Rosnąca gęstość mocy maszyn przemysłowych zwiększa ryzyko przypadkowych wyłączeń, przegrzania i katastrofalnych awarii, które mogą doprowadzić do zatrzymania całej linii produkcyjnej. Aby zmniejszyć to ryzyko, jednocześnie spełniając wymagania dotyczące wydajności, projektanci potrzebują rezystorów, które poradzą sobie z różnymi problemami. Niektóre rezystory muszą być w stanie ograniczyć przepięcia lub awarie, inne muszą być w stanie rozproszyć odzyskaną energię, a jeszcze inne muszą zapewniać niezawodne odprowadzanie ciepła w kompaktowej obudowie.
Krótko mówiąc, dobór odpowiednich rezystorów stał się kluczowym krokiem w projektowaniu niezawodnych przemysłowych układów napędowych silników.
W artykule tym skupiono się na wyzwaniach stojących przed projektantami maszyn przemysłowych oraz zaletach odpowiedniej technologii rezystorów, a następnie reprezentatywnych rezystorach z obszernej linii produktów firmy Ohmate, które projektanci mogą wykorzystać w typowych scenariuszach hamowania i zabezpieczeniach przed stanami przejściowymi.
Absorpcja energii impulsu w celu ograniczenia prądu udarowego i ochrony przed przepięciami
Przemysłowe napędy silnikowe często wystawiają rezystory na przejściowe zdarzenia o wysokiej energii. Dobrym przykładem jest faza wstępnego ładowania VFD. Kiedy ta faza jest zasilana, kondensator szyny DC znajduje się w stanie bliskim zwarcia z zasilaczem, generując stromy szczyt prądu rozruchowego. Jeśli w obwodzie wstępnego ładowania nie ma rezystora ograniczającego prąd, ten impuls może wyzwolić zabezpieczenie znajdujące się powyżej lub uszkodzić IGBT przemiennika.
Podobne wymagania dotyczące impulsów o wysokiej energii występują w przypadku absorpcji energii zwarciowej, obwodu łomu i poziomów ochrony zasilacza. We wszystkich tych przypadkach rezystor musi absorbować krótkie, ale duże impulsy energii bez mechanicznej degradacji i być w stanie powtarzać ten proces przez wiele cykli operacyjnych.
Ceramiczne rezystory kompozytowe serii PulsA firmy Ohmate zostały specjalnie zaprojektowane do tego celu. Jego nieindukcyjna struktura ceramiczna blokowa umożliwia równomierne rozprowadzanie energii po całym ciele, zmniejszając ryzyko zmęczenia przewodu, które mogłoby spowodować uszkodzenie konwencjonalnych rezystorów uzwojonych. Ta nieindukcyjna konstrukcja pomaga również zredukować fałszywe skoki napięcia podczas szybkich stanów nieustalonych prądu, co jest bardzo przydatne w obwodach ochronnych, gdzie zbocze przełączające może być strome.
Seria A obejmuje wartości rezystancji od 1,0 oma do 15 k omów, moc ciągłą od 2,0 W do 5,5 W, napięcie znamionowe impulsu od 1000 V do 2500 V i pojemność energetyczną pojedynczego impulsu od 250 J do 2800 J. Ten zakres pozwala projektantom wybrać i dopasować napięcie szyny i charakterystykę energetyczną konkretnego obwodu zabezpieczającego.
Na przykład 3,3 Ω AY33GKE (rysunek 1) ogranicza szczytowy prąd udarowy na typowej szynie 600 VDC do około 180 A (I=V/R), w zależności od impedancji i pojemności systemu. Prąd ten jest wystarczająco wysoki, aby szybko naładować baterię kondensatorów i wystarczająco niski, aby chronić stycznik poprzedzający i IGBT. Napięcie znamionowe impulsu 2000 V zapewnia margines znacznie powyżej standardowego napięcia magistrali przemysłowej, natomiast moc znamionowa energii monopulsu 1400 J zapewnia wystarczający margines dla typowych cykli ładowania.
Zdjęcie rezystora Ohmite Ay33GKE
Rysunek 1: Rezystor AY33GKE wykorzystuje ceramiczną strukturę korpusu, która pochłania do 1400 J energii monopulsowej. Źródło obrazu: Ohmite)
Należy zauważyć, że ciągła moc znamionowa AY33GKE wynosi tylko 4,5 W, ale jest to wystarczające dla docelowych zastosowań przejściowych. Na przykład po zakończeniu cyklu wstępnego ładowania VFD rezystor jest omijany i nie jest wymagane rozpraszanie energii.
Hamulec dynamiczny o niskiej indukcyjności w kompaktowej obudowie napędu
Kiedy przetwornica częstotliwości zwalnia silnik, silnik działa jak generator i przekazuje odzyskaną energię z powrotem do szyny prądu stałego. Obwód przerywacza przekazuje tę energię do rezystora hamowania przy prądach załączania i wyłączania o wysokiej częstotliwości. Jeżeli rezystor hamowania ma znaczną indukcyjność pasożytniczą, te szybkie przejścia prądu spowodują skoki napięcia, które mogą uszkodzić tranzystor IGBT przerywacza. Jednocześnie nowoczesne szafy sterownicze stają się coraz mniejsze, pozostawiając coraz mniej przestrzeni fizycznej na nieporęczną skrzynkę oporową z chłodzeniem konwekcyjnym.
