BRPI1000839A2 - sistema e método de mediação de temperatura de motor elétrico - Google Patents

Abstract

SISTEMA E MéTODO DE MEDIçãO DE TEMPERATURA DE MOTOR ELéTRICO. A presente invenção refere-se um sistema (1) e a um método de medição de temperatura de motor elétrico que compreendem: um elemento de controle (2); uma entrada de tensão elétrica (3) conectada eletricamente ao elemento de controle; um dispositivo sensor de tensão elétrica (4) conectado eletricamente ao motor elétrico (5) e ao elemento de controle (2); e um dispositivo sensor de corrente elétrica (6) conectado eletricamente ao motor elétrico (5) e ao elemento de controle (2). O elemento de controle (2) é programado para: ler a tensão elétrica e a corrente elétrica do motor a partir dos elementos sensores de tensão elétrica (4) e de corrente elétrica (6); calcular a integral destes valores; obter o valor da resistência elétrica do enrolamento do motor baseado na divisão da integral da tensão elétrica ao longo do tempo pela integral da corrente elétrica ao longo do tempo; associar a dita resistência elétrica do enrolamento do motor a valores de temperatura contidos em uma tabela empírica.

Description

Relatorio Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA E MÉTODO DE ME- DIÇÃO DE TEMPERATURA DE MOTOR ELÉTRICO"

Campo da Invenção

A presente invenção se refere a um sistema e a um método de medição de temperatura de motor elétrico, mais precisamente para motores utilizados em eletro- domésticos.

Descrição do estado da técnica

Muitos são os eletrodomésticos que possuem motores elétricos, sendo que um dos motores mais utilizados em eletrodomésticos são os motores de indução do tipo PSC (Per- manent Split Capacitor). Estes motores possuem uma característica peculiar: o aumento de temperatura quando está em operação. Neste sentido, é necessário desenvolver meios para impedir que a temperatura atinja valores altos, os quais prejudicam o funcionamento do ele- trodoméstico e, ainda, causam danos ao motor.

Uma solução que tem sido largamente empregada no estado da técnica é um pro- tetor bimetálico que desliga o motor quando este atinge uma temperatura específica, sendo que, quando a temperatura diminui, o motor pode ser novamente ligado. Nesta solução não há uma realimentação de informação da temperatura do motor, pois a proteção pode atuar sem que haja, necessariamente, algum tipo de controle, uma vez que o protetor sempre irá atuar quando a temperatura para a qual foi projetado é atingida.

Outra solução empregada no atual estado da técnica é o uso de um relê que prote- ge o motor contra altas temperaturas. Este relê é utilizado principalmente em eletrodomésti- cos relacionados à refrigeração.

No que tange às referências de documentos de patentes que descrevem e i- lustrem soluções para a medição de temperatura de um motor, pode-se citar o docu- mento US 4,319,298. Este documento se refere a um dispositivo que monitora as cor- rentes e temperaturas do motor, provendo, assim, funções relativas à proteção, sendo que seu funcionamento se baseia nas condições de operação do motor e na configu- ração de parâmetros em campo. Neste sentido, este dispositivo é capaz de detectar os seguintes defeitos: altas temperaturas, sobrecarga, sobrecorrente instantânea, falha no aterramento, desbalanceamento das fases e reversão de fase. Por sua vez, os parâmetros configurados em campo são fornecidos ao dispositivo por meio de um teclado, sendo que estes parâmetros são valores limites para cada um dos defeitos citados. Assim, as grandezas físicas do motor são lidas e comparadas com os parâmetros configurados em campo, sendo que, caso as grandezas físicas excedam os valores configurados em campo, um relê é ativado para interromper o funcionamento do motor.

O objeto deste documento, como pode ser visto, utiliza um dispositivo separado pa- ra realizar a medição das grandezas do motor, além de necessitar de um teclado para inse- rir os valores limite das grandezas que serão lidas. Desse modo, pelo fato de empregar dis- positivos além daqueles necessários ao funcionamento do motor, o objeto deste documento norte-americano traz inconvenientes relacionados ao aumento dos custos e à relativa com- plexidade de instalação e manuseio.

Desse modo, nota-se que o estado da técnica precisa de uma solução para medi- ção de temperatura do motor que não utiliza dispositivos e/ou equipamentos separados, isto é, além daqueles necessários ao simples funcionamento do motor. Além disso, é notável também que o estado da técnica carece de uma solução que tenha maior facilidade de ins- talação e de operação.

