Os valores obtidos na Tabela4.4em traços gerais encontram-se de acordo com os valores pre- viamente expostos no final da secção3.1.1pela Figura3.5.
Inicialmente, procurou-se calcular a THD das 13 medidas e depois fazer a média destas. Constatou-se que a fiabilidade do cálculo seria comprometida suspeitando se é devido ao ana- lisador de potência apresentar um tempo finito de cálculo e de armazenamento, de que resultam valores supostamente descritivos do mesmo instante mas calculados em instantes diferentes. Essa fiabilidade era comprometida especialmente na análise das THD’s para frequências elevadas, e até da rede, porque os valores das grandezas (valores eficazes da onda comutada e da fundamental) eram muito próximos e qualquer variação do seu valor para diferentes instantes de tempo resultaria numa THD diferente do esperado, sendo por vezes uma raiz quadrada de um valor negativo (valor eficaz da fundamental ser superior ao da onda comutada). Decidiu-se, portanto, calcular a média dos valores das grandezas da última hora e de seguida calcular a THD com base nos valores efica- zes médios da onda comutada e da fundamental desta. Resultou numa prática bem mais aceitável face à tentativa anteriormente descrita.
Respeitante à taxa de distorção harmónica da tensão é possível confirmar a sua não dependên- cia da frequência de comutação e da opção construtiva dos rotores. O seu valor de THD para com alimentação sinusoidal é um valor típico para o laboratório onde foram executados os ensaios, defendeu a empresa. Tal como a tensão, a THD da corrente encontra-se em valores aceitáveis para a rede. Quando é introduzido o conversor, a THD da corrente apresenta sempre valores crescentes para índices de modulação baixos e frequências de comutação baixas. Entre as duas versões de rotores, como esperado, é possível verificar que o efeito da inclinação de barras sobre as harmóni- cas espaciais é de atenuação e traduz-se num valor de THD sempre mais baixo que o medido para a versão com rotor de barras direitas. A análise é, portanto, coerente com a revisão bibliográfica.
4.3
Ensaio de Ruído
Quando o motor é alimentado pela rede, o ruído produzido vem somente do motor tendo a empresa encontrado meios de modo a manter a mesma análise para os ensaios do motor alimen- tado pelo conversor. É sabido que o conversor tem um ruído natural proveniente das comutações eletrónicas executadas à frequência de comutação. Por isto, o ensaio de ruído foi realizado numa câmara acústica semi-anecóica que apresentou um ruído de fundo de 24,9 dB(A). Na câmara acús- tica só se encontravam os dois motores, uma caixa acústica de madeira e os sensores necessários, os conversores situavam-se longe dos motores e fora da câmara acústica. A Figura4.13simula simplificadamente a montagem realizada.
Com respeito aos procedimentos descritos na norma IEC 60034-9:2007 mediu-se a pressão sonora, em dB(A), em três pontos diferentes. É possível calcular a potência sonora da fonte (motor) através dos valores da pressão sonora captados pelo sensor porque para ambientes isolados existe linearidade entre pressão e intensidade sonoras. Depois de encontrado o valor da intensidade sonora é possível, através da análise da área formada pelos pontos medidos, chegar aos valores
52 Ensaios laboratoriais e resultados
Figura 4.13: Esquema simplificado do ensaio de ruído realizado dentro de uma câmara acústica [Fonte: Autor]
de potência sonora da fonte. Isto porque a norma define valores de potência e não de pressão. Contudo, como os ensaios foram realizados nas mesmas condições e baseados nas normas, é possível comparar níveis de pressões sonoras, que vão de acordo com a instrumentação facultada pela empresa.
A posição 1 encontra-se no lado da caixa de ligações do motor, a posição 2 condiz com o lado do defletor da ventilação e a posição 3 traduz a posição contrária ao lado da caixa de ligações. As três posições encontram-se à distância de 1 metro do motor de teste (m1) segundo o plano do chão
da câmara e encontram-se à altura de metade da altura do centro do eixo do motor somada de meio metro, ou seja, hsensor=Altura do centro do eixo do motor2 + 1m.
