Modelagem e controle perturba-e-observa para minimização do consumo em sistemas de refrigeração doméstica com compressores VCC

Abstract

Atualmente cada vez mais as indústrias têm investido em pesquisas visando aumentar a eficiência energética de seus produtos. No caso específico da refrigeração, estão sendo estudados trocadores de calor e compressores cada vez mais eficientes. Além de investigar cada componente de forma independente, também são estudadas formas de melhorar o desempenho do ciclo de refrigeração, seja com novos arranjos de ciclos, ou com a utilização de componentes de ação variável - como ventiladores, compressores de rotação variável ou dispositivos de expansão eletrônicos - que permitem maior liberdade para a utilização de estratégias de controle sofisticadas. Com isso em mente, o objetivo principal desse projeto é desenvolver uma lógica de controle capaz de seguir uma referência de temperatura e rejeitar rapidamente perturbações, enquanto busca pelo ponto de menor consumo atuando em um compressor de velocidade variável. O algoritmo desenvolvido utiliza como base um controlador do tipo perturba-e-observa, comum em planta solares. A ideia principal é manter a temperatura interna dos dois compartimentos de um refrigerador doméstico na mesma faixa de histerese da lógica original, mas minimizando o consumo de energia do sistema. Ao longo do trabalho, um modelo quasi-estático também foi identificado e validado para o refrigerador doméstico utilizado. A modelagem apresentou resultados satisfatórios, com erro médio absoluto nos modelos de temperatura inferiores a 1°C e erros relativos inferiores a 10% para a potência do compressor. Ao aplicar-se a nova estrutura de controle, os resultados de consumo energético alcançados foram equivalentes à lógica original do produto, já classificado como A+++ (melhor classificação possível em termos de eficiência energética). Contudo, quando as temperaturas do sistema são analisadas, surge uma vantagem pela utilização do controlador orientado ao consumo, que apresenta temperaturas de freezer iguais às da lógica original, porém sem oscilações na temperatura do compartimento de fresh food.

Abstract: Nowadays more and more industries have invested in research aimed at increasing the energy efficiency of their products. In the specific case of refrigeration, heat exchangers and compressors are being studied that are increasingly efficient in terms of energy. In addition, investigations of each component independently are being made, to find ways to improve the performance of the refrigeration cycle, with new cycle arrangements, or with the use of variable action components - such as fans and compressors with variable speed or expansion devices with variable opening - that allow the use of control strategies that make the refrigeration systems more efficient. With that in mind, the main objective of this project is to develop a control logic capable of following a temperature reference and quickly rejecting disturbances, while the lowest energy consumption point is being tracked, using a variable speed compressor. The algorithm developed uses as basis a controller type named Disturb and Observe, very present in solar systems. The main idea is to keep an internal temperature of a given compartment in the same range of its original logic, but optimizing the energy consumption of the product. During the work, a quasi-steady state model was also developed, identified and validated for the household refrigerator used. The model showed satisfactory results, with average errors in the temepratures modeled lower than 1°C and relative erros lower than 10% for the compressor power. By using the new control structure, the energy efficiency results were equivalent to the original product logic, that was already classified as A+++ (better rating in terms of energy consumption). However, when the system temperatures are compared, an advantage arises from the use of the consumption-oriented controller, which presents same freezer temperatures, but with no oscilation in the temperature of the fresh food compartment.