Consejos para la selección de resistencias de potencia para accionamientos de motores industriales

El aumento de la densidad de potencia de la maquinaria industrial aumenta el riesgo de disparos molestos, sobrecalentamiento y fallos catastróficos que pueden paralizar toda una línea de producción. Para mitigar estos riesgos y cumplir al mismo tiempo los requisitos de eficiencia, los diseñadores necesitan resistencias que aborden múltiples problemas. Algunas resistencias deben limitar las irrupciones o los fallos, otras deben disipar la energía regenerativa y otras deben proporcionar un rendimiento térmico fiable en un gabinete compacto. 

En resumen, elegir la resistencia adecuada se ha convertido en una parte crucial del diseño de sistemas de accionamiento de motores industriales fiables.

Este artículo destaca los retos a los que se enfrentan los diseñadores de maquinaria industrial y las ventajas de las correspondientes tecnologías de resistencia. A continuación, Ohmite presenta ejemplos de resistencias de su amplia gama que los diseñadores pueden utilizar para abordar estos desafíos en escenarios comunes de frenado y protección contra transitorios.

Absorción de energía de pulsos para limitación de impulsos y protección contra sobretensiones

Los motores industriales someten rutinariamente las resistencias a eventos transitorios de alta energía. La etapa de precarga de un variador de frecuencia variable (VFD) es un buen ejemplo. Cuando esta etapa se enciende, sus condensadores de bus de corriente continua presentan un evento cercano al cortocircuito en la fuente, produciendo un pico brusco de corriente de irrupción. Sin una resistencia limitadora de corriente en la ruta de precarga, este pico puede disparar la protección aguas arriba o dañar los transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT) del convertidor.

Demandas similares de pulsos de alta energía surgen en la absorción de energía de fallos, circuitos de palanca y etapas de protección de fuentes de alimentación. En todos estos casos, una resistencia debe absorber un pulso de energía breve pero grande sin degradación mecánica, lo que permite que este proceso se repita a lo largo de muchos ciclos de funcionamiento.

Las resistencias compuestas cerámicas PulsEater Serie A de Ohmite están diseñadas específicamente para este propósito. Su construcción cerámica a granel no inductiva distribuye la energía de manera uniforme a lo largo del cuerpo de resistencias, reduciendo el riesgo de fatiga del cable que puede dañar las resistencias bobinadas convencionales. Esa misma estructura no inductiva también ayuda a reducir picos de tensión parásitos durante transitorios de corriente rápida, lo cual es útil en circuitos de protección donde los bordes de conmutación pueden ser bruscos.

La serie A cubre valores de resistencia desde 1,0 Ω hasta 15 kΩ, potencias continuas de 2,0 W a 5,5 W, potencias de impulso de 1.000 V a 2.500 V, y capacidades de energía de impulso único de 250 J a 2.800 J. Esta gama permite a los diseñadores adaptar su selección al voltaje de bus y al perfil energético de un circuito de protección específico.

Por ejemplo, el AY33GKE de 3,3 Ω (Figura 1) puede limitar el pico de irrupción en un bus típico de 600 V_CC a aproximadamente 180 A (I = V/R), dependiendo de la impedancia y capacitancia del sistema. Este valor es lo suficientemente alto como para cargar rápidamente la batería de condensadores, pero lo suficientemente bajo como para proteger los contactores e IGBT aguas arriba. El valor nominal de impulso de 2.000 V proporciona un margen de sobrecarga muy superior al voltaje industrial estándar de bus, y el valor nominal de energía de impulso único de 1.400 J da un amplio margen para un ciclo de carga típico.

Imagen 1: La resistencia AY33GKE utiliza una construcción de cerámica a granel para absorber hasta 1.400 J de energía de un solo impulso. (Fuente de la imagen: Ohmite)

Cabe destacar que el AY33GKE tiene una potencia continua modesta de 4,5 W. Esto es suficiente para las aplicaciones transitorias objetivo. Por ejemplo, una vez completado un ciclo de precarga VFD, la resistencia será omitida y ya no necesitará disipar energía.

