Sistema automatizado para ensaios de elevação térmica em inversores de frequência sob diferentes condições de carga

Abstract

Este trabalho apresenta o desenvolvimento e a validação de uma bancada automatizada para ensaios de elevação térmica em inversores de frequência, com foco na caracterização dos desempenhos térmico e elétrico do equipamento sob diferentes condições de carga. O método proposto permite determinar os limites operacionais do inversor, mapeando as máximas potências admissíveis sob restrições térmicas de componentes críticos, incluindo elementos passivos, conector, fonte de alimentação chaveada e microcontrolador. Para superar as limitações das abordagens tradicionalmente empregadas nesses ensaios, caracterizadas pela elevada dependência de intervenções manuais, pela alta variabilidade dos resultados e pelos longos tempos de execução, foi concebida uma plataforma integrada de hardware e software capaz de gerenciar autonomamente as condições de ensaio, realizar a aquisição sincronizada das variáveis monitoradas e executar os procedimentos experimentais de forma programável e segura. A implementação contemplou a identificação experimental de modelos dinâmicos, o projeto de uma estrutura de controle em cascata baseada em escalonamento de ganhos para a regulação da potência e em controle restritivo de temperatura, além da avaliação metrológica do sistema de medição. Os resultados evidenciaram elevada estabilidade operacional e repetibilidade dos ensaios, respaldadas por análises metrológicas que indicaram incertezas expandidas de aproximadamente 2,3 ºC para as medições de temperatura e 2,5 W para as medições de potência. Conclui-se que a solução proposta apresenta potencial de aplicação imediata no setor industrial, contribuindo para a padronização de ensaios térmicos em conformidade com diretrizes normativas, para a redução de custos de desenvolvimento, para a aceleração de ciclos de homologação e para o avanço de pesquisas de confiabilidade de sistemas de conversão de potência.

Abstract: This work presents the development and experimental validation of an automated test rig for temperature rise testing of variable frequency drives (VFDs), focusing on the characterization of their thermal and electrical performance under different loading conditions. The proposed method enables the determination of the drive's operational limits by mapping the maximum permissible output power while ensuring compliance with the thermal constraints of critical components, including passive devices, connectors, the switch-mode power supply (SMPS), and the microcontroller. To overcome the limitations of conventional testing approaches, which are characterized by extensive manual intervention, high result variability, and long execution times, an integrated hardware and software platform was developed. The proposed solution is capable of managing test conditions, acquiring and synchronizing measurement data, and executing experimental procedures in a programmable, autonomous, and safe manner. The implementation comprised the experimental identification of dynamic models, the design of a cascade control architecture based on gain scheduling for power regulation and temperature override control, and the metrological assessment of the measurement system. Experimental results demonstrated high operational stability and test repeatability, supported by metrological analyses that yielded expanded uncertainties of approximately 2,3 ºC for temperature measurements and 2,5 W for power measurements. The results demonstrate that the proposed solution is well suited for industrial applications, contributing to the standardization of thermal testing procedures in accordance with regulatory guidelines, reducing development costs, shortening product qualification cycles, and supporting research on the reliability of power electronic conversion systems.