Objetivos da Invenção

É, portanto, um objetivo desta invenção prover um sistema e um método de medi- ção de temperatura de motor elétrico, nos quais o próprio motor é utilizado como sensor, para a coleta de grandezas físicas e um algoritmo é empregado para detectar altas tempe- raturas, preenchendo, assim, a lacuna existente no estado da técnica.

Sumário da Invenção

Os objetivos da presente invenção são atingidos por meio de um sistema de medição de temperatura de motor elétrico que compreende: um elemento de controle; uma entrada de tensão elétrica conectada eletricamente ao elemento de controle; um dispositivo sensor de tensão elétrica conectado eletricamente ao motor elétrico e ao elemento de controle; um dispositivo sensor de corrente elétrica conectado eletrica- mente ao motor elétrico e ao elemento de controle, sendo que o elemento de controle é programado para: ler a tensão elétrica e a corrente elétrica do motor a partir dos elementos sensores de tensão elétrica e de corrente elétrica; calcular as integrais destes valores; obter um coeficiente de temperatura baseado na divisão da integral da tensão elétrica ao longo do tempo pela integral da corrente elétrica ao longo do tempo; associar o dito coeficiente de temperatura a valores de temperatura contidos em uma tabela empírica.

Ainda, os objetivos da presente invenção são atingidos por meio de um método de medição de temperatura de motor elétrico que compreende as etapas de: verificar se o mo- tor está parado; reinicio dos contadores e acumuladores; acionamento do motor durante um intervalo de tempo; medição da corrente e da tensão durante o dito intervalo de tempo da etapa anterior; cálculo da integral dos valores de tensão elétrica e cálculo da integral dos valores de corrente elétrica lidos na etapa anterior; cálculo da resistência elétrica do enro- lamento do motor por meio da divisão da integral da tensão ao longo do tempo pela integral da corrente ao longo do tempo; e determinação da temperatura do motor por meio da com- paração do valor da resistência elétrica do enrolamento do motor a valores de temperatura contidos em uma tabela empírica. Descrição Resumida dos Desenhos

As figuras mostram:

Figura 1 - uma representação esquemática do sistema de medição de temperatura do motor elétrico da presente invenção; e

Figura 2 - um fluxograma do método de medição de temperatura do motor elétrico da presente invenção.

Descrição Detalhada da Invenção

A presente invenção destina-se, preferencialmente, aos motores elétricos de ele- trodomésticos, e, mais especificamente, aos motores elétricos de indução com enrolamen- tos de cobre ou alumínio, monofásicos ou trifásicos.

A figura 1 ilustra uma concretização preferencial da presente invenção. Nesta con- cretização, o motor elétrico 5 empregado é um motor de indução trifásico em estrela. Alter- nativamente, a presente invenção pode ser concretizada com um motor monofásico ou, ain- da, com um motor trifásico ligado em triângulo.

Na figura 1, nota-se que a entrada de tensão elétrica 3 compreende dois terminais sendo um primeiro terminal AC1 e um segundo terminal AC2. Esta entrada de tensão elétri- ca 3 é conectada eletricamente a um elemento de controle 2, o qual também possui dois terminais AC1 e AC2 para receber a tensão elétrica da entrada 3. Preferencialmente, a ten- são elétrica alimentada pela entrada de tensão elétrica 3 é alternada, como os técnicos no assunto bem sabem.

O elemento de controle 2 é preferencialmente um dispositivo dotado de um micro- controlador, capaz de ler sinais de corrente e de tensão e, ainda, acionar o motor 5 por meio de TRIACs ou IGBTs. Alternativamente, o elemento de controle 2 pode ser um inversor de freqüência (equipamento largamente utilizado e bem conhecido por técnicos no assunto) ou um driver que atenda as especificações para o funcionamento do sistema e do método da presente invenção. Desse modo, os terminais do elemento de controle 2 podem ser pinos ou outro tipo de conector, dependendo do dispositivo ou do circuito que compõe o elemento de controle 2.

