Die zunehmende Leistungsdichte von Industriemaschinen erhöht das Risiko von Fehlauslösungen, Überhitzung und katastrophalen Ausfällen, die zum Stillstand der gesamten Produktionslinie führen können. Um diese Risiken zu reduzieren und gleichzeitig die Effizienzanforderungen zu erfüllen, benötigen Entwickler Widerstände, die eine Vielzahl von Problemen bewältigen können. Einige Widerstände müssen in der Lage sein, Überspannungen oder Fehlerereignisse zu begrenzen, andere müssen in der Lage sein, regenerierte Energie abzuleiten, und andere müssen eine zuverlässige Wärmeableitung in einem kompakten Gehäuse gewährleisten.
Kurz gesagt, die Auswahl geeigneter Widerstände ist zu einem wichtigen Schritt bei der Entwicklung zuverlässiger industrieller Motorantriebssysteme geworden.
Dieses Dokument konzentriert sich auf die Herausforderungen, denen sich Konstrukteure von Industriemaschinen gegenübersehen, und auf die Vorteile der entsprechenden Widerstandstechnologie. Anschließend werden repräsentative Widerstände aus der umfangreichen Produktlinie von Ohmate vorgestellt, mit denen Konstrukteure gängige Brems- und Transientenschutzszenarien bewältigen können.
Impulsenergieaufnahme zur Stoßstrombegrenzung und zum Überspannungsschutz
Industrielle Motorantriebe setzen Widerstände häufig vorübergehenden Hochenergieereignissen aus. Ein gutes Beispiel ist die Vorladephase eines VFD. Wenn diese Phase mit Strom versorgt wird, stellt der DC-Bus-Kondensator einen Zustand nahezu eines Kurzschlusses zur Stromversorgung dar, wodurch eine steile Einschaltstromspitze erzeugt wird. Wenn im Vorladekreis kein Strombegrenzungswiderstand vorhanden ist, kann diese Spitze den vorgeschalteten Schutz auslösen oder den IGBT des Antriebs beschädigen.
Ähnlich hohe Energieimpulsanforderungen treten bei Fehlerenergieabsorption, Crowbar-Schaltung und Stromversorgungsschutzniveaus auf. In all diesen Fällen muss der Widerstand kurze, aber große Energieimpulse ohne mechanische Beeinträchtigung absorbieren und diesen Vorgang über mehrere Betriebszyklen hinweg wiederholen können.
Die Keramikverbundwiderstände der PulsA-Serie von Ohmate wurden speziell für diesen Zweck entwickelt. Seine nicht-induktive Blockkeramikstruktur ermöglicht eine gleichmäßige Energieverteilung im Körper und verringert so das Risiko einer Leitungsermüdung, die zu Schäden an herkömmlichen gewickelten Widerständen führen könnte. Diese nichtinduktive Konstruktion trägt auch dazu bei, störende Spannungsspitzen bei schnellen Stromübergängen zu reduzieren, was bei Schutzschaltungen, bei denen die Schaltflanke möglicherweise steil ist, sehr nützlich ist.
Die Serie A deckt Widerstandswerte von 1,0 Ohm bis 15 kOhm, Dauerleistungen von 2,0 W bis 5,5 W, Impulsspannungswerte von 1000 V bis 2500 V und Einzelimpuls-Energiekapazitäten von 250 J bis 2800 J ab. Dieser Bereich ermöglicht Entwicklern die Auswahl und Anpassung der Busspannung und Energieeigenschaften einer bestimmten Schutzschaltung.
Beispielsweise begrenzt der 3,3 Ω AY33GKE (Abbildung 1) den Spitzenstoßstrom auf einem typischen 600-VDC-Bus auf etwa 180 A (I=V/R), abhängig von der Systemimpedanz und -kapazität. Dieser Strom ist hoch genug, um die Kondensatorbank schnell aufzuladen, und niedrig genug, um das vorgeschaltete Schütz und den IGBT zu schützen. Die Impulsspannung von 2000 V bietet einen Spielraum, der deutlich über der industriellen Busspannung liegt, während die Monopuls-Energienennleistung von 1400 J ausreichend Spielraum für typische Ladezyklen bietet.
Ohmite Ay33GKE Widerstandsbild
Abbildung 1: Der AY33GKE-Widerstand verwendet eine Körperkeramikstruktur, um bis zu 1400 J Monopulsenergie zu absorbieren. Bildquelle: Ohmite)
Es ist zu beachten, dass die Dauernennleistung des AY33GKE nur 4,5 W beträgt, dies reicht jedoch für die angestrebte transiente Anwendung aus. Sobald beispielsweise der VFD-Vorladezyklus abgeschlossen ist, wird der Widerstand umgangen und es ist keine Energiedissipation erforderlich.
Dynamische Bremse mit niedriger Induktivität im kompakten Antriebsgehäuse
Wenn der VFD den Motor abbremst, fungiert der Motor als Generator und speist die regenerierte Energie zurück in den DC-Bus. Der Chopper-Schaltkreis leitet diese Energie mit hochfrequenten Ein- und Ausschaltströmen zum Bremswiderstand weiter. Wenn der Bremswiderstand eine erhebliche parasitäre Induktivität aufweist, erzeugen diese schnellen Stromübergänge Spannungsspitzen, die den Chopper-IGBT beschädigen können. Gleichzeitig werden moderne Schaltschränke immer kleiner und lassen immer weniger Platz für den sperrigen Konvektionskühlwiderstandskasten.
