A crescente densidade de potência das máquinas industriais aumenta o risco de disparos espúrios, superaquecimento e falhas catastróficas, que podem levar ao desligamento de toda a linha de produção. Para reduzir esses riscos e ao mesmo tempo atender aos requisitos de eficiência, os projetistas precisam de resistores que possam lidar com uma variedade de problemas. Alguns resistores devem ser capazes de limitar eventos de surto ou falha, alguns devem ser capazes de dissipar a energia regenerada e outros precisam fornecer dissipação de calor confiável em um gabinete compacto.
Resumindo, a seleção de resistores adequados tornou-se um passo fundamental no projeto de sistemas confiáveis de acionamento de motores industriais.
Este artigo enfoca os desafios enfrentados pelos projetistas de máquinas industriais e as vantagens da tecnologia de resistores correspondente, seguida por resistores representativos na extensa linha de produtos da Ohmate, que os projetistas podem usar para abordar cenários comuns de frenagem e proteção transitória.
Absorção de energia de impulso para limitação de corrente de surto e proteção contra surtos
Os acionamentos de motores industriais frequentemente expõem os resistores a eventos transitórios de alta energia. Um bom exemplo é a fase de pré-carga de um VFD. Quando esta fase é energizada, o capacitor do barramento CC apresenta um estado de quase curto-circuito com a fonte de alimentação, gerando um pico acentuado de corrente de inrush. Se não houver resistor limitador de corrente no circuito de pré-carga, esse pico poderá desarmar a proteção a montante ou danificar o IGBT do inversor.
Demandas semelhantes de pulso de alta energia ocorrem na absorção de energia de falha, no circuito pé-de-cabra e nos níveis de proteção da fonte de alimentação. Em todos estes casos, o resistor deve absorver pulsos de energia curtos, mas grandes, sem degradação mecânica e ser capaz de repetir esse processo ao longo de vários ciclos operacionais.
Os resistores compostos cerâmicos da série PulsA da Ohmate são projetados especificamente para essa finalidade. Sua estrutura de bloco cerâmico não indutivo permite que a energia seja distribuída uniformemente por todo o corpo, reduzindo o risco de fadiga do chumbo que poderia causar danos aos resistores enrolados convencionais. Esta construção não indutiva também ajuda a reduzir picos de tensão espúrios durante transientes rápidos de corrente, que são muito úteis em circuitos de proteção onde a borda da chave pode ser íngreme.
A Série A cobre valores de resistência de 1,0 Ohm a 15 k Ohm, classificações de potência contínua de 2,0 W a 5,5 W, classificações de tensão de impulso de 1.000 V a 2.500 V e capacidade de energia de pulso único de 250 J a 2.800 J. Essa faixa permite que os projetistas selecionem e combinem a tensão do barramento e as características de energia de um circuito de proteção específico.
Por exemplo, o AY33GKE de 3,3 Ω (Figura 1) limita o pico de corrente de pico em um barramento típico de 600 VCC a aproximadamente 180 A (I=V/R), dependendo da impedância e capacitância do sistema. Esta corrente é alta o suficiente para carregar rapidamente o banco de capacitores e baixa o suficiente para proteger o contator a montante e o IGBT. A classificação de tensão de impulso de 2.000 V fornece uma margem bem acima da tensão de barramento industrial padrão, enquanto a classificação de energia monopulso de 1.400 J fornece margem suficiente para ciclos de carregamento típicos.
Imagem do resistor Ohmite Ay33GKE
Figura 1: O resistor AY33GKE usa uma estrutura de corpo cerâmico para absorver até 1400 J de energia monopulso. Fonte da imagem: Ohmite)
Observa-se que a potência contínua do AY33GKE é de apenas 4,5 W, mas isso é suficiente para a aplicação transitória alvo. Por exemplo, uma vez concluído o ciclo de pré-carga do VFD, o resistor é desviado e nenhuma dissipação de energia é necessária.
