Prueba del motor del compresor de la bomba de calor: Velocidad variable, Compatibilidad con refrigerantes, y eficiencia estacional

Por qué los motores de compresores de bombas de calor necesitan pruebas especializadas

Pasaron las instalaciones de bombas de calor en Europa 3 millones de unidades por año en 2025, impulsado por la construcción de mandatos de descarbonización. El motor del compresor, ya sea en forma de espiral, giratorio, o compresor alternativo: es el componente que determina la eficiencia del sistema, rendimiento en climas fríos, y vida útil. También es uno de los motores más difíciles de probar., porque opera dentro de una atmósfera refrigerante herméticamente sellada, a velocidades variables desde 20 Hz a 120 Hz, y debe arrancar de manera confiable contra condiciones de alta contrapresión del refrigerante que paralizarían los motores de inducción convencionales..

El desafío del banco de pruebas se ve agravado por el hecho de que el rendimiento del motor del compresor no se puede evaluar de forma aislada del circuito de refrigerante.. Un motor que funciona maravillosamente en el aire exhibirá un comportamiento de arranque completamente diferente, rendimiento térmico, y eficiencia cuando se sumerge en refrigerante R32 o R290 a presión de funcionamiento. Las pruebas deben abordar esta integración., no abstraerlo.

Esta guía cubre los elementos de prueba críticos para motores de compresores de bombas de calor de velocidad variable., centrándose en áreas donde los protocolos estándar de pruebas de motores son inadecuados.

Lo que distingue las pruebas de motores de compresores

• Montaje hermético: No se puede acceder al motor sin destruir el compresor.. Las mediciones del devanado deben realizarse externamente. (caja de terminales). El monitoreo de temperatura se basa en la temperatura del gas de descarga y la temperatura del terminal del motor., sensores no integrados.
• Refrigerante como medio aislante.: El aislamiento del devanado del motor debe ser compatible con la mezcla de refrigerante y lubricante a presión.. R32, R410A, y R290 (propano) tienen diferentes requisitos de compatibilidad química.
• La carga depende del estado del refrigerante.: El par del compresor a cualquier velocidad depende de la relación de presión. (presión de condensación / presión de evaporación), que cambia con la temperatura ambiente y la carga. Un banco de pruebas debe reproducir las condiciones de presión del refrigerante del entorno operativo objetivo..
• Operación de velocidad variable: Los compresores de bomba de calor modernos funcionan con accionamientos inversores desde 20 Hz a 120 Hz. La optimización de la eficiencia en toda esta gama (no solo a la velocidad nominal) es el diferenciador competitivo clave.

Elementos de prueba básicos

1. Caracterización Eléctrica del Motor Hermético

Con el motor sellado dentro del compresor., Las pruebas eléctricas se limitan a lo que se puede medir en los terminales externos.. El banco de pruebas registra la resistencia de fase, inductancia, y resistencia de aislamiento (prueba de megger en 500 VCC y 1,000 VCC) en la unidad de producción antes de cargar con refrigerante. Post-carga, Las mediciones del devanado a través del refrigerante detectan cualquier ingreso o degradación..

Métricas clave: Resistencia de fase (método Kelvin, Precisión de ±0,5 mΩ); inductancia de fase (1 khz, ±1% de precisión); resistencia de aislamiento ≥ 100 MΩ en 500 VDC antes de la carga de refrigerante; cambio de resistencia después de la exposición al refrigerante ≤ 0.3%.

2. Par de arranque bajo alta contrapresión

La condición de arranque más exigente para un compresor de bomba de calor es un reinicio en caliente después de una breve interrupción del suministro eléctrico: el refrigerante aún no se ha vuelto a equilibrar entre los lados de alta y baja presión., y el compresor debe arrancar contra un diferencial de presión que puede ser del 50 al 70% de la relación de presión de carga completa.. Para un compresor scroll impulsado por un PMSM, La corriente y el par de arranque deben superar esta carga de contrapresión dentro del límite de corriente del VFD..

El banco de pruebas simula esto controlando la condición de contrapresión. (a través de una válvula de estrangulación en un banco de pruebas de refrigerante o mediante simulación de carga mecánica en un banco solo de motor) y medir el par de arranque en función de la contrapresión inicial y el tiempo de rampa de arranque.

Métricas clave: Par de arranque mínimo en 100% diferencial de contrapresión nominal; tiempo máximo de rampa de inicio para lograr un inicio exitoso; corriente de arranque pico (debe permanecer dentro del límite de disparo del VFD, típicamente 200% corriente nominal); detección de inicio fallido: Análisis de patrones de EMF inversos para la identificación de pérdida.

3. Mapeo de eficiencia de velocidad variable (20–120Hz)

El mapa de eficiencia de un motor de compresor en todo su rango de velocidad determina las métricas de eficiencia estacionales. (SCOP para calefacción de espacios, SEER para enfriar) que rigen las clasificaciones de etiquetas energéticas de la UE y el cumplimiento de la normativa sobre diseño ecológico. El banco de pruebas barre la frecuencia de funcionamiento desde el mínimo (normalmente 20-25 Hz) al máximo (normalmente 115-120 Hz) en cada punto de carga, Registro de la potencia eléctrica de entrada y de la potencia mecánica de salida..

Para compresores PMSM de velocidad variable, El mapa de eficiencia debe capturar el desempeño del control MTPA en cada punto de operación de velocidad-carga., ya que la optimización de la conducción es la principal palanca de eficiencia. Un controlador MTPA mal ajustado en un compresor de bomba de calor cuesta entre un 3% y un 8% de eficiencia estacional durante un año climático europeo.

