Suggerimenti per la selezione dei resistori di potenza per i comandi di motori industriali

L'aumento della densità di potenza dei macchinari industriali aumenta il rischio di interventi indesiderati, surriscaldamento e guasti catastrofici che possono bloccare un'intera linea di produzione. Per mitigare questi rischi pur soddisfacendo i requisiti di efficienza, i progettisti hanno bisogno di resistori in grado di risolvere molteplici problematiche. In alcuni casi è necessario mitigare gli eventi di inserzione o di guasto, in altri occorre dissipare l'energia di rigenerazione, in altri ancora fornire prestazioni termiche affidabili in involucri compatti. 

In sintesi, la scelta del resistore giusto è diventata una parte cruciale della progettazione di sistemi di azionamento di motori industriali affidabili.

Questo articolo mette in evidenza le sfide che i progettisti di macchinari industriali devono affrontare e i vantaggi delle corrispondenti tecnologie dei resistori. Presenta quindi alcuni resistori di esempio dell'ampia gamma di prodotti di Ohmite che i progettisti possono utilizzare per affrontare queste sfide in scenari comuni di frenata e protezione dai transitori.

Assorbimento dell'energia impulsiva per la limitazione della corrente di inserzione e la protezione dai picchi transitori

I comandi dei motori industriali sottopongono abitualmente i resistori a eventi transitori ad alta energia. Lo stadio di precarica di un comando a frequenza variabile (VFD) è un buon esempio. Quando questo stadio si attiva, i suoi condensatori bus c.c. presentano un quasi cortocircuito verso l'alimentazione, producendo un forte picco di corrente di inserzione. Senza un resistore di limitazione della corrente nel percorso di precarica, questo picco può comportare l'intervento della protezione a monte o il danneggiamento dei transistor bipolari a gate isolato (IGBT) dell'azionamento.

Richieste simili di impulsi ad alta energia si presentano nell'assorbimento dell'energia di guasto, nei circuiti crowbar e negli stadi di protezione dell'alimentazione. In tutti questi casi, il resistore deve essere in grado di assorbire un impulso di energia breve ma intenso senza subire deterioramenti meccanici, consentendo la ripetizione di questo processo per molti cicli operativi.

I resistori in compositi ceramici PulsEater A Series di Ohmite sono stati creati appositamente per questa funzione. La loro struttura in ceramica sfusa non induttiva distribuisce l'energia in modo uniforme in tutto il corpo del resistore, riducendo il rischio di affaticamento del filo che può comportare il danneggiamento dei tradizionali resistori a filo avvolto. La stessa struttura non induttiva contribuisce inoltre a ridurre i picchi di tensioni parassite durante i transitori di corrente veloci, caratteristica utile nei circuiti di protezione in cui i fronti di commutazione possono essere bruschi.

I dispositivi A Series coprono valori di resistenza da 1,0 Ω a 15 kΩ, di potenza nominale continua da 2,0 W a 5,5 W, di tensione impulsiva nominale da 1.000 V a 2.500 V e capacità di energia del singolo impulso da 250 J a 2.800 J. Questa gamma consente ai progettisti di scegliere il dispositivo in base alla tensione del bus e al profilo energetico dello specifico circuito di protezione.

Ad esempio, il modello AY33GKE da 3,3 Ω (Figura 1) può limitare la corrente di inserzione di picco su un bus da 600 V_c.c. (tip.) a circa 180 A (I = V/R), a seconda dell'impedenza e della capacità elettrica del sistema. Questo valore è sufficientemente elevato da caricare rapidamente la batteria di condensatori, ma sufficientemente basso da proteggere i contattori e gli IGBT a monte. La tensione impulsiva nominale di 2.000 V offre un margine ben superiore alle tensioni di bus industriali standard, mentre l'energia del singolo impulso di 1.400 J offre ampio margine per un ciclo di carica tipico.

