RELATÓRIO DE ESTÁGIO 2/3 (segundo de três) Período: de 02/04/2012 a 21/05/2012

Universidade Federal de Santa Catarina Centro Tecnológico Departamento de Engenharia Mecânica Coordenadoria de Estágio do Curso de Engenharia Mecânica CEP 88040-970 - Florianópolis - SC - BRASIL www.emc.ufsc.br/estagiomecanica estagio@emc.ufsc.br RELATÓRIO DE ESTÁGIO 2/3 (segundo de três) Período: de 02/04/2012 a 21/05/2012 Aluno: Sérgio Koerich Lohn Supervisor: Rodrigo Kremer Orientador: Cezar José Deschamps Joinville, 2012

2 Sumário 1. Partida facilitada... 1 1.1. Motor elétrico monofásico... 1 1.2. Sistema TSD e PSC... 3 1.3. Testes na bancada com ar... 5 1.4. Procedimento numérico... 6 2. Conclusão... 11 Referência... 12

1 1. Partida facilitada A terceira atividade desenvolvida, iniciada na primeira etapa do estágio, tem como finalidade reduzir custos de produção, substituindo o atual sistema de partida, TSD, pelo sistema PSC. Devido à redução do torque em baixas rotações provocada pela retirada do sistema TSD é necessário avaliar a viabilidade dessa alteração e se necessário aplicar soluções que permitam sua retirada. 1.1. Motor elétrico monofásico Os compressores que estão sendo o foque do estágio têm motores monofásicos de indução magnética, basicamente sendo constituído pelo estator, pelo rotor e pelo eixo. O estator possui um núcleo composto por placas laminadas de ferro que suporta as bobinas de cobre, o ferro é utilizado para aumentar a permeabilidade magnética do meio e a bobina de cobre irá gerar um campo magnético com a variação de corrente da rede. A potência é transferida ao rotor por indução magnética, semelhante ao comportamento de um transformador, tendo as bobinas do estator como o primário e o rotor como secundário. O tipo de rotor utilizado nos motores desses compressores é o rotor em curto-circuito, composto por barras axiais de alumínio unidas em sua extremidade e suportadas por placas laminadas de ferro. O eixo do motor está acoplado ao rotor, devendo garantir que esse gire concentricamente ao estator enquanto transmite a potência do motor para a biela do compressor. O aço presente na estrutura do estator e do rotor além de ter função estrutural aumenta a permeabilidade magnética, direcionando o fluxo magnético, fazendo com as linhas de campo saiam do estator, passem pelo rotor e voltem para o estator, conforme Figura 1. A distância entre ferros (folga estator-rotor) tem impacto direto na eficiência, quanto menor maior a eficiência do equipamento, devido à melhor qualidade do campo magnético, que tem menos espaço para sofrer deflexões.

2 Figura 1 - Motor de indução magnética [1] O campo que atravessa o rotor provocará a corrente esquematizada na Figura 2 e de acordo com a lei de mão esquerda de Fleming será provocada uma força resultante. Assim aparecerá o torque sobre o rotor. Figura 2 - Forças no rotor devido ao campo magnético [1] Os motores de compressores domésticos são monofásicos, pois todas as residências têm a disponibilidade de alimentação de uma fase. Entretanto, apenas uma fase não é suficiente para realizar a partida do motor, devido à ausência de torque na rotação zero,

3 conforme Figura 3. Assim é necessário emular uma segunda fase, o sistema tradicional do compressor estudado utiliza um relé eletrônico, que é fechado na partida, alimentando a bobina auxiliar, a qual, por ter indutância diferente da bobina principal acaba defasando a corrente e assim ocorre um aumento do torque na partida (gerando um campo girante). Após a partida o relé é aberto e a defasagem da corrente na bobina auxiliar é feita por um capacitor, fornecendo baixa corrente com grande defasagem, dessa forma tendo um torque menor em baixas rotações do que ao se usar o sistema com relé. Porém, em grandes rotações o seu torque é maior, pois nessa faixa a corrente é naturalmente baixa e se torna mais efetiva uma maior defasagem. Figura 3 - Torque em função da rotação (Adaptado de [6]) 1.2. Sistema TSD e PSC O dispositivo de partida de vários modelos de compressores domésticos faz uso de um relé eletrônico, TSD, o qual é acionado durante a partida, fornecendo uma grande corrente para a bobina auxiliar do motor para se obter um torque maior em baixas rotações e atingir uma velocidade elevada em um curto espaço de tempo para em seguida ser desativado o relé e o motor começar a funcionar utilizando o capacitor permanente, sendo essa uma configuração de maior eficiência elétrica e alto torque na rotação de operação. A Figura 4 apresenta as curvas de torque, normalizado em relação ao torque máximo, em função da velocidade do motor para a partida e para o motor estando em operação, tombamento.

