Resistenze di frenatura dinamica

Resistenze di Frenatura Dinamica
incl. versioni raffreddate ad acqua
(per la rapida conversione di energia potenziale e di
energia cinetica non desiderate, in energia termica)
V02/08
Chi smette di migliorare,
ha smesso di essere bravo.
Introduzione
Quando un motore viene trascinato dal proprio carico meccanico, come nel caso di un volano in
decelerazione, il motore si comporta come un generatore e l’energia cinetica viene convertita in energia
elettrica. Spesso questo surplus di energia elettrica, se non può essere recuperata risulta indesiderata e può
essere nociva per il sistema di azionamento elettrico del motore. Quando compare questa condizione
l’energia in eccesso può essere assorbita dall’inserzione di un carico resistivo nel circuito del motore che la
converte in calore e nello stesso tempo viene creato un effetto frenante che solitamente è desiderato per
motivi di sicurezza e di protezione del sistema di azionamento elettrico.
Connessione
I costruttori di inverter a frequenza variabile sono consapevoli che l’utilizzo di una resistenza di frenatura
risulta indispensabile in alcune applicazioni e mettono quindi a disposizione le connessioni al DC link per
consentire di collegarne una. L’elettronica di controllo sorveglia il valore della tensione nel DC link e quando
tale valore va al di sopra di un certo limite la resistenza di frenatura viene connessa al circuito tramite un
FET o un IGBT altrimenti noti come “chopper”. Quando il valore della tensione DC scende al di sotto di un
livello di sicurezza la resistenza di frenatura viene nuovamente disconessa dal circuito.
Esempi di resistenze di frenatura REO
L’immagine mostra una resistenza di frenatura
BW 155 che è composta dalla combinazione
di più moduli che possono avere una potenza
totale fino a 30 kW. E’ stata progettata per
essere inserita all’interno della struttura di
scale mobili e ascensori.
La resistenza di frenatura più piccola
appartiene alla serie BW 152 che ha valori di
potenza che vanno dai 100 ai 250 Watt.
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Costruzione
Elementi resistivi avvolti con lega rame-nichel (costantana) o lega nichel-cromo che mantengono
invariata la propria resistività in un ampio campo di temperatura. Più avvolgimenti sono collegati
in parallelo e ciò significa che il carico non si basa su un singolo avvolgimento.
Gli avvolgimenti sono circondati da un riempitivo al quarzo che garantisce stabilità meccanica e
protezione contro i corto circuiti e fornisce proprietà autoestinguenti che sono importanti dal
punto di vista della sicurezza e dell’affidabilità. Ciò favorisce inoltre il trasferimento efficiente del
calore dagli avvolgimenti del resistore alle superfici interne del contenitore di alluminio.
Un ulteriore isolamento elettrico è fornito da fogli isolanti di mica che vengono inseriti tra i
differenti avvolgimenti e tra il complesso degli avvolgimenti e le pareti inferiore e superiore del
contenitore in estruso di alluminio.
Per un isolamento ulteriore e per fornire un grado di protezione fino a IP67 il complesso
assemblato del resistore viene incapsulato all’interno della cavità del corpo estruso di alluminio
utilizzando un sigillante siliconico applicato ad entrambe le estremità. Il sigillante viene poi
protetto da piastre di copertura avvitate ad entrambe le estremità del contenitore di alluminio.
Il contenitore in estruso di alluminio agisce come dissipatore di calore e dissipa rapidamente
nell’aria aperta l’energia termica generata dagli avvolgimenti del resistore. Speciali gradi di
finitura superficiale dell’alluminio vengono utilizzati per garantire durata a lungo termine in
presenza di tutti i tipi di condizioni ambientali inclusa la nebbia salina.
Resistenze di frenatura con raffreddamento ad aria
Al fine di aumentare la capacità, alcune resistenze di frenatura standard prodotte da REO possono essere
fornite già equipaggiate con ventola di raffreddamento. Ad esempio nella parte di estruso di alluminio che
nella serie BW 155 fa da dissipatore di calore vi sono scanalature a “T” disponibili per il montaggio di una
ventola se viene richiesta maggiore potenza (in questo caso il valore di potenza raddoppia).