Figura 1: Il resistore AY33GKE utilizza una struttura in ceramica sfusa per assorbire fino a 1.400 J di energia del singolo impulso. (Immagine per gentile concessione di Ohmite)

Vale la pena osservare che AY33GKE ha una modesta potenza continua nominale di 4,5 W, un valore più che sufficiente per gestire i transitori delle applicazioni di destinazione. Ad esempio, una volta completato il ciclo di precarica del VFD, il resistore viene bypassato e non avrà più bisogno di dissipare energia.

Frenatura dinamica a bassa induttanza in involucri di azionamenti compatti

Quando un VFD decelera un motore, quest'ultimo agisce come un generatore, reimmettendo energia rigenerativa nel bus c.c.. Un circuito chopper devia questa energia verso un resistore di frenatura, attivando e disattivando la corrente ad alta frequenza. Se il resistore di frenatura ha un'induttanza parassita significativa, queste rapide transizioni di corrente producono picchi di tensione che possono danneggiare gli IGBT chopper. Allo stesso tempo, i moderni armadi di controllo si stanno rimpicciolendo, lasciando ai progettisti meno spazio fisico per gli ingombranti banchi di resistori raffreddati a convezione.

I resistori planari a film spesso serie TAP800 risolvono entrambi questi problemi. L'elemento resistivo è costruito su un substrato in ceramica ad alto tenore di allumina, metallizzato sul fondo per un efficiente trasferimento termico. Il fattore di forma planare scarica il calore direttamente in uno chassis o in una piastra fredda, consentendo la frenatura dinamica ad alta potenza in involucri che non potrebbero ospitare un tradizionale resistore raffreddato a convezione. Questa struttura planare inoltre riduce al minimo la capacità elettrica e l'induttanza parassita, stabilizzando così le prestazioni in caso di carico impulsivo ad alta frequenza.

La serie TAP800 copre valori di resistenza da 1 Ω a 10 kΩ, tutti con una potenza continua nominale di 800 W con dissipazione di calore adeguata. Questa ampia gamma consente a una piattaforma a singolo resistore di servire i circuiti di frenatura in un ampio intervallo di tensioni di comando e livelli di potenza.

TAP800K390E (Figura 2) è un esempio rappresentativo. A 390 Ω, è in grado di dissipare 800 W di potenza continua se montato su un dissipatore di calore raffreddato ad aria o a liquido. La specifica critica per la frenatura dinamica è l'induttanza di 80 nH, che garantisce che la commutazione dell'IGBT ad alta velocità non induca transitori di tensione distruttivi nel circuito chopper.

Figura 2: TAP800K390E è un resistore planare a film spesso progettato per l'uso con raffreddamento a conduzione. (Immagine per gentile concessione di Ohmite)

TAP800K390E fornisce inoltre un robusto isolamento elettrico tra il bus c.c. sotto tensione e la superficie di montaggio con messa a terra. Con una tensione massima di lavoro di 5.000 V_c.c. e una scarica parziale nominale di 4 kV_RMS a meno di 10 pC, questo dispositivo è progettato per garantire l'affidabilità a lungo termine. Queste specifiche garantiscono che l'isolamento resista alle ripetute sollecitazioni di alta tensione e ai transitori di commutazione caratteristici dei moderni azionamenti industriali senza deteriorarsi nel tempo.

Frenatura dinamica per carichi ad alta inerzia

Alcune applicazioni di comando motori pongono meno l'accento sulla compattezza del confezionamento e più sulla gestione dell'energia. Ne sono un esempio le gru industriali, le centrifughe e i nastri trasportatori in discesa per carichi pesanti, dove la decelerazione del carico costringe il motore ad agire come un generatore, restituendo grandi quantità di energia cinetica all'azionamento. In questi casi, il resistore di frenatura deve essere in grado di resistere a forti picchi e di raffreddarsi rapidamente tra un ciclo e l'altro per evitare l'accumulo termico.

