocidade periférica e
29
a força gerada por esse aumento de velocidade periférica é chamada “Força Coriolis”. Os
tubos de medição são deformados por essa força e essa deformação é captada por
sensores. Dessa forma, a diferença dos ângulos de fase gerada nos tubos quando o fluído
escoa é proporcional à quantidade de massa que passa pelos tubos.
Figura 3.20 - Medidor de vazão mássica tipo Coriolis, modelo 10MM2104A, utilizado na
presente pesquisa.
3.4. Sistema de Aquisição de Dados e Comando
3.4.1. Conceito da Automação como Ferramenta Básica
Ao automatizar um sistema de ar-condicionado ou de refrigeração o usuário passa a
ter condições de operar e controlar, a partir de uma central, os parâmetros de um sistema
integrado, cuja finalidade é controlar todo o funcionamento e as condições da instalação,
usando para isso um software apropriado, além de ferramentas elétricas e eletrônicas.
Pode-se, por exemplo, programar, ligar, desligar, mudar “set points” de temperatura,
capacidade do sistema, ser alertado quanto ao momento de executar tal função, entre
muitas outras funcionalidades.
Nesse sentido, é especialmente importante a necessidade da automação, onde o
controle e a monitoração de parâmetros sejam primordiais. A integração com sistemas
comuns, através de certos níveis que se respeitam na automação, facilita a utilização cada
vez maior de equipamentos que utilizam protocolos de comunicação que possuam uma
infra-estrutura organizada e a conseqüente diminuição do erro. Na figura 3.21 se observa a
arquitetura geral do sistema supervisionado com seus níveis correspondentes que foi
desenvolvido neste trabalho.
30
Sensores: 8 de Temperatura (PT100) 4 de Pressão (PS3023)
1 de Fluxo-massa Coriolis 1 de Fluxo água Evaporador
Nível Controle, Bus de Campo.
Nível Sensores, ACondic
ção, ionamento.
Nível Supervisiona-mento, Gestão e Análise.
Figura 3.21 - Arquitetura geral do sistema supervisionado.
3.4.2. Nível Sensores / Ação / Condicionamento
Este nível se baseia no relacionamento físico dos elementos básicos de sensores e
atuadores com as variáveis do sistema. Para a leitura das diferentes grandezas físicas como
a temperatura, pressão, entre outros, são transformados os sinais elétricos de forma
analógica pelos sensores, usualmente em forma de tensão (ordem de mV). O sinal vai a ser
adaptado ao nível de entrada do conversor analógico-digital (A/D) no módulo de expansão
de entrada para voltagem 1746-NI16V do CLP. A figura 3.22 apresenta as etapas para a
medição e condicionamento dos sinais.
Os amplificadores utilizados foram do tipo amplificador de instrumentação, devido à
sua alta impedância de entrada, poucas mudanças da tensão deslocamento (offset), baixas
correntes de polarização de entrada, fácil ajuste do ganho mediante uma resistência externa
e alta relação de rejeito de modo comum (CMRR). Usualmente, após o amplificador, um
filtro ativo ao ruído (componentes alta freqüência e ruído por interferência) é utilizado com o
objetivo de se manter limpo e adequado o sinal.
31
Sensor Amplificador Filtro Variáveis a medir
Módulo
1746-NI16V
Figura 3.22 - Esquema das etapas para medição e condicionamento das variáveis
À temperatura é um parâmetro físico bastante utilizado em sistemas de refrigeração,
permitindo aplicação da eletrônica. A diversidade de suas aplicações vem condicionando
igualmente uma grande proliferação de sensores, desde a simples união bí-metálica até os
dispositivos semi-condutores mais complexos.
Os sensores de temperatura aplicados na bancada de ensaios foram os dispositivos
RTD de 3 fios, modelo PT100, construídos com uma resistência de platina (PT). A platina é
o metal que oferece uma margem linear mais ampla, possuindo boa sensibilidade, precisão
e exatidão. Normalmente, possuem uma resistência entre 20 Ω e 20 kΩ. A vantagem mais
importante é que apresenta um comportamento linear de +10 mV/ºC e opera com
alimentação que varia de 4 a 30 Vdc, além de apresentar comportamento linear dentro do
faixa de temperaturas entre -200ºC e 850ºC. O método empregado para medir as pequenas
mudanças da resistência do sensor tipo PT100, consiste em dois divisores de tensão em
paralelo, um dos quais refere-se ao transdutor de temperatura. Projeta-se de forma que em
repouso ambos divisores possuam a mesma tensão (Eo=0 V) tendo como referência a
resistência interna (RT) do PT100 a 0ºC vale 100 Ω, para assim só medir a diferença de
tensão entre as saídas, obtendo o sinal que dependerá da variável a ser medida. Esta
estrutura é conhecida como ponte de Wheatstone, como se mostra na figura 3.23, a qual
permite aumentar a sensibilidade do sistema, com objetivo de se situar diversos
transdutores nos braços pertinentes da ponte.
32
PT100
Figura 3.23 - Ponte de Wheatstone.
Sua calibração é apresentada em forma gráfica, onde no eixo da abscissa tem-se a
temperatura e na ordenada à resistência interna (RT) do PT100, como é mostrado na figura
3.24.
Figura 3.24 - Curva temperatura em função do RT do PT100.
Para o condicionamento dos sinais de temperaturas medidos pelos sensores PT100,
foi utilizado o circuito integrado INA125AP (doado pela Texas Instruments), caracterizando-
se por ser um amplificador de instrumentação de alta qualidade, que utiliza uma ponte de
excitação Wheastone. Para entradas diferenciais de precisão, a voltagem de referência é
ajustada externamente com +10 Vdc, baixa voltagem, offset < 250 µV, alto CMRR > 100 dB,
proteção de até 40 Vdc em suas entradas analógicas e voltagem de alimentação dupla ±10
Vdc facilitando o acoplamento de grande variedade dos referidos sensores. Na figura 3.25
se ilustra o circuito elétrico de condicionamento para um sensor PT100.
33
INA125
Figura 3.25 - Circuito para condicionamento os sinais dos sensores de temperatura tipo
PT100. Texas Instruments Incorporated (2000).
Figura 3.26 - Fotografia ilustrando o circuito para condicionamento dos sinais de
temperatura dos sensores tipo PT100, utilizado no presente trabalho.
Para a medição das pressões foram utilizados transdutores pressão tipo piezo-
resistivos PA3023, marca IFM com faixa de operação de 0 a 25 bares relativos. Neste tipo
34
de sensores a medição é realizada por intermédio de um diafragma interno revestido por um
material piezo-resistivo. O material piezo-resistivo possui uma resistência elétrica variável à
tensão mecânica a que se encontra submetido. Os materiais piezo-resistivos são feitos de
material semicondutor extrínseco, a partir do adicionamento de impurezas de determinado
tipo para se obterem materiais do tipo P ou do tipo N. Nesse sentido, o material
semicondutor depositado por estampagem sobre o diafragma, gera resistências cujo valor e
variações são medidas pela deformação do diafragma e a conseqüente pressão que sobre
este se encontra aplicada. Uma ilustração do transdutor de pressão utilizado no presente
trabalho pode ser observado na figura 3.27.
Figura 3.27 - Ilustração do transdutor de pressão modelo PA3023, IFM electronics (2003).
Na tabela 3.3 são apresentadas as especificações técnicas dos transdutores de
pressão utilizados neste trabalho.
Tabela 3.3 Características técnicas dos sensores de pressão.
Voltagem de operação [Vdc] 10,8 até 30
Faixa de corrente [mA] 4 até 20 (600Ω)
Temperatura média [°C] -25 até +80
Temperatura máxima [°C] -40 até +100
Resolução [bar] 0,01
Para o condicionamento dos sinais de pressões, medidos pelos transdutores PA3023
utilizou-se o circuito integrado INA111 (doado pela Texas Instrument), com amplificador de
instrumentação de entrada tipo FET, de alto e excelente rendimento. Seu ganho pode ser
configurado desde 1 até 1.000, a partir de um resistor exterior (Rg). As entradas tipo FET
reduzem os ruídos dos sinais de voltagem. Na figura 3.28 se mostra o esquema do
condicionamento dos sinais de pressão que foram utilizados neste trabalho.
35
INA111
Figura 3.28 - Circuito de condicionamento sinais dos transdutores de pressão modelo
PA3023. Texas Instruments Incorporated (1998).
Para o condicionamento dos sinais das grandezas de vazão do refrigerante R-22 do
circuito principal e a vazão de água que passa pelo evaporador, que são lidos no medidor de
vazão tipo Coriolis e num medidor de vazão tipo turbina, SIGNET 8512 GF,
respectivamente, foram realizadas através do mesmo circuito integrado INA111, com um
ganho configurado de 5 a partir de um resistor exterior Rg=10 kΩ com uma pequena
mudança no circuito, devido aqueles transdutores possuírem saída analógica de corrente 4–
20 mA. Uma foto do circuito para o condicionamento dos sinais de pressão, vazão de
refrigerante e vazão de água é apresentada pela figura 3.29.
Figura 3.29 - Foto do circuito para o condicionamento dos sinais de pressão, vazão de
refrigerante e vazão de água do evaporador.
Finalmente, neste nível, o condicionamento para o sinal de comando desde o CLP,
para acionar e desligar a bomba de água do evaporador e a saída do controle PID para ligar
ou desligar a resistência elétrica no reservatório de armazenamento térmico foram
realizadas por intermédio de atuadores trifásicos, como mostra as figuras 3.30 e 3.31.
36
Resistências Elétricas
S
Voltagem Trifásica R S T
Módulo Saída 1746-OW8 CLP
Bomba de Água Evap.
Figura 3.30 - Circuito elétrico para resistência elétrica e bomba de água do evaporador.
Resistência Elétrica
Figura 3.31 - Resistência elétrica imersa no reservatório de armazenamento térmico para o
evaporador, ilustrando, ainda, o isolamento térmico utilizado.
3.4.3. Nível de Controle (Nível de campo)
Neste nível, baseado na configuração, programação e ferramentas do CLP como
ponto central de comando para os atuadores e sensores, de maneira que operem de forma
conjunta no sistema de refrigeração. Isso permite o ajuste e personalização das
necessidades para cada caso especifico, seja em lógicas de segurança, controle, conversão
analógica/digital e os sinais dos diferentes sensores. Para o CLP utilizado na presente
37
pesquisa, modelo SLC5/30 através do software Rslinx de Allan Bradley, utilizando o utilitário
OPServer, foi permitido desenvolver uma comunicação dos dados dinâmicos entre
softwares de uma mesma plataforma.
A ferramenta Rslinx permite diferentes tipos de comunicação serial ou multi-protocolo
com o CLP. Como se pode observar na figura 3.32 a tela de visualização e configuração na
comunicação programada entre o CLP e o computador.
Figura 3.32 - Comunicação programada entre CLP e o computador.
A troca de informação entre o CLP e o PC, que se dá por intermédio do Driver
OPServer Rslinx, está definida através de pacotes denominados de TAG (registros
dinâmicos). Estes estão pré-estabelecidos como registros internos definidos pelo CLP em
comum acordo com uma conexão hierárquica, como pode ser visualizado na figura 3.33.
Figura 3.33 - Grupos de TAG (Registros dinâmicos).
38
A filosofia de programação por parte do CLP é realizada através da Linguagem
LADDER. Essa linguagem é usada para programar CLP`s. Diferentes de linguagens de
programação comuns, a LADDER é uma linguagem gráfica. Essencialmente, a mesma
representa redes de conexões de relés, temporizadores, contadores, comutadores, sinais de
relógio, linhas de comunicação, operações de comparação, cálculos de valores para
variáveis e operações de conversão. A configuração de trabalho do CLP possui algumas
características especiais, como por exemplo, a configuração do CLP para se estabelecer os
canais de trabalho. Um exemplo da configuração de trabalho do CLP se observa na figura
3.34.
Figura 3.34 - Configuração de trabalho do CLP.
3.4.4. Nível Supervisionamento, Gestão e Análise
Por último, nasce da possibilidade de monitorar todos os dispositivos existentes no
equipamento experimental através de um sistema de comunicação adequado, previamente
estabelecido, com o objetivo de se analisar a planta com ajuda de softwares supervisores
programados no computador. Tem-se uma visualização do sistema de maneira detalhada
desde alarmes, falhas ou alterações em tempo real. Com isso, é possível estabelecer bases
em gestão e análise que proporcionem ferramentas em relação ao rendimento e operação
da bancada experimental.
