Dentro do variador de motor de velocidade variável: como funciona a eletrónica inverter dos AC split

A diferença de desempenho entre um ar condicionado portátil de velocidade fixa a €300 e uma split móvel acionada por inverter a €900 não está no prestígio da marca nem em características cosméticas — está no circuito de eletrónica inverter do ar condicionado split que existe dentro da segunda. Um variador de frequência que modula o motor do compressor entre aproximadamente 20% e 100% da velocidade nominal é responsável pela poupança de energia de 30–50%, pelo funcionamento mais silencioso, pela resposta de temperatura mais rápida e pela maior vida útil do compressor que separam a tecnologia inverter do projeto on/off que ela está progressivamente a substituir por toda a Europa.

O que faz um inverter num ar condicionado split?

Um inverter num ar condicionado split converte a alimentação da rede de frequência fixa (50 Hz, 230 V na Europa) numa saída de frequência variável e tensão variável que aciona o motor do compressor a velocidades continuamente ajustáveis. Em vez de ligar o compressor a 100% da velocidade e desligá-lo para regular a temperatura, o inverter ajusta o rendimento do compressor com precisão à carga de arrefecimento instantânea — eliminando os transitórios de arranque que desperdiçam energia, as ultrapassagens de temperatura e os eventos de esforço mecânico que caracterizam o funcionamento on/off de velocidade fixa.

O circuito inverter central segue uma arquitetura de eletrónica de potência padrão: um retificador de entrada converte a rede AC num barramento DC suave a aproximadamente 320–350 V; um banco de condensadores do barramento DC filtra a tensão retificada; e um andar inverter de saída, construído a partir de seis transístores IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor — um dispositivo de comutação que lida com tensões e correntes elevadas ao mesmo tempo que é controlado por sinais de porta de baixa tensão, combinando as baixas perdas de condução de um transístor bipolar com a comutação rápida de um MOSFET) numa ponte trifásica, reconverte este DC em AC de frequência variável, a qualquer que seja a frequência que o microcontrolador exija.

Como produz a ponte IGBT uma saída de frequência variável para o motor do compressor?

A ponte IGBT trifásica utiliza seis transístores de comutação dispostos em três meias-pontes, cada uma controlando uma fase dos enrolamentos do motor do compressor. Ao ligar e desligar cada transístor milhares de vezes por segundo numa sequência temporizada com precisão, a ponte sintetiza uma tensão sinusoidal a qualquer frequência-alvo entre aproximadamente 10 Hz e 120 Hz, controlando diretamente a velocidade do motor do compressor de cerca de 600 RPM a mais de 7,000 RPM, consoante o número de polos e o projeto do motor.

Cada IGBT comuta em menos de 100 nanossegundos, lidando com tensões de barramento de 300–600 V e correntes de fase de 10–30 A, com perdas de condução de apenas 1–3% por dispositivo. O controlador de porta — um circuito integrado que aplica o impulso de tensão preciso necessário para comutar cada IGBT — é a interface do domínio de sinal entre o microcontrolador de controlo e o andar IGBT do domínio de potência. Os inverters de AC split modernos integram os controladores de porta, a ponte IGBT e os circuitos de proteção num único IPM (Intelligent Power Module — uma combinação num só encapsulamento de transístores de potência, controladores e sensores de proteção que simplifica o projeto da placa e melhora a gestão térmica) de fabricantes como a Mitsubishi Electric, a ON Semiconductor ou a Infineon.

O que é a modulação PWM e como controla a velocidade do motor do compressor?

A PWM (Pulse Width Modulation — modulação por largura de impulso) é a técnica pela qual a ponte IGBT sintetiza uma saída sinusoidal suave a partir de comutação rápida on/off. Ao variar a largura de cada impulso de tensão a uma frequência portadora de 4–16 kHz, a tensão média vista pelo enrolamento do motor é controlada continuamente entre zero e a tensão total do barramento. Variar esta tensão média num padrão sinusoidal à frequência de saída-alvo produz o efeito de uma alimentação AC de frequência variável exatamente à velocidade que o algoritmo de controlo requer.

O rácio entre o tempo ligado e o tempo desligado em cada ciclo da portadora é o ciclo de trabalho. A 100% de ciclo de trabalho, é aplicada a tensão total do barramento DC (aproximadamente 325 V a partir de uma alimentação de 230 V) ao enrolamento do motor. A 50% de ciclo de trabalho, a tensão RMS efetiva é reduzida a metade. Modular o ciclo de trabalho de forma sinusoidal nas três fases cria o campo magnético rotativo que o motor do compressor segue continuamente. Uma frequência de saída mais alta significa um campo rotativo mais rápido, uma velocidade de veio do compressor mais rápida, um maior caudal mássico de refrigerante e mais rendimento de arrefecimento por unidade de tempo.