Depois de se medir o ruído de fundo procedeu-se à medição do ruído provocado pelas partes mecânicas do motor. Para isto, ligou-se o motor que serve de carga à velocidade nominal do motor de teste (m1) (1740rpm) e mediu-se o ruído sentido pelo sensor. A esta medição nomeou-se
o estado ’OFF’ do motor de teste (m1). Este valor será portanto independente da frequência de
comutação e do índice de modulação do conversor e representará o ruído mecânico. Procurou-se ainda medir o ruído provocado pelo motor de teste (m1) em vazio. Estes valores não têm muito
significado para o regime em que se pretendia analisar o motor, que é o regime nominal. O ruído eletromagnético verificou-se ser maior quando se coloca o motor em carga (m2) do que quando este
se encontra em vazio. Colocar o motor de teste (m1) em carga denominou-se de estado ’ON’ que
segue os seguintes passos: Certificar que o sentido de rotação de ambos os motores é o mesmo; Introduz-se no conversor a frequência de comutação desejável; liga-se o motor de carga (m2)
com uma relação Corrente/Binário aproximadamente igual a 10% de modo a não exercer carga ao motor de teste (m1); Liga-se o motor de teste (m1), encontrando-se este num nível de carga
4.3 Ensaio de Ruído 53
próximo do vazio; De seguida ajusta-se a carga imposta pelo motor de carga até que a corrente fundamental atinja o mesmo valor da corrente obtida para o ensaio com alimentação a partir da rede, não esquecendo de regular a tensão do motor (tensão de alimentação do conversor) conforme esta diminui com o aumento da corrente.
Figura 4.14: Montagem realizada no ensaio de ruído [Fonte: Autor]
No ensaio de ruído do motor foram utilizadas 4 frequências de comutação, 2 índices de mo- dulação (0,46 e 0,95) e dois rotores. A Tabela4.5retrata o ensaio que foi feito na globalidade. Os valores são convertidos de dB para dB(A) por meio de um software que disponibiliza também o espetro de frequências do ruído.
Tabela 4.5: Ruído produzido pelo motor de teste, em carga, subtraído logaritmicamente do ruído mecânico para diferentes rotores, diferentes frequências de comutação e índices de modulação [Fonte: Autor]
Os valores apresentados na Tabela4.5distam em muito do valor obtido para o ruído de fundo da câmara. Esta diferença valida o ensaio no que diz respeito à afetação diminuta do ruído de fundo nos valores obtidos para o ensaio. Para cada posição subtraíram-se logaritmicamente os valores
54 Ensaios laboratoriais e resultados
’OFF’ aos valores ’ON’ e obtiveram-se valores representativos do ruído eletromagnético produ- zido pela máquina para três posições, aos quais pode ser feita uma média logarítmica obtendo-se um valor genérico do ruído produzido pela máquina. Será este o valor utilizado no estudo do desempenho do motor alimentado por conversor.
Seguindo os mesmo procedimentos e mantendo as condições de medição, ambos os rotores foram analisados em termos de ruído para a alimentação sinusoidal. Os valores resultantes foram de 53,89 dB(A) e 61,44 dB(A) para o motor com o rotor 1 e o rotor 2, respectivamente.
Segundo os valores obtidos no ensaio com alimentação através do conversor, é visível que, tanto para o motor com o rotor 1 como para o mesmo motor com o rotor 2, os níveis de ruído aumentaram consideravelmente face ao ensaio da rede. Este aumento é, naturalmente, mais drás- tico no segundo caso (motor com rotor 2). Apenas uma análise de espetros poderá esclarecer essa tendência. Esperava-se, segundo a literatura bibliográfica, que o ruído aumentasse com o decair da frequência de comutação e do índice de modulação. No que diz respeito ao índice de modulação existe coerência entre os resultados e a revisão literária. Relativamente à frequência de comutação não se encontra a mesma coerência tão intuitivamente. O ruído apresenta um pico para valores entre 2,5 kHz e 5 kHz, dependendo se o índice de modulação é baixo ou próximo da unidade, res- pectivamente. O que é bem visível, e vai de encontro à revisão literária, é que o ruído para 10 kHz é inferior ao ruído das restantes frequências de comutação, para todos os índices de modulação e rotores. O ruído provocado é afetado pelo índice de modulação mas este efeito é mitigado para frequências de comutação elevadas como 10 kHz. Ainda que numa escala logarítmica o aumento de 3 dB signifique dobrar o valor do ruído, pode-se dizer que para frequências de comutação de 10 kHz não existem grandes diferenças entre os pontos de diferentes índices de modulação e rotores. Todas estas situações podem ser observadas na Figura4.15, obtida via experimental no regime nominal do motor.