Torque [kgf.cm/kgf.cm] 4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 Partida Tombamento 0.2 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Rotação [rpm] Figura 4 - Torque normalizado O sistema de partida simplificado que se pretende é denominado PSC, o qual dispensa o uso de qualquer tipo de relé, tendo assim apenas um capacitor permanente. Isso torna o sistema mais barato, entretanto, o torque inicial é baixo, sendo assim apenas utilizada a curva de torque de tombamento da Figura 4, perdendo 90% do torque inicial. O esquema elétrico dos tipos de partida está apresentado na Figura 5. Figura 5 - Sistema de partida TSD e PSC (Adaptado de [4]) Para um compressor com deslocamento volumétrico de 5,96 cm³ é utilizado um capacitor de operação de 2,5uF sendo possível aumentá-lo para elevar o torque de

Torque [kgf.cm/kgf.cm] 5 tombamento e assim ter uma partida em tensões mais baixa, entretanto, ao ser realizado isso o motor irá perder eficiência, ao utilizar um capacitor de 5uF já se reduz 4% na eficiência elétrica. A Figura 6 apresenta as curvas de torque para três capacitores no sistema PSC, com seus valores normalizados em função do torque máximo do sistema original. 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 PSC 2,5uF PSC 5uF PSC 10uF 0.2 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Rotação[rpm] Figura 6 - Torque normalizado dos sistemas PSC 1.3. Testes na bancada com ar O primeiro passo dessa atividade consistiu em trabalhar com o compressor aberto, operando com ar e identificar a tensão mínima de partida para diferentes configurações do equipamento. Nesse momento será utilizado um compressor com deslocamento volumétrico de 11,14 cm³, para esse caso o capacitor de funcionamento atual é de 5uF, sendo recorrido a outras duas opções, 10uF e 20uF. Para isso foi montado um pequeno circuito elétrico utilizando um varivolt, Figura 7, para controlar a tensão de partida, enquanto se monitora a temperatura da bobina do motor e do óleo, garantido que sempre esteja dentro da faixa considerada para o teste. Para monitorar a freqüência de funcionamento do rotor é colocado um pequeno imã no mecanismo do compressor, o qual com o giro do eixo passará diversas vezes na frente de uma bobina presa ao kit mecânico, o qual está conectado a um amplificador que libera o seu sinal para um osciloscópio, permitindo identificar a freqüência de

6 funcionamento do equipamento, pois foi estipulado que o compressor deveria operar acima de 45Hz (a freqüência da rede elétrica é 50Hz). Figura 7 - Compressor ligado ao varivolt Inicialmente o teste foi dividido em três etapas, o compressor completo, o compressor sem o cabeçote e o compressor sem o pistão. Para cada etapa foram utilizados três compressores, sendo que cada um teve realizado três partidas para o pistão no PMS e no PMI e seis partidas para posições aleatórias do mecanismo. Esse procedimento foi aplicado para o sistema de partida TSD+5uF, PSC 5uF, PSC 10uF e PSC 20uF. Esses testes permitiram esclarecer às variáveis que determinam à tensão mínima de partida, levando a compreensão dos resultados obtidos para testes anteriores realizados com o fluido refrigerante em uma pressão de equalização igual a 350 kpa, assim tendo condições de responder a pergunta inicial quanto a viabilidade de retirar o sistema TSD. Os resultados e as conclusões obtidas estão expostos no relatório de engenharia Projeto EZ-Start [5], o qual não será entregue junto com o relatório de estágio. 1.4. Procedimento numérico Para explorar soluções para o presente problema de forma rápida e tendo o monitoramento das diferentes fontes resistivas do compressor decidiu-se utilizar técnicas numéricas, focando no compressor de deslocamento volumétrico de 5,96 cm³.

Rotação [rpm] 7 Esse processo partiu da rotina desenvolvida por Rodrigo Link [2], sendo feito algumas adaptações para ser possível caracterizar melhor as partidas com o sistema PSC, as quais são lentas, ao contrário do sistema TSD, o qual é pouco sensível aos momentos iniciais da partida, Figura 8. 3000 2500 2000 1500 1000 PSC 2,5uF TSD 2,5uF 500 0 0 1 2 3 4 5 6 Tempo [s] Figura 8 - Rotação do rotor para os dois tipos de motores Uma das alterações é a presença do atrito estático, o qual deve ser vencido para que seja utilizada as curvas de Stribeck. Originalmente são utilizadas duas curvas de Stribeck, Figura 9, uma quando ocorre a sustentação do mancal e a outra quando isso não ocorre, sendo que essa transição é calibrada a partir de dados experimentais. No código atual isso foi alterado, a transição entre as curvas ocorre em rotações na qual a bomba do compressor teve condições de levar óleo até o mancal em questão, assim se tem velocidades de transição para o mancal secundário, para o mancal primário e para o mancal do excêntrico. Esses valores foram calibrados a partir de dados experimentais. Entretanto, ainda se tem limitações nessa representação, pois está sendo apenas considerada a rotação do eixo e sendo desconsiderado o tempo de bombeamento, assumindo que como o desenvolvimento da velocidade é lento para o PSC o óleo sempre está em sua altura máxima na bomba.

