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Tecnologia de velocidade variável
Compressores proporcionam economia de energia e contribuem para o conforto

O que define um compressor dotado de tecnologia de velocidade variável é a variação da frequência da rotação do compressor, que permite alterar a sua velocidade de compressão e, consequentemente, a velocidade que o fluido refrigerante irá circular dentro do ciclo de refrigeração. São compressores projetados para operar em condições de cargas parciais, prevenindo o desperdício de energia elétrica pela combinação precisa de velocidade motor com os requisitos de climatização, resultando em reduções dramáticas de consumo de energia.

"Um compressor de velocidade variável assume diferentes rotações para debitar para o ciclo frigorífico o volume de refrigerante necessário em cada instante, combatendo a carga térmica, que também é variável ao longo do tempo de operação do equipamento. Desta forma, um compressor de velocidade variável pode ser entendido como o principal elemento mecânico de um sistema de capacidade frigorífica variável", explica Leonardo Martinho Dobrianskyj, da Daikin.

Para Daniel Fraianeli, especialista em ar condicionado da LG, os compressores com motores elétricos têm sua velocidade de rotação atrelada à frequência da alimentação elétrica. Os compressores chamados de fixos utilizam apenas a alimentação elétrica da rede, que é 60Hz, tendo sua velocidade fixada por essa frequência. Já os de velocidade variável têm associado a eles uma placa eletrônica que altera a frequência elétrica para diferentes valores, variando, então, sua velocidade de rotação.

"Tratamos como compressor de velocidade variável todo aquele que construtivamente é preparado para tal modulação. Em especial, preparado para proporcionar a correta lubrificação em todos os pontos de velocidade do motor e que modula sua velocidade pelo controle do motor elétrico (frequência), entregando, assim, a demanda real de refrigeração em cada momento de carga térmica de um determinado sistema de ar condicionado. Na minha opinião, este é o método que traz maior eficiência e redução em consumo de energia", esclarece Eládio Pereira, gerente de desenvolvimento de negócios da Danfoss.

João Carlos Antoniolli, coordenador de aplicação de produtos HVAC da Johnson Controls - Hitachi, explica que todos os compressores, scroll, parafuso ou centrífugo, podem rodar com velocidade variável, desde que sejam fabricados para esta finalidade. "A construção mecânica é mantida e o que mudou é a eletrônica dos motores para rodar na rotação desejada. Hoje, ainda existem alguns consumidores que acreditam ser possível comprar um equipamento com compressores de velocidade fixa e, no futuro, fazer a instalação de velocidade variável".

Os componentes 

Para o representante da Danfoss é de extrema importância que o compressor, preparado para a velocidade variável, tenha um controle inteligente fazendo sua operação. Este papel é destinado aos drives ou conversores de frequência, que tratarão desta modulação de velocidade, analisando em tempo real as condições do sistema para o melhor e mais eficiente controle possível, bem como cercar o compressor de proteções tanto elétricas quando mecânicas, evitando possíveis quebras do compressor. Explica, também, que o próprio compressor é parte importante da composição desta tecnologia aplicada, pois não são todos os compressores que podem ser aplicados a velocidades variáveis, e seu limitante se relaciona à lubrificação. "Um compressor dito fixo é projetado para a correta lubrificação na sua velocidade nominal, se esta velocidade diminui ou aumenta, pode-se ter falta ou excesso de óleo nas partes móveis, levando o mesmo a quebras proveniente desta situação. Para a velocidade variável, o compressor deve ser específico e projetado para a correta lubrificação de todo seu range de velocidade".

Fraianeli explica que o principal componente é uma placa eletrônica conhecida por vários nomes (inversor de frequência, inverter, VSD) e que tem a função de gerar uma alimentação elétrica em frequências diferentes. O compressor também é alterado, pois não necessariamente o compressor projetado para 60 Hz funcionará normalmente com outra frequência. "A refrigeração do compressor, por exemplo, é feita pelo próprio refrigerante, então, velocidades de rotação muito baixas poderiam comprometer a durabilidade, caso o compressor não seja adaptado para essas velocidades".

