Sélectionner des résistances de puissance pour les entraînements de moteurs industriels

La densité de puissance croissante des machines industrielles accroît le risque de déclenchements intempestifs, de surchauffe et de pannes catastrophiques susceptibles de paralyser toute une chaîne de production. Pour atténuer ces risques tout en répondant aux exigences de rendement, les concepteurs ont besoin de résistances capables de répondre à de multiples besoins. Certaines doivent limiter les événements d'appel ou de défaillance, d'autres doivent dissiper l'énergie régénérative, et d'autres encore doivent fournir des performances thermiques fiables dans des boîtiers compacts. 

En bref, le choix de la résistance appropriée est devenu un facteur décisif dans la conception de systèmes d'entraînements de moteurs industriels fiables.

Cet article met en lumière les défis auxquels sont confrontés les concepteurs de machines industrielles, ainsi que les avantages des technologies de résistances correspondantes. Il présente ensuite des exemples de résistances de la vaste ligne d'Ohmite que les concepteurs peuvent utiliser pour relever ces défis dans les scénarios courants de freinage et de protection contre les transitoires.

Absorption de l'énergie d'impulsion pour la limitation du courant d'appel et la protection contre les surtensions

Dans les entraînements de moteurs industriels, les résistances sont régulièrement exposées à des événements transitoires à haute énergie. L'étage de précharge d'un variateur de fréquence (VFD) constitue un bon exemple. Lorsque cet étage est mis sous tension, ses condensateurs de bus CC présentent un quasi-court-circuit à l'alimentation, produisant un fort pic de courant d'appel. Sans résistance de protection du courant dans le chemin de précharge, ce pic peut déclencher la protection en amont ou endommager les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) du variateur.

Des exigences similaires en matière d'impulsions à haute énergie surviennent dans l'absorption d'énergie de défaut, les circuits de protection par court-circuit et les étages de protection de l'alimentation. Dans tous ces cas, une résistance doit absorber une impulsion d'énergie brève mais importante sans dégradation mécanique, afin que ce processus puisse être répété sur de nombreux cycles de fonctionnement.

Les résistances composites en céramique série PulsEater A d'Ohmite sont spécialement conçues à cette fin. Leur construction en céramique non inductive répartit l'énergie uniformément dans le corps de la résistance, réduisant ainsi le risque de fatigue du fil susceptible d'endommager les résistances bobinées classiques. Cette même structure non inductive contribue également à réduire les pics de tension parasites lors des transitoires de courant rapides, ce qui est utile dans les circuits de protection où les fronts de commutation peuvent être abrupts.

La série A couvre des valeurs de résistance de 1,0 Ω à 15 kΩ, des puissances continues de 2,0 W à 5,5 W, des valeurs impulsionnelles de 1000 V à 2500 V et des capacités d'énergie impulsionnelle isolée de 250 J à 2800 J. Cette gamme permet aux concepteurs d'adapter leur sélection à la tension de bus et au profil énergétique d'un circuit de protection spécifique.

Par exemple, l'AY33GKE de 3,3 Ω (Figure 1) peut limiter l'appel de crête sur un bus de 600 V_CC typique à environ 180 A (I = V/R), en fonction de l'impédance et de la capacité du système. Cette valeur est suffisamment élevée pour charger rapidement la batterie de condensateurs, mais suffisamment basse pour protéger les contacteurs et les IGBT en amont. La valeur impulsionnelle de 2000 V offre une marge de sécurité bien supérieure aux tensions de bus industrielles standard, et la valeur d'énergie impulsionnelle isolée de 1400 J offre une marge suffisante pour un cycle de charge typique.

Figure 1 : La résistance AY33GKE utilise une construction en céramique pour absorber jusqu'à 1400 J d'énergie impulsionnelle isolée. (Source de l'image : Ohmite)

Il convient de noter que l'AY33GKE affiche une puissance nominale continue modeste de 4,5 W, ce qui est largement suffisant pour les applications transitoires visées. Par exemple, dès qu'un cycle de précharge du variateur de fréquence est terminé, la résistance est contournée et n'a plus besoin de dissiper d'énergie.

Freinage dynamique à faible inductance dans des boîtiers compacts

Lorsqu'un VFD décélère un moteur, ce dernier agit comme un générateur et réinjecte de l'énergie régénérative dans le bus CC. Un circuit hacheur dérive cette énergie vers une résistance de freinage, activant et désactivant le courant à haute fréquence. Si la résistance de freinage présente une inductance parasite importante, ces transitions de courant rapides produisent des pics de tension susceptibles d'endommager les IGBT hacheurs. Dans le même temps, les armoires de commande modernes se miniaturisent, ce qui laisse aux concepteurs moins d'espace physique pour les volumineux blocs de résistances à refroidissement par convection.

Les résistances planaires à couche épaisse série TAP800 répondent à ces deux exigences. L'élément résistif est construit sur un substrat en céramique à haute teneur en alumine, métallisé sur sa face inférieure pour un transfert thermique efficace. Le facteur de forme planaire décharge la chaleur directement dans un châssis ou une plaque froide, permettant un freinage dynamique haute puissance dans des boîtiers où une résistance à refroidissement par convection traditionnelle ne pourrait pas être installée. Cette construction planaire minimise également l'inductance et la capacité parasites, stabilisant ainsi les performances sous une charge impulsionnelle haute fréquence.

La série TAP800 couvre des valeurs de résistance de 1 Ω à 10 kΩ, avec une puissance nominale continue de 800 W avec un dissipateur thermique approprié. Cette large gamme permet à une plateforme à résistance unique de prendre en charge des circuits de freinage sur une vaste plage de tensions de commande et de niveaux de puissance.

