La densité de puissance croissante des machines industrielles augmente le risque de déclenchements intempestifs, de surchauffes et de pannes catastrophiques, pouvant conduire à l’arrêt de l’ensemble de la chaîne de production. Pour réduire ces risques tout en répondant aux exigences d’efficacité, les concepteurs ont besoin de résistances capables de résoudre divers problèmes. Certaines résistances doivent être capables de limiter les événements de surtension ou de panne, certaines doivent être capables de dissiper l'énergie régénérée et d'autres encore doivent assurer une dissipation thermique fiable dans un boîtier compact.
En bref, la sélection de résistances adaptées est devenue une étape clé dans la conception de systèmes de commande de moteurs industriels fiables.
Cet article se concentre sur les défis rencontrés par les concepteurs de machines industrielles et les avantages de la technologie de résistance correspondante, suivis par les résistances représentatives de la vaste gamme de produits Ohmate, que les concepteurs peuvent utiliser pour répondre aux scénarios courants de freinage et de protection contre les transitoires.
Absorption d'énergie impulsionnelle pour limiter les surintensités et protéger contre les surtensions
Les entraînements de moteurs industriels exposent souvent les résistances à des événements transitoires à haute énergie. Un bon exemple est la phase de précharge d’un VFD. Lorsque cette phase est alimentée, le condensateur du bus CC présente un état de quasi-court-circuit avec l'alimentation, générant une forte pointe de courant d'appel. S'il n'y a pas de résistance de limitation de courant dans le circuit de précharge, ce pic peut déclencher la protection en amont ou endommager l'IGBT du variateur.
Des demandes d'impulsions à haute énergie similaires se produisent dans les niveaux d'absorption d'énergie de défaut, de circuit pied-de-biche et de protection de l'alimentation électrique. Dans tous ces cas, la résistance doit absorber des impulsions d'énergie courtes mais importantes sans dégradation mécanique et pouvoir répéter ce processus sur plusieurs cycles de fonctionnement.
Les résistances composites céramiques de la série PulsA d'Ohmate sont spécialement conçues à cet effet. Sa structure en céramique non inductive permet à l'énergie d'être répartie uniformément dans tout le corps, réduisant ainsi le risque de fatigue du plomb qui pourrait endommager les résistances enroulées conventionnelles. Cette construction non inductive contribue également à réduire les pics de tension parasites lors des transitoires de courant rapides, ce qui est très utile dans les circuits de protection où le front de commutation peut être abrupt.
La série A couvre des valeurs de résistance de 1,0 Ohm à 15 k Ohm, des puissances nominales continues de 2,0 W à 5,5 W, des tensions de choc de 1 000 V à 2 500 V et une capacité énergétique à impulsion unique de 250 J à 2 800 J. Cette gamme permet aux concepteurs de sélectionner et de faire correspondre la tension du bus et les caractéristiques énergétiques d'un circuit de protection particulier.
Par exemple, l'AY33GKE de 3,3 Ω (Figure 1) limite le courant de pointe sur un bus typique de 600 V CC à environ 180 A (I=V/R), en fonction de l'impédance et de la capacité du système. Ce courant est suffisamment élevé pour charger rapidement la batterie de condensateurs et suffisamment faible pour protéger le contacteur en amont et l'IGBT. La tension nominale de choc de 2 000 V offre une marge bien supérieure à la tension de bus industrielle standard, tandis que la tension nominale de 1 400 J en monoimpulsion offre une marge suffisante pour les cycles de charge typiques.
Photo de la résistance Ohmite Ay33GKE
Figure 1 : La résistance AY33GKE utilise une structure en céramique pour absorber jusqu'à 1 400 J d'énergie monopulsée. Source de l'image : Ohmite)
Il est à noter que la puissance nominale continue de l'AY33GKE n'est que de 4,5 W, mais cela est suffisant pour l'application transitoire cible. Par exemple, une fois le cycle de précharge du VFD terminé, la résistance est contournée et aucune dissipation d'énergie n'est requise.
Frein dynamique à faible inductance dans un boîtier d'entraînement compact
Lorsque le VFD décélère le moteur, celui-ci agit comme un générateur et renvoie l'énergie régénérée au bus CC. Le circuit hacheur dérive cette énergie vers la résistance de freinage aux courants d'établissement et de coupure à haute fréquence. Si la résistance de freinage présente une inductance parasite importante, ces transitions de courant rapides produiront des pics de tension susceptibles d'endommager l'IGBT hacheur. Dans le même temps, les armoires de commande modernes sont de plus en plus petites, laissant de moins en moins d’espace physique pour le volumineux boîtier de résistance de refroidissement par convection.