Métricas clave: Eficiencia del motor en el punto nominal; motor + eficiencia del sistema de accionamiento (conjunto); mapa de eficiencia valor máximo y punto de operación; eficiencia a velocidad mínima (20 Hz) — a menudo el peor punto de operación debido a las altas pérdidas fundamentales del cobre a baja velocidad.

4. Arranque a baja temperatura en climas fríos (−25°C ambiente)

Bombas de calor para climas fríos (segmento de mercado que crece rápidamente en los países nórdicos, canadiense, y mercados del norte de China) están especificados para funcionar hasta una temperatura ambiente exterior de -25 °C. A estas temperaturas, La viscosidad del lubricante aumenta en un factor de 5 a 10 en comparación con el punto de funcionamiento nominal., y la densidad del vapor del refrigerante cambia significativamente. El motor del compresor debe arrancar de manera confiable bajo esta mayor resistencia viscosa..

La prueba se realiza en una cámara climática que encierra la unidad exterior.. El sistema completo de bomba de calor. (incluyendo carga de refrigerante, carga de aceite, y controles) se estabiliza a -25°C antes de iniciar la prueba de inicio. La prueba captura el perfil actual inicial., tiempo hasta velocidad nominal, y si la protección de límite de corriente del VFD interfiere con el arranque.

Métricas clave: Arranques exitosos a -25°C, −20°C, −15°C ambiente exterior: 5 arranques consecutivos por temperatura; inicio del perfil actual versus tiempo; Tiempo desde el comando de arranque hasta la velocidad nominal del compresor.; calentar COP a −15°C (EN 14825 A-15 puntos de calificación).

5. Compatibilidad con refrigerantes y longevidad del aislamiento del devanado

El aislamiento del motor del compresor debe resistir la inmersión continua en una mezcla de refrigerante y aceite a temperatura y presión de funcionamiento.. El aislamiento de alambre esmaltado estándar utilizado en motores de estructura abierta no es aceptable: poliesterimida o poliamidaimida. (pai) Se requiere un recubrimiento con laca resistente al refrigerante para los sistemas HFC/HFO.; R290 (propano) Además requiere que todos los polímeros sean resistentes a los hidrocarburos..

Las pruebas de compatibilidad de aislamiento sumergen muestras de devanado en una mezcla de refrigerante y aceite a temperatura elevada. (prueba de envejecimiento acelerado, normalmente 150°C para 500 horas por UL 984 / CEI 62539 equivalente). Resistencia de aislamiento post-exposición, rigidez dieléctrica, y la flexibilidad mecánica confirman la compatibilidad.

Métricas clave: Resistencia de aislamiento después del envejecimiento ≥ 100 MΩ (valor inicial); retención de rigidez dieléctrica ≥ 90% del valor inicial después 500 horas a 150°C en una mezcla de refrigerante y aceite; flexibilidad del recubrimiento de alambre: sin grietas después del envejecimiento post-envejecimiento doblado 2 veces el diámetro.

6. CEI 60335-2-40 Pruebas de cumplimiento

Las bombas de calor están sujetas a IEC 60335-2-40 (Aparatos electrodomésticos y similares: bombas de calor., acondicionadores de aire, deshumidificadores). Las pruebas de cumplimiento incluyen: evaluación de protección del motor (prueba de rotor bloqueado, sobretemperatura del motor), pruebas de funcionamiento anormal (flujo de aire bloqueado, fuga de refrigerante), y la prueba de resistencia de confiabilidad de 30 días con carga máxima.

Para refrigerante propano R290, Los requisitos ATEX/IECEx se aplican a la electrónica del variador: el banco de pruebas del motor debe incluir una evaluación del riesgo de ignición por chispas generadas por el variador y puntos calientes del devanado en una atmósfera de refrigerante inflamable..

Métricas clave: Respuesta de disparo de protección del motor bajo rotor bloqueado (tiempo de disparo del protector sensible a la temperatura ≤ 20 segundos por IEC 60335-2-40); temperatura del devanado bajo rotor bloqueado ≤ límite de clase; 30-resistencia del día: cero fallas, resistencia de aislamiento del devanado ≥ 50 MΩ después de la prueba.

Qué significa esto para la selección del banco de pruebas

Las pruebas de motores de compresores de bombas de calor abarcan dos entornos distintos: el banco de pruebas de motores eléctricos (para caracterización PMSM, mapeo de eficiencia, comportamiento inicial) y el banco de pruebas del circuito frigorífico (para medición de COP a nivel de sistema, comienzos de clima frío, y compatibilidad con refrigerantes). La validación completa requiere ambos.

Para pruebas de aceptación de motores únicamente en producción, El banco de pruebas utiliza simulación de carga mecánica en el eje del compresor para reproducir la curva par-velocidad del compresor de refrigerante en condiciones de relación de presión específicas.. Esto es más rápido que ejecutar una carga completa de refrigerante, pero requiere modelos mecánicos validados de la carga del compresor para configurarse correctamente..

Para sistemas R290, La normativa de seguridad exige instrumentación a prueba de explosiones y recintos de prueba ventilados.. Esto agrega costo y complejidad a la configuración de la prueba que debe planificarse en la etapa de diseño de la instalación., no agregado como una ocurrencia tardía.

Nuestro equipo de ingeniería ha diseñado sistemas de prueba de motores de compresores para fabricantes de bombas de calor residenciales y comerciales., incluyendo integración de cámara climática y celdas de prueba con clasificación R290. Contáctenos para discutir su tipo de refrigerante, rango de potencia, y régimen de pruebas.