Foi construída uma interface de monitoramento implementada em LABVIEW facilitando
ao usuário a observação da evolução do comportamento das temperaturas e pressões. Os
sinais adquiridos pelos sensores são convertidos de Analógico para Digital pelo CLP, para
logo ser calibrados por equações implementadas dentro do programa.
As telas são apresentadas nas figuras 3.36 e 3.37. A primeira consiste num painel
frontal de supervisão de diferentes variáveis do ciclo de refrigeração mostrados (aquisição
se dá a cada 1 segundo), dentro da janela, a facilidade de ativar e desativar as 8 saídas do
39
módulo de saída discreto 1746-OW8 desde o computador e monitorar as 8 entradas do
módulo de entrada discreto 1746-IA8 que fazem parte do CLP. A figura 3.35 apresenta a
foto do painel elétrico da bancada experimental, contendo o CLP e os circuitos de
condicionamento de sinais. A figura 3.36 apresenta a janela principal de supervisão do
sistema.
Figura 3.35 - Foto do painel elétrico principal da bancada experimental.
40
Figu
ra 3
.36
– Te
la 1
. Sup
ervi
são
e co
man
do d
a ba
ncad
a ex
perim
enta
l.
CAPITULO IV
CONTROLE ADAPTATIVO
4.1. Introdução
Por muitos anos, os desenvolvimentos dos atuais algoritmos para o controle dos
processos simples e complexos foram baseados em teorias de sistemas lineares, teorias de
controle ótimo, teorias de controle adaptativo e controle robusto, com ampla base teórica.
Com aqueles algoritmos, procurou-se buscar soluções que apresentem simultaneamente
boas características de robustez e excelência no desempenho dos sistemas, os mais
comumente utilizados nestas soluções é o controle tipo Difuso (Lógica fuzzy ou Fuzzy
Control - FC). A estratégia do controle atualmente apresenta boa aplicação e permite utilizar
o conhecimento de natureza heurística com o objetivo de controlar o sistema. Algumas
modificações neste tipo de controle suscitaram nos últimos tempos o aparecimento dos
controladores Fuzzy adaptativo. Este capítulo tem por objetivo apresentar os conceitos dos
controladores Fuzzy adaptativos, partindo do conceito fundamental básico da lógica Fuzzy
que será apresentada em mais detalhes a seguir.
4.2. Fundamentos da Lógica Fuzzy
A grande potencialidade desta estratégia de controle é a possibilidade de expressar
operações e controlar o sistema mediante conceitos básicos, eliminando os altos conteúdos
matemáticos e físicos que seriam necessários para o controle de um processo (controle
clássico), permitindo aproximar intuitivamente um operador mediante a construção de
42
regras. Cada regra, por sua vez, consiste num conjunto de expressões condicionais (se -
então), onde a primeira parte é denominada de antecedente e a segunda, conseqüente.
A lógica fuzzy baseia-se em uma série de conceitos básicos:
• Entrada Crisp: são as entradas do sistema, como por exemplo, o valor de
temperatura de um ponto específico do sistema de refrigeração.
• Grau de Pertinência: Representa o grau de associação que uma entrada Crisp
pertence a uma função de pertinência e é representada pela letra grega µ(x) que
vincula um número (entre 0 e 1) a cada elemento (x) do universo de discurso (figura
4.1). Todo elemento no universo de discurso é membro de um conjunto difuso com
um determinado grau.
Função Membro Diminuir Manter Aumentar
Grau de Pertinência
1
0 -10 0 10
Figura 4.1 - Conceitos básicos dos conjuntos difusos.
• Valores Lingüísticos: nome descritivo para identificar os conjuntos difusos. Tomando
palavras ou orações como valores. O conjunto de valores que este pode tomar é
chamado de conjunto de termos (Term set).
• Função Pertinência: função µ(x) que define o conjunto difuso ao qual uma variável de
entrada crisp é associada, sendo que esta pode pertencer a um ou mais conjuntos
ao mesmo tempo.
• Universo de discurso – representa o conjunto de todos os possíveis valores que a
variável do sistema (entrada/saída) pode assumir.
• Domínio – a faixa de valores no universo de discurso em que é mapeada por uma
função de pertinência.
43
Portanto, a partir dos conceitos mencionado anteriormente, desenvolve-se a
metodologia básica de um controlador fuzzy, compreendendo a construção de uma base de
regras com aqueles operadores lógicos e funções de pertinência. O controlador fuzzy
essencialmente mapeia, por meio de um processo de inferência, variáveis de entrada em
variáveis de saída.
A implementação do controlador, utilizando a lógica fuzzy, obedece normalmente as
seguintes etapas:
Etapa 1: caracterização do intervalo de valores que as variáveis de entrada e as variáveis de
saída podem assumir (definição do universo do discurso);
Etapa 2: definição de um conjunto de funções (as funções de pertinência) que mapeiam as
variáveis de entrada e de saída do universo do discurso;
Etapa 3: definição de um conjunto de regras, usando operadores lógicos e descritores
lingüísticos, que buscam estabelecer uma relação entre os valores de entrada e
os valores de saída;
Etapa 4: uma vez obtidas as regras, passa-se à fase de tradução matemática da linguagem
simbólica construída. Isto é realizado através da utilização de operadores lógicos
definidos pela teoria dos conjuntos fuzzy. Para tanto são necessárias três sub-
etapas distintas: a fuzzificação das entradas, a aplicação de um mecanismo
composicional de inferência e a defuzzificação das saídas.
A figura 4.2 apresenta de maneira esquemática os componentes básicos de um controlador
fuzzy.
Base de Regras
Inferência
Defuzzificação Fuzzificação
Dados de entrada
Dados de saída
Figura 4.2 - Controlador Fuzzy com seus componentes básicos.
44
4.2.1. Base de regras
A base de regras tem por objetivo representar de forma sistemática a maneira como o
controlador gerenciará o sistema sob sua supervisão (Driankov et al, 1996). A forma mais
geral de uma regra lingüística é:
SE premissa ENTÃO conseqüência
Para Driankov et al, (1996) e Ross (1995), as premissas, também chamadas de
antecedentes, são associadas com as entradas do controlador fuzzy e formam a parte das
regras representada à esquerda, enquanto as conseqüências, que também são conhecidas
como ações, estão associadas às saídas dos controladores.
Relacionadas às variáveis lingüísticas do processo, pode-se estabelecer os
antecedentes ou estados do processo. Driankov et al, (1996). e associá-los com ações de
controle. Para exemplificar a utilização da base de regras, toma-se como exemplo o controle
de uma caldeira, onde se estabelece uma relação entre a temperatura interna da unidade,
com a vazão necessária de água para o seu resfriamento, o que produz as seguintes regras:
SE temperatura é alta ENTÃO vazão de água é alta
SE temperatura é baixa ENTÃO vazão de água é baixa
SE temperatura é estável ENTÃO vazão de água é normal
O exemplo dado, aparentemente simples, é capaz de manter estável a temperatura em
uma caldeira, desde que os conjuntos fuzzy envolvidos tenham uma definição condizente
com a realidade.
Portanto é este conhecimento – o da experiência – que as regras fuzzy representam,
sendo perfeitamente inteligível o seu significado. Numa base de regras, há sempre um
número finito de regras que pode ser estabelecido, depois que se determina o número de
entradas e saídas necessárias ao sistema de controle, os predicados lingüísticos (número,
distribuição e forma das funções de pertinência) são escolhidos para cada uma destas
variáveis.
4.2.2. Fuzzyficação
A fuzzyficação é o processo de associar ou calcular um valor para representar um grau
de pertinência da entrada em um ou mais grupos qualitativos, chamados de conjuntos
45
difusos. O grau de pertinência é determinado por uma função de pertinência que foi definida
com base na experiência ou intuição. Funções de pertinência são o meio pelo qual um
controlador é sintonizado para alcançar respostas desejadas a determinadas entradas.
O número e a forma das funções de pertinência em conjuntos difusos são escolhidos
dependendo da exatidão, resposta, estabilidade, facilidade de implementação, manipulação
e manutenção requeridas pelo sistema. As funções de pertinência triangulares e
trapezoidais são as mais comuns. Os conjuntos difusos devem abranger o eixo X, cobrindo
todo o intervalo, ou o universo de discurso, para uma entrada de um sistema, mapeando
para o intervalo de 0 a 1 do eixo Y as pertinências de uma entrada.
4.2.3. Inferência
Depois das variáveis lingüísticas serem interpretadas, por meio da fuzzyficação, a
próxima etapa é a descrição das situações nas quais há reações, ou seja, a determinação
das regras SE-ENTÃO.
O lado SE (IF) de uma regra contém uma ou mais condições, chamadas antecedentes
que constituem uma premissa; o lado ENTÃO (THEN) contém uma ou mais ações
chamadas conseqüentes. O antecedente da regra contém uma ou mais condições, o
conseqüente contém uma ou mais ações. O antecedente corresponde diretamente aos
graus de pertinência calculados durante o processo de fuzzyficação. Cada antecedente tem
um grau de pertinência indicado para ele como resultado da fuzzyficação Durante a
avaliação das regras (a inferência), a intensidade é calculada com base em valores dos
antecedentes e estão indicadas para saídas difusas da regra.
4.2.4. Defuzzyficação
A defuzzyficação converte um conjunto difuso de saída de um sistema em um valor
clássico correspondente. Este processo é importante para decifrar o significado das ações
difusas usando funções de pertinência e também para resolver conflitos entre ações de
competição. A avaliação das regras associa potências (intensidade) para cada ação
específica na atividade de inferência. Contudo, um outro processamento, ou defuzzyficação,
é necessário que seja executado por duas razões: a primeira é decifrar o significado de
ações vagas (difusas), utilizando funções de pertinência; a segunda é resolver os conflitos
entre ações divergentes, que podem ter sido acionadas durante certas condições na
avaliação das regras. Cabral (1994).
46
4.3. Controlador Fuzzy Adaptativo
São controladores que se reajustam automaticamente para adaptar-se a novas
características do processo que se deseja controlar, Cardenas (2002). A necessidade de
identificar estas mudanças e de se adaptar a novas condições acrescenta aos controladores
fuzzy adaptativos dois componentes extras, que não estão presentes nos controladores
fuzzy convencionais, como pode ser observado na figura 4.3. O primeiro componente é o
“Monitor do Processo” cujo trabalho é detectar as mudanças nas características do
processo, pode ser uma medida do rendimento de atuação do controlador ou um parâmetro
baseado no estado do processo. O segundo componente adicional é o “mecanismo de
adaptação”, a partir da informação proporcionada pelo monitor do processo, este atualiza os
parâmetros do controlador tais como: fator de escala de cada variável, conjunto difuso de
cada nome lingüístico ou as regras da base de conhecimento.
Controlador Fuzzy principal
Mecanismo de Adaptação
Monitor de Processo
Sistema Planta -
+ referência
Figura 4.3 - Componentes de um controlador Fuzzy Adaptativo. 4.3.1. Monitor do Processo
O monitor de processo procura detectar mudanças importantes no comportamento da
planta que apontem para a necessidade de uma reconfiguração nos parâmetros do
controlador. Dois tipos de monitoramento se destacam: o primeiro observa alterações em
variáveis paramétricas e o segundo monitora o desempenho do sistema controlado. No
primeiro tipo de monitoramento (das variáveis paramétricas), as mudanças no processo
47
podem ser detectadas em tempo real (online), observando variações no tempo de
parâmetros de um modelo inicialmente “ajustado” e tido como referência para a descrição do
comportamento do sistema sob controle. No segundo tipo de monitoramento, procura-se
observar o desempenho do processo, monitorando algumas grandezas típicas, tais como:
overshoot; tempo de subida; tempo de acomodação, entre outras.
4.3.2. Mecanismo de adaptação
Os mecanismos de adaptação para os controladores fuzzy são classificados de acordo
aos parâmetros ajustados:
Fator de Escala (FE): As entradas e saídas do controlador podem escalar-se mudando
os limites de seu universo de discurso e proporcionando as etiquetas. Normalmente as
etiquetas definem-se no intervalo normalizado [-1,1] e logo se escala ao intervalo desejado.