"Basicamente existem dois tipos de tecnologia de velocidade variável para motores de compressores. Os compressores com motores AC necessitam de um inversor de frequência, comumente conhecido como VFD (Variable Frequency Drive), externo ao compressor, para proporcionar a variação de velocidade. Os compressores com motores DC não necessitam de inversores de frequência externos, pois possuem drives (placas eletrônicas) internos ao equipamento. Este tipo de acionamento proporciona uma maior eficiência energética e maior confiabilidade", diz Cristiano Brasil, coordenador de aplicação da Midea Carrier. 

Antoniolli comenta que uma das grandes evoluções aconteceu na eletrônica. "Na velocidade variável é feito o controle desta velocidade com incrementos de frequência em Hz/s, entre um valor mínimo e um máximo, dependendo do tamanho do compressor.

"Todo acionamento dos compressores com velocidade variável, atualmente utilizado em equipamentos de climatização, é feito através de placas eletrônicas que contêm bancos capacitivos, retificadores, reatores, inversores de frequência do tipo ponte de diodo ou IGBT, que vão converter a tensão alternada para tensão contínua e, através do IPM, irão alimentar as bobinas elétricas do compressor, que têm o seu fechamento elétrico geralmente estrela ou triângulo. Antigamente, essa variação de velocidade era feita através de um variador de frequência externo", comenta William Benedicto, da A. Dias Ar Condicionado.

Busnello explica que o conjunto de velocidade variável é composto tipicamente por um compressor BLDC e um controlador. "É através do controlador eletrônico que ocorre a modulação da frequência e, assim, tem-se a variação da velocidade em rpm. A capacidade frigorífica do sistema, condicionador de ar ou outro, variará conforme a velocidade aplicada pelo compressor, rotações mais baixas, menor capacidade frigorífica; rotações mais altas, maior capacidade".

Para o especialista da Daikin, a velocidade do compressor varia em função da variação da frequência elétrica que é fornecida ao mesmo. "Um inversor (variador) de frequência, conhecido popularmente como 'placa inverter' é o responsável por receber a frequência da rede em 60 Hz e entregar ao compressor a frequência necessária em cada instante".

Vantagens

A vantagem mais significativa dos compressores de fluxo variável é a redução no consumo de energia, mas, com impactos, também, no conforto térmico, na melhoria do desempenho, na vida útil do compressor, no nível de ruído, entre outros. 

Para Pereira, da Danfoss, há duas vantagens principais: a primeira seria a entrega da capacidade de refrigeração conforme a demanda em cada momento do sistema de ar condicionado, evitando desperdícios, ou seja, a criação de potência frigorífica sem a real necessidade; o que resulta na segunda vantagem, a redução no consumo de energia. Um ar condicionado projetado para sua carga máxima apenas em 2% do tempo, considerando um ano completo como base, funciona em sua carga plena, ou seja, em 100% da carga considerada no projeto, sendo 98% do tempo de funcionamento em cargas parciais. Essa condição de operação é que torna a velocidade variável uma tecnologia adequada para todos os sistemas de ar condicionado com grande variação de carga frigorífica, assim, resultando no baixo consumo de energia. Alguns estudos de caso apresentam reduções no consumo de até 30% quando utilizados todos os componentes ligados à tecnologia da variação de velocidade.

"O consumo de energia do compressor não é uma relação de 1:1 com a velocidade de rotação, apresentando ganhos de eficiência. Ou seja, um compressor com a metade da velocidade de rotação normal irá consumir menos da metade da energia da capacidade normal. O contrário ocorre com um compressor de velocidade fixa, pois o seu controle é feito ligando e desligando o compressor repetidamente. A cada partida há um pico de consumo de energia e não há ganho de eficiência pela velocidade reduzida. De maneira similar, o conforto térmico é melhorado. Justamente para evitar esse desligamento e ligamento constante (que tem o pico de energia), o compressor tem uma proteção para ser mantido ligado um pouco mais de tempo, bem como permanecer desligado um pouco mais de tempo. Esse atraso faz com que a temperatura oscile, ficando às vezes abaixo e, às vezes, acima do valor desejado", explica Fraianeli. 

