เทคนิคการเลือกตัวต้านทานกำลังสำหรับมอเตอร์ขับเคลื่อนอุตสาหกรรม

ความหนาแน่นของพลังงานที่เพิ่มขึ้นของเครื่องจักรอุตสาหกรรมเพิ่มความเสี่ยงของการสะดุดสะดุด ความร้อนสูงเกิน และความล้มเหลวร้ายแรง ซึ่งอาจนำไปสู่การปิดสายการผลิตทั้งหมด เพื่อลดความเสี่ยงเหล่านี้ในขณะที่ปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ ผู้ออกแบบจึงจำเป็นต้องมีตัวต้านทานที่สามารถจัดการกับปัญหาต่างๆ ได้ ตัวต้านทานบางตัวต้องสามารถจำกัดเหตุการณ์ไฟกระชากหรือข้อผิดพลาดได้ ตัวต้านทานบางตัวต้องสามารถกระจายพลังงานที่สร้างใหม่ได้ และบางตัวจำเป็นต้องกระจายความร้อนที่เชื่อถือได้ในตู้ขนาดกะทัดรัด

กล่าวโดยสรุป การเลือกตัวต้านทานที่เหมาะสมได้กลายเป็นขั้นตอนสำคัญในการออกแบบระบบขับเคลื่อนมอเตอร์อุตสาหกรรมที่เชื่อถือได้

บทความนี้มุ่งเน้นไปที่ความท้าทายที่นักออกแบบเครื่องจักรอุตสาหกรรมต้องเผชิญและข้อดีของเทคโนโลยีตัวต้านทานที่สอดคล้องกัน ตามด้วยตัวต้านทานตัวแทนในสายผลิตภัณฑ์ที่ครอบคลุมของ Ohmate ซึ่งนักออกแบบสามารถใช้เพื่อจัดการกับสถานการณ์การเบรกและการป้องกันชั่วคราวทั่วไป

การดูดซับพลังงานอิมพัลส์สำหรับการจำกัดกระแสไฟกระชากและการป้องกันไฟกระชาก
มอเตอร์ขับเคลื่อนอุตสาหกรรมมักจะปล่อยให้ตัวต้านทานเผชิญกับเหตุการณ์พลังงานสูงชั่วคราว ตัวอย่างที่ดีคือระยะการชาร์จล่วงหน้าของ VFD เมื่อเฟสนี้ได้รับพลังงาน ตัวเก็บประจุบัส DC จะแสดงสถานะใกล้กับการลัดวงจรไปยังแหล่งจ่ายไฟ ทำให้เกิดกระแสพุ่งสูงสุดที่สูงชัน หากไม่มีตัวต้านทานจำกัดกระแสในวงจรพรีชาร์จ การขัดขวางนี้สามารถตัดการทำงานของการป้องกันอัปสตรีมหรือทำให้ IGBT ของไดรฟ์เสียหายได้

ความต้องการพัลส์พลังงานสูงที่คล้ายกันเกิดขึ้นในการดูดซับพลังงานข้อผิดพลาด วงจรชะแลง และระดับการป้องกันแหล่งจ่ายไฟ ในกรณีเหล่านี้ทั้งหมด ตัวต้านทานจะต้องดูดซับพัลส์พลังงานที่สั้นแต่มีขนาดใหญ่โดยไม่มีการเสื่อมสลายทางกล และสามารถทำซ้ำกระบวนการนี้ได้ตลอดรอบการทำงานจำนวนหนึ่ง

ตัวต้านทานเซรามิกคอมโพสิตซีรีส์ PulsA ของ Ohmate ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อจุดประสงค์นี้ โครงสร้างเซรามิกบล็อกแบบไม่เหนี่ยวนำช่วยให้พลังงานมีการกระจายอย่างสม่ำเสมอทั่วร่างกาย ลดความเสี่ยงของความล้าของตะกั่วที่อาจสร้างความเสียหายให้กับตัวต้านทานแบบพันแผลแบบทั่วไป โครงสร้างที่ไม่เหนี่ยวนำนี้ยังช่วยลดแรงดันไฟปลอมระหว่างกระแสไฟกระชากอย่างรวดเร็ว ซึ่งมีประโยชน์มากในวงจรป้องกันที่ขอบสวิตช์อาจสูงชัน

ซีรีส์ A ครอบคลุมค่าความต้านทานตั้งแต่ 1.0 โอห์มถึง 15 k โอห์ม อัตรากำลังต่อเนื่องตั้งแต่ 2.0 W ถึง 5.5 W อัตราแรงดันอิมพัลส์ตั้งแต่ 1000 V ถึง 2500 V และความจุพลังงานพัลส์เดี่ยวตั้งแต่ 250 J ถึง 2800 J ช่วงนี้ช่วยให้นักออกแบบสามารถเลือกและจับคู่แรงดันไฟฟ้าบัสและคุณลักษณะพลังงานของวงจรป้องกันเฉพาะ