Frenado dinámico de baja inductancia en carcasas de transmisión compactas

Cuando un VFD desacelera un motor, este actúa como generador, alimentando energía regenerativa de vuelta al bus de corriente continua. Un circuito chopper desvía esta energía a una resistencia de frenado, encendiendo y apagando la corriente a alta frecuencia. Si la resistencia de frenado tiene una inductancia parásita significativa, estas rápidas transiciones de corriente producen picos de tensión que pueden dañar los IGBT del chopper. Al mismo tiempo, los gabinetes de control modernos se están reduciendo, dejando a los diseñadores con menos espacio físico para bancos de resistencias voluminosos refrigerados por convección.

Las resistencias planares de película gruesa de la serie TAP800 abordan ambas preocupaciones. El elemento resistivo se construye sobre un sustrato cerámico de alta alúmina que se metaliza en la parte inferior para una transferencia térmica eficiente. El factor de forma planar descarga calor directamente en un chasis o placa fría, permitiendo un frenado dinámico de alta potencia en carcasas donde una resistencia tradicional refrigerada por convección no cabría. Esta construcción plana también minimiza la inductancia y capacitancia parásitas, estabilizando así el rendimiento bajo cargas de pulsos de alta frecuencia.

La serie TAP800 cubre valores de resistencia de 1 Ω a 10 kΩ, todos con una potencia nominal de 800 W continuos con el disipador adecuado. Este amplio rango permite que una plataforma de resistencia única sirva a circuitos de frenado en un amplio rango de voltajes y niveles de potencia.

La serie TAP800K390E (figura 2) es un ejemplo representativo. Con 390 Ω, está clasificada para 800 W de disipación continua de potencia cuando se monta en un disipador de calor refrigerado por líquido o aire. La especificación crítica para el frenado dinámico es su inductancia de 80 nanohenry (nH), que garantiza que la conmutación de IGBT a alta velocidad no induce a transitorios destructivos de voltaje a través del circuito del chopper.

Figura 2: La serie TAP800K390E es una resistencia plana de película gruesa diseñada para el uso con refrigeración por conducción. (Fuente de la imagen: Ohmite)

La serie TAP800K390E también proporciona un aislamiento eléctrico robusto entre el bus de corriente continua activa y la superficie de montaje conectada a tierra. Con una tensión máxima de trabajo de 5.000 V_CC y una capacidad de descarga parcial de 4 kV_RMS a menos de 10 picoculombios (PC), está diseñada para ofrecer fiabilidad a largo plazo. Estas especificaciones garantizan que el aislamiento resista la tensión repetitiva de alta tensión y los transitorios de conmutación característicos de los accionamientos industriales modernos sin degradarse con el paso del tiempo.

Frenado dinámico de alta resistencia para cargas de alta inercia

Algunas aplicaciones con motor ponen menos énfasis en el embalaje compacto y más en el manejo de pura energía. Ejemplos incluyen grúas industriales, centrífugas y cintas transportadoras fuertemente cargadas en descenso, donde desacelerar la carga obliga al motor a actuar como generador, devolviendo grandes cantidades de energía cinética al motor. En estos casos, la resistencia de frenado debe soportar fuertes sobrecargas y enfriarse rápidamente entre ciclos para evitar acumulaciones térmicas.

Las resistencias de la serie Corrib280 de Ohmite están diseñadas precisamente para este tipo de servicio de alta corriente y baja resistencia. La serie consiste en un cable resistivo corrugado bobinado sobre un núcleo cerámico tubular y fusionado en su lugar con un recubrimiento de esmalte vítreo. Esta construcción cumple varios propósitos: el cable estriado aumenta la superficie para una disipación más rápida del calor, el núcleo cerámico y el recubrimiento de esmalte favorecen una transferencia eficiente de calor mientras mejoran la durabilidad mecánica, y la estructura de núcleo hueco permite el flujo de aire a través del cuerpo de resistencia para la refrigeración pasiva.

