Come dimensionare una resistenza di frenatura per inverter

In frenatura il motore rigenera energia verso il bus DC: se quell’energia non viene gestita, la tensione sale fino a far intervenire le protezioni.

Il resistore la assorbe e la dissipa in calore. Il punto è scegliere quello giusto per l’applicazione, e la variabile che fa davvero la differenza è il ciclo di lavoro, non solo la potenza del motore.

Vediamo cosa serve per arrivare al valore giusto.

Non basta la potenza del motore: vanno incrociate le caratteristiche dell’inverter, l’energia da dissipare e, soprattutto, il ciclo di lavoro reale dell’applicazione.

Quando serve una resistenza di frenatura?

Una resistenza di frenatura serve quando l’energia rigenerata in decelerazione supera quello che l’azionamento riesce a gestire da solo.

Succede tipicamente con:

• decelerazioni rapide;
• elevata inerzia del carico;
• cicli frequenti di accelerazione e frenatura;
• movimentazione di carichi verticali;
• necessità di ridurre rapidamente la velocità o arrestare il motore.

Più i cicli sono frequenti, meno margine resta prima che il chopper intervenga, ed è lì che un dimensionamento fatto a occhio si paga più caro.

Il resistore collegato al circuito di frenatura consente di trasformare l’energia in calore e dissiparla. È una situazione tipica, ad esempio, del sollevamento, della movimentazione industriale, delle macchine utensili e delle applicazioni ferroviarie.

Quali dati servono per dimensionare una resistenza di frenatura?

Prima di scegliere il resistore è necessario raccogliere alcune informazioni sull’inverter e sull’applicazione.

Tra i dati principali troviamo:

Questi elementi permettono di determinare non soltanto il valore resistivo, ma anche l’energia e la potenza che il componente dovrà essere in grado di gestire.

Valore in ohm: perché deve essere compatibile con l’inverter

Uno degli aspetti fondamentali è il valore della resistenza, espresso in ohm (Ω).

Il primo riferimento deve essere sempre la documentazione del produttore dell’inverter, che normalmente indica il valore minimo ammesso o un intervallo di valori utilizzabili.

Scendere sotto la resistenza minima prevista può determinare una corrente troppo elevata nel circuito di frenatura e sottoporre il chopper a sollecitazioni superiori a quelle ammesse.

Allo stesso tempo, scegliere una resistenza eccessivamente elevata può limitare la potenza di frenatura disponibile.

Per questo il valore in ohm non dovrebbe essere scelto considerando soltanto il motore: deve essere verificato rispetto alle caratteristiche specifiche dell’azionamento.

Potenza di picco e potenza media non sono la stessa cosa

Un altro errore possibile è considerare esclusivamente la potenza nominale del resistore.

Una resistenza di frenatura può essere chiamata a dissipare una potenza molto elevata per pochi secondi e avere poi un intervallo sufficientemente lungo per raffreddarsi.

Per questo, nel dimensionamento, è importante distinguere tra:

Due macchine che richiedono la stessa potenza durante la frenatura possono quindi avere bisogno di resistori differenti se una frena occasionalmente e l’altra ripete la stessa operazione molte volte al minuto.

Il duty cycle: quanto spesso avviene la frenatura?

Il duty cycle, o ciclo di lavoro, indica quanto tempo il resistore è impegnato nella frenatura rispetto alla durata complessiva del ciclo.

Ad esempio, una frenatura che dura 5 secondi e si ripete ogni 50 secondi corrisponde a un duty cycle del 10%.

Questo dato è fondamentale perché determina il tempo disponibile per dissipare il calore accumulato.

All’aumentare della frequenza e della durata delle frenate aumenta anche l’impegno termico richiesto al resistore.

Per questo conoscere soltanto la potenza di frenatura non è sufficiente: bisogna sapere per quanto tempo e con quale frequenza quella potenza dovrà essere dissipata.

Come si calcola la resistenza di frenatura?

In prima approssimazione, quando sono note la tensione del bus DC alla quale interviene il circuito di frenatura e la potenza di picco da dissipare, la relazione tra questi valori è:

Anche conoscendo tensione e potenza di picco, il valore che ne risulta resta un primo riferimento teorico: non può essere utilizzato isolatamente.

Deve essere verificato rispetto ai limiti indicati dal produttore dell’inverter e alle caratteristiche del chopper di frenatura.

In particolare, il valore scelto non deve mai scendere sotto la resistenza minima ammessa dall’azionamento.

Come si determina la potenza necessaria?

Per dimensionare correttamente il resistore occorre valutare quanta energia deve essere dissipata durante ciascuna frenatura e quanto frequentemente avviene il ciclo.

Nel caso di un carico prevalentemente inerziale, l’energia cinetica accumulata dipende dal momento d’inerzia complessivo e dalla velocità di rotazione.

Una volta determinata l’energia che deve essere dissipata dal resistore, è possibile metterla in relazione con il tempo di frenatura e con il tempo complessivo del ciclo per valutare rispettivamente la potenza richiesta durante la frenata e quella media.

In applicazioni più complesse, ad esempio sollevamenti, carichi verticali o sistemi con cicli variabili, devono essere considerate anche le altre componenti energetiche presenti nel sistema.

Un esempio semplificato

È proprio per questo che due resistori con lo stesso valore in ohm possono non essere equivalenti per la stessa applicazione.

Non dimenticare le condizioni di installazione

Il dimensionamento elettrico è soltanto una parte della scelta.

Il resistore trasforma l’energia di frenatura in calore e deve poterlo dissipare nelle condizioni reali in cui verrà utilizzato.

Occorre quindi considerare anche:

• temperatura ambiente;
• ventilazione naturale o forzata;
• installazione all’interno o all’esterno del quadro;
• spazio disponibile;
• grado di protezione richiesto;
• presenza di polvere, umidità o agenti corrosivi;
• modalità di fissaggio.

Una soluzione correttamente dimensionata dal punto di vista elettrico può richiedere caratteristiche costruttive differenti a seconda dell’ambiente di installazione.

Quando una resistenza standard non basta

Non tutte le applicazioni possono essere risolte scegliendo un componente da catalogo.

Potrebbero esserci vincoli relativi a dimensioni, potenza, ciclo di lavoro, grado di protezione, connessioni o condizioni ambientali che richiedono una configurazione specifica.

In questi casi è possibile progettare un resistore sulla base delle caratteristiche elettriche, termiche e meccaniche dell’applicazione.

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