No caso de variáveis de entrada, o que ocorre é multiplicar o valor de entrada por um valor
de escala no intervalo [0,1], para escalar a entrada de seu intervalo real a intervalo [-1,1].
Por exemplo: o intervalo real da entrada é [-200,200], deve-se multiplicar o valor de entrada
por 0,005 (1/200). Então, para este universo, o valor 100 se classifica principalmente como
“(M-médio)”, com um valor 100*0,005 = 0,5 normalizado. Para alterar a classificação deste
valor, basta multiplicar o valor da entrada por um novo fator escala, por exemplo, 0.0025
(1/400), assim, para um novo universo do discurso terá um intervalo de –400 a 400, e o
valor de 100 será classificado como “(P-pequeno)”. Alterar, portanto o fator de escala
significa modificar a sensibilidade do controlador mostrado na figura 4.4.
Z P M G
-1 0 +1
-200 0
+200 100
FS=1.0
FS=0.0050
FS=0.0025 +400 100 0-400
Figura 4.4 - Efeito de alterar o fator de escala
48
Modificação dos Conjuntos Difusos: Trata-se de modificar a definição das etiquetas
lingüísticas. Enquanto que com a mudança no fator de escala se consegue uma alteração
uniforme no universo todo, com este tipo de mudança é possível aumentar a sensibilidade
(ganho) do controlador para certos valores de zonas do universo. Um exemplo é
incrementar a sensibilidade do controlador nos valores próximos a zero (valores centrais do
universo) como apresentado na figura 4.5.
Z
+1 -1 0
G P M
Aumento da sensibilidade perto do zero
+1 -1 0
Figura 4.5 - Adaptação dos conjuntos fuzzy definidos.
Modificação das Regras da Base de Conhecimento: é realizada no caso quando uma
regra não pode ser sempre aplicável da mesma maneira. Portanto é preciso modificá-la para
adaptar-se a situação variante do sistema. Nestas ocasiões, uma solução para este
problema consiste em acrescentar uma nova variável de entrada ao controlador e novas
condições no antecedente de algumas regras, baseadas na nova variável. Por exemplo, a
etiqueta lingüística de alguma variável (do antecedente ou do conseqüente da regra).
Para realizar o controle do sistema com base na informação anteriormente
apresentada, foi realizado, inicialmente, um controlador fuzzy principal (convencional) e em
seguida foi implementado um mecanismo fuzzy de adaptação dos ganhos. O diagrama de
blocos do controlador fuzzy principal (convencional) são apresentados na figura 4.6.
49
Controlador Fuzzy
+r(k)
-
e(k)
∆e(k)
z-1
+
-
y(k) uc(k)
Sensor
Sistema
Figura 4.6 - Sistema de controle fuzzy.
A definição das variáveis de entrada do controlador fuzzy são avaliadas a partir do
sinal do erro e da variação do erro, assim definidas:
e (k) r(k) - y(k)= (4.1)
t
1)-e(k-e(k)e(k)∆
=∆ (4.2)
onde k e ∆t referem-se ao instante e ao intervalo de tempo utilizados e y(k) é a leitura do
sensor de temperatura.
Foram definidas para cada uma destas entradas três funções de pertinência
[(N)negativo, (Z)zero e (P)positivo] do tipo triangular e igualmente espaçadas e definidas
dentro de um universo do discurso sintonizado de forma heurística, conforme mostrado na
figura 4.7. A saída do controlador fuzzy é do tipo Sugeno de ordem zero, com valores “crisp”
(N=-1.0, Z=0 e P=1.0) constantes. A base de regras é mostrada na Tabela 4.1 e o
mecanismo de inferência utilizado foi o max-prod.
µ (∆e) µ (e)
Figura 4.7 - Funções de pertinência fuzzy das variáveis de entrada e saída do controlador.
-2.5 2.5
0.5
1.0 N Z P
e -25 25
0.5
1.0N Z P
∆e
PZ N 1.0
1 uc
-1
50
Tabela 4.1 - Base de regras do controlador fuzzy.
∆e N Z P
N P * P Z Z P Z N e P Z N N
* Cada célula da tabela 4.1 representa uma regra construída da seguinte forma:
R1: Se “e = N” e “∆e = N” então a saída do controlador uc é “P = 1”
Uma vez projetado o controlador principal, o segundo passo é a adição ao mesmo do
mecanismo de adaptação. Para isso, o universo do discurso do controlador principal foi
normalizado num intervalo de -1 a 1 e, acoplado ao controlador fuzzy principal, o mecanismo
fuzzy de adaptação dos ganhos conforme se observa na figura 4.8, cujas regras são dadas
pela tabela 4.2.
-
+r(k)
Controlador Fuzzy
Kv
Mecanismo de Adaptação Fuzzy
KKv(k)
y(k)
|u| c
Sistema Planta
|e∆|
Controlador Secundário
Sensor
Mecanismo de monitoramento
uc(k)
e(k) Ke
∆e(k)
-
+
z-1
Figura 4.8 - Controlador fuzzy adaptativo.
Tabela 4.2 - Base de regras do mecanismo de adaptação fuzzy.
|e| ∆ P M G
P M D A M M M D | u|
c
G A A D
51
Cabe destacar que o sistema é monitorado a partir da média absoluta da derivada do
erro |e| ∆ e da média absoluta da saída do controle |u|c observando os três últimos
tempos de amostragem. Estes valores são calculados da seguinte forma:
3
|3)-e(k||2)-e(k||e(k)||e| ∆+∆+∆=∆
(4.3)
3
|3)-(ku||2)-(ku||(k)u||u| ccc
c++
= (4.4)
De forma similar ao controlador fuzzy, foram definidas para cada uma das entradas do
mecanismo fuzzy de adaptação, três funções de pertinência [(P-pequeno, (M-médio e (G-
grande] do tipo triangular, igualmente espaçadas definidas dentro do universo de discurso
das variáveis de entrada e sintonizadas de forma heurística, como ilustra a figura 4.9. O
mecanismo de inferência escolhido foi o max-prod e a saída do tipo Sugeno de ordem zero,
assumindo os valores D=0.8; M=1 e A=1.2.
µ [ |e∆| ] µ [ || ]uc
0.0 100
0.5
1.0 P M G
|e∆|0.0 4.0
0.5
1.0P M G
|u|c
M AD 1.0
1.2KKv
0.8
Figura 4.9 - Funções de pertinência e intervalos fuzzy das variáveis de entrada do
mecanismo de adaptação.
Finalmente, conforme ilustra a figura 4.10, a tela de supervisão do controlador lógico
difuso adaptativo é apresentada. Vale ressaltar que é possível realizar qualquer modificação
no controle imediatamente, mesmo que o sistema esteja ligado.
52
Figu
ra 4
.10
– Ja
nela
de
supe
rvis
ão d
o C
ontro
lado
r Lóg
ico
Difu
so A
dapt
ativ
o.
CAPITULO V
RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Após a montagem e instalação do sistema de refrigeração e da instrumentação
passou-se à fase de operação do sistema. Esta fase caracterizou-se por diversos ajustes
nas condições de operação em malha aberta, com o objetivo de analisar e determinar os
parâmetros e características do sistema de refrigeração, que serviram como referência para
um ótimo funcionamento, facilitando a implantação do controlador em malha fechada neste
trabalho.
5.1. Identificação física dos parâmetros
Este tipo de sistema de refrigeração é um ciclo fechado, cujas condições
termodinâmicas do refrigerante em cada posição do circuito são dependentes entre si e das
condições externas. As variáveis se adequarão a uma condição induzida, por exemplo, o
efeito no sistema ao se acrescentar massa de fluido refrigerante, alterar a vazão de água do
evaporador, além do efeito produzido pela mudança na freqüência de rotação do
compressor, operando com uma válvula de expansão termostática.
As diferentes grandezas físicas medidas pelos sensores (temperatura, pressão e
vazão) instalados nos diferentes pontos da bancada experimental, são analisadas utilizando
código computacional “Engineering Equation Solver” (EES) para obtenção das propriedades
térmicas e cálculos matemáticos para avaliação de parâmetros como: COP, , , entre
outras. Tal programa permite, ainda, acompanhar a evolução das grandezas mencionadas
anteriormente durante os diferentes ensaios realizados. Tal é o caso do coeficiente de
eficácia, (COP) definido como sendo a relação entre o efeito útil desejado e o trabalho
evQ refm
54
necessário para obter esse efeito útil no sistema de refrigeração. Resumidamente, é a
relação entre o objetivo desejado sobre aquilo que custa.
evQEfeito util ObjetivoCOP =Trabalho necessario Aquilo que custa W
= =
A figura 5.1 ilustra, de maneira esquemática, o volume de controle aplicado a um
trocador de calor, onde, por intermédio de um balanço de energia, conhecendo-se a vazão
de refrigerante e os estados de entrada e saída, determina-se, por exemplo, a taxa de
transferência de calor. Os resultados desse balanço são apresentados pelas equações 5.1 e
5.2
Figura 5.1 - Volume de controle (V.C.) aplicado no trocador de calor.
Para a água: (5.1) ( ) (, , , ,w w ex w su w w w ex w suQ m h h m Cp T T= − = − )
Para o refrigerante: (5.2) ( ), ,ref ref ex ref suQ m h h= −
5.2. Procedimento Experimental
Para o desenvolvimento dos ensaios foi necessário o conhecimento do sistema por
parte do operador, isso permitiu variar os diversos parâmetros do sistema com o objetivo de
se verificar os melhores pontos de operação, além de fornecer os subsídios necessários
para o completo domínio da bancada.
P,T
ex
su
T
0vcQ =P,T
ex
su
T
55
Durante os ensaios experimentais foram executados diversos procedimentos, ou seja,
uma série de passos fundamentais para o correto funcionamento da bancada, levando-se
em consideração aspectos elétricos e termodinâmicos prevenindo quebras ou futuros
estragos nos diferentes componentes da bancada.
O procedimento inicia-se com o acionamento do painel principal, onde se encontram
os dispositivos de comando (CLP, condicionadores com suas respectivas fontes, entre
outros). Paralelamente, inicia-se o programa de monitoramento e controle feito em Labview,
e, nesse instante, é estabelecido à comunicação serial dos pacotes de dados entre o CLP e
o computador. O programa, feito em Labview, possui sub-rotinas que mostram o estado da
comunicação serial entre os equipamentos, por exemplo, erro comunicação, fora do tempo
de comunicação, entre outros. O seguinte passo é o acionamento da bomba de água que
alimenta o condensador e o ventilador da torre de resfriamento, em seguida a bomba de
água e a resistência elétrica do evaporador são ligadas, através de seus relés de potência,
separadamente. Quando o fluxo da água nos trocadores apresenta estabilidade e a
temperatura na entrada da água do evaporador, que simula a carga térmica, atinja o valor
pré-estabelecido, procede-se o acionamento e arranque do compressor. Neste ponto, os
cuidados são sempre considerados, já que se trabalha com voltagem trifásica e corrente
elevada, portanto qualquer erro pode ocasionar estragos ao sistema e também ao operador,
entre os quais destacam-se:
• Verificação das conexões e terminais elétricos ou qualquer tipo de umidade nos
equipamentos que pode ocasionar curtos circuitos.
• Observar o nível de óleo no cárter do compressor (para o caso do compressor semi-
hermético) antes da partida, levando-se em consideração que o óleo deverá estar no
centro do visor, porém o limite de variação no visor pode ir desde ¼ até ¾ do visor
de óleo (caso para o compressor semi-hermético - Bitzer).
• O suprimento de energia para o variador de freqüência é cuidadosamente verificado
e confrontado ao requerido no manual de operação e uma correta alimentação
trifásica ao sistema deve ser garantida.
• Antes de acionar o compressor, uma resistência elétrica que se localiza no cárter do
compressor deve estar ligada, o que permite aquecer seu óleo para evitar desgastes
por atrito, como solicita o manual de operação do compressor.
