Trabalho realizado na ADIRA S.A., orient. pelo Engenheiro Rui César / Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Nos últimos 20 anos, o inversor de frequência PWM passou a ser largamente utilizado. Dentre as razões principais de sua ampla difusão, cita-se a introdução do IGBT que, devido à sua capacidade de comutação rápida, possibilitou a redução de perdas, tamanho e custo dos conversores, ao mesmo tempo em que permitiu o uso do motor de indução em aplicações que demandam alto desempenho dinâmico. Porém, esta mesma característica que trouxe tais benefícios, contribuiu para acentuar os efeitos relacionados a fenômenos eletromagnéticos, devido à rápida transição que produz sinais em alta frequência, responsáveis por tornar os sistemas de acionamentos potenciais fontes de interferência eletromagnética. Os principais fenômenos desta natureza são a tensão de onda refletida, associada a ruídos de modo diferencial, e a corrente de modo comum. De maneira geral, a corrente de modo comum tem maior potencial de contribuição para a emissão radiada que a de modo diferencial e, em sistemas de acionamento, constitui a principal fonte de interferência eletromagnética. Esta não é resultado apenas da rápida comutação dos IGBTs, mas, também, da configuração do sistema, que propicia o surgimento das tensões de modo comum. Este trabalho visa estudar alternativas que minimizem, naturalmente, estas tensões através de sua configuração, reduzindo-se a necessidade de novos componentes, como filtros passivos ou circuitos ativos. Ressalta-se, assim, que o primeiro passo consistiu-se na compreensão do problema de geração da tensão de modo comum. Visando atingir os propósitos anteriormente mencionados, foi idealizado um inversor, composto de duas pontes chaveando em oposição, chamado de duplo-trifásico. A partir de simulações, avaliou-se seu potencial e definiu-se sua implementação, a partir de dois inversores idênticos. Testou-se o protótipo contra um terceiro módulo de mesmo tipo, em iguais condições. A comparação dos resultados indicou que a configuração proposta pode ser eficiente no controle do ruído de modo comum, obtendo-se valores de redução de 86%. Nota-se que o comportamento observado via o protótipo, permite um melhor entendimento dos fenômenos relativos à circulação da corrente de modo comum. Desta forma, à luz da pesquisa realizada, nota-se que, conceitualmente, a solução proposta se destaca das demais apresentadas na literatura pela sua exequibilidade e simplicidade. / Over the last 20 years, the PWM frequency inverter has become widely used. Among the main reasons for its widespread distribution is the introduction of the IGBT, due to its ability for fast switching allowing the reduction of losses, size and cost of the converters, and the use of the induction motor in applications that demand high dynamic performance. However, this same characteristic that brought such benefits, stressed the effects related to electromagnetic phenomena, due to the fast transition that produces high frequency signals, responsible for turning drive systems, potential sources of electromagnetic interference. The main phenomena of this nature are the reflected wave overvoltage, associated with differential mode noise, and the common mode current. In general, the common mode current has greater potential of contribution to the emission of radiated interference than the differential mode current and is the main source of electromagnetic interference in drive systems. The common mode current is not just the result of the fast transitions of IGBTs, but also of the system configuration, which produces common mode voltages. This work aims to study alternatives that minimize, naturally, those voltages through its configuration, reducing the need for additional components, such as passive filters or active circuits. It is pointed, that the first step consisted in the understanding of the problem of the common mode voltage generation. In order to address this objective, an inverter composed of two bridges, switching in opposition, called double-three-phase was designed. Its potential for noise mitigation, as well, its implementation, with two identical inverters was evaluated by simulations. The prototype was tested against a third module of the same type, under the same conditions. The comparison of the results indicated that the proposed configuration can be efficient in the common mode noise control, with 86% reduction. The behavior observed through the prototype allows a better understanding of the phenomena involving common mode current. Thus, in the light of the research, we note that, conceptually, the proposed solution stands out for its practicality and simplicity, from the others presented in the literature.

