Teste do motor do compressor da bomba de calor: Velocidade Variável, Compatibilidade com refrigerante, e eficiência sazonal

Por que os motores do compressor da bomba de calor precisam de testes especializados

Instalações de bombas de calor na Europa aprovadas 3 milhões de unidades por ano em 2025, impulsionado pela construção de mandatos de descarbonização. O motor do compressor – seja em um pergaminho, rotativo, ou compressor alternativo - é o componente que determina a eficiência do sistema, desempenho em clima frio, e vida útil. É também um dos motores mais difíceis de testar, porque opera dentro de uma atmosfera refrigerante hermeticamente selada, em velocidades variáveis ​​de 20 Hz para 120 hertz, e deve partir de forma confiável contra condições de alta contrapressão de refrigerante que paralisariam motores de indução convencionais.

O desafio da bancada de testes é agravado pelo fato de que o desempenho do motor do compressor não pode ser avaliado isoladamente do circuito refrigerante. Um motor que funciona perfeitamente no ar exibirá um comportamento de partida completamente diferente, desempenho térmico, e eficiência quando imerso em refrigerante R32 ou R290 à pressão operacional. Os testes devem abordar essa integração, não abstraí-lo.

Este guia cobre os itens de teste críticos para motores de compressores de bomba de calor de velocidade variável, focando em áreas onde os protocolos padrão de testes motores são inadequados.

O que distingue os testes de motores de compressores

• Montagem hermética: O motor não pode ser acessado sem destruir o compressor. As medições do enrolamento devem ser feitas externamente (caixa de terminais). O monitoramento da temperatura depende da temperatura do gás de descarga e da temperatura do terminal do motor, sensores não incorporados.
• Refrigerante como meio de isolamento: O isolamento do enrolamento do motor deve ser compatível com a mistura de refrigerante e lubrificante sob pressão. R32, R410A, e R290 (propano) têm diferentes requisitos de compatibilidade química.
• A carga depende do estado do refrigerante: O torque do compressor em qualquer velocidade depende da relação de pressão (pressão de condensação / pressão de evaporação), que muda com a temperatura ambiente e carga. Uma bancada de testes deve reproduzir as condições de pressão do refrigerante do envelope operacional alvo.
• Operação de velocidade variável: Os compressores modernos de bombas de calor funcionam com inversores de 20 Hz para 120 hertz. A otimização da eficiência em toda essa faixa — e não apenas na velocidade nominal — é o principal diferencial competitivo.

Itens principais de teste

1. Caracterização Elétrica de Motor Hermético

Com o motor selado dentro do compressor, o teste elétrico é limitado ao que pode ser medido nos terminais externos. A bancada de testes registra a resistência de fase, indutância, e resistência de isolamento (teste megô em 500 VDC e 1,000 CCV) na unidade de produção antes de carregar com refrigerante. Pós-carga, medições de enrolamento através do refrigerante detectam qualquer entrada ou degradação.

Métricas principais: Resistência de fase (Método Kelvin, Precisão de ±0,5 mΩ); indutância de fase (1 kHz, ±1% de precisão); resistência de isolamento ≥ 100 MΩ em 500 VDC antes da carga de refrigerante; mudança de resistência após exposição ao refrigerante ≤ 0.3%.

2. Torque inicial sob alta contrapressão

A condição de partida mais exigente para um compressor de bomba de calor é uma reinicialização a quente após uma breve interrupção de energia – o refrigerante ainda não foi reequalizado entre os lados de alta e baixa pressão, e o compressor deve partir contra um diferencial de pressão que pode ser de 50 a 70% da taxa de pressão de plena carga. Para um compressor scroll acionado por um PMSM, a corrente de partida e o torque devem superar esta carga de contrapressão dentro do envelope limite de corrente do VFD.

A bancada de testes simula isso controlando a condição de contrapressão (através de uma válvula de estrangulamento em uma bancada de teste de refrigerante ou através de simulação de carga mecânica em uma bancada somente motorizada) e medir o torque de partida em função da contrapressão inicial e do tempo de rampa de partida.

Métricas principais: Torque mínimo de partida em 100% diferencial de contrapressão nominal; tempo máximo de rampa de partida alcançando uma partida bem-sucedida; corrente de partida de pico (deve permanecer dentro do limite de disparo do VFD, tipicamente 200% corrente nominal); detecção de falha no início: análise de padrão back-EMF para identificação de estol.

3. Mapeamento de eficiência de velocidade variável (20–120Hz)

O mapa de eficiência de um motor de compressor em toda a sua faixa de velocidade determina as métricas de eficiência sazonal (SCOP para aquecimento ambiente, SEER para resfriamento) que regem as classificações da etiqueta energética da UE e a conformidade com os regulamentos de conceção ecológica. A bancada de testes varre a frequência operacional do mínimo (normalmente 20–25 Hz) ao máximo (normalmente 115–120 Hz) em cada ponto de carga, registrando energia elétrica de entrada e energia mecânica de saída.

Para compressores PMSM de velocidade variável, o mapa de eficiência deve capturar o desempenho do controle MTPA em cada ponto operacional de velocidade-carga, já que a otimização da unidade é a principal alavanca de eficiência. Um controlador MTPA mal ajustado num compressor de bomba de calor custa 3–8% de eficiência sazonal durante um ano climático europeu.