Por intermédio do programa labview, procede-se o acionamento do compressor
através de três interruptores programados na tela principal do sistema no labview. O
primeiro, do tipo toggle, para ligar e desligar o compressor e outros dois, tipo jog, para
56
aumentar e diminuir a velocidade à medida desejada. Inicialmente, o compressor era levado
a sua velocidade nominal, 60 hertz, para que o sistema entrasse em regime permanente. Ao
constatar que todos os parâmetros estejam estáveis, por exemplo, pressões de sucção e
descarga do compressor, verificação do visor da linha de líquido, operação da válvula de
expansão, verificação do grau de superaquecimento, garantindo que refrigerante no estado
líquido atinja o compressor. Além de verificar a tensão e corrente elétrica nominal, que não
deve exceder o valor máximo indicado na placa do compressor, há a necessidade de
sempre observar, neste tipo de compressor trifásico, se as correntes das três fases estão
balanceadas.
Entretanto, durante os primeiros ensaios, operando com a freqüência nominal fixa em
60 Hz, utilizando o compressor hermético da marca Hitachi e pelo tempo de utilização (mais
de 20 anos), observou-se uma série de dificuldades, por exemplo, falta da capacidade de
refrigeração, um elevado consumo de corrente na ordem 17,2 A, com o consumo de
potência da ordem de 3,71 kW. Tal valor se aproxima do limite máximo de corrente e
potência, o que pode danificar o variador de freqüência, além de gerar curtos circuitos que
podem afetar os demais dispositivos eletrônicos. Nessas condições, o sistema não
apresentou boas condições de operação, como por exemplo, apresentando um grau de
superaquecimento muito elevado, de 34,7°C, e não conseguindo atingir a condição de
saturação na saída do condensador, ou seja, não havendo sub-resfriamento, como pode ser
observado na figura 5.2a. Assim, não é possível realizar o balanço de energia no sistema,
pois na saída do condensador o refrigerante ainda se encontra na região de mudança de
fase. Devido a essas dificuldades, optou-se, então, por técnicas de ajuste do ponto ótimo de
operação para ciclos de compressão a vapor. Duarte et al (1998), desenvolveu uma
metodologia aplicável a sistemas onde o estado do refrigerante não esta bem definido, erro
na carga do refrigerante, instalações complexas e diferentes parâmetros que tem influência
neste tipo de sistema. Tais técnicas foram executadas no presente trabalho e se
acrescentou 0,3 kg de refrigerante R-22, fechou-se à válvula de expansão e a vazão de
água no evaporador foi aumentada. Os resultados, após as mudanças e calibrações como
metodologia para ajustar ao ponto ótimo de operação apresentaram uma “leve” melhora,
especialmente, no aparecimento de um certo grau de sub-resfriamento, como pode ser
observado na figura 5.2b. Lamentavelmente o compressor não suportou as condições
impostas de operação, começou a incrementar o ruído, o que levou a estragar por completo,
entrando em curto circuito e gerando um alto pico de corrente na ordem dos 24 A, travando
o mesmo por completo. Na retirada do compressor da bancada, verificou-se que o óleo de
lubrificação se apresentava num estado totalmente escuro e com impurezas, típico de muito
57
tempo em operação, inclusive em condições adversas. A partir daí, houve a necessidade de
se buscar outro compressor e reestruturar a bancada experimental e realizar novos ensaios
experimentais.
(a) (b)
Figura 5.2 - Diagrama Pressão em função da Entalpia com o compressor hermético Hitachi
(a) primeiros ensaios. (b) após aplicar as técnicas de ajuste no sistema.
Uma planilha de ensaios foi desenvolvida para o levantamento de resultados
experimentais, já com o novo compressor, com o objetivo de fornecer exatamente o tipo de
informação que se procura, além de organizar os resultados. A seguir, são apresentados, os
principais procedimentos de ensaios desenvolvido para a obtenção dos resultados
experimentais desta dissertação. Os dois primeiros itens foram desenvolvidos com a
bancada experimental trabalhando em malha aberta, que consiste na aplicação de
mudanças em suas variáveis, esperando que ao final de um determinado tempo as variáveis
apresentem um determinado comportamento.
• Conhecimento de condições iniciais da nova bancada experimental. Nesta seção
buscou-se um primeiro contato com o comportamento do sistema em função das
mudanças de freqüências do compressor na faixa dos 32 Hz até 70 Hz, além de
conhecer aspectos básicos como a vazão de água adequada na entrada do
evaporador, para permitir a máxima diferença absoluta entre as temperaturas da
água na entrada e saída do evaporador (DTW,EV), relações de pressões, entre outros.
• Resposta do sistema ao se incrementar a massa do refrigerante. Neste, basicamente
são apresentados uma série de ensaios realizados no sistema, acrescentando a
massa do refrigerante em intervalos de 0,5 kg, para uma massa inicial de R-22 de
58
3,265 kg e a massa final de 3,765 kg, além de outros aspectos de grande interesse
tais como capacidade de refrigeração, COP, entre outros, em função das mudanças
de freqüências do compressor na faixa de 30 Hz a 70 Hz.
• Avaliação do Sistema em Malha Fechada. Finalmente, nesta seção, a avaliação do
comportamento do sistema utilizando o controlador fuzzy adaptativo programado no
labview, além de ser comparado com um controlador básico On-Off e um controlador
PI, este último programado no controlador lógico programável (CLP). Com este tipo
de controle em malha fechada, as informações são conhecidas em um momento
adequado, com qualidade e propósito de tornar o sistema ótimo e mais preciso
através de sinais de retro-alimentação, de referência e de controle.
5.2.1. Conhecimento das condições iniciais da bancada experimental
A freqüência de rotação do compressor foi pré-estabelecida como a variável a ser
manipulada do sistema de refrigeração. Inicialmente foram realizados ensaios com o
sistema em malha aberta, mantendo uma temperatura da água na entrada do evaporador
(T8) a 20ºC, alterando a freqüência de rotação do compressor na faixa entre 32 Hz e 70 Hz,
com uma massa inicial de refrigerante R-22 de 2,765 kg e uma vazão mássica de água no
evaporador de 0,40 kg/s.
Na figura 5.3 observam-se às mudanças no COP e vazão do refrigerante, e para a figura
5.4 o consumo de potência medido através do variador de freqüência e capacidade de
refrigeração, ambos em função da freqüência de rotação do compressor. O ensaio consistiu
em acionar o sistema em modo rampa até a freqüência nominal de 60 Hz (1750 rpm)
deixando o sistema atingir a regime permanente para avaliar seu COP, entre outros
parâmetros, em seguida a freqüência é reduzida de 5 em 5 Hz por meio do variador,
tomando cuidado de obter regime permanente e assim avaliar o sistema em cada freqüência
de trabalho até atingir o valor mínimo estipulado de 32 Hz (900 rpm). Finalmente, o
procedimento seqüencial consistiu no aumento da freqüência, desde os 32 Hz até o limite
máximo de 70 Hz (2100 rpm) para avaliar o sistema em regime permanente na máxima
freqüência. É importante destacar que para 60 Hz (freqüência nominal) o sistema não
apresenta o máximo COP, apesar de ter sua máxima capacidade de refrigeração ( ), da
ordem de 4,25 kW e sua máxima vazão de refrigerante de 0,024 kg/s, entretanto a potência
apresenta valores maiores. É interessante observar que tanto acima dos 65 Hz quanto
abaixo dos 40 Hz, encontra-se o mínimo COP, no valor de 1,039, que é afetado pelos
valores reduzidos da vazão do fluido refrigerante, valores da ordem de 0,016 kg/s. Já os
máximos valores alcançados para o COP, entre 1,765 e 1,882, nesse ensaio, se encontram
evQ
59
na faixa das freqüências de 41,1 e 50,38 Hz, que se deve a uma boa capacidade de
refrigeração com consumo de potência reduzido.
COP mr2230 35 40 45 50 55 60 65 70 75
Frequência [Hz]
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
CO
P
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
mR
22 [
Kg/
seg]
Figura 5.3 - Variações do COP e vazão mássica (mr22) em função da freqüência de
operação do compressor.
W Qev
30 35 40 45 50 55 60 65 70 75Frequência [Hz]
0,0
0,8
1,6
2,4
3,2
4,0
4,8
5,6
Pote
ncia
Con
sum
ida,
W,
[kW
]
0,0
0,8
1,6
2,4
3,2
4,0
4,8
5,6
Cap
acid
ade
de re
frig
eraç
ão, Q
ev, [
kW]
Figura 5.4 – Variações na capacidade de evaporação ( ) e potência consumida (W) em
função da freqüência de operação do compressor.
evQ
60
Nas figuras 5.5 e 5.6, são apresentados os graus de superaquecimento e sub-
resfriamento (Tsq, Tsb) e temperatura de condensação e de evaporação, respectivamente.
Como pode ser observado, em toda a faixa de freqüência ensaiada, o grau de sub-
resfriamento foi mantido ligeiramente acima 0ºC e o grau de superaquecimento maior que
15 ºC. As temperaturas de evaporação e condensação variaram, como seria de esperar, em
maior amplitude na faixa de freqüências acima dos 50 Hz.
Tsb Tsq30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
Frequência [Hz]
-8
0
8
16
24
32
Tem
pera
tura
s [º
C]
Figura 5.5 - Perfil das Temperaturas (Tsq - Tsb) em relação às mudanças na freqüência de
trabalho do compressor.
Tcd Tev30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
Frequência [Hz]
-8
0
8
16
24
32
Tem
pera
tura
s [º
C]
Figura 5.6 - Perfil das Temperaturas (Tcd - Tev) em relação às mudanças na freqüência de
trabalho do compressor.
61
A figura 5.7 mostra o comportamento das temperaturas do evaporador no primeiro
momento quando o sistema é ligado em modo rampa até a freqüência nominal de 60 Hz
(1750 rpm), observa-se que a temperatura de entrada do refrigerante no evaporador
(T4=Teev; em vermelho) atinge o equilíbrio em -13ºC e, a partir daí, não apresenta mais
alteração no seu valor. Nessas condições, verificou-se que o tempo transitório para ação de
aumento de velocidade entre os 30 e 60 Hz é de aproximadamente 63 segundos.
30,0
-20,0
-10,0
0,0
10,0
20,0
Tempo [seg]4:000 15 30 45 1:00 1:15 1:30 1:45 2:00 2:15 2:30 2:45 3:00 3:15 3:30 3:45
T1=Tsev
T4=Teev
T5=Tsw
T8=Tew
Medições Temperatura Evaporador
30Hz 60Hz
Figura 5.7 - Comportamento das temperaturas no evaporador no momento transitório de
acionamento do sistema até a freqüência nominal de 60 Hz (1750 rpm).
Os níveis de pressão apresentaram um limite que não ultrapassou 1 MPa para a faixa
de altas pressões e para a faixa de baixas pressões, não apresentou valores inferiores a
300 kPa, como é observado na figura 5.8.
Pre
ssõe
s [K
Pa]
P4 P1
P3 P2
Figura 5.8 - Comportamento das pressões variando a freqüência de 32 Hz a 70 Hz nos
ensaios com massa de refrigerante de 2,765 kg e vazão de água no
evaporador de 0,40 kg/s.
62
Com o objetivo de se obter uma operação ótima do sistema, além de manter constante o
grau de superaquecimento e sub-resfriamento, foi estabelecida a faixa de operação da
vazão mássica da água no evaporador, mantendo o compressor numa freqüência nominal
de 60 Hz (1750 rpm) com objetivo de aumentar a diferença absoluta entre as temperaturas
da água na entrada e saída do evaporador, DTW EV. É importante ressaltar que, inicialmente,
à medida que a vazão de água no evaporador era reduzida, o DTW EV foi aumentando
proporcionalmente, até alcançar o ponto em que a vazão da água decrescia a níveis
inferiores a 0,208 kg/s. Como pode ser observado na figura 5.9, o sistema tornou-se
instável, fazendo com que a temperatura do refrigerante na entrada do compressor, (T1,
verde) atinja valores negativos, o que, alertaria o perigo iminente da entrada do refrigerante
na fase líquida ao compressor produzindo possíveis estragos do equipamento.
30,0
-20,0
-10,0
0,0
10,0
20,0
Tempo [min:seg]1:11:561:02:57 1:04:00 1:05:00 1:06:00 1:07:00 1:08:00 1:09:00 1:10:00 1:11:00
T1=Tsev
T4=Teev
T5=Tsw
T8=Tew
Evolução das Temperatura Evaporador
Figura 5.9 - Variação temporal da temperatura, evidenciando a instabilidade à medida que
se diminuía a vazão da água.