ตัวอย่างเช่น 3.3 Ω AY33GKE (รูปที่ 1) จำกัดกระแสไฟกระชากสูงสุดบนบัส 600 VDC ทั่วไปที่ประมาณ 180 A (I=V/R) ขึ้นอยู่กับอิมพีแดนซ์และความจุของระบบ กระแสไฟฟ้านี้สูงพอที่จะชาร์จธนาคารตัวเก็บประจุได้อย่างรวดเร็ว และต่ำพอที่จะป้องกันคอนแทคเตอร์อัปสตรีมและ IGBT พิกัดแรงดันไฟฟ้าอิมพัลส์ 2000 V ให้ส่วนต่างที่สูงกว่าแรงดันไฟฟ้าบัสอุตสาหกรรมมาตรฐาน ในขณะที่พิกัดพลังงานโมโนพัลส์ 1400 J ให้ส่วนต่างที่เพียงพอสำหรับรอบการชาร์จทั่วไป

รูปภาพตัวต้านทาน Ohmite Ay33GKE
รูปที่ 1: ตัวต้านทาน AY33GKE ใช้โครงสร้างเซรามิกของตัวเครื่องเพื่อดูดซับพลังงานโมโนพัลส์สูงถึง 1,400 J แหล่งที่มาของภาพ: Ohmite)

สังเกตว่าพิกัดกำลังต่อเนื่องของ AY33GKE อยู่ที่เพียง 4.5 W เท่านั้น แต่ถือว่าเพียงพอสำหรับการใช้งานชั่วคราวที่เป็นเป้าหมาย ตัวอย่างเช่น เมื่อรอบการชาร์จล่วงหน้า VFD เสร็จสิ้น ตัวต้านทานจะถูกบายพาส และไม่จำเป็นต้องกระจายพลังงาน

เบรกไดนามิกความเหนี่ยวนำต่ำในตัวขับขนาดกะทัดรัด
เมื่อ VFD ลดความเร็วของมอเตอร์ มอเตอร์จะทำหน้าที่เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและป้อนพลังงานที่สร้างใหม่กลับไปยังบัส DC วงจรชอปเปอร์จะแบ่งพลังงานนี้ไปยังตัวต้านทานเบรกที่ความถี่สูงที่สร้างและทำลายกระแส หากตัวต้านทานเบรกมีการเหนี่ยวนำปรสิตอย่างมีนัยสำคัญ การเปลี่ยนผ่านกระแสอย่างรวดเร็วเหล่านี้จะทำให้เกิดแรงดันไฟกระชากซึ่งอาจสร้างความเสียหายให้กับ Chopper IGBT ในขณะเดียวกัน ตู้ควบคุมสมัยใหม่ก็มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ ทำให้เหลือพื้นที่ทางกายภาพน้อยลงสำหรับกล่องต้านทานการพาความเย็นแบบพาความร้อนขนาดใหญ่

ตัวต้านทานระนาบฟิล์มหนาซีรีย์ TAP800 แก้ปัญหาทั้งสองนี้ได้ องค์ประกอบความต้านทานถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิวเซรามิกอลูมินาสูงและการเคลือบโลหะด้านล่างช่วยให้สามารถถ่ายเทความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ โปรไฟล์แบบเรียบจะส่งความร้อนโดยตรงไปยังแชสซีหรือไปยังแผ่นทำความเย็น ช่วยให้สามารถเบรกไดนามิกกำลังสูงในกรอบหุ้มที่ไม่สามารถติดตั้งตัวต้านทานการระบายความร้อนแบบพาความร้อนแบบทั่วไปได้ การกำหนดค่าระนาบนี้ยังลดการเหนี่ยวนำและความจุของปรสิตให้เหลือน้อยที่สุด ส่งผลให้ประสิทธิภาพมีเสถียรภาพเมื่ออยู่ภายใต้โหลดพัลส์ความถี่สูง

ซีรีส์ TAP800 ครอบคลุมช่วงความต้านทานตั้งแต่ 1 Ω ถึง 10 k Ω ด้วยพิกัดต่อเนื่อง 800 W สำหรับทุกรุ่นที่มีการระบายความร้อนที่เหมาะสม

ตัวอย่างทั่วไปคือ TAP800K390E (รูปที่ 2) มีค่าความต้านทาน 390 Ω และอัตราการกระจายพลังงานต่อเนื่อง 800 W เมื่อติดตั้งบนหม้อน้ำระบายความร้อนด้วยของเหลวหรืออากาศ ข้อมูลจำเพาะที่สำคัญสำหรับการเบรกแบบไดนามิกคือการเหนี่ยวนำที่ 80 NH ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ว่าสวิตช์ IGBT ความเร็วสูงจะไม่เหนี่ยวนำให้เกิดแรงดันไฟกระชากชั่วคราวที่ปลายทั้งสองด้านของวงจรชอปเปอร์