Métricas principais: Eficiência do motor no ponto nominal; motor + impulsionar a eficiência do sistema (combinado); valor de pico do mapa de eficiência e ponto operacional; eficiência na velocidade mínima (20 hertz) — muitas vezes o pior ponto operacional devido às altas perdas fundamentais de cobre em baixa velocidade.

4. Partida em clima frio e baixa temperatura (−25°C ambiente)

Bombas de calor para climas frios (segmento de mercado crescendo rapidamente nos países nórdicos, canadense, e mercados do norte da China) são especificados para operar em temperaturas ambientes externas de -25°C. Nessas temperaturas, a viscosidade do lubrificante aumenta por um fator de 5 a 10 em relação ao ponto operacional nominal, e a densidade do vapor refrigerante muda significativamente. O motor do compressor deve partir de forma confiável sob esse arrasto viscoso aumentado.

O teste é realizado em uma câmara climática que envolve a unidade externa. O sistema completo de bomba de calor (incluindo carga de refrigerante, carga de óleo, e controles) é estabilizado a -25°C antes do início do teste ser iniciado. O teste captura o perfil atual inicial, tempo para velocidade nominal, e se a proteção de limite de corrente do VFD interfere na partida.

Métricas principais: Início bem sucedido a -25°C, −20ºC, −15°C ambiente externo: 5 partidas consecutivas por temperatura; iniciando o perfil atual versus tempo; tempo desde o comando de partida até a velocidade nominal do compressor; aquecimento COP a −15°C (EM 14825 Ponto de classificação A-15).

5. Compatibilidade de refrigerante e longevidade do isolamento do enrolamento

O isolamento do motor do compressor deve sobreviver à imersão contínua na mistura de óleo refrigerante na temperatura e pressão de operação. O isolamento padrão do fio esmaltado usado em motores de estrutura aberta não é aceitável – poliesterimida ou poliamidaimida (PAI) o revestimento com laca resistente a refrigerante é necessário para sistemas HFC/HFO; R290 (propano) requer adicionalmente que todos os polímeros sejam resistentes a hidrocarbonetos.

O teste de compatibilidade de isolamento imerge amostras de enrolamento em mistura de óleo refrigerante em temperatura elevada (teste de envelhecimento acelerado, normalmente 150°C para 500 horas por UL 984 / CEI 62539 equivalente). Resistência de isolamento pós-exposição, rigidez dielétrica, e flexibilidade mecânica confirmam a compatibilidade.

Métricas principais: Resistência de isolamento após envelhecimento ≥ 100 MΩ (valor inicial); retenção de rigidez dielétrica ≥ 90% do valor inicial após 500 horas a 150°C em mistura de óleo refrigerante; flexibilidade de revestimento de fio: sem rachaduras após dobramento de 2× diâmetro pós-envelhecimento.

6. CEI 60335-2-40 Teste de conformidade

As bombas de calor se enquadram na IEC 60335-2-40 (aparelhos eléctricos domésticos e similares — bombas de calor, condicionadores de ar, desumidificadores). Os testes de conformidade incluem: avaliação de proteção motora (teste de rotor bloqueado, sobretemperatura do motor), testes de operação anormais (fluxo de ar bloqueado, vazamento de refrigerante), e o teste de resistência de confiabilidade de 30 dias em carga máxima.

Para refrigerante propano R290, Os requisitos ATEX/IECEx se aplicam à eletrônica do inversor — a bancada de testes do motor deve incluir uma avaliação do risco de ignição de faíscas geradas pelo inversor e pontos quentes do enrolamento em uma atmosfera refrigerante inflamável.

Métricas principais: Resposta de desarme da proteção do motor sob rotor bloqueado (tempo de atuação do protetor sensível à temperatura ≤ 20 segundos por IEC 60335-2-40); temperatura do enrolamento sob rotor bloqueado ≤ limite de classe; 30-resistência do dia: zero falhas, resistência de isolamento do enrolamento ≥ 50 MΩ após teste.

O que isso significa para a seleção da bancada de testes

Os testes do motor do compressor da bomba de calor abrangem dois ambientes distintos: a bancada de testes de motores elétricos (para caracterização PMSM, mapeamento de eficiência, comportamento inicial) e o equipamento de teste do circuito refrigerante (para medição de COP em nível de sistema, clima frio começa, e compatibilidade de refrigerante). A validação completa requer ambos.

Para testes de aceitação somente de motores em produção, a bancada de testes utiliza simulação de carga mecânica no eixo do compressor para reproduzir a curva torque-velocidade do compressor de refrigerante em condições específicas de relação de pressão. Isto é mais rápido do que executar uma carga completa de refrigerante, mas requer modelos mecânicos validados da carga do compressor para configurar corretamente.

Para sistemas R290, instrumentação à prova de explosão e gabinetes de teste ventilados são exigidos pela regulamentação de segurança. Isso adiciona custo e complexidade à configuração do teste que deve ser planejada na fase de projeto da instalação, não adicionado como uma reflexão tardia.

Nossa equipe de engenharia projetou sistemas de teste de motores de compressores para fabricantes de bombas de calor residenciais e comerciais, incluindo integração de câmara climática e células de teste com classificação R290. Contate-nos para discutir seu tipo de refrigerante, faixa de potência, e regime de testes.