Conseqüentemente, foram realizados diversos ensaios variando a vazão de água no
evaporador, dentro da faixa estipulada de 0,208 kg/s a 0,40 kg/s, em função das diferentes
freqüências de trabalho do compressor no sistema. O resultado obtido foi um COP elevado,
para uma vazão da água no evaporador de 0,21 kg/s, pois permitiu a obtenção de uma faixa
para DTW EV de 4 graus para freqüência de rotação de 40 Hz (1200 rpm). Já para uma
freqüência de 60 Hz (1750 rpm), a diferença de temperatura no evaporador foi 7 graus e
para valores entre 40 e 60 Hz, o DTW EV foi aumentado proporcionalmente, sem
comprometer a estabilidade do sistema. Um resultado bastante interessante foi obtido
quando a vazão da água foi mantida em 0,40 kg/s e a freqüência de rotação do compressor
63
em 60 Hz, a diferença de temperatura no evaporador foi de 4 graus e para 40 Hz essa
diferença foi insignificante.
5.2.2. Resposta do sistema ao se aumentar a massa de refrigerante.
A seguir são apresentados os ensaios realizados na bancada experimental,
acrescentando 0,5 kg em massa de refrigerante, totalizando 3,265 kg. Houve a necessidade
de realizar um leve ajuste na abertura na válvula de expansão termostática e a vazão de
água na entrada do evaporador foi mantida constante em 0,21 kg/s e temperatura de 20ºC,
previamente estabelecidas. O comportamento dos diversos parâmetros, como COP,
potência de compressão, capacidade de refrigeração e vazão mássica foram levantados
nessa segunda serie de ensaios e pode ser observado nas figuras 5.10 e 5.11.
Vale ressaltar que os ensaios foram realizados de acordo com o que foi apresentado
anteriormente, para distintas freqüências de operação do compressor. É interessante
observar nas figuras que com o acréscimo de 0,5kg de refrigerante no sistema, obteve-se
um aumento considerável na vazão do refrigerante para valores variando entre 0,30 e 0,39
kg/s. Do ponto de vista do desempenho do sistema, foram observados valores superiores
aos apresentados anteriormente, apresentando um COP mínimo de 2,41 e máximo de 3,17.
Vale ressaltar, ainda, que novamente o COP máximo de operação foi obtido para
freqüências de rotação do compressor da ordem de 50 Hz (1500 rpm) e não a sua
freqüência nominal de 60 Hz (1750 rpm) onde apresenta uma boa capacidade de
refrigeração e máxima vazão de refrigerante. Como seria de esperar, com o aumento da
massa do sistema, houve um leve incremento no consumo de potência para toda a faixa de
operação de freqüências de trabalho do compressor, como observado na figura 5.11 em
comparação à figura 5.4.
No caso das pressões, os resultados apresentados mostraram certa mudança em seus
níveis, como era esperado, com o acréscimo de massa no sistema. As pressões de alta (P2
e P3) estabilizaram seus valores na faixa entre 1,029 MPa e 1,130 MPa, para as freqüências
entre 31,3 e 60,8 Hz, respectivamente. É interessante notar a elevação da temperatura de
condensação e a diminuição da temperatura de evaporação, ilustrado pela figura 5.13, a
medida em que se eleva a freqüência de rotação do compressor. Na figura 5.12, o grau de
sub-resfriamento (Tsb) foi mantido praticamente constante com a freqüência e o grau de
superaquecimento (Tsq) variou na faixa entre 10 e 20ºC.
64
COP mR22
25 30 35 40 45 50 55 60 65 70Frequência [Hz]
0,0
0,8
1,6
2,4
3,2
4,0
4,8
CO
P
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
mR
22 [K
g/se
g]
Figura 5.10 - Variações do COP e vazão mássica (mr22) em função da freqüência de
operação do compressor, com massa de refrigerante no sistema em 3,265 kg.
W Qev
25 30 35 40 45 50 55 60 65 70Frequência [Hz]
0,0
0,8
1,6
2,4
3,2
4,0
4,8
5,6
Pote
ncia
Con
sum
ida,
W, [
kW]
0,0
0,8
1,6
2,4
3,2
4,0
4,8
5,6
6,4
7,2
8,0
Cap
acid
ade
de re
frig
eraç
ão, Q
ev, [
kW]
Figura 5.11 - Variações capacidade de evaporação ( ) e potência consumida (W) em
função da freqüência de operação do compressor, com massa de refrigerante
no sistema em 3,265 kg.
evQ
65
Tsb Tsq25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
Frequência [Hz]
-8
0
8
16
24
32
Tem
pera
tura
[ºC
]
Figura 5.12 - Comportamento das temperaturas (Tsq; Tsb) durante as mudanças na
freqüência de trabalho do compressor, com massa do refrigerante de 3,265 kg.
Tcd Tev25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
Frequência [Hz]
-7
0
7
14
21
28
Tem
pera
tura
[ºC
]
Figura 5.13 - Comportamento das temperaturas (Tcd; Tev) durante as mudanças na
freqüência de trabalho do compressor, com massa do refrigerante de 3,265
kg.
Finalmente, com o objetivo de melhorar a fase de avaliação do comportamento do
sistema foi acrescentada massa adicional de refrigerante em 0,48 kg, totalizando, nesse
momento, uma massa total de R-22 de 3,745 kg. Vale ressaltar que a vazão de água na
entrada do evaporador foi mantida constante em torno de 0,21 kg/s e temperatura da ordem
de 20ºC, previamente estabelecidas na planilha de ensaios. Observa-se nas figuras 5.14 e
5.15, que o sistema apresentou uma capacidade de refrigeração similar ao ensaio anterior,
66
porém apresentou um leve aumento na potência consumida pelo compressor que,
diretamente, afetou o COP e a vazão de refrigerante que variou na faixa entre 0,03 kg/s e
0,04 kg/s.
COPmR22
25 30 35 40 45 50 55 60 65 70Frequência [Hz]
0,0
0,8
1,6
2,4
3,2
4,0
4,8
CO
P
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
mR
22 [k
g/se
g]
Figura 5.14 - Variações do COP, vazão mássica (mr22) em função da freqüência de
operação do compressor, com massa de refrigerante no sistema em 3,745 kg.
W Qev25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
Frequência [Hz]
0,0
0,8
1,6
2,4
3,2
4,0
4,8
5,6
Pote
ncia
Con
sum
ida,
W,
[kW
]
0,0
0,8
1,6
2,4
3,2
4,0
4,8
5,6
6,4
7,2
8,0
Cap
acid
ade
de re
frig
eraç
ão, Q
ev, [
kW]
Figura 5.15 - Variações da capacidade de evaporação ( ) e potência consumida (W) em
função da freqüência de operação do compressor, com massa de refrigerante
no sistema em 3,745 kg.
evQ
67
Durante os desenvolvimentos dos ensaios na bancada experimental, foram
observados certos comportamentos particulares que colaboraram com informação para
providenciar futuras ações de correção. Um exemplo típico é o comportamento das
pressões do sistema no momento em que o compressor foi desligado pelo variador de
freqüência, que estava configurado em modo rampa, como pode ser observado na figura
5.16. É interessante observar alterações bruscas no momento em que o variador inicia o
desligamento do compressor, decrescendo a freqüência desde 60 Hz (1750 rpm) até 0 Hz (0
rpm). Nessas condições, para evitar futuras falhas, o variador de freqüência foi configurado
no modo de inércia para desligamento imediato do compressor, o resultado pode ser
observado na figura 5.17, e não apresentam perturbações tanto nas pressões quanto fortes
vibrações na estrutura interna do motor elétrico do compressor.
Pre
ssõe
s [K
Pa]
P4 P1 P3 P2
Figura 5.16 - Comportamento das pressões do sistema no momento em que o compressor
foi desligado pelo variador de freqüência, configurado no modo rampa.
1500,0
0,0
250,0
500,0
750,0
1000,0
1250,0
Tempo [min:seg]2:14:32:05:30 2:06:40 2:07:30 2:08:20 2:09:10 2:10:00 2:10:50 2:11:40 2:12:30 2:13:20
P2
P3
P1
P4
Medições Pressões
Figura 5.17 - Comportamento das pressões do sistema no momento em que o compressor
foi desligado pelo variador de freqüência, configurado no modo inércia.
68
Como pôde ser observado nas figuras precedentes, o sistema apresentou um
comportamento bem diferenciado no que se refere aos parâmetros mais importantes, em
termos termodinâmicos, mediante as distintas freqüências de trabalho do compressor no
sistema. Este comportamento proporciona os subsídios necessários para o desenvolvimento
de controladores com características operativas capazes de levar o sistema ao equilíbrio,
buscando um erro mínimo. As seguintes etapas tratarão da evolução e comportamento dos
controles aplicados no presente projeto.
5.2.3. Avaliação do sistema em malha fechada.
A avaliação do comportamento do sistema em malha fechada baseia-se na aplicação
de um tipo de controlador especifico, o que permite o conjunto de ações de controle que
mantenham o sistema o mais próximo de uma trajetória de referência, que pode ser o
próprio set point ou um sinal de referência. Para o caso do presente trabalho, o controlador
tem como objetivo manter uma temperatura fixa na água de saída do evaporador (T5), em
função de alterações impostas na temperatura da água de entrada do evaporador (T8),
assimilando a ambientes externos como carga térmica, atuando nas rotações do
compressor como variável manipulada por meio do variador de freqüência.
Com o objetivo de se verificar a eficiência do controlador proposto foi implementado,
ainda, o controlador tipo On-Off (controle convencional de aparelhos de sistemas de
refrigeração e ar condicionado de janela, com freqüência de 60 Hz (1750 rpm). Os
experimentos realizados foram desenvolvidos da seguinte forma.
Os controladores atuavam no sinal de controle de forma que a temperatura da água na
saída do Evaporador (T5) se mantivesse em torno do sinal de referência, neste caso 13,5°C.
Foi mantida constante a temperatura inicial na água de entrada do evaporador (T8) em 22°C
assimilando a ambientes externos aos controlados por intermédio de uma resistência
elétrica imersa no reservatório de água. Durante os experimentos, além das temperaturas e
pressões do sistema foram registrados os consumos de potencia em kW do compressor
utilizado.
Os resultados obtidos podem ser observados nas figuras a seguir:
69
30,0
-20,0
-10,0
0,0
10,0
20,0
Tempo [min:seg]1:03:1554:13 55:00 55:30 56:00 56:30 57:00 57:30 58:00 58:30 59:00 59:30 1:00:30 1:01:30 1:02:30
T1=Tsev
T4=Teev
T5=Tsw
T8=Tew
Evolução das Temperatura Evaporador
OFF ON OFFON ON
Figura 5.18 - Comportamento das temperaturas no evaporador do sistema com controle On
- Off.
Na figura 5.18 é observado o comportamento das variáveis no evaporador,
especialmente a temperatura da água na saída do evaporador (T5) em função da atuação
do controlador On-Off, cujo parâmetro de controle foi ajustado para que o controlador acione
o compressor quando T5 atinja os 22°C e inicie o processo de resfriamento. Quando (T5)
atinge os 13°C o controlador desliga o compressor imediatamente, e assim sucessivamente.
Devido à elevada capacidade do compressor, ficou estabelecido que o sistema seja
acionado (On) quando a temperatura da água de saída do evaporador atinja,
especificamente, 22°C. Isso ocorreu para que o sistema pudesse alcançar um regime
estável, que era verificado aproximadamente em torno de 160 segundos. Outro aspecto
importante em relação ao comportamento da bancada experimental foi o período de
desligamento (Off), pois quando T5 atinge os 22°C demora, aproximadamente, 90 segundos
sem que as resistências elétricas no interior do reservatório do evaporador estivessem
ligadas.
Pode-se observar, ainda na Figura 5.18, que a temperatura T5 se manteve entre 13,4
e 22°C e a temperatura do ambiente externo (T8) permaneceu próxima dos 22°C durante o
experimento. No momento em que o controlador aciona o sistema, a temperatura do
refrigerante na saída do evaporador (T4) apresenta uma leve queda gerada pelo efeito da
sucção do compressor no fluxo do refrigerante nesse exato instante.