O segundo terminal AC2 da entrada de tensão elétrica 3 é conectado a uma chave de porta 9, a qual também é conectada eletricamente, em série, ao elemento de controle 2, por meio do terminal de porta LID provido no elemento de controle 2. O terminal de porta LID na presente invenção tem a sua função relacionada à proteção do circuito. Por meio deste terminal o elemento de controle 2 recebe um sinal de tensão diferente de zero quando a chave de porta 9 está fechada, ou seja, o elemento de controle por meio do terminal de porta LID pode saber se a porta do eletrodoméstico está aberta ou fechada e, assim, impe- dir o funcionamento do sistema e do método da presente invenção caso a porta do eletro- doméstico esteja aberta. Como pode ser visto ainda na figura 1, o motor elétrico 5 compreende três termi- nais, sendo um primeiro terminal 10, um segundo terminal 11 e um terceiro terminal 12. O primeiro terminal 10 e o segundo terminal 11 estão conectados eletricamente a um dispositi- vo sensor de tensão elétrica 4 e o terceiro terminal 12 do motor elétrico 5 é conectado ele- tricamente a um dispositivo sensor de corrente elétrica 6. Mais precisamente, o dispositivo sensor de tensão elétrica 4 consiste em um capacitor 7 associado em série a uma bobina protetora 8 e é conectado em paralelo ao motor elétrico 5. Por outro lado, o dispositivo sen- sor de corrente 6 consiste em um resistor 9 conectado em série ao motor elétrico 5.

A bobina protetora 8 é um indutor e também atua na proteção do motor contra tran- sientes de corrente. O capacitor 7, por sua vez, tem também por objetivo defasar as fases para que o motor funcione, como é de conhecimento dos técnicos no assunto. Desse modo, estes elementos acumulam não só a função de sensor de tensão elétrica 4 mas também de proteção e de defasar as fases.

O dispositivo sensor de tensão elétrica 4 é conectado ao elemento de controle 2 por meio de dois terminais de alimentação, sendo um primeiro terminal MTR1 e um segundo terminal MTR2. Estes terminais de alimentação também são conectados eletricamente em paralelo ao motor elétrico 5. O dispositivo sensor de corrente elétrica 6, por seu turno, é conectado eletricamente ao elemento de controle 2 por meio do pino de porta Ll D. Os pinos de alimentação MTR1 e MTR2 têm as suas funções relacionadas ao fornecimento de ten- são e corrente adequadas ao funcionamento do motor. Como dito, o elemento de controle 2 recebe tensão alternada por meio dos pinos AC1 e AC2 da entrada de tensão elétrica 3, porém, esta tensão alternada não é entregue ao motor sem sofrer alterações necessárias. Como é do conhecimento dos técnicos no assunto inversores de freqüência, drivers e de- mais dispositivos que podem ser utilizados como elemento de controle 2 na presente inven- ção, possuem meios para alterar os parâmetros da tensão e da corrente, como por exem- plo, sua amplitude e freqüência. Sendo assim, os terminais de alimentação MTR1 e MTR2 fornecem tensão e corrente elétricas modificadas ao motor elétrico 5.

Sobre o acionamento do motor para a realização das medições pelo método da presente invenção, a concretização preferencial prevê o uso de um TRIAC (ou de um algo- ritmo que desempenhe função semelhante) no circuito do elemento de controle 2. Desse modo, o TRIAC é ativado por meio ciclo de tensão e durante este meio ciclo de tensão as medições são feitas. O método pelo qual as medições ocorrem será explicado mais adiante.

Desse modo, o elemento de controle 2 é capaz de obter a corrente do motor 5, por meio da corrente que circula pelo dispositivo sensor de corrente elétrica 6, e a tensão do motor 5, por meio do dispositivo sensor de tensão elétrica 4 e sendo, assim, programado para efetuar a leitura destes valores. Desta forma, como pode ser visto a partir da figura 1, o pino de aquisição de corrente ADC é o responsável pela obtenção de valores de corrente do motor 5. Na concretização alternativa que faz uso de um motor monofásico, a presente in- venção pode ser provida com um circuito que isole uma das fases para obter a corrente do motor 5. Por outro lado, esta obtenção de corrente também pode ser feita por um capacitor conectado em paralelo ao motor. Na concretização preferencial da invenção que faz uso de um motor trifásico ligado em triângulo, a obtenção da corrente elétrica do motor 5 pode ain- da ser feita entre duas fases isoladas.

O elemento de controle 2 é, ainda, programado para desempenhar outros proces- sos, os quais ficarão mais evidentes a partir da descrição do método da presente invenção, ilustrado na figura 2.

Na primeira etapa E1 o elemento de controle 2 verifica periodicamente se o motor 5 está parado. Caso o motor elétrico 5 esteja parado, o elemento de controle 2 realiza a etapa seguinte do método da presente invenção. Assim, na segunda etapa E2, depois de detecta- do que o motor 5 está parado, o elemento de controle reinicia os contadores e os acumula- dores, para que seja possível realizar a leitura das grandezas que serão utilizadas na medi- ção da temperatura do motor 5, preparando, desse modo, esses registradores para os da- dos que serão lidos.