Figura 4.15: Evolução do ruído médio produzido pela máquina com a frequência de comutação para diferentes rotores e índices de modulação [Fonte: Autor]
4.3 Ensaio de Ruído 55
Contudo, é difícil arranjar uma explicação para a evolução do ruído nos 2,5 kHz para índices de modulação baixos e nos 5 kHz para índices de modulação elevados. Inicialmente suspeitou-se que seria da conversão de escala dB para dB(A), visto o ser humano apresentar níveis de audibilidade de 2,5 kHz até 5 kHz suficientemente bons e daí, após a conversão, essa banda de frequências não sofrer grande atenuação em contraste com a atenuação que os valores abaixo de 2 kHz e acima de 5 kHz sofrem. Após análise dos valores obtidos em dB concluiu-se que o efeito era o mesmo e que não diz respeito à conversão de unidades.
Uma hipótese ainda pouco sólida por parte do autor seria a existência de frequências naturais ou de frequências de ressonância inerentes à máquina, próximas da frequência de alimentação para aqueles pontos incoerentes que acabam por sincronizar o seu ruído com o ruído da frequência de comutação imposta na excitação da máquina, provocam assim ressoâncias.
Após apresentadas todas as expectativas do comportamento do ruído do motor quanto aos parâ- metros de controlo do conversor, é necessário verificar nos espetros de ruído o que realmente pode estar a acontecer. A análise feita até agora é quantitativa e muito teórica sendo que é necessária alguma flexibilidade na crítica e para isso serão apresentados os espetros capturados relativamente aos ensaios de ruído. Estes espetros serão apresentados com a finalidade de comparar diferenças entre rotores, entre índices de modulação, entre frequência de comutação e, não menos importante, todos estes aspectos com o espetro de ruído perante uma alimentação direta a partir da rede.
Começando pela comparação com a rede, a Figura 4.16possibilita tirar conclusões quanto à diferença entre os valores de ruído totais.
Figura 4.16: Comparação entre os espetros de ruído da alimentação sinusoidal e alimentação com conversor [Fonte: Autor]
Procurou-se comparar ambos os espetros na sua forma mais parecida quanto a harmónicos, obrigando a um índice de modulação tão unitário quanto possível. A partir da figura entende-se que existem harmónicos de baixa ordem (120-1060 Hz) que dizem puramente respeito às carac- terísticas construtivas da máquina e nada têm que ver com a excitação PWM, que são os chama- dos harmónicos de ruído das frequências naturais da máquina com a mesma alimentada, neste
56 Ensaios laboratoriais e resultados
caso, a 60 Hz. Contudo, quando se analisam os harmónicos da ordem da frequência de comu- tação, registam-se elevados níveis de pressão sonora provocados pelos efeitos eletromagnéticos introduzidos pelo conversor. Inegavelmente afirma-se que o ruído produzido pelo motor quando alimentado por conversor é consideravelmente superior ao ruído do motor quando alimentado pela rede.
Um aspecto a considerar diz respeito ao espetro da própria rede. Este apresenta, assim como o espetro de ruído PWM, valores consideráveis desde os 1000 Hz até aos 4000 Hz, isto desvenda subtilmente e evidentemente por onde procurar as frequências naturais da máquina. Considera-se como hipótese que estas frequências naturais da máquina interfiram com determinados valores de frequência de comutação, sendo esta interferência caracterizada pela acentuação de certas ordens de harmónicos.
Após constatar-se que existem frequências naturais da máquina que atuam como uma resso- nância no comportamento global, é interessante comparar os espetros entre os diferentes parâme- tros de controlo e aspectos construtivos. A Figura4.17baseia-se na comparação do ruído entre as duas versões rotóricas ensaiadas mantendo os parâmetros de controlo do conversor estáveis.