Os valores de COP (Coefficient of Performance — o rácio adimensional entre a potência de arrefecimento em kW e a potência elétrica de entrada em kW; um COP de 4.0 significa 4 kWh de arrefecimento por cada 1 kWh de eletricidade) a 50% de carga ilustram a principal vantagem do inverter: onde um compressor de velocidade fixa se desliga em ciclos (produzindo um COP nulo durante o tempo desligado e arrastando a média para baixo), ambos os tipos de inverter sustentam continuamente um COP elevado a velocidade reduzida. O COP superior em carga parcial do inverter DC reflete a maior eficiência dos motores de ímanes permanentes face aos motores de indução usados na maioria dos projetos de compressor com inverter AC.

Qual é a diferença prática entre a arquitetura de inverter AC e de inverter DC?

Um variador de inverter AC sintetiza AC trifásica de frequência variável para acionar um motor de indução convencional no compressor. Um motor de indução funciona por indução eletromagnética — o campo magnético rotativo induz correntes no rotor, que criam o binário que faz girar o veio do compressor. A sua eficiência atinge o pico perto da velocidade síncrona e diminui em cargas parciais devido às perdas por escorregamento (a diferença de velocidade entre o campo rotativo e o rotor necessária para gerar binário). Um inverter DC aciona um motor BLDC (Brushless DC — um motor de rotor de ímanes permanentes que gera binário através da interação direta entre os ímanes do rotor e o campo do estator, eliminando as perdas por escorregamento e atingindo a eficiência máxima ao longo de uma gama de velocidades mais ampla), produzindo uma eficiência mensuravelmente superior tanto em plena carga como em carga parcial.

Porque é que o funcionamento a velocidade variável melhora a eficiência em cargas de arrefecimento parciais?

O ganho de eficiência do funcionamento a velocidade variável em carga parcial surge porque o compressor opera continuamente na porção de alta eficiência da sua curva de desempenho, em vez de alternar entre o funcionamento a velocidade máxima e a paragem total. A 50% de procura de arrefecimento, um compressor inverter a funcionar a 50% da velocidade atinge um COP médio no tempo superior ao de um compressor de velocidade fixa que funciona à velocidade máxima durante metade do tempo, porque elimina as perdas transitórias de arranque, mantém a circulação contínua de óleo e evita o esforço de ciclos mecânicos e térmicos que reduz temporariamente a eficiência após cada rearranque do compressor.

O transitório de arranque do compressor é particularmente dispendioso num projeto de velocidade fixa: a cada rearranque, o compressor tem de vencer o diferencial de pressão estática que se acumulou no circuito de refrigerante durante o período de paragem, consumindo 8–12× a corrente de funcionamento durante 0.5–2 segundos e operando abaixo das condições ótimas de lubrificação até a circulação de óleo se restabelecer. Um compressor inverter que modula a velocidade em vez de alternar em ciclos nunca entra neste estado — limita-se a reduzir a velocidade para corresponder à carga, mantendo uma lubrificação contínua e evitando o pico de esforço mecânico que limita a vida útil de um compressor de velocidade fixa.

O caso extremo: a eficiência do inverter degrada-se abaixo de aproximadamente 20% da frequência nominal

A maioria dos variadores de inverter de AC split impõe um limite inferior de frequência de funcionamento de aproximadamente 15–25 Hz — cerca de 15–25% do funcionamento nominal a velocidade máxima. Abaixo deste limite, surgem dois problemas em simultâneo: a bomba de óleo, que funciona à velocidade do veio do compressor, não consegue gerar pressão de lubrificação adequada para proteger os rolamentos a velocidades muito baixas; e o motor produz binário insuficiente para vencer de forma fiável o atrito das válvulas do compressor a partir de uma condição quase parada. O firmware de controlo impõe, por isso, um piso de velocidade mínima abaixo do qual o compressor se desliga e aguarda num breve período de ralenti, em vez de operar num modo de velocidade ultra baixa quase contínuo, prevenindo a falha dos rolamentos por falta de óleo.

Como gere o inverter a corrente de arranque (inrush)?

Os motores de velocidade fixa consomem 8–12× a sua corrente nominal de funcionamento durante os primeiros 0.5–2 segundos a cada arranque, o que faz disparar os MCB domésticos (Miniature Circuit Breakers — os dispositivos de proteção contra sobrecarga nos quadros de distribuição domésticos, dimensionados para desligar em sobrecorrentes sustentadas) em circuitos de 16 A se vários eletrodomésticos estiverem a funcionar em simultâneo. Os variadores de inverter aumentam a frequência do motor a partir de quase zero a uma taxa de aceleração controlada — tipicamente de 0 a 50 Hz em 2–5 segundos — limitando a corrente de arranque a 1.5–2.5× a corrente nominal de funcionamento e tornando simples a instalação em circuitos domésticos partilhados.