Na figura 5.19, observa-se o comportamento das pressões do sistema quando o
controlador está no modo On - Off. Cada vez que o sistema é ligado, imediatamente se
produz a máxima pressão de alta que permanece no mesmo nível durante o ciclo On. No
instante quando se liga o compressor, um pico de corrente de aproximadamente 15,2
Amperes é registrado no variador de frequência e, após alguns segundos, observa-se o
70
consumo médio de corrente no ciclo On de 10,6 Amperes. Um aspecto relevante observado
no sistema com este tipo do controlador, refere-se a que uma grande quantidade de óleo do
compressor é deslocado para os equipamentos e isso se verifica no visor de líquido
localizado na saída do condensador. Contudo, quando o compressor é acionado no modo
rampa esse fenômeno não é observado e isso é o desejado, já que o compressor não corre
o risco de ficar sem óleo no cárter.
1500,0
0,0
250,0
500,0
750,0
1000,0
1250,0
Tempo [min:seg]1:03:1554:13 55:00 55:30 56:00 56:30 57:00 57:30 58:00 58:30 59:00 59:30 1:00:30 1:01:30 1:02:30
P2
P3
P1
P4
Medições Pressões
OFF ON OFFON ON
Figura 5.19 - Comportamento das pressões do sistema com controle On – Off.
Quanto à sua funcionalidade, o modelo geral de um equipamento termostático pode
ser derivado a partir do comportamento físico do dispositivo, relacionando sua temperatura
interna e estados de funcionamento. Em condições normais de operação (isto é, em
regime), a temperatura de referência de um equipamento termostático é mantida entre dois
valores previamente definidos de temperatura: um limite de temperatura superior (Tmx =
22ºC) e um de temperatura inferior (Tmn = 13ºC). Conforme descrito anteriormente, para com
o controle da unidade de refrigeração realizado através de um mecanismo do tipo
liga/desliga acionado nas temperaturas limites. A demanda elétrica do equipamento para
este tipo de funcionamento é avaliada pela solicitação imposta ao motor por um regime,
onde o motor do compressor fica desligado entre os tempos de ativado, por tanto a
demanda de potência equivalente é calculada pela fórmula seguinte, (WEG Equipamentos
Elétricos S/A – Motores, 2005).
( )( )
=⎛ ⎞+⎜ ⎟⎝ ⎠
∑
∑
2
2 1
1
13
n
i i
n
i r
P tPm
t t (5.3)
71
Onde: = tempo quando o motor está ligado, em segundos. it
rt = tempo quando o motor está desligado, em segundos.
iP = Potência correspondente nesse instante quando o motor está ligado, em kW.
Como resultado, obtém-se a demanda de potência média de 2,94 kW trabalhando com
o controlador ON-OFF.
Estes resultados estimularam novos ensaios experimentais realizados com condições
de operação do sistema. A avaliação do Controlador Lógico Difuso Adaptativo para uma
operação do sistema é apresentada a seguir
Para a realização deste ensaio, inicialmente o sistema foi ligado normalmente sem
controle, operando em regime permanente com certas condições impostas à bancada
experimental, como temperatura da água na entrada do evaporador (T8) a 22°C,
temperatura da água na saída do evaporador (T5) a 14,6°C e a freqüência de 50 Hz. No
momento em que o controlador é ligado ao sistema, observa-se a efetividade do controlador
difuso a adaptar-se por intermédio de seu fator de escala, observando a condição inicial de
elevados erros e de pequeno controle, pelo qual o controlador atua de forma a aumentar sua
sensibilidade através de seu fator de escala Kv e por meio da saída KKv no mecanismo
interno de adaptação.
Com o passar do tempo, o valor de Kv elevado o controlador fica mais sensível ao
∆erro, conseqüentemente, um número maior de regras do controlador principal é utilizado, o
que melhora o desempenho do controlador. O valor inicial de Kv influencia, portanto, o
número de regras envolvidas no controlador principal ao se iniciar o processo de controle e
a "velocidade" com que outras regras são "atingidas". Assim, o valor Kv assumido
inicialmente afeta o tempo de acomodação do sistema controlado. Como pode ser
observado na figura 5.20, o momento em que o controlador, com sua máxima sensibilidade
adaptada atua no sistema aumentado a freqüência do compressor, ou seja, um incremento
imediato nas pressões de alta, tendo por objetivo levar a temperatura da água na saída do
Evaporador (T5) para a temperatura previamente estipulada (set-point) estabelecida no
controlador. Nessas condições, registrou-se um tempo transitório de 25 segundos e um
tempo de acomodação da ordem de 55 segundos.
72
1500,0
0,0
250,0
500,0
750,0
1000,0
1250,0
Tempo [min:seg]54:1345:11 46:00 46:30 47:00 47:30 48:00 48:30 49:00 49:30 50:00 50:30 51:00 51:30 52:00 52:30 53:00 53:30
P1
P2
P3
P4
Medições Pressões
P2
55 seg 25 seg 145 seg
Alta Senbilidade
Baixa Senbilidade
P3 P1 P4
Figura 5.20 - Comportamento das pressões do sistema com controle lógico difuso
Adaptativo.
Quando o sistema converge, tem-se uma situação de baixos sinais de entrada e
baixos sinais de controle e um valor de Kv praticamente constante (KKv =1). O controlador,
uma vez detectando uma condição de equilíbrio do processo (caracterizado por KKv
próximo da unidade durante um certo tempo), diminui o valor do fator de escala, ou seja, sua
sensibilidade fica robusta. Portanto, um baixo valor de Kv implica num tempo maior de
regime transitório. Na Figura 5.20, observa-se que a medida que a temperatura da água na
entrada do evaporador (T8) decresce de 22°C para 20°C, o controlador robusto vai
diminuindo levemente as pressões de alta, com objetivo de manter a temperatura da água
na saída do evaporador (T5) com a temperatura de set point previamente estabelecida no
controlador de 13°C e, para isso, registra-se um tempo transitório de 145 segundos.
Paralelamente se mostra na figura 5.21, a resposta temporal das temperaturas no
evaporador na faixa dos 20°C e 22°C para a temperatura da água na entrada do evaporador
(T8), assimilando uma mudança na temperatura no ambiente externo que se deseja
controlar. Nesse caso, o controlador apresenta bom desempenho mantendo a temperatura
da água na saída do evaporador (T5) como a variável a ser controlada dentro de um valor
pré-estabelecido em 13°C com uma variação de ±0,5°C. Durante o processo quando o
controlador permanece operando com alta sensibilidade e baixa sensibilidade, foram
registradas diferentes potências medidas através do variador com seus tempos específicos
de duração, com o objetivo de obter uma potência média consumida.
73
30,0
-20,0
-10,0
0,0
10,0
20,0
Tempo [min:seg]54:1345:11 46:00 46:30 47:00 47:30 48:00 48:30 49:00 49:30 50:00 50:30 51:00 51:30 52:00 52:30 53:00 53:30
T1=Tsev
T4=Teev
T5=Tsw
T8=Tew
Evolução das Temperatura Evaporador
1
1
Pt
2
2
Pt
3
3
Pt
4
4
Pt
5
5
Pt
6
6
Pt
7
7
Pt
8
8
Pt
9
9
Pt
Figura 5.21 - Evolução das temperaturas em função do tempo mediante o controlador difuso
adaptativo.
Evidentemente, o método para calcular a potência equivalente neste caso, quando se
tem uma série de registros de potências durante tempos específicos, leva-se em
consideração, trabalhar com a hipótese de que a carga efetivamente aplicada ao motor
acarretará a mesma solicitação térmica que uma carga fictícia equivalente, que solicita
continuamente a demanda de potência , Equação 5.4. Baseia-se também no fato de ser
assumida uma variação das perdas com o quadrado da carga e que a elevação da
temperatura é diretamente proporcional às perdas. Isto é verdadeiro para motores que giram
continuamente, mas são solicitados intermitentemente (WEG Equipamentos Elétricos S/A –
Motores, 2005).
mP
Assim,
( )( )
( )=∑
∑
2
2 1
1
n
i i
n
i
P tPm
t (5.4)
onde: = tempos específicos quando o motor está ligado, em segundos. it
iP = potência correspondente nesse instante quando o motor está ligado, em kW.
Como resultado, obtém-se a demanda de potência média de 2,40 kW trabalhando com
o controlador lógico difuso adaptativo.
Além de conhecer o comportamento com os diferentes controladores aplicados em
situações impostas de trabalho, a bancada experimental permitiu conhecer qualitativamente
74
o desempenho dos controladores pela sua capacidade de manter a variável controlada
próximo ao valor desejado (set-point), mesmo sob a presença de perturbações externas.
Nesse momento, é interessante realizar uma comparação das demandas de potências
médias, para que se possa ter uma idéia do ganho com a aplicação do controlador em
relação ao comumente encontrado no mercado (On-Off). Como seria de esperar, a redução
na demanda de potência consumida ao aplicar um controlador lógico difuso adaptativo
permitiu um melhoramento no COP do sistema em comparação ao controlador On-Off. Do
ponto de vista econômico, considerando parâmetros elétricos de trabalho para um motor
trifásico do compressor, como o numero de pólos, baixa tensão de alimentação (< 1 kV),
energia de perdas consumida pelo motor, rendimento nominal mínimo, período de trabalho
contínuo do motor de 8 horas diárias durante 22 dias do mês, além de outros. A
determinação da energia consumida no compressor com os controladores aplicados é
realizada pela Equação 5.5, a seguir.
(5.5) ( )= ∫0T
uW P t dt
Como essa energia tem um custo C$, que depende muito das condições em que é
fornecida, é possível determinar o encargo com a energia utilizada durante os processos,
neste caso considerando o tipo de fornecimento de baixa tensão com tarifa R$ 0,603118 por
kWh, fornecida pela CEMIG (Julho-2006), tem-se,
(5.6) = ⋅ $w uE W C
Nessas condições, observa-se na tabela 5.1 a demanda de potência, o consumo de
energia e o custo mensal nos distintos tipos de controle.
Tabela 5.1 – Comparação entre os controladores aplicados
Tipo de Controle Demanda Potência
Energia Ativa consumida
mensalmente
Custo (R$) mensal
On – Off compressor
Hitachi ano1988
3,71 kW 652,9 kWh R$ 393,81
On – Off compressor
Bitzer
2,92 kW 513,9 kWh R$ 309,94
Fuzzy Adaptativo 2,40 kW 422,4 kWh R$ 254,76
75
Como pode ser observado, a economia anual em gasto com energia elétrica utilizando
o controlador fuzzy adaptativo em relação ao On-Off trabalhando com o novo compressor
bitzer é de aproximadamente R$ 700,00 em relação ao compressor original do sistema ar
condicionado self-contained (Hitachi ano 1988) a economia anual é de R$ 1.670,00.
Resumindo, em menos de dois anos é possível somente com a economia de energia
elétrica pagar o investimento em um variador de freqüência. Vale ressaltar que, além disso,
não foi computado o gasto com manutenção geral do equipamento. É importante lembrar que é uma análise econômica a nível de energia ativa
consumida, porém existem outras considerações a nível industrial, por exemplo, a
determinação do encargo com energia reativa que dependem dos conhecimentos sobre
instalação elétrica em que se incluiria o motor trifásico do compressor. Seria necessário
analisar, atendendo a instalação de utilização de energia elétrica, qual é a parte da energia
reativa efetivamente paga que correspondia ao motor do compressor.
Finalmente foi realizado um último ensaio com o controlador lógico difuso adaptativo
mediante alterações nos parâmetros. Os resultados preliminares, ilustrados pelas figuras
5.22 e 5.23, mostram a resposta do controlador na freqüência em função das mudanças
realizadas aleatoriamente na temperatura da água (T8) na entrada do evaporador. Ao se
incrementar a carga térmica (aumentando a temperatura da água de entrada do
evaporador), T8 maior que 20ºC, o controlador aumenta, gradualmente, a freqüência do
compressor com o objetivo de manter uma capacidade de refrigeração ótima para operação.
Por outro lado, quando se diminui a carga térmica (T8 inferior a 20ºC), o controlador diminui
a freqüência do compressor, para que o sistema trabalhe confortavelmente.
