Resistenze di Frenatura per Inverter (VFD): Frenatura Dinamica, Calcolo Ohmico e Sicurezza Termica

Quando un inverter (VFD) comanda la rapida decelerazione di un motore asincrono CA o gestisce un carico trascinante (come un arcano, un montacarichi o un avvolgitore), il motore inizia a funzionare come un generatore. L’energia cinetica viene quindi riconvertita in energia elettrica e fluisce verso il bus DC dell’inverter.

Senza un sistema in grado di smaltire questo surplus di energia, la tensione sul bus DC aumenta rapidamente fino a provocare il blocco dell’inverter per Allarme di Sovratensione (OU / Overvoltage) al fine di proteggere i condensatori interni.

L’installazione di un Unità di Frenatura (Braking Chopper) combinata con una Resistenza di Frenatura Esterna consente di dissipare in modo sicuro questa energia rigenerativa sotto forma di calore, garantendo un controllo preciso delle decelerazioni e degli arresti.

Questa guida analizza il funzionamento della frenatura dinamica, i criteri per il calcolo dei valori di resistenza e potenza, e le norme di sicurezza fondamentali per l’installazione.

1. Come Funziona la Frenatura Dinamica negli Inverter

La frenatura dinamica si basa su tre componenti hardware principali operanti sul bus DC dell’inverter:

[ Motore in Decelerazione ] ── (Energia Rigenerativa) ──> [ Stadio Inverter VFD ]
                                                                 │
                                                                 ▼
                                                     [ Tensione Bus DC in Aumento ]
                                                                 │
                                                                 ▼
                                                    [ Chopper di Frenatura (IGBT) ]
                                                                 │  (Soglia di attivazione V)
                                                                 ▼
                                                     [ Resistenza di Frenatura ]
                                                       (Dissipazione Termica)

1. Funzionamento da Generatore: Quando la velocità sincrona impostata dall’inverter scende al di sotto della velocità reale del rotore, l’energia ritorna attraverso lo stadio di potenza dell’inverter verso i condensatori del bus DC.

2. Attivazione del Chopper: L’unità di frenatura (un interruttore a semiconduttore IGBT interno o esterno) monitora costantemente la tensione del bus DC. Quando la tensione supera una soglia preimpostata (in genere circa 380V DC per inverter a 230V, o 750V DC per inverter a 400V/480V), il transistor chopper si attiva.

3. Dissipazione sulla Resistenza: Il chopper di frenatura instrada l’energia DC in eccesso verso la resistenza di frenatura esterna, dove viene convertita in calore e dissipata nell’aria.

2. Guida alla Scelta della Resistenza di Frenatura

Scegliere una resistenza errata può danneggiare il transistor chopper o impedire l’arresto del motore nei tempi richiesti. La selezione si basa su due parametri fondamentali: il Valore Ohmico (Ω) e la Potenza Nominale (Watt).

Passaggio A: Determinare il Valore Ohmico Minimo (R_min)

Il transistor dell’unità di frenatura presenta un limite massimo di corrente. Il valore ohmico complessivo del gruppo resistivo collegato non deve mai essere inferiore al valore R_min indicato dal produttore dell’inverter.

• Resistenza Troppo Bassa (R < R_min): Genera un assorbimento eccessivo di corrente che distrugge il transistor chopper.

• Resistenza Troppo Elevata (R > R_ottimale): Limita il passaggio di corrente; l’inverter non riesce a dissipare l’energia sufficientemente in fretta, causando l’intervento della protezione per sovratensione.

Passaggio B: Calcolo della Potenza di Picco (P_picco)

La potenza di picco si verifica all’inizio della fase di decelerazione alla massima velocità:

P_picco = (V_dc)^2 / R

Dove V_dc rappresenta la tensione di soglia di attivazione del chopper e R è il valore della resistenza scelta.

Passaggio C: Calcolo della Potenza Continua (P_br) in Base al Rapporto di Intermittenza (Duty Cycle)

Le resistenze di frenatura sono dimensionate per la dissipazione termica continua. Per evitare di sovradimensionare inutilmente il componente, si moltiplica la potenza di picco per il Duty Cycle applicabile:

Duty Cycle (%) = (Tempo di Frenatura / Tempo Ciclo Totale) x 100
P_br = P_picco x Duty Cycle (%)

3. Norme di Installazione e Sicurezza Termica

Poiché la resistenza di frenatura converte l’energia elettrica in elevate temperature (che possono superare i 200°C–300°C durante cicli di lavoro intensi), è fondamentale rispettare le seguenti regole di montaggio:

1. Montaggio Esterno al Quadro Elettrico: Non installare mai resistenze ad alta potenza all’interno del quadro elettrico principale insieme a PLC o inverter. Il calore generato danneggerebbe i componenti elettronici. Montarle sulla parte superiore dell’armadio o in un contenitore ventilato dedicato.

2. Cablaggio del Contatto Termico di Protezione: Scegliere sempre resistenze dotate di un interruttore termico integrato (contatto NC). Cablare questo contatto nella catena di sicurezza dell’inverter o sul teleruttore generale di linea per interrompere l’alimentazione in caso di surriscaldamento anomalie (ad esempio se l’IGBT del chopper dovesse guastarsi in cortocircuito).

3. Distanze di Rispetto e Orientamento: Montare i moduli resistivi in verticale per favorire il moto convettivo dell’aria di raffreddamento, mantenendo una distanza minima di 150 mm–200 mm da pareti o componenti sensibili al calore.