Speed compressor measure method

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Abstract— This work presents a study about two different 
methods to measure the speed compressor that work with a 
variation speed control. The first one is using a current probe, it 
being the most invasive method than the other one because need to 
be open the frequency control box. The second method is using the 
accelerometer to get the frequency and then calculate the speed. Will 
also be shown two signal treatments to noise eliminate, which are: 
Average of signal, and Fast Fourier Transform (FFT). This 
comparative will be used to indicate which is the better measure 
methodology to this application. 
 
 
Palavra chave— inversores, controle de velocidade, FFT, 
compressores. 
 
I. INTRODUÇÃO 
Tão importante quanto produzir alimentos é conservá-los, na 
prática esse processo é observado ao deixar alimentos naturais 
orgânicos fora de um ambiente refrigerado por algum tempo, 
após um certo período nota-se a decomposição desse material, 
e com isso a inutilização para consumo. No entanto, quando tem 
o armazenamento em temperaturas mais frias esse tempo até a 
decomposição ampliado e o processo de conservação é 
observado. Um dos primeiros sistemas de refrigeração foi 
desenvolvido por Jacob Perkins em 1834, no entanto o principal 
responsável por usar refrigeração utilizando compressão 
mecânica foi James Harrisson [1]. Com o advento da 
tecnologia, novas formas deste conceito foram adotadas, e é 
este princípio que permeou a criação dos sistemas domésticos 
de refrigeração ou mais conhecidas como geladeiras. Um dos 
maiores fabricantes mundiais de compressores para 
refrigeração doméstica era a Embraco vendida em 2018 para a 
Nidec que é uma das maiores fabricantes de motores de precisão 
do mundo [2] que a partir da venda passou a se chamar Embraco 
Nidec, tendo em seu catálogo vários modelos de compressores. 
O objeto de estudo deste trabalho adota o modelo com 
velocidade variável devido a possibilidade de controle da 
velocidade e com isso obter maior controle dos parâmetros a 
serem medidos. A empresa apresenta estes compressores da 
seguinte forma: Os compressores de velocidade variável da 
Embraco são ideais para aplicações comerciais que exigem 
ampla faixa de voltagem, resfriamento rápido, controle da 
faixa de temperatura, menor consumo de energia, baixos níveis 
de ruído e vibração. Eles permitem que a solução opere em 
diferentes velocidades, se ajustando conforme a demanda [3]. 
Os inversores por sua vez tendem a apresentar maior ruido 
devido ao chaveamento dos IGBT (Insulated Gate Bipolar 
Transistor). Fornecendo para o motor uma onda que não é 
perfeitamente senoidal derivados dos componentes harmônicos 
de tensão e corrente [4], podendo causar distorções em sistemas 
de medições susceptíveis a ruídos. Neste trabalho são 
apresentadas algumas técnicas para a diminuição dos efeitos 
destes ruídos na utilização dos dados adquiridos por um sistema 
de medição. Compressores herméticos como esses fabricados 
pela Nidec apresentam algumas características distintas de 
outros motores, alguns devido seus aspectos construtivos como 
por exemplo carcaça selada, desta forma, não sendo trivial a 
medição de velocidade do motor. Para isso é necessário analisar 
o aspecto construtivo e suas características. 
 
II. CONFIGURAÇÃO DO TESTE 
 
O ponto inicial do estudo foi baseado em dois setups distintos. 
Sendo o primeiro utilizando uma ponteira de corrente acoplada 
ao osciloscópio posicionada entre o inversor e compressor, de 
forma que um dos cabos que alimenta o compressor trifásico 
passe por dentro da ponteira e com isso a medição de corrente 
ocorra (Figura 1 tracejado em vermelho). O segundo Setup 
pode ser visto através da mesma Figura 1, neste caso tracejado 
em azul, construído para mostrar de forma mais visual as etapas 
do processo. O Gerador de funções é responsável pelo sinal de 
controle do inversor de frequência que está acoplado ao 
compressor, o transdutor escolhido foi um acelerômetro que 
será responsável por transformar a vibração mecânica do 
compressor em um sinal elétrico que posteriormente será 
utilizado para cálculo da velocidade dada em rotação por 
minuto (RPM). O Transdutor é conectado a uma caixa 
amplificadora para que o sinal tenha sua amplitude alterada de 
forma a possibilitar a leitura dos dados do transdutor, estes 
dados são visualizados através de um osciloscópio, e nele serão 
aplicados alguns modelos de filtros digitais. 
 