8 Figura 9 - Curvas de Stribeck [2] A terceira alteração se deve ao cálculo instantâneo da força radial. Essa força se deve a presença de excentricidade entre o rotor e o eixo, a qual pode ser constante ou dinâmica, caso o eixo esteja desalinhado com o centro do estator ou no caso do eixo estar desalinhado em ralação ao centro do rotor, respectivamente. O código considera apenas o primeiro tipo, excentricidade constante, além de considerar a variação da força devido à tensão e a corrente elétrica no motor. A variação da força radial inicial para a excentricidade máxima permitida está apresentada na Figura 10 de forma normalizada, esse comportamento é função do tipo do motor utilizado, sendo que foi assumido que no código deveria variar da mesma forma, apenas se alterando a magnitude de acordo com o desalinhamento do estator. A força radial para motores PSC com capacitor de 5uF e 10uF é praticamente idêntica a curva apresentada para PSC 2,5uF.

I [A/A] Fr [N/N] 9 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 TSD+2,5uF PSC2,5 0.2 0.0 0 50 100 150 200 250 300 350 Tensão [V] Figura 10 - Força radial em função da tensão A força radial é função do quadrado da corrente, a qual varia em função da rotação do compressor na forma da Figura 11, com essas informações foram calibrados coeficientes para que se obtiver um comportamento semelhante ao observado nos testes experimentais, para uma tensão baixa, a qual provocava o giro mínimo do compresso (~4Hz) definiu-se a magnitude da força radial para obter o mesmo comportamento na simulação. 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Rotação [rpm] Figura 11 - Corrente elétrica normalizada

Pressão [bar] 10 A quarta alteração consiste em simular os estantes iniciais do sistema de refrigeração (todos os testes feitos até o momento estavam em uma condição equalizada de 350 kpa), onde o compressor irá retirar massa do sistema de sucção e bombeá-lo para o sistema de descarga, nos segundos iniciais a pressão nessas duas partes do refrigerador serão estipuladas pela quantidade de massa em cada região até que se atinja a quantidade suficiente para se ter as pressões de condensação no evaporador e no condensador. O resultado final está apresentado na Figura 12, onde é comparado os dados experimentais para a partida com TSD+2,5uF e os dados numéricos, tanto para TSD como PSC. O processo de calibração foi feito com bases em testes experimentais para um sistema de refrigeração utilizando o compressor estudado, foi estipulada certa quantidade de massa nas regiões de sucção e descarga para que seja obtida no mesmo tempo as pressões do teste experimental. Como pode ser visto o modelo utilizado não é suficiente para acompanhar o comportamento exato, o fato do refrigerador não ser apenas duas câmaras e sim um conjunto de tubos e que já está trocando calor nos trocadores provocam a diferença nas respostas. 7 6 5 4 3 2 1 PLS - TSD PLD - TSD PLS - PSC PLD - PSC Experimental 0 0 5 10 15 20 Tempo [s] Figura 12 - Pressão no passador de sucção e descarga Com esse código espera-se obter resultados qualitativos, testando possíveis soluções, tanto para condições equalizadas como para o sistema completo, os quais serviram de indicativos para futuros testes experimentais, os quais iram confirmar os ganhos.

11 2. Conclusão Os resultados obtidos com a bancada com ar permitiram conhecer os principais fatores envolvidos na partida e assim compreender os demais testes já feitos em uma condição equalizada utilizando o fluido refrigerante. O código numérico em seus diversos testes apresentou comportamento semelhante ao observado na bancada de ar e com fluido refrigerante, sendo utilizado para avaliar as soluções iniciais possíveis. As quais já estão sendo testadas.

12 Referência [1] http://www.indiastudychannel.com/resources/60068-induction-motors.aspx. Acesso em: Maio de 2012 [2] LINK, Rodrigo. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Uma metodologia para a simulação de compressores alternativos durante transientes de partida e desligamento. Florianópolis, SC, 2006. xvii, 92 f. Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. [3] NAU, Sebastião Lauro. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Análise da influência da excentricidade do rotor sobre o ruído acústico de origem magnética gerado por motores de indução trifásicos. Florianópolis, SC, 2007. xvii, 113 f. Tese (Doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica. [4] http://www.embraco.com/. Acesso em: Março de 2012 [5] KREMER, Rodrigo et al. Projeto EZ-Start: Programa CBPI. Joinville: 2012. [6] http://en.wikipedia.org/wiki/induction_motor. Acesso em: Maio de 2012