Figura 4.17: Comparação entre os espetros de ruído das duas versões rotóricas (v1 e v2) para índice de modulação e frequência de comutação fixos [Fonte: Autor]
Visto ambos os parâmetros de controlo do conversor permanecerem os mesmos para os dois es- petros é visível que o comportamento das duas versões de rotores em termos de ruído é semelhante para a gama de frequências exposta. Em quase toda a gama de frequências de ruído analisadas, a versão rotórica v2 tem uma magnitude de picos mais elevada excetuando os pontos próximos da frequência de comutação. Isto leva a crer que, apesar da versão rotórica v1 atenuar as frequências de ruído provenientes do acoplamento eletromagnético estator-rotor (faixa de frequências abaixo de 1,25 kHz), a versão rotórica v2 não acentua as frequências introduzidas pela excitação. Isto é, em parte, coerente com os resultados obtidos numericamente, em que o motor com a versão rotórica v2 demonstrava ser mais ruidoso e que para índices de modulação elevados a frequência de comutação que produz mais ruído de ambos os rotores é igual a 5 kHz. Incontornavelmente, o acoplamento magnético entre o rotor de barras inclinadas e o estator é de melhor qualidade uma
4.3 Ensaio de Ruído 57
vez que os harmónicos da ordem dos 2,5-3,5 kHz, que são resultado das interações entre ranhuras e enrolamentos estatóricos e rotóricos, apresentam uma atenuação considerável face ao acopla- mento entre o rotor de barras direitas e o estator. Conclui-se portanto que quer uma versão de rotor quer outra necessita de um estudo prévio e bem detalhado de modo a poder satisfazer condi- ções de ruído de acordo com as exigidas na normalização aplicável ou pela aplicação concreta em estudo.
Figura 4.18: Comparação entre os espetros de ruído das diferentes frequências de comutação para um índice de modulação e para o rotor de barras inclinadas [Fonte: Autor]
A Figura 4.18não acrescenta muito ao que já foi apresentado. Encontra-se coerente com os espetros eletromagnéticos e segue também a tendência das frequências naturais. Além de se poder afirmar que os três espetros apresentam amplitudes de ruído aproximadamente semelhantes, pode- se também propôr uma hipótese quanto aos resultados numéricos obtidos do ensaio. A frequência de comutação de 2,5 kHz revelou ser a operação do motor mais ruidosa nomeadamente para o índice de modulação unitário. Torna-se cada vez mais tentado dizer que as frequências naturais do motor em questão, hipoteticamente, casam com a frequência de comutação acentuando o seu valor de ruído.
Seguindo a Figura4.19revela-se o efeito do índice de modulação no espetro de ruído. Apesar de ser um motor de tamanho e potência pequenos, o ruído eletromagnético faz-se sentir com carga nominal. Isto pode ser analisado recorrendo às Figuras3.6e3.7 que traduzem essencialmente o aumento das componentes harmónicas, respeitantes ao espetro da tensão, quando reduzido o ín- dice de modulação. Essa influência do índice de modulação também é notável no espetro de ruído. Na faixa dos 2,5 kHz o ruído aumentou significativamente com a redução do índice de modulação sem esquecer que o ruído na faixa da frequência de comutação (1,25 kHz) baixou. Isto é con- sequência direta do ruído produzido pelas componentes eletromagnéticas do motor, obviamente, para índices de modulação baixos. A operação do motor com índices de modulação baixos leva
58 Ensaios laboratoriais e resultados
Figura 4.19: Comparação entre os espetros de ruído de dois índices de modulação diferentes para o rotor de barras direitas e para a frequência de comutação de 1,25 kHz [Fonte: Autor]
naturalmente a um ruído elevado inerente aos efeitos eletromagnéticos. Pode-se ver pela figura que para frequências de ruído acima de 2 vezes a frequência de comutação os níveis de ruído não só são superiores aos valores de ruído para um índice de modulação próximo do unidade como também são elevados.
Os ensaios de ruído apresentaram diferenças não descartáveis entre a alimentação com con- versor PWM e alimentação direta a partir da rede. Contudo, dentro dos diferentes parâmetros de controlo suscitaram imensas dúvidas face à literatura bibliográfica uma vez que era esperado um ruído mais pronunciado para frequências de comutação mais baixas. O que se verificou nes- tes resultados foi que, para índices de modulação elevados, na faixa dos 2-2,5 kHz o ruído foi bem superior ao das restantes frequências de comutação. Procurou-se colocar todos os valores e espetros em valores dB suspeitando-se que a conversão para o ouvido humano pudesse atenuar significativamente as frequências fora desta faixa mas a conversão em nada afetou os resultados e a magnitude do ruído das frequências pertencentes a esta faixa prevaleciam. Sabe-se que os resultados provenientes dos ensaios não foram afetados por ruídos exteriores mas desconfia-se, novamente, que alguns aspetos dos mesmos possam ter sido acentuados por algumas frequências naturais provenientes dos aspectos construtivos da máquina quando esta é excitada por determina- das frequências de comutação.