 
Figura 1 - Diagrama em blocos do sistema. 
Medição de rotação em compressores que utilizam 
controle de velocidade variável (July 2022) 
V. Martins, Bonfim Marlio 
 
 
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III. MÉTODOS DE FILTRAGEM 
 
 Em processamento digitais de sinais é comum a utilização 
uma conversão onde é amostrado um sinal analógico e 
convertido em sinal digital binário, conhecidos como 
conversores A/D. Este processo de conversão passa por 
algumas etapas como, filtros analógicos, amostra e retenção do 
sinal, quantização do sinal, transmissão e armazenamento. O 
processo de amostragem deve seguir o teorema da amostragem 
também conhecido como critério de Nyquist (Equação 1). Ao 
seguir este teorema os efeitos de sub amostragem ou 
“aliasing”, ou seja, a quantidade de amostra do sinal não é 
suficiente para reproduzir o sinal original, esse processo é 
exemplificado na Figura 2. Este efeito também pode ser 
causado pela resolução do conversor, quando em menor 
quantidade que pode ser convertida, neste caso limitado pelo 
hardware que geralmente são encontrados de 8 a 10 bits. Sendo 
assim, A quantização do sinal analógico é subdividida em 2n 
níveis discretizados e seu resultado codificado em valores 
binários. O número n é definido como a resolução do conversor 
[5]. 
 
𝑓 ≥ 2𝑓 (1) 
 
Onde: 
 
 𝑓 = 𝐹𝑟𝑒𝑞𝑢ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑚𝑜𝑠𝑡𝑟𝑎𝑔𝑒𝑚 
𝑓 = 𝐹𝑟𝑒𝑞𝑢ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 
 
 
 
Figura 2 Resultado do sinal utilizando fsdo compressor. 
 
IV. APLICAÇÃO DA METODOLOGIA 
 Um compressor para refrigeração tem como característica ser 
hermeticamente fechado de forma que não haja escape de gases 
pelo seu corpo, permitindo realizar compressão e expansão 
desses gases. Sua construção não permite aberturas para 
medição da rotação de maneira a verificar se a velocidade 
solicitada através do inversor que comanda a variação de 
velocidade está conforme solicitada. Baseado nessas 
informações nota-se que não é trivial esta medida exigindo 
outras técnicas para realizar as medições de rotação. Uma delas 
é realizando a medição da corrente utilizada pelo compressor 
medindo a componente de frequência com isso utilizando 
equação para transformação de frequência para Rotação Por 
Minuto (RPM) e assim obter a velocidade do motor. Na Figura 
4 a seguir, é possível verificar na prática este modelo de 
medição. 
Onde: 
1- Ponteira de corrente para osciloscópio. 
2- Inversor de frequência. 
 
 
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3- Compressor. 
4- Osciloscópio. 
5- Gerador de função. 
6- Acelerômetro 
 
 
 
Figura 4 - Setup de teste 
A partir do aparato utilizado como setup foi possível realizar as 
medições simultâneas dos sinais e a partir deles comparar as 
metodologias de medição e tratamento dos sinais. Para isso, 
partindo do datasheet do fornecedor onde é informado 
parâmetros do sinal de controle e a relação com a saída 
desejada. (Tabela 1). Para análise foi adotada a frequência de 
entrada em 120 Hz com duty cycle de 50% e amplitude de 5 
Vcc, seguindo a tabela a velocidade esperada seria de 5040 
RPM. 
 
Tabela 1 - Frequência de entrada vs Velocidade no compressor 
Sinal de controle 
(Hz) 
Velocidade no compressor 
(RPM) 
0 - 40 0 
40 – 42,8 1800 
42,9 - 150 42 x Hz 
≥ 150 6300 
 
As medições da frequência foram realizadas utilizando uma 
ponteira de corrente modelo 1146B marca Agilent, acoplada em 
uma das três fases entre o compressor e inversor, neste modelo 
de medição a velocidade síncrona de motores pode ser definida 
através da velocidade do campo girante do motor que por sua 
vez depende do número de polos e da frequência podendo ser 
calculada através da equação 3. 
 
𝑛 =
.
 (3) 
 
Onde: 
 
ns = Velocidade 
f = frequência medida 
p = número de polos do motor 
 
O motor utilizado modelo FMSY09C tem 6 polos, utilizando a 
medição da frequência da corrente pode ser calculado a 
velocidade do compressor. O sinal observado no osciloscópio é 
bastante ruidoso (Figura 5), não possibilitando a utilização da 
informação direta para este cálculo e por este motivo se faz 
necessário a utilização de filtros digitais ou técnicas de 
atenuação e filtro. 
 
Figura 5 - Sinal amostrado utilizando a ponteira de corrente. 
O segundo modelo utiliza outra metodologia de medição, neste 
caso, utilizando um acelerômetro acoplado no sentido de 
vibração do compressor melhorando a saída do sinal a ser 
amplificado e na sequência observá-lo através do osciloscópio. 
O sentido de vibração foi medido em laboratório utilizando um 
acelerômetro em três eixos para identificar o eixo de maior 
excitação (Figura 6). Com isso definir o melhor acoplamento 
para o acelerômetro modelo 4526-001 da Bruel utilizado na 
medição final. 
 