Essas adaptações na freqüência têm efeito no consumo de potência do compressor,
pois permite “poupar” energia quando as condições, neste caso, a temperatura da água na
entrada do evaporador (T8), está baixa, fazendo com que o sistema trabalhe em carga
parcial e não com máxima capacidade.
76
T8 Freq
0
10
20
30
40
50
60
70
Freq
uênc
ia [H
z]
0
10
20
30
40
50
60
70
Tem
pera
tua
da A
gua
na e
ntra
da d
o Ev
apor
ador
, T8
[ºC
]
Figura 5.22 - Resposta do controlador difuso adaptativo sobre a freqüência do compressor
para o setpoint fixo diante de mudanças feitas na temperatura da água (T8) na
entrada do evaporador.
FreqkW
0
10
20
30
40
50
60
70
Freq
uênc
ia [H
z]
0
2
4
6
8
Pote
ncia
Con
sum
ida,
W, [
kW]
Figura 5.23 - Efeitos na alteração da freqüência sobre a potencia para setpoint fixo com
controlador difuso adaptativo diante de mudanças feitas na temperatura da
água (T8) na entrada do evaporador.
A efetividade do Controlador lógico difuso Adaptativo dependeu também do variador
de freqüência para todos os ensaios apresentados. O Inversor de freqüência foi ferramenta
importante na economia de energia para este tipo de aplicação onde apresenta variação da
77
vazão do fluído e a economia da energia entre outros aspectos. Contrariamente, o jeito de
se ligar um sistema neste projeto em forma direta o compressor no modo mais simples,
controlador On-Off, fica sujeito a curtos circuitos, devido o comportamento como um
transformador com pouca resistividade do motor no compressor, induzindo a correntes de
partida sensivelmente elevadas.
Nos últimos vinte cinco anos os grandes avanços na teoria de sistemas, na eletrônica
e na informática têm facilitado as aplicações reais nas indústrias com a utilização do
controlador PID. A razão pelos modernos algoritmos de controle ainda não han conseguido
substituir o PID, é porque o PID permanece presente nos avanços tecnológicos, Ferreyra e
Fuentes (1998). É o caso para o controlador lógico programável (CLP) utilizado no presente
trabalho, pois além de ser um instrumento muito completo no ambiente industrial, possui
instruções que faz este tipo de controle aplicável em propriedades físicas tais como
temperaturas, pressões, níveis ou fluxos líquidos, a partir da implementação de malhas de
controle, por uma programação por parte do usuário na lógica ladder do CLP.
Foi programado um PI (controle Proporcional Integral) trabalhando em malha fechada
com variável do processo (PV) neste caso o sinal analógico da temperatura da água na
saída do evaporador (T5), com saída do controlador uma variável de controle (CV), para
manter a PV a um set-point pré-estabelecido, como pode ser observado na figura 5.24.
Feed Forward
Set point Equação PID Σ
Variável Saída
Controle ( CV )
Σ
Diagrama do controlador PID
Variável Processo
( PV )
Figura 5.24 - Instrução PID do controlador lógico programável (CLP) utilizado no presente
trabalho.
78
O bloco principal na Instrução PID do CLP, baseia-se na equação 5.7, como modelo
padrão que inclui os diferentes registros de configurações para os ganhos independentes do
controlador, resolução em bits das entradas e saídas, configuração para alarmes,
implementação de limites nos registros, entre outros, Allan Bradley company inc (2001).
0
t
p i ddECV K E K Edt Kdt
⎡ ⎤= + +⎢
⎣ ⎦∫ ⎥ (5.7)
onde
= Variável de Controle CV
pK = Ganho Proporcional
= Erro (SP - PV) E
= Ganho Integrativo iK
= Ganho Derivativo dK
Na sintonização do controlador para um ponto viável na bancada experimental, a partir
do comportamento do sistema estudado anteriormente; foi estabelecido, nesta instrução, um
baixo ganho proporcional para diminuir altas oscilações. Na taxa da mudança do erro entre
o SP e o PV dado com ação derivativa, estabeleceu-se nulo, para assegurar a eliminação de
laços instáveis. Por último, o ganho integrativo médio para que a saída continue a mudar até
que o erro seja eliminado. Adicionalmente, para este tipo de aplicação foi necessária a
conversão para uma saída porcentual da variável de controle do controlador PI no CLP,
dentro de um “duty cycle” para proporcionar uma saída discreta em vez de uma análoga que
atuara no variador. O tempo ligado é determinado convertendo a porcentagem da saída de
PI no sinal PWM como pode ser observado na figura 5.25.
CV
PV
Setpoint
Off
On
t
t
Figura 5.25 - Saída PWM desde o PI do CLP SLC5/03.
79
Para a realização deste ensaio, o sistema foi ligado normalmente sem controle
trabalhando em regime permanente com certas condições impostas à bancada como
temperatura da água na entrada do evaporador (T8) na faixa dos 20ºC e 22 ºC, assimilando
uma mudança na temperatura no ambiente externo que se deseja controlar e a freqüência
de 55 Hz, como se mostra na figura 5.26.
30,0
-20,0
-10,0
0,0
10,0
20,0
Tempo [min:seg]1:27:171:18:15 1:18:58 1:19:58 1:20:58 1:21:58 1:22:58 1:23:58 1:24:58 1:25:58
T1=Tsev
T4=Teev
T5=Tsw
T8=Tew
Evolução das Temperatura Evaporador
Com Controle Sem Controle
Figura 5.26 - Evolução das temperaturas em função do tempo mediante o controlador PI.
No momento em que o controlador é ligado ao sistema, se impõe o desligamento das
resistências elétricas no evaporador para que diminua a temperatura da água na entrada do
evaporador (T8) menor que 20ºC, o controlador PI responde nesta situação diminuindo a
freqüência do compressor, o que reduz levemente as pressões de alta, com objetivo de
manter a temperatura da água na saída do evaporador (T5) a uma temperatura set-point
previamente estabelecida no controlador de 13ºC com ±0,5ºC, registrando-se um tempo
transitório de 215 segundos, como mostrado na figura 5.27.
Durante o processo quando o controlador fica trabalhando mediante mudanças na
temperatura da água na entrada do evaporador (T8) na faixa dos 18ºC e 22ºC, registraram-
se diferentes potências medidas através do variador com seus tempos específicos de
duração, com o objetivo de se obter uma potência média consumida. Como resultado,
obtém-se a demanda potência média de 2,56 kW trabalhando com este tipo de controlador.
80
1500,0
0,0
250,0
500,0
750,0
1000,0
1250,0
Tempo [min:seg]1:30:221:21:20 1:22:00 1:23:00 1:24:00 1:25:00 1:26:00 1:27:00 1:28:00 1:29:00
P2
P3
P1
P4
Medições Pressões
215 seg
Figura 5.27 - Comportamento das pressões do sistema com controle PI do CLP.
Os resultados, apresentados pelas Figuras 5.28 e 5.29, apresentam a resposta do
controlador na freqüência mediante mudanças feitas aleatoriamente na temperatura da água
(T8) na entrada do evaporador. Ao se incrementar a carga térmica (aumentando a
temperatura da água de entrada do evaporador), T8 maior que 20ºC, o controlador aumenta,
gradualmente, a freqüência do compressor com o objetivo de manter uma capacidade de
refrigeração ótima para operação. Por outro lado, quando se diminui a carga térmica (T8
inferior a 20°C, o controlador diminui levemente pelo efeito do fator integrador do controlador
na freqüência do compressor, para que o sistema trabalhe confortavelmente.
T8 Freq
0
10
20
30
40
50
60
70
Freq
uênc
ia [H
z]
0
10
20
30
40
50
60
70
Tem
pera
tura
da
Agu
a na
ent
rada
do
evap
orad
or, T
8,[º
C]
Figura 5.28 - Resposta do controlador PI sobre a freqüência do compressor para o setpoint
fixo diante de mudanças feitas na temperatura da água (T8) na entrada do
evaporador.
81
Freq kW
0
10
20
30
40
50
60
70
Freq
uênc
ia [H
z]
0
2
4
6
Pote
ncia
Con
sum
ida,
W, [
kW]
Figura 5.29 – Efeitos na alteração da freqüência sobre a potencia para setpoint fixo com
controlador PI diante de mudanças feitas na temperatura da água (T8) na
entrada do evaporador.
8
82
CAPITULO VII
CONCLUSÕES
O software desenvolvido e implementado apresenta uma interface amigável
(Homem/Máquina) que permite ao usuário monitorar “on-line” o sistema de refrigeração, que
pode ser acessado de maneira confiável em uma rede local ou industrial, levando em
consideração os protocolos de comunicação (Rslinx, OPServer), que facilitam a
comunicação com o CLP. O emprego de controladores lógicos programáveis (CLP)
especialmente programados para tratamento de sinais analógicas e digitais neste tipo de
aplicação é outra área que merece investigação futura.
No projeto e montagem dos condicionadores de sinal, foi levado em consideração à
escolha apropriada dos amplificadores operacionais de instrumentação (INA125 e INA111),
que apresentou um comportamento linear com a grandeza física medida. Além disso,
garantiu, ainda, uma proteção aos sensores regulando a corrente de alimentação a partir de
uma voltagem fixa proporcionado pelo circuito integrado e também permitiu a eliminação de
ruídos que afetavam a aquisição de dados.
O aumento na carga de refrigerante do sistema tendem a otimizar e manter o COP
constante independentemente da velocidade do compressor.
Mudanças na velocidade do compressor permitem que o sistema opere mais
confortavelmente e adequadamente em altas e baixas cargas frigoríficas.
Um desdobramento natural e evidente deste trabalho coloca a disposição à
aprendizagem e treinamento das diferentes aplicações da automação junto com estratégias
de controle selecionadas objetivamente em qualquer plano educacional e industrial.
84
Evidentemente o controle on-off, não consegue manter a variável em um setpoint. O
comportamento da variável controlada equivale a uma oscilação próximo aos valores
equivalentes aos comandos on e off do controlador. Um aspecto interessante do controle
on-off é que o valor médio da variável controlada muda conforme a perturbação externa.
A economia de energia e o melhoramento no rendimento deste tipo de sistema foram
obtidos por um controle adaptativo com um conjunto de regras fuzzy que permitem tratar de
forma adequada a grande variação da carga térmica do ambiente climatizado ao longo de
um dia.
Para o futuro, sugere-se investigar a aplicação desta técnica de controle em sistemas
eletrônicos embutidos. Os estudos devem evoluir na perspectiva de ampliar também o uso
de sensores/atuadores neste tipo de problema.
O conforto ou a segurança do sistema seja considerado, ao trabalhar com controlador
On-Off como ultima opção, torna-se necessário utilizar um artifício para diminuir a corrente
exigida ou o conjugado de partida. O processo mais usado e simple consiste em partir o
motor sob tensão reduzida para compressores com potencia baixa, relativamente a potencia
disponível na rede, de modo a limitar as perturbações originadas.
Finalmente, o fato na aplicação do variador de freqüência neste sistema como
ferramenta de automação, permite uma economia de energia elétrica anual, uma redução de
custos e maior confiabilidade em relação ao uso do sistema, favorecendo ao consumidor
pagar o investimento do variador de freqüência em um determinado tempo.
85
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
ALLAN BRADLEY COMPANY INC. SLC 500 Analog Input Modules Installation Instructions.
Publicação 1746-IN001B-US-P, p1-20, Decembro 1999. Disponível em
http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/in/1746-in001_-en-
p.pdf. ALLAN BRADLEY COMPANY INC. SLC 500 Digital I/O Modules Installation Instructions.
Publicação 1746-INO27A-EN-P, p1-44, Setembro 2003. Disponível em
http://literature.rockwellautomations.com/idc/groups/literature/documents/in/1746-in027_-en-
p.pdf.
ALLAN BRADLEY COMPANY INC. Instruction set reference plc-5 programming software.
Publicação 1747-RM001C-EN-P, p1-582, Setembro 2001. Disponível em
www.canadu.com/lp/pdf/1747-rm001c-en-p.pdf.
AL-ASSADI S.A.K, PATEL R.V. Robust decentralized control of HVAC systems using H1-
performance measures. Department of Electrical and Computer Engineering, Western
Ontario University, Canada.