Grubościowcowe rezystory planarne serii TAP800 rozwiązują te dwa problemy. Jego elementy oporowe są zbudowane na podłożu ceramicznym o wysokiej zawartości tlenku glinu, a metalizacja dna umożliwia efektywne przenoszenie ciepła. Płaski profil przenosi ciepło bezpośrednio do obudowy lub płyty chłodzącej, umożliwiając dynamiczne hamowanie z dużą mocą w obudowach, w których nie można zainstalować konwencjonalnych konwekcyjnych rezystorów chłodzących. Ta planarna konfiguracja minimalizuje również pasożytniczą indukcyjność i pojemność, co skutkuje stabilną pracą pod wpływem obciążeń impulsowych o wysokiej częstotliwości.
Seria TAP800 obejmuje zakres rezystancji od 1 Ω do 10 k Ω z ciągłą mocą znamionową 800 W dla wszystkich modeli z odpowiednim odprowadzaniem ciepła.
Typowym przykładem jest TAP800K390E (rysunek 2). Ma wartość rezystancji 390 Ω i znamionowe ciągłe rozpraszanie mocy 800 W, gdy jest zamontowany na grzejnikach chłodzonych cieczą lub powietrzem. Krytyczną specyfikacją hamowania dynamicznego jest jego indukcyjność wynosząca 80 NH, która zapewnia, że szybkie przełączniki IGBT nie indukują zakłócających stanów przejściowych napięcia na obu końcach obwodu przerywacza.
Zdjęcie grubowarstwowego rezystora płaskiego Ohmate TAP800K390E
Rysunek 2: TAP800K390E to grubowarstwowy rezystor planarny przeznaczony do chłodzenia przewodzącego. Źródło obrazu: Ohmite)
TAP800K390E zapewnia również solidną izolację elektryczną pomiędzy szyną prądu stałego pod napięciem a uziemioną powierzchnią montażową. Maksymalne napięcie robocze wynosi 5000 VDC, a wartość znamionowa wyładowania niezupełnego wynosi 4 kVRMS pod warunkiem, że wyładowanie niezupełne jest mniejsze niż 10 pikokulometrów (pC), dzięki czemu można osiągnąć długoterminową niezawodność. Specyfikacje te zapewniają, że izolacja jest w stanie wytrzymać powtarzające się naprężenia wysokiego napięcia i stany nieustalone przełączania, typowe dla nowoczesnych napędów przemysłowych, bez pogorszenia jakości w czasie.
Wytrzymałe hamulce dynamiczne do obciążeń o dużej bezwładności
W niektórych zastosowaniach napędów silnikowych mniejszy nacisk kładzie się na kompaktową obudowę niż na obsługę czystej energii. Na przykład w żurawiach przemysłowych, wirówkach i przenośnikach zjazdowych o dużej wytrzymałości, redukcja obciążenia w tych zastosowaniach zmusza silnik do działania jako generator, który przekazuje duże ilości energii kinetycznej do napędu. W takich przypadkach rezystor hamowania musi być w stanie wytrzymać gwałtowne przepięcia i szybko się ochładzać pomiędzy cyklami, aby uniknąć gromadzenia się ciepła.
Rezystory serii Corrib 280 firmy Ohmiti zostały zaprojektowane do pracy przy wysokim prądzie i niskiej rezystancji. Seria powstaje poprzez nawinięcie falistych drutów oporowych wokół rurowego rdzenia ceramicznego, a następnie stopienie ich i utrwalenie szklistą powłoką emaliową. Struktura ta spełnia kilka funkcji: faliste druty oporowe zwiększają powierzchnię i przyspieszają odprowadzanie ciepła; Ceramiczny rdzeń i powłoka szkliwa poprawiają trwałość mechaniczną, jednocześnie promując efektywne przenoszenie ciepła; Pusty rdzeń umożliwia przepływ powietrza przez korpus rezystora w celu pasywnego chłodzenia.
Ciągła moc znamionowa serii Corrib280 waha się od 35 watów do 1500 watów, a wartość rezystancji modelu 300-watowego wynosi zaledwie 0,10 Ω. Daje to projektantowi znaczną elastyczność w dopasowywaniu rezystorów do określonego napięcia szyny, prądu hamowania i ograniczeń przestrzennych.
Reprezentatywnym przykładem jest C300KR50E (rysunek 3). Ma wartość rezystancji 0,5 Ω i ciągłą moc znamionową na wolnym powietrzu 300 W. Co ważniejsze dla warunków hamowania, wartość przeciążeniowa serii Corrib280 jest 10-krotnością mocy znamionowej przez czas 5 sekund (s). W przypadku C300KR50E odpowiada to krótkotrwałym impulsom do 3000 W.