La crescente densità di potenza dei macchinari industriali aumenta il rischio di interventi spuri, surriscaldamento e guasti catastrofici, che possono portare all’arresto dell’intera linea di produzione. Per ridurre questi rischi e soddisfare al tempo stesso i requisiti di efficienza, i progettisti necessitano di resistori in grado di gestire una varietà di problemi. Alcuni resistori devono essere in grado di limitare gli eventi di sovratensione o guasto, alcuni devono essere in grado di dissipare l'energia rigenerata e altri devono fornire una dissipazione del calore affidabile in un involucro compatto.
In breve, la selezione dei resistori adatti è diventata un passo fondamentale nella progettazione di sistemi di azionamento di motori industriali affidabili.
Questo documento si concentra sulle sfide affrontate dai progettisti di macchinari industriali e sui vantaggi della corrispondente tecnologia dei resistori, seguiti da resistori rappresentativi dell'ampia linea di prodotti Ohmate, che i progettisti possono utilizzare per affrontare i comuni scenari di frenatura e protezione transitoria.
Assorbimento dell'energia a impulsi per la limitazione della corrente di picco e la protezione da sovratensione
Gli azionamenti dei motori industriali spesso espongono i resistori a eventi transitori ad alta energia. Un buon esempio è la fase di precarica di un VFD. Quando questa fase viene eccitata, il condensatore del bus CC presenta uno stato di quasi cortocircuito verso l'alimentatore, generando un forte picco di corrente di spunto. Se nel circuito di precarica non è presente un resistore di limitazione della corrente, questo picco può far scattare la protezione a monte o danneggiare l'IGBT del convertitore.
Simili richieste di impulsi ad alta energia si verificano nei livelli di assorbimento dell'energia di guasto, circuito crowbar e protezione dell'alimentatore. In tutti questi casi, il resistore deve assorbire impulsi di energia brevi ma grandi senza degrado meccanico ed essere in grado di ripetere questo processo per un numero di cicli operativi.
I resistori compositi ceramici della serie PulsA di Ohmate sono progettati specificatamente per questo scopo. La sua struttura in ceramica a blocchi non induttivi consente all'energia di essere distribuita uniformemente su tutto il corpo, riducendo il rischio di affaticamento del cavo che potrebbe causare danni ai resistori avvolti convenzionali. Questa struttura non induttiva aiuta inoltre a ridurre i picchi di tensione spuri durante i transitori di corrente rapidi, che sono molto utili nei circuiti protettivi in cui il bordo dell'interruttore può essere ripido.
La serie A copre valori di resistenza da 1,0 Ohm a 15 k Ohm, potenze nominali continue da 2,0 W a 5,5 W, tensioni nominali di impulso da 1.000 V a 2.500 V e capacità di energia a impulso singolo da 250 J a 2.800 J. Questa gamma consente ai progettisti di selezionare e abbinare la tensione del bus e le caratteristiche energetiche di un particolare circuito di protezione.
Ad esempio, AY33GKE da 3,3 Ω (Figura 1) limita la corrente di picco su un tipico bus da 600 V CC a circa 180 A (I=V/R), a seconda dell'impedenza e della capacità del sistema. Questa corrente è sufficientemente elevata da caricare rapidamente il banco di condensatori e sufficientemente bassa da proteggere il contattore a monte e l'IGBT. La tensione nominale di impulso di 2000 V fornisce un margine ben superiore alla tensione del bus industriale standard, mentre la tensione nominale di energia monoimpulso di 1400 J fornisce un margine sufficiente per i cicli di ricarica tipici.
Immagine del resistore Ohmite Ay33GKE
Figura 1: Il resistore AY33GKE utilizza una struttura in ceramica del corpo per assorbire fino a 1400 J di energia monoimpulso. Fonte immagine: Ohmite)
Va notato che la potenza nominale continua dell'AY33GKE è di soli 4,5 W, ma è sufficiente per l'applicazione transitoria target. Ad esempio, una volta completato il ciclo di precarica del VFD, il resistore viene bypassato e non è necessaria alcuna dissipazione di energia.
Freno dinamico a bassa induttanza in alloggiamento di trasmissione compatto
Quando il VFD decelera il motore, il motore agisce come un generatore e restituisce l'energia rigenerata al bus CC. Il circuito chopper devia questa energia alla resistenza di frenatura con correnti di chiusura e di chiusura ad alta frequenza. Se la resistenza di frenatura presenta un'induttanza parassita significativa, queste rapide transizioni di corrente produrranno picchi di tensione che potrebbero danneggiare l'IGBT del chopper. Allo stesso tempo, i moderni armadi elettrici stanno diventando sempre più piccoli, lasciando sempre meno spazio fisico per l’ingombrante scatola di resistenza al raffreddamento a convezione.