As placas de inverter de AC split premium incluem também PFC (Power Factor Correction — correção do fator de potência, um circuito ativo no andar de entrada que molda a forma de onda da corrente para corresponder à forma de onda da tensão, eliminando a corrente reativa e a distorção harmónica que as cargas de modo comutado não corrigidas impõem à alimentação) na entrada da rede. O PFC eleva o fator de potência dos típicos 0.6–0.7 de um circuito retificador não corrigido para 0.95–0.99, reduzindo o consumo de potência aparente na alimentação e minimizando a distorção de tensão que, de outra forma, afetaria os eletrodomésticos vizinhos que partilham o circuito.

A diferença entre inverter e não-inverter é muito clara num registador de energia. A unidade de velocidade fixa dispara enormemente a cada arranque do compressor. O inverter sobe simplesmente de forma suave — quase impercetível como evento de arranque. Num circuito partilhado de 16 A com outras cargas de cozinha, o inverter é o único que não faz disparar o disjuntor de vez em quando.

Que circuitos de proteção inclui uma placa de inverter de AC split moderna?

As placas de controlo de inverter de AC split modernas integram um conjunto abrangente de proteções que monitorizam cada modo de falha importante em tempo real, desligando o variador de forma controlada em vez de permitir que uma avaria de hardware se propague em cascata até à queima do compressor, a um incêndio ou a danos no sistema de refrigerante. Estas proteções são implementadas no firmware do microcontrolador, e não em circuitos de hardware dedicados, permitindo aos fabricantes atualizar os limiares através de software de assistência sem qualquer alteração de hardware.

• Proteção contra sobrecorrente (OCP): monitoriza a corrente de coletor do IGBT em cada fase e dispara em microssegundos se a corrente sustentada exceder 2–3× a corrente nominal de funcionamento — protege contra um compressor bloqueado, um enrolamento de motor em curto-circuito ou um IGBT em falha.
• Proteção contra sobretensão e subtensão: monitoriza o barramento DC continuamente e desliga-se se a alimentação da rede descer abaixo de aproximadamente 180 V ou subir acima de 270 V — protege contra condições de quebra de tensão comuns em eventos de sobrecarga da rede no sul da Europa durante o pico de procura no verão.
• Proteção da temperatura de junção do IGBT: um termístor NTC colado ao dissipador do IPM monitoriza a temperatura do semicondutor; o variador reduz a frequência portadora do PWM (o que reduz as perdas de comutação) e acaba por disparar se a temperatura exceder o limiar de projeto — previne o embalamento térmico durante o funcionamento turbo sustentado de carga elevada.
• Proteção de alta e baixa pressão do refrigerante: os sinais dos transdutores de pressão são monitorizados continuamente; o compressor dispara se as pressões caírem fora do envelope de funcionamento normal — deteta a perda de refrigerante por fugas nos acoplamentos antes de a capacidade de arrefecimento se degradar visivelmente.
• Deteção de bloqueio do motor e de perda de fase: a monitorização da força contraeletromotriz (back-EMF) deteta o bloqueio do compressor ou a ausência de uma fase na saída; o variador dispara imediatamente para evitar o gripamento do compressor devido à falta de óleo que uma condição prolongada de rotor bloqueado causaria.

Principais conclusões sobre a eletrónica inverter dos ar condicionados split

A cadeia de eletrónica inverter dos ar condicionados split — retificador AC, condensadores do barramento DC, ponte IGBT trifásica, controlador PWM, motor BLDC de ímanes permanentes — é a tecnologia que separa uma unidade com uma fatura de eletricidade sazonal de €50 de outra com uma fatura de €150 para um rendimento de arrefecimento idêntico. O COP de pico em carga parcial do inverter DC de 3.8–5.5, a sua corrente de arranque quase nula e a sua vida útil de compressor de 15–20 anos são consequências diretas de fazer funcionar o compressor no seu ponto de funcionamento de eficiência máxima de forma contínua, em vez de o alternar entre a velocidade máxima e a paragem total.

As splits móveis construídas com eletrónica de inverter DC são os ar condicionados portáteis de maior desempenho disponíveis na Europa atualmente — e são as primeiras unidades a esgotar quando se prevê uma onda de calor. Registe já o seu alerta e esteja pronto para encomendar no momento em que surgir stock — antes de o próximo pico de procura o esgotar.