 
Figura 6 - Medição do sentido de vibração 
 Utilizando o sentido de maior excitação identificado em cinza 
na figura 6, foi acoplado o acelerômetro na frente do 
compressor e o sinal amplificado de forma a ser possível a 
aquisição no osciloscópio e consequentemente a transformação 
da frequência em velocidade através da simples multiplicação 
por 60. Neste modelo de medição o sinal amostrado se 
comportou de maneira mais limpa, onde a senoide apresentou a 
frequência média na tela do osciloscópio (Figura 7) em 
comparação com o modelo de medição por ponteira de corrente 
onde não foi possível observar na tela a média da frequência. 
 
 
 
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Figura 7 - Forma de onda amostrada através do acelerômetro 
V. RESULTADOS 
 
 Observando a figura 7, não seria necessário a implementação 
de filtros adicionais para identificar a frequência e com isso o 
cálculo da velocidade, no entanto, foi realizado a FFT dos dois 
sinais a fim de validar as metodologias e consequentemente 
compará-las e definir a mais indicada para este processo. Para 
isso, os dados foram medidos para as duas metodologias 
simultaneamente através de um osciloscópio com 4 canais. 
Utilizando ferramenta de computação matemática Matlab, foi 
possível calcular as FFT utilizando a mesma janela temporal e 
o resultado estão dispostos através das Figuras 8 e 9, onde a 
Figura 8 mostra em preto o sinal amostrado e em vermelho sua 
respectiva FFT. A velocidade final é calculada pela equação 
três e o valor resultante é de 5054 RPM. 
 
 
Figura 8 - Sinal amostrado através da ponteira de corrente e sua 
respectiva FFT 
A Figura 9 abaixo expõe na cor preta o sinal amostrado através 
do acelerômetro, enquanto o sua FFT está em vermelho. Para o 
cálculo de velocidade é utilizado a multiplicação por 60. O 
valor de frequência extraído na FFT é de 84,23Hz resultando 
em 5053,8 RPM. 
 
 
Figura 9 - Sinal amostrado através do acelerômetro e FFT do sinal. 
VI. CONCLUSÃO 
Comparando os dados obtidos através das duas técnicas de 
medição, não foi identificado uma variação considerável com 
relação a rotação quando utilizado o os cálculos de FFT para 
encontrar a frequência fundamental e com isso realizar os 
cálculos de velocidade Tabela 2. Desta forma as duas 
metodologias adotadas se mostraram robustas no que tange ao 
resultado, ou seja, a comparação entre os dados especificados 
pelo fornecedor e as medições realizadas em bancada. No 
entanto como visto através da Figura 7 o método de medição 
utilizando o acelerômetro a informação pode ser extraída 
praticamente de maneira imediata através da técnica de cálculo 
da média realizada na tela do osciloscópio, enquanto o resultado 
da medição por corrente é obtido apenas através da FFT. 
Somado a isso pode ser incorporado o fato da medição 
utilizando a ponteira de corrente é necessário abrir a caixa do 
inversor para se ter acesso a alimentação do compressor Foto 
10 item 1, enquanto a medição através do acelerômetro não 
necessita de tal intervenção Foto 10 item 2. Sendo assim, apesar 
das duas técnicas serem eficientes a utilização do acelerômetro 
é menos invasiva, em linhas gerais mais indicada. 
 
Tabela 2 - Especificação e resultados 
 Freq Cálculo RPM 
Especificação 
 
120 120𝑥42 5040 
FFT Ponteira de corrente 252,7 120𝑥252,7
6
 5054 
FFT Acelerômetro 84,23 84,23𝑥60 5053,8 
 
 
Figura 10 – Posicionamento ponteira de corrente e Acelerômetro 
 
 
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REFERENCES 
 
[1] Introdução a refrigeração Universidade Federal do Paraná- 
[Online].Available: 
https://docs.ufpr.br/~rudmar/refri/material/1_INTRODUCA
O.pdf 
 
[2] Embraco Nedec 
[Online].Available: https://exame.com/negocios/whirlpool-
anuncia-venda-da-embraco-para-japonesa-nidec-por-us1-bi/ 
 
[3] Catálogo embraco “Modelo CF02F” 
 
[4] Acionamentos Elétricos – Clayton Moro Franchi, Quarta 
edição – Editora Erica ltda, São Paulo, 2008, Fanchi, C.M. 
 
[5] Conversões de sinais TE821 da Universidade Federal do 
Paraná- Campus Curitiba, Marlio Bonfim 2022.