รูปภาพของตัวต้านทานแบบฟิล์มหนา Ohmate TAP800K390E
รูปที่ 2: TAP800K390E เป็นตัวต้านทานระนาบฟิล์มหนาที่ออกแบบมาเพื่อระบายความร้อนแบบการนำไฟฟ้า แหล่งที่มาของภาพ: Ohmite)

TAP800K390E ยังให้การแยกทางไฟฟ้าที่แข็งแกร่งระหว่างบัส DC ที่มีกระแสไฟและพื้นผิวการติดตั้งที่มีการต่อสายดิน แรงดันไฟฟ้าในการทำงานสูงสุดคือ 5000 VDC และค่าพิกัดของการคายประจุบางส่วนคือ 4 kVRMS ภายใต้เงื่อนไขว่าการคายประจุบางส่วนน้อยกว่า 10 Picocoulometer (pC) ดังนั้นจึงได้รับความน่าเชื่อถือในระยะยาว ข้อมูลจำเพาะเหล่านี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าฉนวนสามารถทนต่อแรงดันไฟฟ้าแรงสูงซ้ำๆ และการสลับภาวะชั่วครู่ตามแบบฉบับของไดรฟ์อุตสาหกรรมสมัยใหม่ได้โดยไม่เสื่อมสภาพเมื่อเวลาผ่านไป

เบรกแบบไดนามิกสำหรับงานหนักสำหรับโหลดที่มีความเฉื่อยสูง
การใช้งานมอเตอร์ไดรฟ์บางประเภทให้ความสำคัญกับบรรจุภัณฑ์ขนาดกะทัดรัดน้อยกว่าการจัดการพลังงานบริสุทธิ์ ตัวอย่างเช่น เครนอุตสาหกรรม เครื่องหมุนเหวี่ยง และสายพานลำเลียงแบบลงเนินสำหรับงานหนัก การลดภาระในการใช้งานเหล่านี้ บังคับให้มอเตอร์ทำหน้าที่เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ป้อนพลังงานจลน์จำนวนมากกลับไปสู่ระบบขับเคลื่อน ในกรณีเหล่านี้ ตัวต้านทานเบรกจะต้องสามารถทนต่อไฟกระชากที่รุนแรงและเย็นลงอย่างรวดเร็วระหว่างรอบเพื่อหลีกเลี่ยงการสะสมความร้อน

ตัวต้านทานซีรีส์ Corrib 280 ของ Ohmiti ได้รับการออกแบบมาเพื่อหน้าที่ต้านทานกระแสไฟฟ้าสูงและต่ำ ซีรีส์นี้ประกอบขึ้นโดยการพันลวดต้านทานแบบลูกฟูกรอบๆ แกนเซรามิกแบบท่อ แล้วหลอมและยึดลวดเหล่านั้นด้วยการเคลือบอีนาเมลแบบแก้ว โครงสร้างนี้มีหน้าที่หลายอย่าง: ลวดต้านทานลูกฟูกจะเพิ่มพื้นที่ผิวและเร่งการกระจายความร้อน แกนเซรามิกและการเคลือบเคลือบช่วยเพิ่มความทนทานเชิงกลในขณะที่ส่งเสริมการถ่ายเทความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ แกนกลวงช่วยให้อากาศไหลผ่านตัวตัวต้านทานเพื่อการระบายความร้อนแบบพาสซีฟ

อัตรากำลังต่อเนื่องของซีรีส์ Corrib280 มีตั้งแต่ 35 วัตต์ถึง 1500 วัตต์ และค่าความต้านทานของรุ่น 300 วัตต์ต่ำเพียง 0.10 Ω สิ่งนี้ทำให้ผู้ออกแบบมีความยืดหยุ่นอย่างมากในการจับคู่ตัวต้านทานกับแรงดันบัสเฉพาะ กระแสไฟเบรก และข้อจำกัดด้านพื้นที่ทางกายภาพ

ตัวอย่างที่เป็นตัวแทนคือ C300KR50E (รูปที่ 3) โดยมีค่าความต้านทาน 0.5 Ω และอัตราอากาศอิสระต่อเนื่องที่ 300 W ที่สำคัญกว่านั้นสำหรับสภาวะการเบรก พิกัดโอเวอร์โหลดของซีรีส์ Corrib280 จะเป็น 10 เท่าของกำลังปกติในระยะเวลา 5 วินาที สำหรับ C300KR50E ค่านี้สอดคล้องกับพัลส์เวลาสั้นสูงถึง 3000 W