Les résistances planaires à couche épaisse de la série TAP800 résolvent ces deux problèmes. Ses éléments de résistance sont construits sur un substrat céramique à haute teneur en alumine et la métallisation du fond permet un transfert de chaleur efficace. Le profil plat transfère la chaleur directement au châssis ou à la plaque froide, permettant un freinage dynamique de haute puissance dans des enceintes où les résistances de refroidissement par convection conventionnelles ne peuvent pas être installées. Cette configuration planaire minimise également l'inductance et la capacité parasites, ce qui entraîne des performances stables lorsqu'elles sont soumises à des charges d'impulsions haute fréquence.
La série TAP800 couvre une gamme de résistances de 1 Ω à 10 k Ω avec une puissance nominale continue de 800 W pour tous les modèles avec une dissipation thermique appropriée.
Un exemple typique est le TAP800K390E (Figure 2). Il a une valeur de résistance de 390 Ω et une puissance nominale de dissipation continue de 800 W lorsqu'il est monté sur des radiateurs refroidis par liquide ou par air. La spécification critique pour le freinage dynamique est son inductance de 80 NH, qui garantit que les commutateurs IGBT à grande vitesse n'induisent pas de transitoires de tension perturbateurs aux deux extrémités du circuit hacheur.
Image de la résistance plate à couche épaisse Ohmate TAP800K390E
Figure 2 : TAP800K390E est une résistance planaire à couche épaisse conçue pour le refroidissement par conduction. Source de l'image : Ohmite)
Le TAP800K390E fournit également une isolation électrique robuste entre le bus CC sous tension et la surface de montage mise à la terre. La tension de fonctionnement maximale est de 5 000 V CC et la valeur nominale de décharge partielle est de 4 kVRMS à condition que la décharge partielle soit inférieure à 10 picocoulomètres (pC), ce qui permet d'obtenir une fiabilité à long terme. Ces spécifications garantissent que l'isolation peut résister aux contraintes hautes tensions répétitives et aux transitoires de commutation typiques des entraînements industriels modernes sans se détériorer au fil du temps.
Freins dynamiques robustes pour charges à inertie élevée
Certaines applications de commande de moteur mettent moins l'accent sur un emballage compact que sur la gestion pure de l'énergie. Par exemple, dans le cas des grues industrielles, des centrifugeuses et des convoyeurs descendants robustes, la réduction de charge dans ces applications oblige le moteur à agir comme un générateur qui renvoie de grandes quantités d'énergie cinétique à l'entraînement. Dans ces cas, la résistance de freinage doit être capable de résister à de violentes surtensions et de refroidir rapidement entre les cycles pour éviter l'accumulation de chaleur.
Les résistances de la série Corrib 280 d'Ohmiti sont conçues pour cette tâche à courant élevé et à faible résistance. La série est formée en enroulant des fils de résistance ondulés autour d'un noyau tubulaire en céramique, puis en les fusionnant et en les fixant avec un revêtement en émail vitreux. Cette structure a plusieurs fonctions : les fils de résistance ondulés augmentent la surface et accélèrent la dissipation thermique ; Le noyau en céramique et le revêtement émaillé améliorent la durabilité mécanique tout en favorisant un transfert de chaleur efficace ; Le noyau creux permet à l'air de circuler à travers le corps de la résistance pour un refroidissement passif.
La puissance nominale continue de la série Corrib280 va de 35 watts à 1 500 watts, et la valeur de résistance du modèle 300 watts est aussi faible que 0,10 Ω. Cela donne au concepteur une flexibilité considérable pour adapter les résistances à des contraintes spécifiques de tension de bus, de courant de freinage et d'espace physique.
Un exemple représentatif est le C300KR50E (Figure 3). Il a une valeur de résistance de 0,5 Ω et une puissance nominale continue à l'air libre de 300 W. Plus important encore pour les conditions de freinage, la capacité de surcharge de la série Corrib280 est 10 fois supérieure à la puissance nominale pour une durée de 5 secondes (s). Pour le C300KR50E, cela correspond à des impulsions de courte durée jusqu'à 3 000 W.