La serie Corrib280 está disponible con potencias continuas de 35 a 1.500 vatios, con valores de resistencia tan bajos como 0,10 Ω en los modelos de 300 vatios. Esto ofrece a los diseñadores una flexibilidad considerable para adaptar la resistencia a tensiones específicas del bus, corrientes de frenado y limitaciones de espacio físico.

La serie C300KR50E (figura 3) es un ejemplo representativo. Proporciona 0,5 Ω de resistencia y una potencia continua de aire libre de 300 W. Más importante aún para el servicio de frenada, la serie Corrib280 está clasificada para sobrecargas de 10 veces la potencia nominal durante 5 segundos (s). En el caso de la serie C300KR50E, esto corresponde a un pulso a corto plazo de hasta 3.000 W.

Imagen 3: La serie C300KR50E utiliza un cable resistivo ondulado bobinado alrededor de un núcleo hueco para maximizar la masa térmica y la refrigeración por aire. (Fuente de la imagen: Ohmite)

Resistencias de frenado y carga refrigeradas por conducción compactas

Las máquinas más pequeñas, los vehículos guiados automatizados (AGV) y las adaptaciones de gabinetes de control suelen requerir resistencias de frenado o carga en espacios físicos muy restringidos. En estos recintos reducidos, la convección tradicional de aire libre es frecuentemente insuficiente para disipar el calor. De hecho, el calor generado por una resistencia bobinada estándar puede dañar fácilmente los componentes circundantes. Para solucionar esto, los diseñadores pueden emplear enfriamiento por conducción para disipar la energía térmica hacia un chasis de máquina, una pared de armario o una placa fría dedicada.

Las resistencias de la serie Arcol HS de Ohmite están diseñadas específicamente para estos escenarios. Estas resistencias bobinadas cuentan con una carcasa de aluminio con aletas y una superficie de montaje plana optimizada para la conductividad térmica de un disipador. La familia abarca potencias nominales de 10 a 300 vatios y valores de resistencia de 0,005 Ω a 100 kΩ. Para diseños sensibles a la inductancia parásita, también hay disponibles variantes no inductivas.

Utilizando la refrigeración por conducción, esta arquitectura puede alcanzar densidades de potencia significativamente superiores a las de las resistencias tradicionales al aire libre. Por ejemplo, cuando se monta en un disipador, la serie HS100 puede disipar 100 W. En comparación, esta misma serie está diseñada para solo 30 vatios sin el disipador.

La serie HS100 R47 J (figura 4) es una pieza representativa. A 0,47 Ω, su baja resistencia se adapta bien a los perfiles de frenado de AGV y pequeños servoaccionamientos, donde eventos cortos e intensos de desaceleración se intercalan con periodos de recorrido más largos. La potencia continua de 100 vatios proporciona suficiente capacidad para disipar la energía de frenado promediada durante este tipo de ciclo de trabajo. Su carcasa de aluminio con aletas está diseñada para el montaje en disipadores de calor.

Figura 4: La serie HS100 R47 J utiliza una carcasa de aluminio con aletas diseñada para el montaje en un disipador térmico. (Fuente de la imagen: Ohmite)

Conclusión

Los diseñadores de maquinaria industrial de alta potencia deben mitigar los riesgos de disparos molestos, sobrecalentamiento y fallos catastróficos, al tiempo que cumplen con los requisitos de eficiencia. Cuando se eligen cuidadosamente para adaptarse a la aplicación, las soluciones de resistencias de Ohmite abordan múltiples problemas, desde mitigar eventos de entrada o fallos hasta proporcionar un rendimiento térmico fiable en carcasas compactas, logrando un rendimiento robusto bajo condiciones de funcionamiento adversas.