Freio dinâmico de baixa indutância em caixa de acionamento compacta
Quando o VFD desacelera o motor, o motor atua como um gerador e devolve a energia regenerada ao barramento CC. O circuito chopper desvia essa energia para o resistor do freio em correntes de abertura e interrupção de alta frequência. Se o resistor do freio tiver indutância parasita significativa, essas rápidas transições de corrente produzirão picos de tensão que podem danificar o IGBT do chopper. Ao mesmo tempo, os gabinetes de controle modernos estão se tornando cada vez menores, deixando cada vez menos espaço físico para a volumosa caixa de resistência ao resfriamento por convecção.
Os resistores planares de filme espesso da série TAP800 resolvem esses dois problemas. Seus elementos de resistência são construídos sobre um substrato cerâmico de alto teor de alumina e a metalização do fundo permite uma transferência de calor eficiente. O perfil plano transfere o calor diretamente para o chassi ou para a placa fria, permitindo frenagem dinâmica de alta potência em gabinetes onde os resistores de resfriamento por convecção convencionais não podem ser instalados. Esta configuração planar também minimiza a indutância e a capacitância parasitas, resultando em desempenho estável quando submetido a cargas de pulso de alta frequência.
A série TAP800 cobre uma gama de resistências de 1 Ω a 10 k Ω com uma classificação contínua de 800 W para todos os modelos com dissipação de calor adequada.
Um exemplo típico é o TAP800K390E (Figura 2). Possui um valor de resistência de 390 Ω e uma classificação de dissipação de potência contínua de 800 W quando montado em radiadores refrigerados a líquido ou a ar. A especificação crítica para frenagem dinâmica é sua indutância de 80 NH, que garante que as chaves IGBT de alta velocidade não induzam transientes de tensão disruptivos em ambas as extremidades do circuito chopper.
Imagem do resistor plano de filme espesso Ohmate TAP800K390E
Figura 2: TAP800K390E é um resistor planar de filme espesso projetado para resfriamento por condução. Fonte da imagem: Ohmite)
O TAP800K390E também fornece isolamento elétrico robusto entre o barramento CC ativo e a superfície de montagem aterrada. A tensão operacional máxima é de 5.000 VCC e o valor nominal de descarga parcial é de 4 kVRMS, sob a condição de que a descarga parcial seja inferior a 10 picocoulometros (pC), para que a confiabilidade de longo prazo possa ser alcançada. Estas especificações garantem que o isolamento possa suportar tensões repetitivas de alta tensão e transientes de comutação típicos de acionamentos industriais modernos, sem deterioração ao longo do tempo.
Freios dinâmicos de alta resistência para cargas de alta inércia
Algumas aplicações de acionamento motorizado dão menos ênfase a embalagens compactas do que ao puro manuseio de energia. Por exemplo, em guindastes industriais, centrífugas e transportadores em declive para serviços pesados, a redução de carga nessas aplicações força o motor a atuar como um gerador que realimenta grandes quantidades de energia cinética ao acionamento. Nestes casos, o resistor do freio deve ser capaz de resistir a surtos violentos e resfriar rapidamente entre os ciclos para evitar o acúmulo de calor.
Os resistores da série Corrib 280 da Ohmiti são projetados para esta tarefa de alta corrente e baixa resistência. A série é formada enrolando fios de resistência corrugados em torno de um núcleo cerâmico tubular e fundindo-os e fixando-os com um revestimento de esmalte vítreo. Essa estrutura tem diversas funções: fios de resistência corrugados aumentam a área superficial e aceleram a dissipação de calor; O núcleo cerâmico e o revestimento de esmalte melhoram a durabilidade mecânica ao mesmo tempo que promovem uma transferência de calor eficiente; O núcleo oco permite que o ar flua através do corpo do resistor para resfriamento passivo.
A potência contínua da série Corrib280 varia de 35 watts a 1.500 watts, e o valor de resistência do modelo de 300 watts é tão baixo quanto 0,10 Ω. Isto dá ao projetista uma flexibilidade considerável para combinar os resistores com tensões específicas do barramento, corrente de frenagem e restrições de espaço físico.
Um exemplo representativo é o C300KR50E (Figura 3). Ele tem um valor de resistência de 0,5 Ω e uma classificação de ar livre contínuo de 300 W. Mais importante ainda para condições de frenagem, a classificação de sobrecarga da série Corrib280 é 10 vezes a potência nominal por uma duração de 5 segundos (s). Para C300KR50E, isso corresponde a pulsos de curta duração de até 3.000 W.