I resistori della serie Corrib280 di Ohmite sono progettati proprio per questo tipo di impiego a bassa resistenza e alta corrente. La serie comprende un filo resistivo corrugato avvolto su un nucleo ceramico tubolare e fuso in posizione con un rivestimento in smalto vetroso. Questa struttura ha diversi scopi: il filo nervato aumenta la superficie per una più rapida dissipazione del calore; il nucleo ceramico e il rivestimento smaltato favoriscono l'efficiente trasferimento del calore e migliorano la durata meccanica; la struttura a nucleo cavo consente il passaggio dell'aria attraverso il corpo del resistore per un raffreddamento passivo.

La serie Corrib280 è disponibile con potenze continue da 35 a 1.500 W, con valori di resistenza a partire da appena 0,10 Ω nei modelli da 300 W. Ciò offre ai progettisti una notevole flessibilità per adattare il resistore a caratteristiche specifiche in termini di tensioni del bus, correnti di frenatura e vincoli di spazio fisico.

C300KR50E (Figura 3) è un esempio rappresentativo. Offre una resistenza di 0,5 Ω e una potenza continua in aria libera di 300 W. Aspetto ancora più importante per il servizio di frenatura, la serie Corrib280 è classificata per sovraccarichi pari a 10 volte la potenza nominale per 5 secondi. Per il modello C300KR50E, questo corrisponde a un impulso di breve durata fino a 3.000 W.

Figura 3: C300KR50E utilizza un filo resistivo corrugato avvolto attorno a un nucleo cavo per massimizzare la massa termica e il raffreddamento ad aria. (Immagine per gentile concessione di Ohmite)

Resistori di frenatura e di carico compatti raffreddati a conduzione

Le macchine più piccole, i veicoli a guida automatica (AGV) e i retrofit per armadi di controllo spesso richiedono resistori di frenatura o di carico in spazi fisici molto limitati. In questi involucri ristretti, la tradizionale convezione in aria libera è spesso insufficiente a dissipare il calore. Il calore generato da un resistore a filo avvolto standard può facilmente danneggiare i componenti circostanti. Per risolvere questo problema, i progettisti possono utilizzare il raffreddamento a conduzione per dissipare l'energia termica nel telaio della macchina, nella parete dell'armadio o in una piastra fredda dedicata.

I resistori serie Arcol HS di Ohmite sono stati progettati appositamente per questi scenari. Questi resistori a filo avvolto presentano un alloggiamento in alluminio alettato con una superficie di montaggio piatta ottimizzata per la conducibilità termica verso un dissipatore di calore. La famiglia comprende potenze da 10 a 300 W e valori di resistenza da 0,005 Ω a 100 kΩ. Per i progetti sensibili all'induttanza parassita, sono disponibili anche varianti non induttive.

Utilizzando il raffreddamento a conduzione, questa architettura può raggiungere densità di potenza significativamente più elevate rispetto ai tradizionali resistori in aria libera. Ad esempio, quando è montata su un dissipatore di calore, la serie HS100 può dissipare 100 W. La stessa serie gestisce appena 30 W senza il dissipatore.

HS100 R47 J (Figura 4) è un componente rappresentativo. La sua bassa resistenza di 0,47 Ω si adatta bene ai profili di frenatura di AGV e piccoli servocomandi, in cui eventi di decelerazione brevi e intensi sono intervallati da periodi di funzionamento più lunghi. La potenza continua nominale di 100 W fornisce una capacità sufficiente per dissipare l'energia di frenata che mediamente si incontra su questo tipo di ciclo di lavoro. L'alloggiamento in alluminio alettato è progettato per il montaggio su dissipatore di calore.

Figura 4: Il dispositivo HS100 R47 J utilizza un alloggiamento in alluminio alettato progettato per il montaggio su un dissipatore di calore. (Immagine per gentile concessione di Ohmite)

Conclusione

I progettisti di macchinari industriali ad alta potenza devono mitigare i rischi di interventi indesiderati, surriscaldamento e guasti catastrofici, rispettando al contempo i requisiti di efficienza. Se scelte con cura in base alla specifica applicazione, le soluzioni di resistori di Ohmite risolvono diversi problemi, dalla mitigazione di eventi di inserzione o di guasto alla fornitura di prestazioni termiche affidabili in involucri compatti, per il raggiungimento di prestazioni robuste in condizioni operative difficili.