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Resistenze di frenatura con raffreddamento ad acqua
Quando gli spazi a disposizione sono ristretti oppure quando la resistenza di frenatura deve essere montata
in un quadro elettrico con raffreddamento inadeguato, allora le unità con raffreddamento a ventilazione
forzata hanno limitazioni e la soluzione è l’utilizzo di una resistenza di frenatura con raffreddamento ad
acqua. Queste resistenze possono essere raffreddate in modo indiretto avvitandole ad un pannello di fondo
con serpentine integrate per la circolazione del fluido refrigerante inserite fra una doppia lastra metallica. Il
pannello di fondo può essere utilizzato per raffreddare anche altri componenti come ad esempio inverter e
induttanze.
In alternativa REO può fornire resistenze di frenatura con raffreddamento ad acqua indiretto, che è parte
integrante del complesso assemblato che costituisce il resistore, come nel caso ad esempio della BW C 153.
Dall’immagine si può vedere che vi sono sei moduli di resistori che sono collegati attraverso passacavi EMC
a una scatola morsetti centrale. Interposti fra i resistori vi sono quattro moduli per il raffreddamento ad acqua
e l’intero complesso è montato insieme e fissato su una piastra di base utilizzando piastre laterali e bulloni.
REO realizza questa costruzione per potenze nel campo 20 - 130 kW (data sheet disponibili a richiesta).
Resistenze di frenatura con raffreddamento ad acqua diretto
Un metodo più efficiente di raffreddamento consiste nell’incorporare il circuito di raffreddamento direttamente
all’interno del corpo del resistore stesso, come mostrato nell’esempio seguente che raffigura la resistenza di
frenatura NTT BW D 158.
Per estrema sicurezza gli attacchi per l’acqua sono posti nella parte opposta del corpo del resistore rispetto
alle connessioni elettriche, che possono essere cavi volanti o morsetti in una scatola morsetti. Questa
particolare realizzazione è molto compatta e non richiede protezioni aggiuntive.
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Unità multiple
Per ottenere livelli di potenza più elevati è possibile assemblare assieme più resistenze di frenatura e poi
collegarle in serie/parallelo a seconda del valore di resistenza che deve essere connesso al DC link
dell’inverter (i valori di potenza e di resistenza sono normalmente forniti dal costruttore del drive).
L’esempio mostrato in figura è un resistore doppio REO raffreddato ad acqua - tipo BW D 158, forma
costruttiva BF2 – che può dissipare fino a 10 kW di potenza. Un maggior numero di unità multiple che
utilizzano questa tecnologia - ad esempio 4 x BF3 - possono dissipare fino a 60 kW di potenza.
Refrigeranti
I resistori REO standard sono progettati per lavorare con 40 °C di temperatura ambiente e le massime
temperature del refrigerante sono 25 °C in ingresso e 45*C in uscita, nell’assunta ipotesi che i resistori
vengano adeguatamente installati con l’orientazione corretta.
E’ importante che venga utilizzato un refrigerante industriale oppure acqua potabile e che l’acqua sia dolce e
non contenga contaminanti meccanici, chimici e biologici. Lo standard VBG-R 455 P si applica ai refrigeranti
adatti.
REO fornisce una gamma completa di accessori per la costruzione dei circuiti refrigeranti, inclusi tubi
flessibili, sensori di temperatura del refrigerante, collettori e valvole di sfiato
Sorveglianza della temperatura
Tutte le resistenze di frenatura REO possono essere equipaggiate con un interruttore termico che viene
utilizzato per sorvegliare la temperatura del resistore. Quando il limite di temperatura viene superato i
contatti dell’interruttore termico si aprono e questo stato viene utilizzato come segnale di anomalia in modo
tale che il l’azionamento del motore possa essere portato ad un arresto controllato. L’interruttore termico ha
due cavetti volanti che vengono utilizzati per la connessione all’unità di controllo dell’azionamento.
Ciclo di funzionamento (duty cycle)
Le resistenze di frenatura REO sono progettate per funzionamento 100% continuo al valore di potenza
indicato sull’etichetta dei dati elettrici. Quando le resistenze di frenatura vengono progettate e sottoposte a
test, il funzionamento continuo è calcolato essere 120 secondi o più lungo al valore della piena potenza, se
non diversamente specificato nella documentazione tecnica. Quindi se le resistenze di frenatura vengono
utilizzate per meno di 120 secondi, in tutti i periodi di funzionamento possono essere utilizzate a un valore di
potenza superiore. La figura qui sotto mostra il fattore di moltiplicazione che può essere utilizzato per
calcolare il sovraccarico ammissibile per una resistenza di frenatura.