Depois disso, na terceira etapa E3, o elemento de controle 2 faz o motor 5 ser a- cionado durante um dado intervalo de tempo, sendo que, durante este intervalo de tempo, são lidas amostras dos valores de corrente e de tensão elétrica do motor 5, o que ocorre na quarta etapa E4. A leitura da tensão elétrica aplicada ao motor é obtida por meio dos valores de tensão que os pinos de alimentação MTR1 e MTR2 do elemento de controle 2 apresen- tam. A leitura da corrente elétrica, por sua vez, é feita a partir da corrente que circula por meio do pino de aquisição de corrente ADC do elemento de controle 2. Como já dito, o mo- tor 5 é acionado por meio de um TRIAC, o qual é ativado por meio ciclo de tensão. Assim, durante este meio ciclo de tensão, os valores de corrente e de tensão do motor 5 são lidos e armazenados para a realização dos cálculos envolvidos nas etapas seguintes.

Depois de lidas as grandezas físicas do motor elétrico 5, a etapa seguinte E5 do método da presente invenção consiste em calcular a integral dos valores de tensão elétrica e de corrente elétrica lidos na etapa anterior. Assim, tendo em vista que durante o intervalo de tempo (meio ciclo de tensão elétrica) são coletadas várias amostras, a integral é, portan- to, discreta e visa abranger todos estes valores para que façam parte do cálculo envolvido na etapa seguinte do método da presente invenção.

Depois de calculada as integrais da corrente e da tensão, o método da presente in- venção segue para a sua sexta etapa E6 que diz respeito ao cálculo da resistência elétrica do motor. Este cálculo consiste na divisão da integral da tensão ao longo do tempo pela integral da corrente ao longo do tempo.

Assim, na sétima etapa E7, a temperatura é determinada por meio da comparação entre o valor calculado da resistência elétrica do motor e os valores de temperatura contidos em uma tabela empírica. A construção da tabela empírica será explicada a seguir.

Como os técnicos no assunto sabem, a resistência elétrica pode ser dada pela se- guinte equação:

R = p(l/a) (equação 1)

onde: "R" é a resistência em Ohm; ρ é a resistividade em Ohm metro; "I" é o com- primento do condutor elétrico em metro; e "a" é a área do condutor elétrico em m2.

Além disso, como também é de conhecimento dos técnicos, a variação da resistivi- dade pode ser dada pela seguinte equação:

Δρ=αΔΤρ0 (equação 2)

onde: Δρ é a diferença entre a resistividade (p) medida a temperatura atual e a re- sistividade (Po) medida a 20°C, sendo que a unidade também é Ohm metro; α é um coefici- ente de temperatura em 0C"1; ΔΤ é a diferença entre a temperatura atual (T) em 0C e a tem- peratura de um valor convencionado (T0)1 no caso 20°C; e, finalmente, p0 é a resistividade do material à temperatura convencionada de 20°C.

Assim, isolando-se o termo ρ na equação 2 temos a seguinte equação:

P= P0 + a ATp0

Desse modo, colocando o termo p0em evidência, é obtida a seguinte equação:

P= P0 [1 + α (T-T0)] (equação 3)

Os valores de comprimento (I) e área (a) da equação 1 são conhecidos, pois é pos- sível medir o comprimento do enrolamento do motor elétrico e estimar com precisão a sua área. Além disso, esses dados podem ser facilmente obtidos pelo fabricante do motor. Nes- te mesmo sentido, na equação 3, são conhecidos os valores da resistividade à 20°C, a tem- peratura T0 (20°C) e o valor do coeficiente de temperatura à temperatura T0. Vale ressaltar que estes valores convencionados à 20°C são extraídos das conhecidas tabelas de resistividade.

Desta forma, para construir a tabela empírica que é utilizada na presente invenção, deve-se, primeiramente, saber qual é o material que constitui o enrolamento do motor elétri- co para que seja possível localizar, na tabela de resistividade, a resistividade e o coeficiente de temperatura que serão aplicados na equação 3. Depois disso, são atribuídos vários valo- res para a temperatura atual (T), sendo que cada valor atribuído é aplicado na equação 3 juntamente com os valores tabelados (para 20°C) para que, assim, seja possível obter um valor de resistividade correspondente às temperaturas atribuídas. Por exemplo, são atribuí- dos os seguintes valores para a temperatura atual: 30°C, 40°C, 50°C e assim por diante. Estes valores são aplicados na equação 3 de forma a obter um valor de resistividade cor- respondente a cada uma destas temperaturas. Desse modo, os valores da resistividade encontrados para cada temperatura atribuída são aplicados na equação 1 para que se en- contre os valores de resistência elétricjaÍieiri cada temperatura atribuída.