João Carlos Antoniolli, Eládio Pereira, Daniel Fraianeli, Cristiano Brasil

Segundo a engenharia da Daikin, as vantagens de um compressor que funciona com velocidade variável são: 1) um equipamento de capacidade variável, possibilitando ajustar a capacidade de refrigeração à necessidade térmica do ambiente em cada instante; 2) permite uma importante redução do consumo elétrico, que é diretamente proporcional à rotação do mesmo. Durante 98% das horas da operação anual a carga térmica está abaixo da carga térmica máxima, ou seja, haverá consumo elétrico máximo durante 2% das horas da operação anual (ARI 1230); 3) controle "fino" da temperatura no ambiente, a temperatura é praticamente constante durante a operação; 4) o compressor não desliga quando a temperatura da sala é atingida, mas reduz sua velocidade, e, da mesma forma, quando o compressor inicia é com baixa velocidade, aumentando sua rotação progressivamente, sem pico elétrico na partida, sem sobrecarregar a rede elétrica, e com melhor lubrificação e maior tempo de vida útil.

Busnello comenta que além do consumo energético há, também, a diminuição do número de deslocamentos volumétricos para atender intervalos de refrigeração maiores. Pode ser utilizado em regiões onde a estabilidade de rede elétrica é deficiente, e permite partidas em baixas tensões, com o mesmo compressor podendo operar em 50 ou 60 Hz.

Diferentes tecnologias

Para o representante da A. Dias existem diferentes tecnologias para velocidade variável de compressores. "Há aplicações que utilizam a corrente elétrica e um termostato comum para o ajuste da rotação, aplicações por frequência, onde o inversor recebe sinal do termostato que faz o ajuste direto da rotação, e aplicações por serial, que necessitam de um termostato eletrônico específico para esse controle".

A principal tecnologia do mercado para variação de velocidade, segundo Fraianeli, é a utilização da placa inverter. "Existem outras tecnologias que não alteram a velocidade, mas sim a pressão realizada pelo compressor. No entanto, essas tecnologias estão sendo abandonadas em favor da maior eficiência do inverter". 

"Existem algumas tecnologias que trazem a velocidade variável tanto por conversor de frequência como por outros tipos de comando. A melhor entre elas é a 'grande questão', devendo-se determinar por estudos de caso e aplicações práticas por órgãos isentos, ou seja, que não sejam os fabricantes de determinada tecnologia, isso para ter um resultado isento de qualquer questão comercial. Fato é que as tecnologias que hoje existem trazem sim a eficiência energética e redução de consumo em maiores ou menores frações, mas sempre superiores aos compressores fixos", argumenta Pereira, da Danfoss.

Expansão direta e sistemas de água gelada

Visando a melhoria no desempenho dos condicionadores de ar, especialistas comentam sobre componentes eletrônicos que ajudam nas questões relacionadas à expansão direta e aos sistemas de água gelada.  

Em relação à expansão direta, o técnico da Danfoss comenta que é importante que o sistema responda como um todo, tanto na compressão quanto na expansão. "Como peças principais destacamos o compressor de velocidade variável em conjunto com a válvula de expansão eletrônica, ambos em um sistema trarão um excelente desempenho, precisão de controle e redução no consumo de energia. Como demais componentes, a aplicação de conversores de frequência nos ventiladores do condensador e do evaporador complementarão esta eficiência e benefícios provenientes da tecnologia de velocidade variável". Pereira explica que nos sistemas de água gelada os componentes são os mesmos, mas com o acréscimo dos conversores de frequência nas bombas de água gelada, bem como a aplicação de válvulas de balanceamento hidrônico independentes de pressão que complementam a eficiência do sistema na parte do fluido secundário, neste caso a água gelada ou glicol.

"Na expansão direta, temos split individual, splits VRF, splits de média e alta capacidade, self-contained, rooftops com disponibilidade de velocidade variável em compressores e componentes, como ventiladores e bombas. Para que o sistema possa funcionar atendendo aos parâmetros da aplicação, cada fabricante desenvolve a lógica em placas eletrônicas customizadas. Faz-se necessário atender rigorosas etapas de qualificação para o desenvolvimento desses produtos. Para sistemas de água gelada surgiu, em 1979, nos EUA, o primeiro desenvolvimento de VSD - Variable Speed - em chillers centrífugos, que, recentemente, passou a ser incorporado aos compressores scroll e parafuso. Juntando com a otimização de trocadores de calor, eliminação de óleo com os compressores de mancal magnético, se permite falar, hoje, em chillers produzindo abaixo de 0,1 kW/TR quando trabalhando em cargas parciais. Tecnologia disponível devido à evolução da eletrônica aplicada nestes equipamentos", explica Antoniolli.  