Potenza di sovraccarico = Potenza nominale x F
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Quando si fa uso del fattore di sovraccarico è importante ricordarsi che le prestazioni delle resistenze di
frenatura sono calcolate per una temperatura ambiente pari a 40 °C e per un’altezza di installazione non
superiore ai 1000 metri sul livello del mare. Se questi limiti vengono superati allora si ha una riduzione della
potenza di utilizzazione. La riduzione del valore di potenza è pari al 5% ogni 10K di aumento di temperatura.
La scelta del valore di potenza di una resistenza di frenatura dipende anche dal valore della tensione della
rete di alimentazione e dal valore di resistenza fornito dal costruttore dell’inverter.
Criteri di progettazione
Le resistenze di frenatura REO sono progettate per una durata di esercizio pari a 30 anni o 200.000 ore. Il
trattamento superficiale del contenitore di alluminio è selezionato per garantire la massima protezione contro
i danni meccanici, vibrazioni, urti, corrosione, umidità, condizioni atmosferiche e contaminazione. La tecnica
di costruzione REO rende possibile offrire gradi di protezione fino a IP 67. Inoltre i metodi di costruzione
utilizzati nella produzione consentono ai componenti di resistere a impulsi di tensione e a impulsi di corrente
di valore più elevato, in modo simile a resistori per circuiti di carica e di corto circuito.
Tutte le resistenze di frenatura REO vengono sottoposte a prove di tensione a 2.5 kV AC.
Applicazioni tipiche
Gru a carroponte
Quando una gru fa scendere un carico pesante deve contendere con energia
potenziale in eccesso e ciò può far si che il motore acceleri in maniera incontrollata
creando una situazione di pericolo. Una resistenza di frenatura può essere utilizzata
per evitare che ciò accada.
Scale mobile e ascensori
Quando scale mobile e ascensori vanno in discesa trasportando persone c’è un
eccesso di energia potenziale che tende ad azionare il motore di sollevamento in
modo inverso facendolo comportare come un alternatore. Per dissipare l’energia
elettrica indesiderata può essere utilizzata una resistenza di frenatura. REO
costruisce speciali resistenze di frenatura per ascensori senza locale macchina e per
l’installazione all’interno della struttura di una scala mobile. Questi resistori hanno
speciali scatole di connessione EMC che vengono richieste negli edifici pubblici e possono fornire un grado
di protezione IP 65 contro la penetrazione dei liquidi e la polvere. I resistori non richiedono un contenitore
aggiuntivo, possono quindi essere utilizzati in spazi confinati e di solito hanno un costo inferiore rispetto ai
resistori con contenitore.
Locomotive elettriche
Resistenze di frenatura dinamica vengono spesso utilizzate in unione ai freni
pneumatici nelle locomotive elettriche per ridurre l’usura dei componenti meccanici.
Quando viene connessa al circuito, la resistenza di frenatura fa si che la corrente
scorra in direzione opposta a quella in cui scorre quando la locomotiva è in trazione.
Quindi il motore esercita una coppia che si oppone al moto di avanzamento. REO
produce resistori speciali per soddisfare gli elevati requisiti meccanici e ambientali
dell’industria ferroviaria.
Generatori eolici
La frenatura di un generatore eolico può essere ottenuta “scaricando” energia dal
generatore a una resistenza di frenatura. Questa tecnica è utile se il carico cinetico
nel generatore viene immediatamente ridotto o se è troppo piccolo per mantenere la
velocità di rotazione del generatore all’interno dei limiti consentiti. Anche con forti
venti è possibile introdurre una frenatura ciclica che provoca il rallentamento delle
pale del generatore e aumenta l’azione di arresto, mantenendo ridotta così
l’efficienza aerodinamica delle pale. In questo modo la velocità di rotazione del
generatore viene mantenuta a un valore di sicurezza.
Altre applicazioni comprendono le macchine per l’assemblaggio automatico che hanno grandi masse che
devono mettersi in moto ed arrestarsi rapidamente, e alimentatori che contengono condensatori che devono
scaricarsi per motivi di sicurezza elettrica.
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REO World-wide Contacts
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REO INDUCTIVE COMPONENTS AG
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REO INDUCTIVE COMPONENTS AG
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Centre of Competence
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REO Engineering Services
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REO ITALIA S.r.l.
REO CROMA Sp.zo.o.
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REO-ESPAÑA 2002 S.A.
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Components Co., Ltd.
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Units 2-4 Callow Hill Road
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Craven Arms
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Shropshire SY7 8NT
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Chaussée de Charleroi 91 bat 5 Fax +32 (0)71-287-746
B-6060 Gilly (Charleroi)
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