I resistori planari a film spesso della serie TAP800 risolvono questi due problemi. I suoi elementi resistivi sono costruiti su un substrato ceramico ad alto contenuto di allumina e la metallizzazione inferiore consente un efficiente trasferimento di calore. Il profilo piatto trasferisce il calore direttamente al telaio o alla piastra fredda, consentendo una frenatura dinamica ad alta potenza in involucri in cui non è possibile installare resistori di raffreddamento a convezione convenzionali. Questa configurazione planare riduce inoltre al minimo l'induttanza e la capacità parassite, garantendo prestazioni stabili quando sottoposto a carichi di impulsi ad alta frequenza.
La serie TAP800 copre una gamma di resistenze da 1 Ω a 10 k Ω con una potenza nominale continua di 800 W per tutti i modelli con adeguata dissipazione del calore.
Un tipico esempio è TAP800K390E (Figura 2). Ha un valore di resistenza di 390 Ω e una dissipazione di potenza continua di 800 W se montato su radiatori raffreddati a liquido o ad aria. La specifica critica per la frenatura dinamica è l'induttanza di 80 NH, che garantisce che gli interruttori IGBT ad alta velocità non inducano transitori di tensione distruttivi su entrambe le estremità del circuito chopper.
Immagine del resistore piatto a film spesso Ohmate TAP800K390E
Figura 2: TAP800K390E è un resistore planare a film spesso progettato per il raffreddamento per conduzione. Fonte immagine: Ohmite)
TAP800K390E fornisce inoltre un robusto isolamento elettrico tra il bus CC sotto tensione e la superficie di montaggio messa a terra. La tensione operativa massima è 5000 V CC e il valore nominale della scarica parziale è 4 kVRMS a condizione che la scarica parziale sia inferiore a 10 picocoulometro (pC), in modo da poter ottenere un'affidabilità a lungo termine. Queste specifiche garantiscono che l'isolamento possa sopportare sollecitazioni ripetitive ad alta tensione e transitori di commutazione tipici dei moderni azionamenti industriali senza deteriorarsi nel tempo.
Freni dinamici per carichi pesanti per carichi ad inerzia elevata
Alcune applicazioni di azionamento del motore attribuiscono meno importanza all'imballaggio compatto che alla pura gestione dell'energia. Ad esempio, gru industriali, centrifughe e trasportatori in discesa per carichi pesanti, la riduzione del carico in queste applicazioni costringe il motore a fungere da generatore che restituisce grandi quantità di energia cinetica all'azionamento. In questi casi, la resistenza di frenatura deve essere in grado di sopportare picchi violenti e di raffreddarsi rapidamente tra un ciclo e l'altro per evitare l'accumulo di calore.
I resistori della serie Corrib 280 di Ohmiti sono progettati per questo servizio ad alta corrente e bassa resistenza. La serie è formata avvolgendo fili di resistenza ondulati attorno a un nucleo tubolare in ceramica e fondendoli e fissandoli con un rivestimento in smalto vetroso. Questa struttura ha diverse funzioni: i fili resistivi ondulati aumentano la superficie e accelerano la dissipazione del calore; Il nucleo in ceramica e il rivestimento in smalto migliorano la durata meccanica promuovendo al tempo stesso un efficiente trasferimento di calore; Il nucleo cavo consente all'aria di fluire attraverso il corpo del resistore per il raffreddamento passivo.
La potenza nominale continua della serie Corrib280 varia da 35 watt a 1500 watt e il valore di resistenza del modello da 300 watt è pari a 0,10 Ω. Ciò offre al progettista una notevole flessibilità per adattare i resistori a specifici vincoli di tensione del bus, corrente di frenatura e spazio fisico.
Un esempio rappresentativo è C300KR50E (Figura 3). Ha un valore di resistenza di 0,5 Ω e una potenza nominale continua in aria libera di 300 W. Ancora più importante per le condizioni di frenata, la potenza nominale di sovraccarico della serie Corrib280 è 10 volte la potenza nominale per una durata di 5 secondi (s). Per C300KR50E ciò corrisponde a impulsi di breve durata fino a 3000 W.