産業機械の電力密度の増加により、誤ったトリップ、過熱、致命的な故障のリスクが増大し、生産ライン全体の停止につながる可能性があります。効率要件を満たしながらこれらのリスクを軽減するには、設計者はさまざまな問題に対処できる抵抗器を必要とします。一部の抵抗器はサージまたは障害イベントを制限できなければならず、一部の抵抗器は回生エネルギーを放散できなければならず、その他の抵抗器はコンパクトな筐体内で信頼性の高い熱放散を提供する必要があります。
つまり、適切な抵抗器の選択は、信頼性の高い産業用モーター駆動システムを設計する上で重要なステップとなっています。
このペーパーでは、産業機械の設計者が直面する課題と対応する抵抗器技術の利点に焦点を当て、その後、設計者が一般的な制動および過渡保護シナリオに対処するために使用できる Ohmate の広範な製品ラインの代表的な抵抗器について説明します。
インパルスエネルギー吸収によるサージ電流制限とサージ保護
産業用モータードライブは、多くの場合、抵抗を過渡的な高エネルギーイベントにさらします。良い例は、VFD のプリチャージ段階です。この相が通電されると、DC バス コンデンサが電源に対して短絡に近い状態になり、急峻な突入電流ピークが発生します。プリチャージ回路に電流制限抵抗がない場合、このスパイクによって上流の保護が作動したり、ドライブの IGBT が損傷したりする可能性があります。
同様の高エネルギーパルス要求は、障害エネルギー吸収、クローバー回路、および電源保護レベルでも発生します。これらすべての場合において、抵抗器は、機械的劣化を生じることなく、短くても大きなエネルギー パルスを吸収し、多数の動作サイクルにわたってこのプロセスを繰り返すことができなければなりません。
Ohmate の PulsA シリーズ セラミック複合抵抗器は、この目的のために特別に設計されています。無誘導ブロックセラミック構造により、エネルギーがボディ全体に均一に分散され、従来の巻線抵抗器に損傷を引き起こす可能性のあるリード疲労のリスクが軽減されます。この非誘導構造は、高速過渡電流時のスプリアス電圧スパイクの低減にも役立ち、スイッチのエッジが急峻になる可能性がある保護回路で非常に役立ちます。
シリーズ A は、1.0 オームから 15 k オームの抵抗値、2.0 W ～ 5.5 W の連続電力定格、1000 V ～ 2500 V のインパルス電圧定格、250 J ～ 2800 J のシングルパルス エネルギー容量をカバーします。この範囲により、設計者は特定の保護回路のバス電圧とエネルギー特性を選択して適合させることができます。
たとえば、3.3 Ω AY33GKE (図 1) は、システム インピーダンスと静電容量に応じて、標準的な 600 VDC バスのピーク サージ電流を約 180 A (I=V/R) に制限します。この電流は、コンデンサ バンクを急速充電するのに十分なほど大きく、上流のコンタクタと IGBT を保護するのに十分なほど低いです。 2000 V のインパルス電圧定格は標準の産業用バス電圧を大きく上回るマージンを提供し、1400 J のモノパルス エネルギー定格は一般的な充電サイクルに対して十分なマージンを提供します。
Ohmite Ay33GKE 抵抗器の画像
図 1: AY33GKE 抵抗器は、ボディ セラミック構造を使用して、最大 1400 J のモノパルス エネルギーを吸収します。画像出典：オーマイト）
AY33GKE の連続電力定格はわずか 4.5 W ですが、これは対象となる過渡アプリケーションには十分であることに注意してください。たとえば、VFD のプリチャージ サイクルが完了すると、抵抗はバイパスされ、エネルギーの散逸は必要ありません。
コンパクトなドライブハウジング内の低インダクタンスダイナミックブレーキ