Le TAP800K390E (Figure 2) est un exemple représentatif. À 390 Ω, il est répertorié pour 800 W de dissipation de puissance continue lorsqu'il est monté sur un dissipateur thermique à refroidissement à air ou par liquide. La spécification critique pour le freinage dynamique est son inductance de 80 nH, qui garantit que la commutation IGBT haute vitesse n'induit pas de surtensions transitoires destructrices dans le circuit hacheur.

Figure 2 : Le TAP800K390E est une résistance planaire à couche épaisse conçue pour une utilisation avec 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. Avec une tension de fonctionnement maximum de 5000 V_CC et une caractéristique de décharge partielle de 4 kV_RMS à moins de 10 pC, il est conçu pour une fiabilité à long terme. Ces spécifications garantissent que l'isolation résiste aux contraintes de haute tension répétitives et aux transitoires de commutation caractéristiques des entraînements industriels modernes sans se dégrader au fil du temps.

Freinage dynamique robuste pour charges à haute inertie

Certaines applications d'entraînement moteur privilégient la tenue en énergie pure plutôt que la compacité. Les exemples incluent les grues industrielles, les centrifugeuses et les convoyeurs descendants lourdement chargés, où la décélération de la charge oblige le moteur à agir comme un générateur, restituant de grandes quantités d'énergie cinétique à l'entraînement. Dans de tels cas, la résistance de freinage doit supporter de fortes pointes d'énergie et refroidir rapidement entre les cycles pour éviter l'accumulation de chaleur.

Les résistances série Corrib280 d'Ohmite sont conçues précisément pour ce type d'utilisation à fort courant et faible résistance. Cette série comprend un fil résistif ondulé, enroulé sur un noyau en céramique tubulaire et fixé en place avec un revêtement en émail vitrifié. Cette construction remplit plusieurs fonctions : le fil nervuré augmente la surface pour une dissipation thermique plus rapide ; le noyau en céramique et le revêtement en émail favorisent un transfert de chaleur efficace tout en améliorant la durabilité mécanique ; et la structure à noyau creux permet la circulation d'air dans le corps de la résistance pour un refroidissement passif.

La série Corrib280 est disponible dans des puissances nominales continues de 35 W à 1500 W, avec des valeurs de résistance de seulement 0,10 Ω sur les modèles de 300 W. Cela offre aux concepteurs une grande flexibilité pour adapter la résistance à des tensions de bus, des courants de freinage et des contraintes d'espace physique spécifiques.

Le C300KR50E (Figure 3) est un exemple représentatif. Il offre une résistance de 0,5 Ω et une puissance nominale continue à l'air libre de 300 W. Plus important encore pour le service de freinage, la série Corrib280 est répertoriée pour supporter des surcharges équivalentes à 10 fois la puissance nominale pendant 5 secondes. Pour le C300KR50E, cela correspond à une impulsion de courte durée jusqu'à 3000 W.

Figure 3 : Le C300KR50E utilise un fil résistif ondulé, enroulé autour d'un noyau creux afin d'optimiser la masse thermique et le refroidissement à air. (Source de l'image : Ohmite)

Résistances de freinage et de charge compactes à refroidissement par conduction

Les petites machines, les véhicules à guidage automatique (AGV) et la modernisation des armoires de commande requièrent souvent des résistances de freinage ou de charge dans des espaces physiques très restreints. Dans ces boîtiers étroits, la convection libre traditionnelle est souvent insuffisante pour dissiper la chaleur. En effet, la chaleur générée par une résistance bobinée standard peut facilement endommager les composants environnants. Pour remédier à ce problème, les concepteurs peuvent recourir au refroidissement par conduction pour dissiper l'énergie thermique vers le châssis d'une machine, la paroi d'une armoire ou une plaque froide dédiée.

Les résistances série Arcol HS d'Ohmite sont spécifiquement conçues pour ces scénarios. Ces résistances bobinées sont dotées d'un logement en aluminium à ailettes avec une surface de montage plane optimisée pour la conductivité thermique vers un dissipateur thermique. La série couvre des puissances nominales de 10 W à 300 W et des valeurs de résistance de 0,005 Ω à 100 kΩ. Pour les conceptions sensibles à l'inductance parasite, des variantes non inductives sont également disponibles.

Grâce au refroidissement par conduction, cette architecture peut atteindre des densités de puissance nettement supérieures à celles des résistances à air libre traditionnelles. Par exemple, lorsqu'elle est montée sur un dissipateur thermique, la série HS100 peut dissiper 100 W. En comparaison, cette même série est répertoriée pour seulement 30 W sans dissipateur thermique.

Le HS100 R47 J (Figure 4) est un exemple représentatif. À 0,47 Ω, la faible résistance convient parfaitement aux profils de freinage des AGV et des petits servomoteurs, où des événements de décélération courts et intenses alternent avec des durées de fonctionnement plus longues. La puissance nominale continue de 100 W offre une capacité suffisante pour dissiper l'énergie de freinage moyenne sur ce type de cycle de service. Le boîtier en aluminium à ailettes est conçu pour le montage sur dissipateur thermique.

Figure 4 : Le HS100 R47 J utilise un boîtier en aluminium à ailettes pour le montage sur un dissipateur thermique. (Source de l'image : Ohmite)

Conclusion

Les concepteurs de machines industrielles haute puissance doivent réduire les risques de déclenchements intempestifs, de surchauffe et de pannes catastrophiques, tout en répondant aux exigences de rendement. Les solutions de résistances d'Ohmite, lorsqu'elles sont sélectionnées avec soin en fonction de l'application, permettent de résoudre de multiples problèmes, qu'il s'agisse d'atténuer des événements d'appel ou de défaut ou de fournir des performances thermiques fiables dans des boîtiers compacts, pour atteindre des performances robustes en conditions de fonctionnement difficiles.