[pt] A presente dissertação trata do projeto, construção e ensaio preliminar de um novo modelo do compressor Kopelrot. É uma máquina de deslocamento positivo baseada em seis patentes depositadas desde 1998. Esta tecnologia está em desenvolvimento há aproximadamente 8 anos, tendo gerado artigos e dissertações, assim como a construção de dois protótipos. É apresentada, inicialmente, uma revisão dos trabalhos publicados sobre a tecnologia Kopelrot. Foram construídos junto ao novo modelo de compressor Kopelrot um novo sistema de acionamento e uma base para a fixação de ambos a um motor elétrico. Durante a elaboração dos desenhos foram realizadas simulações preliminares da geometria para definir a fabricação de algumas peças importantes. A base permite regular a excentricidade entre os eixos de centro do compressor e do sistema de acionamento e, dessa forma, variar a vazão volumétrica do compressor. Simulou-se a variação de volume no interior da câmara com o conjunto compressor Kopelrot/Sistema de acionamento, ajustado para 5 excentricidades diferentes, a fim de mapear o comportamento do Kopelrot quando sua capacidade é variada, deslocando-se os eixos de centro do compressor e do sistema de acionamento. Para as excentricidades escolhidas, foram calculadas, a partir de modelo termodinâmico simplificado, as variações de pressão, temperatura e massa no interior da câmara do compressor. Valores globais de potência consumida e eficiência volumétrica também foram calculados. Durante o funcionamento do protótipo identificaram-se alguns problemas tipicamente encontrados em tecnologias inovadoras. Devido a esses problemas, não foi possível a realização dos testes do compressor operando em condições normais de pressão. / [en] The present dissertation addresses the design, construction, simulation and preliminary tests of an innovative positive displacement rotary compressor. A review is presented on the previous works, papers and dissertations, based on this new this new Kopelrot technology. A new prototype, employing a new driving system, was manufactured. The main feature of the machine is that, by adjusting the eccentricity between compressor cylinder and driving mechanisms axis, a variable capacity device is obtained. Design, manufacturing and assembly of components and subsystems of the compressor are presented in detail. Design data of the compressor allowed for a simple thermodynamic simulation model to be developed. Main conclusions of the simulation are that a full positive displacement compression cycle can be attained with the Kopelrot technology and that use of discharge and suction valves is required in order to have the compressor operating under different conditions.

Nos últimos 20 anos, o inversor de frequência PWM passou a ser largamente utilizado. Dentre as razões principais de sua ampla difusão, cita-se a introdução do IGBT que, devido à sua capacidade de comutação rápida, possibilitou a redução de perdas, tamanho e custo dos conversores, ao mesmo tempo em que permitiu o uso do motor de indução em aplicações que demandam alto desempenho dinâmico. Porém, esta mesma característica que trouxe tais benefícios, contribuiu para acentuar os efeitos relacionados a fenômenos eletromagnéticos, devido à rápida transição que produz sinais em alta frequência, responsáveis por tornar os sistemas de acionamentos potenciais fontes de interferência eletromagnética. Os principais fenômenos desta natureza são a tensão de onda refletida, associada a ruídos de modo diferencial, e a corrente de modo comum. De maneira geral, a corrente de modo comum tem maior potencial de contribuição para a emissão radiada que a de modo diferencial e, em sistemas de acionamento, constitui a principal fonte de interferência eletromagnética. Esta não é resultado apenas da rápida comutação dos IGBTs, mas, também, da configuração do sistema, que propicia o surgimento das tensões de modo comum. Este trabalho visa estudar alternativas que minimizem, naturalmente, estas tensões através de sua configuração, reduzindo-se a necessidade de novos componentes, como filtros passivos ou circuitos ativos. Ressalta-se, assim, que o primeiro passo consistiu-se na compreensão do problema de geração da tensão de modo comum. Visando atingir os propósitos anteriormente mencionados, foi idealizado um inversor, composto de duas pontes chaveando em oposição, chamado de duplo-trifásico. A partir de simulações, avaliou-se seu potencial e definiu-se sua implementação, a partir de dois inversores idênticos. Testou-se o protótipo contra um terceiro módulo de mesmo tipo, em iguais condições. A comparação dos resultados indicou que a configuração proposta pode ser eficiente no controle do ruído de modo comum, obtendo-se valores de redução de 86%. Nota-se que o comportamento observado via o protótipo, permite um melhor entendimento dos fenômenos relativos à circulação da corrente de modo comum. Desta forma, à luz da pesquisa realizada, nota-se que, conceitualmente, a solução proposta se destaca das demais apresentadas na literatura pela sua exequibilidade e simplicidade. / Over the last 20 years, the PWM frequency inverter has become widely used. Among the main reasons for its widespread distribution is the introduction of the IGBT, due to its ability for fast switching allowing the reduction of losses, size and cost of the converters, and the use of the induction motor in applications that demand high dynamic performance. However, this same characteristic that brought such benefits, stressed the effects related to electromagnetic phenomena, due to the fast transition that produces high frequency signals, responsible for turning drive systems, potential sources of electromagnetic interference. The main phenomena of this nature are the reflected wave overvoltage, associated with differential mode noise, and the common mode current. In general, the common mode current has greater potential of contribution to the emission of radiated interference than the differential mode current and is the main source of electromagnetic interference in drive systems. The common mode current is not just the result of the fast transitions of IGBTs, but also of the system configuration, which produces common mode voltages. This work aims to study alternatives that minimize, naturally, those voltages through its configuration, reducing the need for additional components, such as passive filters or active circuits. It is pointed, that the first step consisted in the understanding of the problem of the common mode voltage generation. In order to address this objective, an inverter composed of two bridges, switching in opposition, called double-three-phase was designed. Its potential for noise mitigation, as well, its implementation, with two identical inverters was evaluated by simulations. The prototype was tested against a third module of the same type, under the same conditions. The comparison of the results indicated that the proposed configuration can be efficient in the common mode noise control, with 86% reduction. The behavior observed through the prototype allows a better understanding of the phenomena involving common mode current. Thus, in the light of the research, we note that, conceptually, the proposed solution stands out for its practicality and simplicity, from the others presented in the literature.