VFD がモーターを減速すると、モーターは発電機として機能し、回生エネルギーを DC バスにフィードバックします。チョッパー回路は、このエネルギーを高周波でブレーキ抵抗器に分路し、電流を開閉します。ブレーキ抵抗器に大きな寄生インダクタンスがある場合、これらの高速電流遷移により電圧スパイクが発生し、チョッパー IGBT が損傷する可能性があります。同時に、最新の制御キャビネットはますます小型化しており、かさばる対流冷却抵抗ボックスを配置するための物理的スペースはますます少なくなっています。
TAP800 シリーズ厚膜平面抵抗器は、これら 2 つの問題を解決します。その抵抗素子は高アルミナセラミック基板上に構築されており、底部のメタライゼーションにより効率的な熱伝達が可能になります。フラットなプロファイルにより、熱がシャーシまたはコールド プレートに直接伝達され、従来の対流冷却抵抗器を設置できないエンクロージャでの高出力ダイナミック ブレーキが可能になります。この平面構成により、寄生インダクタンスと寄生容量も最小限に抑えられ、高周波パルス負荷がかかった場合でも安定した性能が得られます。
TAP800 シリーズは、適切な放熱を備えた全モデルで 1 Ω ～ 10 k Ω の範囲の抵抗をカバーし、連続定格は 800 W です。
代表的な例は TAP800K390E (図 2) です。水冷または空冷ラジエーターに取り付けた場合の抵抗値は 390 Ω、連続消費電力定格は 800 W です。ダイナミック ブレーキの重要な仕様は、80 NH のインダクタンスであり、これにより、高速 IGBT スイッチがチョッパ回路の両端で破壊的な電圧過渡現象を引き起こさないことが保証されます。
Ohmate TAP800K390E 厚膜フラット抵抗器の画像
図 2: TAP800K390E は、伝導冷却用に設計された厚膜平面抵抗器です。画像出典：オーマイト）
TAP800K390E は、ライブ DC バスと接地された取り付け面の間に堅牢な電気絶縁も提供します。最大使用電圧はDC5000V、部分放電定格値は10ピコキュロメーター(pC)以下の条件で4kVRMSと長期信頼性が得られます。これらの仕様により、絶縁体は、時間の経過とともに劣化することなく、最新の産業用ドライブに典型的な繰り返しの高電圧ストレスやスイッチング過渡現象に耐えることができます。
高慣性負荷用のヘビーデューティーダイナミックブレーキ
モータードライブのアプリケーションによっては、コンパクトなパッケージングよりも純粋なエネルギーの処理に重点を置いているものもあります。たとえば、産業用クレーン、遠心分離機、高耐久ダウンヒルコンベアなど、これらの用途で負荷を軽減すると、モーターは大量の運動エネルギーをドライブにフィードバックする発電機として機能するようになります。このような場合、ブレーキ抵抗器は激しいサージに耐え、熱の蓄積を避けるためにサイクル間で急速に冷却できる必要があります。
Ohmiti の Corrib 280 シリーズ抵抗器は、この大電流、低抵抗の負荷向けに設計されています。このシリーズは、波形抵抗線を管状のセラミックコアの周りに巻き付け、ガラス質エナメルコーティングで融着して固定することによって形成されます。この構造にはいくつかの機能があります。波形抵抗線は表面積を増やし、熱放散を促進します。セラミックコアとグレーズコーティングは、効率的な熱伝達を促進しながら機械的耐久性を向上させます。中空コアにより、空気が抵抗器本体を通って流れることができ、受動的冷却が可能になります。
Corrib280 シリーズの連続電力定格は 35 ワットから 1500 ワットの範囲で、300 ワット モデルの抵抗値は 0.10 Ω と低くなります。これにより、設計者は抵抗器を特定のバス電圧、制動電流、および物理的スペースの制約に適合させるためのかなりの柔軟性が得られます。
代表例はC300KR50Eです（図3）。抵抗値は 0.5 Ω、連続自由空気定格は 300 W です。ブレーキ条件にとってさらに重要なのは、Corrib280 シリーズの過負荷定格が 5 秒間で公称電力の 10 倍であることです。 C300KR50Eの場合、3000Wまでの短時間パルスに対応します。