Análise experimental do efeito de estratégias de controle em características de resposta de motores de corrente contínua sem escovas

Abstract

Esta dissertação de mestrado apresenta uma análise comparativa dos efeitos de diferentes estratégias de controle na resposta de motores de corrente contínua sem escovas, aplicados em compressores herméticos alternativos para refrigeração, buscando evidenciar vantagens e desvantagens nas combinações de parâmetros. Para realização dos ensaios, foi concebida uma bancada de dinamômetro capaz de controlar as condições de operação - torque e velocidade angular - do motor sob ensaio. Além dessas grandezas, foram realizadas medições de variáveis elétricas e de temperatura em diversos pontos, para averiguar a condição de ensaio. Após a montagem inicial da bancada, foi realizado um estudo buscando diminuir a influência das variações da bancada nos ensaios, no qual projetou-se um sistema de aquecimento em malha aberta para manutenção das condições de temperatura do motor e dos rolamentos empregados. Na bancada desenvolvida foram realizados ensaios em um motor de corrente contínua sem escovas operando em 3 diferentes modos de acionamento (H_PWM-L_ON, PWM-ON e ON-PWM) e 4 diferentes frequências de chaveamento (entre 2 kHz e 8 kHz). Cada combinação de parâmetros foi ensaiada em 9 pontos de torque e 3 pontos de velocidade angular, totalizando 324 ensaios. Dos ensaios, foram extraídos dados de eficiência do motor, do inversor e do conjunto. Além disso, os dados de formas de onda de corrente e tensão foram adquiridos para avaliação de distorção harmônica total e de distorção de forma de onda total. A avaliação das perdas de potência também foi realizada com base nestes dados. Para validar a comparação, a análise de incerteza das grandezas medidas e calculadas foi realizada. Devido a alta incerteza de medição e a proximidade dos resultados de eficiência nos ensaios comparativos, foi utilizado também um método de análise de incerteza da diferença entre resultados, considerando apenas as componentes aleatórias. Por fim, foram apresentados os pareceres sobre as vantagens e desvantagens de cada método.

Abstract: This master's thesis presents a comparative analysis of the effects of different control strategies on the response of brushless DC motors applied in hermetic reciprocating compressors for refrigeration, seeking to highlight advantages and disadvantages in the parameter combinations. To carry out the tests, a dynamometer test rig was designed to control the operating conditions -- torque and angular speed -- of the motor under test. In addition to these variables, measurements of electrical and temperature variables were taken at various points to verify the test conditions. After the initial assembly of the rig, a study was carried out to reduce the influence of bench variations on the tests, in which an open-loop heating system was designed to maintain the temperature conditions of the motor and bearings used. The developed bench was used to perform tests on a brushless DC motor operating in 3 different driving modes (H_PWM-L_ON, PWM-ON, and ON-PWM) and 4 different switching frequencies (between 2 kHz and 8 kHz)). Each parameter combination was tested at 9 torque points and 3 angular speed points, totaling 324 tests. Efficiency data for the motor, inverter, and assembly were extracted from the tests. In addition, current and voltage waveforms were acquired to evaluate total harmonic distortion and total waveform distortion. Power loss evaluation was also carried out based on these data. To validate the comparison, the uncertainty analysis of the measured and calculated variables was performed. Due to the high measurement uncertainty and the proximity of the efficiency results in the comparative tests, an uncertainty analysis method of the difference between results was also used, considering only the random components. Finally, opinions on the advantages and disadvantages of each method were presented.