Dickschicht-Planarwiderstände der Serie TAP800 lösen diese beiden Probleme. Seine Widerstandselemente sind auf einem Keramiksubstrat mit hohem Aluminiumoxidgehalt aufgebaut und die untere Metallisierung ermöglicht eine effiziente Wärmeübertragung. Das flache Profil überträgt die Wärme direkt auf das Chassis oder die Kühlplatte und ermöglicht so dynamisches Hochleistungsbremsen in Gehäusen, in denen herkömmliche Konvektionskühlwiderstände nicht installiert werden können. Diese planare Konfiguration minimiert außerdem parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten, was zu einer stabilen Leistung führt, wenn es hochfrequenten Impulslasten ausgesetzt wird.
Die TAP800-Serie deckt einen Widerstandsbereich von 1 Ω bis 10 k Ω mit einer Dauerleistung von 800 W für alle Modelle mit entsprechender Wärmeableitung ab.
Ein typisches Beispiel ist TAP800K390E (Abbildung 2). Es hat einen Widerstandswert von 390 Ω und eine kontinuierliche Verlustleistung von 800 W, wenn es auf flüssigkeits- oder luftgekühlten Heizkörpern montiert wird. Die entscheidende Spezifikation für dynamisches Bremsen ist seine Induktivität von 80 NH, die sicherstellt, dass Hochgeschwindigkeits-IGBT-Schalter keine störenden Spannungstransienten an beiden Enden des Chopper-Schaltkreises induzieren.
Bild des Ohmate TAP800K390E Dickschicht-Flachwiderstands
Abbildung 2: TAP800K390E ist ein Dickschicht-Planarwiderstand, der für die Leitungskühlung entwickelt wurde. Bildquelle: Ohmite)
TAP800K390E bietet außerdem eine robuste elektrische Isolierung zwischen dem stromführenden DC-Bus und der geerdeten Montagefläche. Die maximale Betriebsspannung beträgt 5000 VDC und der Nennwert der Teilentladung beträgt 4 kVRMS unter der Bedingung, dass die Teilentladung weniger als 10 Picocoulometer (pC) beträgt, sodass eine langfristige Zuverlässigkeit erreicht werden kann. Diese Spezifikationen stellen sicher, dass die Isolierung wiederholten Hochspannungsbelastungen und Schalttransienten, die für moderne Industrieantriebe typisch sind, standhalten kann, ohne dass sich die Isolierung im Laufe der Zeit verschlechtert.
Dynamische Hochleistungsbremsen für Lasten mit hoher Trägheit
Bei einigen Motorantriebsanwendungen wird weniger Wert auf eine kompakte Bauweise als vielmehr auf die reine Energiehandhabung gelegt. Beispielsweise bei Industriekränen, Zentrifugen und Schwerlast-Abwärtsförderern zwingt die Lastreduzierung in diesen Anwendungen den Motor dazu, als Generator zu fungieren, der große Mengen kinetischer Energie an den Antrieb zurückspeist. In diesen Fällen muss der Bremswiderstand starken Überspannungen standhalten und zwischen den Zyklen schnell abkühlen, um einen Hitzestau zu vermeiden.
Die Widerstände der Serie Corrib 280 von Ohmiti sind für diesen Hochstrombetrieb mit niedrigem Widerstand ausgelegt. Die Serie wird gebildet, indem gewellte Widerstandsdrähte um einen röhrenförmigen Keramikkern gewickelt und mit einer Glasemailbeschichtung verschmolzen und fixiert werden. Diese Struktur hat mehrere Funktionen: gewellte Widerstandsdrähte vergrößern die Oberfläche und beschleunigen die Wärmeableitung; Keramikkern und Glasurbeschichtung verbessern die mechanische Haltbarkeit und fördern gleichzeitig eine effiziente Wärmeübertragung; Der Hohlkern ermöglicht den Luftstrom durch den Widerstandskörper zur passiven Kühlung.
Die Dauernennleistung der Corrib280-Serie reicht von 35 Watt bis 1500 Watt, und der Widerstandswert des 300-Watt-Modells beträgt nur 0,10 Ω. Dies gibt dem Entwickler erhebliche Flexibilität bei der Anpassung der Widerstände an bestimmte Busspannungen, Bremsströme und räumliche Beschränkungen.
Ein repräsentatives Beispiel ist C300KR50E (Abbildung 3). Er hat einen Widerstandswert von 0,5 Ω und eine kontinuierliche freie Luftleistung von 300 W. Noch wichtiger für Bremsbedingungen ist, dass die Überlastleistung der Corrib280-Serie das Zehnfache der Nennleistung für eine Dauer von 5 Sekunden (s) beträgt. Beim C300KR50E entspricht dies Kurzzeitimpulsen bis 3000 W.