Assim, para cada valor de resistencia há um valor de temperatura correspondente. Conseqüentemente, os valores de resistência elétrica calculados na sexta etapa E6 são aplicados a esta tabela empírica para que seja possível encontrar valores de temperatura associados ao valor de resistência calculado. Caso a resistência calculada não corresponda exatamente a um valor de resistência da tabela, ficando entre dois valores desta tabela em- pírica, o elemento de controle 2 pode utilizar métodos numéricos, como, por exemplo, inter- polação, para encontrar um valor de temperatura que pode ser associado à resistência elé- trica calculada.

É importante ressaltar que os valores de temperatura citados são apenas exemplifi- cativos, de modo que outros valores de temperatura podem ser utilizados dependendo do tipo de motor, do enrolamento e das necessidades de implementação do sistema 1 da pre- sente invenção.

Assim, como pode ser visto, a presente invenção utiliza o próprio motor 5 para me- dir a temperatura, o que dispensa o uso de equipamentos e dispositivos adicionais. Além disso, a presente invenção possibilita que ciclos de lavagens em máquinas de lavar louças, máquinas de lavar roupas e ciclos de secagem em máquinas de secar sejam otimizados em função da temperatura medida do motor elétrico 5.

Ainda, a presente invenção evita que o motor 5 atinja uma temperatura que seja danosa, o que, conseqüentemente aumenta a sua vida útil.

Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferido, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possíveis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações apensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.

Claims (8)

1. Sistema (1) de medição de temperatura de motor elétrico CARACTERIZADO pe- lo fato de compreender: um elemento de controle (2); uma entrada de tensão elétrica (3) conectada eletricamente ao elemento de contro- le; um dispositivo sensor de tensão elétrica (4) conectado eletricamente ao motor elé- trico (5) e ao elemento de controle (2); um dispositivo sensor de corrente elétrica (6) conectado eletricamente ao motor e- létrico (5) e ao elemento de controle (2), sendo que o elemento de controle (2) é programado para: ler a tensão elétrica e a corrente elétrica do motor a partir dos elementos sensores de tensão elétrica (4) e de cor- rente elétrica (6); calcular as integrais destes valores; obter um coeficiente de temperatura baseado na divisão da integral da tensão elétrica ao longo do tempo pela integral da corren- te elétrica ao longo do tempo; associar o dito coeficiente de temperatura a valores de tem- peratura contidos em uma tabela empírica.

2. Sistema de medição de temperatura de motor elétrico, de acordo com a reivindi- cação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o dispositivo sensor de tensão elétrica (4) é conectado em paralelo ao motor elétrico (5).

3. Sistema de medição de temperatura de motor elétrico, de acordo com a reivindi- cação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o dispositivo sensor de tensão (4) consiste em um capacitor (7) associado em série a uma bobina protetora (8).

4. Sistema de medição de temperatura de motor elétrico, de acordo com a reivindi- cação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o dispositivo sensor de corrente (6) é conec- tado em série ao motor elétrico (5).

5. Sistema de medição de temperatura de motor elétrico, de acordo com a reivindi- cação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o dispositivo sensor de corrente elétrica (6) consiste em um resistor.

6. Método de medição de temperatura de motor elétrico, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende as etapas de: (E1) verificar se o motor está parado; (E2) reinicio contadores e acumuladores; (E3) acionamento do motor durante um intervalo de tempo; (E4) medição da corrente e da tensão durante o dito intervalo de tempo; (E5) cálculo da integral dos valores de tensão elétrica e cálculo da integral dos va- lores de corrente elétrica lidos na etapa anterior; (E6) cálculo da resistência elétrica do enrolamento do motor por meio da divisão da integral da tensão ao longo do tempo pela integral da corrente ao longo do tempo; (E7) determinação da temperatura do motor por meio da comparação do valor da resistência elétrica do enrolamento do motor a valores de temperatura contidos em uma tabela empírica.

7. Método de medição de temperatura de motor elétrico, de acordo com a reivindi- cação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que o motor 4 é acionado por meio de um TRIAC, o qual é ativado por meio ciclo de tensão.

8. Método de medição de temperatura de motor elétrica, de acordo com a reivindi- cação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que o intervalo de tempo é de meio ciclo de ten- são.