APREA C, MASTRULLO R, RENNO C. Experimental analysis of the scroll compressor
performances varying its speed. University of Naples Federico II, P.le Tecchio 80, 80125
Naples, Italy, 2005.
APREA C, MASTRULLO R, RENNO C. An analysis of the performances of a vapour
compression plant working both as a water chiller and a heat pump using R22 and R417A.
Applied Thermal Engineering. Italy, p. 487–499, Abril 2004.
BERTIL T, MOHSEN S.M, PER FAHLE´N. Feed-forward in temperature control of buildings.
Building Services Engineering, Chalmers University of Technology, Goteborg, Sweden.
86
BITZER INTERNATIONAL. Compressores a pistão semi-hermetico, publicação KP-105-4,
p1-32, Fevereiro 2004. Disponível em http://www.bitzer.de/_doc/k/kp-105-4.pdf.
BITZER INTERNATIONAL. Software de selecionamento compressores Bitzer 4.0.2, Abril
2004. Disponível em http://www.bitzer.com.br/htmls/inicio.htm.
BORJA, T. J. A. Automatização e controle inteligente on-line de sistemas de refrigeração
utilizando redes neurais artificiais. 2006. 124 f. Tese de Doutorado - Universidade Federal de
Uberlândia, Uberlândia, MG, Brasil.
CABRAL R.B. Adaptação Computacional de Sistemas de Inferência Difusos: um caso
aplicado. 1994. Tese de Mestrado - Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis.
CARDENAS, N.I. O Uso de Controladores Fuzzy Adaptativos, implementados em
microcontroladores, no controle de vibrações de sistemas mecânicos. 2002. 250 f. Tese de
Mestrado - Universidade Federal de Uberlândia,
CARVAJAL, F. Controle digital de Válvulas de expansão usando lógica difusa. 2000. Tese
de Mestrado - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, MG.
CUEVAS C, WINANDY E. Analysis of the operation of inverter and on-off modulated
compressors in an air-conditioning system. Laboratory of Thermodynamics University of
Liège, Belgium. 2001.
DA SILVA F.V, JUNIOR V.S. Controle Fuzzy da Temperatura de condesação de um
sistema de resfriamento de liquido (“chiller”). XVI Congresso Brasileiro de engenharia
mecânica COBEM 2001/ABCM, Vol. 5, p. 189-195, 2001
DA COSTA G.H, DE ARAUJO H.X, MENDES N, COELHO L. Utilizando lógica nebulosa no
controle de sistemas de aquecimento. XVI Congresso Brasileiro de engenharia mecânica
COBEM 2001/ABCM, Vol. 5, p. 62-68, 2001.
DENG S. The Application of feedforwad control in a direct expansion (DX) air Conditioning
plant. Building and Environment Volume 37, Issue 1, p. 35-40, January 2000.
87
DRIANKOV D.; HELLENDOORN H.; REINFRANK M. An Introduction to Fuzzy Control,
Springer-Verlag, 1996.
DUARTE J.A; OLIVEIRA J.E; HERNANDEZ O.S. Theoretical investigation on the adjusting
conditions for a superheated cycle. International Congress of Refrigeration, Australia, 1998.
EMERSON CLIMATE Technologies. Publicação bimestral para seus clientes e
colaboradores, editada pela RPA Serviços Editoriais Ltda. EPP.Tiragem: 10.000
exemplares. Março/abril de 2003.
ENGDAHL F, JOHANSSON D. Optimal supply air temperature with respect to energy use in
a variable air volume system. Lund University, Physics Building, Byggnadsfysik-LTH, Box
118, Lund 22100, Sweden.
FERREYRA A, FUENTES R. Estudio comparativo entre control pid y difuso. somi xiii –
congreso de instrumentacion , Ensenda B.C.N. Mexico, Octubre 1998.
FREDSTED J, BERNARDI J. Multi-variable control of vapor Compression Processes. 20th
International Congress of Refrigeration, IIR/IIF, Sydney. 1999
GARSTANG, S.W. Variable Frequency Speed Control of Refrigeration Compressors. Part 2,
Australian Refrigeration, Air Conditioning and Heating, 1990.
JOSEP H, JOSÉ. Autómatas Programables. México: Alfaomega. Primera edición, 1998.
IFM ELECTRONICS. Electronic pressure sensor PA3023, Publicação D-45127, p2, Junho
2003. Disponível em http://www.seltec.co.uk/downloads/1114071259pa3023.pdf.
LIDA K., YAMAMOTO T., KURODA T. and HIBI H. Development of energy saving oriented
variable capacity system heat pump. ASHRAE Trans 88, p. 441 -449, 1982.
LUIGI R.B. Automação de processos industriais e produtivos. Revista Climatização &
Refrigeração. No 72, p45-50, 2006.
MATHEWS E.H, BOTHA C.P e ARNDT D.C. HVAC Control strategies to enhance comfort
and minimize energy usage. Energy and Buildings 33. Dezembro 2000.
88
NASCIMENTO A. Atualização do sistema de AC garante eficiência energética. Revista
Climatização & refrigeração. Vol 5, n.50, p. 18 -23, maio 2005.
NGUYEN H., GOLDSCHMIDT V, THOMAS S. and TREE D. Trends of residential air-
conditioning cyclic tests. ASHRAE Transactions, Vol. 88, Part 2, pp. 954-972, 1982.
O’NEAL D. L., KATIPAMULA S. Performance Degradation During ON/OFF Cycling of
Single-Speed Heat Pumps Operating in the Cooling Mode: Experimental Results. ASHRAE
Transactions, Vol. 97, Part 2, p. 316-323, 1991.
QIANG B, WEN-JIAN C. Advanced controller auto-tuning and its application in HVAC
systems. Nanyang Avenue, Singapore 639798, Singapore.
ROSS T. Fuzzy Logic with Engineering Applications, McGraw-Hill, 1995.
SALSBURY TIM, DIAMOND R. Performance validation and energy analysis of HVAC
systems using simulation. Indoor Environment Department, Lawrence Berkeley National
Laboratory, Berkeley, CA, USA, 1999.
SANTOS R.J. 2005 - Controle Fuzzy para racionalização de energia em protótipo de
processo termico predial, VII SBAI/ II IEEE LARS, São Luis, Setembro 2005.
TASSOU S.A, QURESHI T.Q. - Comparative performance evaluation of positive
displacement compressors in variable-speed refrigeration applications, International Journal
of Refrigeration, Volume 21, Issue 1, p. 29-41, 1998.
TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED. Instrumentation Amplifer precision INA125,
Publicação PDS-1361B, p1-15, Fevereiro 2000. Disponível em
www.ortodoxism.ro/datasheets/texasinstruments/ina125.pdf.
TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED. High speed fet-input instrumentation amplifer
precision ina111, Publicação PDS-1143E, p1-13, Março 1998, Disponivel em
www.ortodoxism.ro/datasheets/texasinstruments/ina111.pdf.
89
YASKAWA COMPANY INC, Manual Técnico inversores de freqüência compacta de uso
geral com controle vetorial, Publicação BTOP-S606-11A, p1-66, Janeiro 2001. Disponível
em http://www.yaskawa.com.br/arquivos/VS-606V7/BTOP-S606-11A_V7.pdf
WEG EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS S/A. Motores elétricos de corrente alterna. Brasil.
2005.
90
91
ANEXO I
Curva de calibração dos sensores
Sensores de Temperatura
T1
y = 9,9973x + 0,0017R2 = 0,9998
0
10
20
30
40
50
60
0 1 2 3 4 5
Voltios [V]
Tem
pera
tura
[ºC]
T2y = 9,9874x + 0,4828
R2 = 0,9994
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Voltios [V]Te
mpe
ratu
ra [º
C]
T3
y = 9,98x + 0,0494R2 = 0,9997
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Voltios [V]
Tem
pera
tura
[ºC
]
T4y = 10,03x - 0,225
R2 = 0,9999
-30
-10
10
30
50
70
90
-2 0 2 4 6 8
Voltios [V]
Tem
pera
tura
[ºC
]
T5y = 9,9531x + 0,2573
R2 = 0,9997
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Voltios [V]
Tem
pera
tura
[ºC
]
T6y = 10,044x + 0,0733
R2 = 0,9998
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Voltios [V]
Tem
pera
tura
[ºC
]
T7y = 10,037x - 0,112
R2 = 0,9998
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Voltios [V]
Tem
pera
tura
[ºC
]
T8y = 10,162x - 0,0657
R2 = 0,9992
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Voltios [V]
Tem
pera
tura
[ºC
]
92
Sensores de Pressão
P4
y = 612,16x - 610,71R2 = 0,9998
0
200
400
600
800
1000
1200
1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8
Voltios [V]
Pre
ssão
[kP
a]
P1
y = 605,46x - 609,62R2 = 0,9999
0
200
400
600
800
1000
1200
1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8
Voltios [V]
Pre
ssão
[kPa
]
P2
y = 622,4x - 610,06R2 = 0,9999
0
200
400
600
800
1000
1200
1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8
Voltios [V]
Pre
ssão
[kPa
]
P3
y = 635,51x - 632,49R2 = 0,9983
0
200
400
600
800
1000
1200
1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8
Voltios [V]
Pre
ssão
[kPa
]
O Sinai Variador de freqüência e Sensor Coriolis
Frequenciay = 14,12x - 0,997
R2 = 1
0
10
20
30
40
50
60
70
80
1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
Voltios [V]
Freq
uenc
ia [H
z]
Vazão R-22y = 269,85x - 268,84
R2 = 0,9982
0
10
20
30
40
50
60
0,95 1 1,05 1,1 1,15 1,2
Voltios [V]
Vaz
ão R
-22
[kg/
s]
93
ANEXO II
Código fonte do programa LABVIEW
Desenvolvido por: Francisco Ernesto Moreno Garcia
UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLANDIA
POS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
LABORATORIO DE ENERGIA E SISTEMAS TERMICOS
• Sub-rotina Inicio e direcionamento dos TAG, abertura comunicações entre Opserver e LABVIEW.
Seqüência Interna 0 Default.
Clareamento das variaveis >>a
>>a’
Seqüência Interna 1.
Direcionamento dos TAG
>>a >>a’
94
• Sub-rotinas direcionamento dos TAG e abertura comunicações para escrever desde LABVIEW ao Opserver.
>>e
>>e’
>>f
>>f’
• Sub-rotina escritura os valores ao OPServer
Condição Verdadeira
e >> d >>
e’ >>
f >> f’ >>
95
Condição Falsa
e >> d >>
e’ >>
f >> f’ >>
• Sub-rotina Controlador lógico difuso adaptativo.
Livros Grátis( http://www.livrosgratis.com.br )
Milhares de Livros para Download: Baixar livros de AdministraçãoBaixar livros de AgronomiaBaixar livros de ArquiteturaBaixar livros de ArtesBaixar livros de AstronomiaBaixar livros de Biologia GeralBaixar livros de Ciência da ComputaçãoBaixar livros de Ciência da InformaçãoBaixar livros de Ciência PolíticaBaixar livros de Ciências da SaúdeBaixar livros de ComunicaçãoBaixar livros do Conselho Nacional de Educação - CNEBaixar livros de Defesa civilBaixar livros de DireitoBaixar livros de Direitos humanosBaixar livros de EconomiaBaixar livros de Economia DomésticaBaixar livros de EducaçãoBaixar livros de Educação - TrânsitoBaixar livros de Educação FísicaBaixar livros de Engenharia AeroespacialBaixar livros de FarmáciaBaixar livros de FilosofiaBaixar livros de FísicaBaixar livros de GeociênciasBaixar livros de GeografiaBaixar livros de HistóriaBaixar livros de Línguas
Baixar livros de LiteraturaBaixar livros de Literatura de CordelBaixar livros de Literatura InfantilBaixar livros de MatemáticaBaixar livros de MedicinaBaixar livros de Medicina VeterináriaBaixar livros de Meio AmbienteBaixar livros de MeteorologiaBaixar Monografias e TCCBaixar livros MultidisciplinarBaixar livros de MúsicaBaixar livros de PsicologiaBaixar livros de QuímicaBaixar livros de Saúde ColetivaBaixar livros de Serviço SocialBaixar livros de SociologiaBaixar livros de TeologiaBaixar livros de TrabalhoBaixar livros de Turismo