Medição de potência elétrica em motores brushless acionados por conversor de frequência

Abstract

Hoje em dia há uma tendência quase que generalizada de diminuiçao de componentes e equipamentos. Com compressores de refrigeração não é diferente. Para que a diminuiçao da câmara de compressão não implique redução da capacidade de refrigeração, é necessário que se aumente a frequência de operação. Avaliações teóricas e experimentais mostraram que motores de alta rotação do tipo brushless podem desempenhar esse papel. No intuito de se avançar no conhecimento tecnológico desses compressores é importante o domínio das inúmeras grandezas que estão envolvidas no processo de desenvolvimento. Rendimento é, sem dúvida, um parâmetro de grande impacto no desenvolvimento do roduto. Rendimento é a razão entre a potência mecânica efetivamente transformada em trabalho e a potência elétrica entregue a máquina. Nesse contexto, este trabalho analisou opções e avaliou experimentalmente a medição da potência elétrica, com baixa incerteza, em motores do tipo brushless na presença de sinais com elevado conteúdo harmônico. Foi realizado um estudo prévio das características dos motores e seu acionamento, bem como das ferramentas matemáticas e métodos que serviram de suporte para o desenvolvimento do trabalho. Alternativas para a medição de potência elétrica foram estudadas. Um equipamento adequado à medição em alta frequência foi selecionado e testado em bancada automatizada de ensaio de motores. A caracterização dos espectros de frequências para os motores avaliados neste trabalho mostrou que a maior parte da potência elétrica se concentra na frequência fundamental e que as amplitudes harmônicas são quase que insignificantes para o sinal de potência elétrica. Em função disso foi mostrado experimentalmente que em tais aplicações wattímetros para medição de sinais de baixa frequência podem apresentar resultados satisfatórios. Uma comparação entre dois equipamentos comerciais de características metrológicas distintas também foi realizada e observou-se que a medição de ambos é bem próxima, chegando a uma diferenca de aproximadamente 3,2% entre os resultados obtidos para os pontos nos quais os motores são ensaiados. A reprodutibilidade do wattímetro WT230 foi analisada e em cinco ciclos de medição o desvio em relação à média foi bastante pequeno, apresentando resultados de at´e 1,5% de diferença (pior caso) entre ensaios.

Nowadays there is a global trend on reducing size of equipments and their parts. The refrigeration compressors are objects of this tendency. Nevertheless, reducing compression chamber#s dimensions implies reducing the refrigeration capacity when this is done without the increase of motor speed. Theoretical and experimental evaluations have shown that high speed brushless motors can perform this role. The R&D process related to the refrigeration compressors deals with several quantities and parameters in order to advance in the technological sense. The motor efficiency is one of such parameters because it relates the mechanical power converted into work and electrical power consumed by the compressor. As a contribution on motor efficiency evaluation, this dissertation presents analysis and experimental evaluations carried out on electrical power measurement. The most important characteristic of this measurement process is deal with high harmonic content signals and low measurement uncertainties. In order to achieve the dissertation goals, prior studies were carried out on: motors and drives characteristics; electrical power measurement methods; mathematical tools and methods suitable for data and signal analysis. A suitable device for high frequency measurement was selected and used in an automated motor testing bench. The frequency spectrum of the evaluated motors showed that the electrical power is concentrated in the fundamental frequency and that harmonics amplitudes are almost negligible. Thus, experimental data indicated that low frequency power meters can provide satisfactory results in such applications. Two commercial power meters - designed for distinct metrological performance - had their measurement results compared on typical motor test conditions and presented maximum difference of 3.2%. The reproducibility WT230 power meter was analyzed in five measurement cycles and presented very small deviations (up to 1.5% in worst case) compared to the average.