"Na linha de equipamentos importados, chillers de grande capacidade, utilizamos compressores com motores AC associados aos inversores de frequência do tipo VFD. O que possuímos de grande vantagem em nossa linha de VFD é a utilização do ar ou do próprio refrigerante do equipamento para fazer o resfriamento do VFD. Não utilizamos resfriamento com a utilização de líquido (água, soluções anticongelantes etc.), pois podem proporcionar um grande risco em caso de vazamento interno ao painel", comenta Brasil. 

Eletrônica aplicada aos equipamentos

"Um equipamento com pouca ou nenhuma intervenção é o que o mercado e clientes esperam, e a eletrônica proporciona isso cada vez mais. Outra parte importante trazida pela eletrônica é o monitoramento dos sistemas, in loco ou remoto, via internet, com alarmes em celular via SMS, e-mail, ou outros meios, otimizando as possíveis intervenções no tempo de reparo de cada problema ou alarme, bem como trazendo a possibilidade de registro do histórico de funcionamento dos sistemas, proporcionando melhores análises de resultados e, assim, guiando os edifícios a serem mais assertivos no aprimoramento constante dos sistemas de ar condicionado”, explica Pereira.

Para Brasil, a eletrônica não busca somente elevar os níveis de eficiência energética. A eletrônica aplicada aos equipamentos busca aliar a tecnologia de velocidade variável aos requisitos necessários de conforto térmico.

Antoniolli ressalta que "a eficiência busca o melhor COP - Coeficiente de Performance - em cargas parciais, que é onde os equipamentos funcionam na maior parte do tempo; se procura, também, gerenciar a umidade no ambiente, monitorar a filtração e também, em alguns equipamentos, a melhor solução para colocar em funcionamento no caso de queda de energia. Muito importante para a indústria, hospitais, CPD, entre outros". 

"Creio que as consequências devem visar tanto a eficiência energética como o conforto térmico. Não adianta ter uma excelente performance energética e não atender o princípio da climatização que é o conforto térmico humano. O desenvolvimento de novas tecnologias e as melhorias das tecnologias existentes permeiam esse campo, que exige desempenho, qualidade, economia e praticidade. Há uma forte tendência no mercado a aceitar e inserir esses conceitos inovadores, que aliam eficiência e conforto", acredita Benedicto.

Aliviar o trabalho do compressor

Para a LG, além da tecnologia inverter, que apresenta ganhos em cargas parciais, tanto na expansão direta, quanto na água gelada, a busca por eficiência consiste em aliviar o trabalho do compressor ou mesmo diminuir o tamanho do compressor. Fraianeli cita três tecnologias que ajudam a eliminar desperdícios:

1) Aliviar o trabalho do compressor: a tecnologia Dual Sensing Control faz com que o sistema MULTI V monitore a umidade e a temperatura ambientes e se ajuste continuamente a essas condições. Em ambientes secos insuflar ar mais quente não compromete o conforto, pois não há uma necessidade de combater a carga latente (condensando água). Insuflar o ar mais quente, mesmo que ligeiramente, pode significar um alivio significativo para o trabalho do compressor e, consequentemente, uma diminuição no consumo (também aplicável, com adaptações, aos sistemas de água gelada).

2) Diminuição do compressor: a tecnologia de fluxo de refrigerante variável na serpentina permite um ganho de eficiência na troca de calor. Sempre que há um ganho na troca de calor, o compressor pode ser projetado para atingir pressões de descarga menores, pois a melhor eficiência da troca de calor garantiria que o refrigerante condense mesmo a uma pressão mais baixa. Dessa forma, o compressor pode ser menor que antes, consumindo menos energia (essa tecnologia específica não se aplica a água gelada, mas se aplica ao princípio de melhorar o trocador de calor).

3) Evitar desperdícios: a tecnologia HiPOR agrega mecanismos ao compressor que permitem que o óleo, que naturalmente sai do compressor com o refrigerante, retorne diretamente na área de alta pressão. Nos sistemas convencionais, o óleo retorna juntamente com o refrigerante na zona de baixa pressão e, ao fazer isso, diminui a quantidade de refrigerante que entra no compressor a cada rotação (também aplicável a sistemas de água gelada). 

Charles Godini - charles@nteditorial.com.br