Motori e isolamento rinforzato

L’uso di resistenze di sense fa parte di una tendenza della progettazione dei sistemi di controllo motore che trae vantaggio dall’adozione delle nuove tecniche digitali di isolamento. Queste ultime offrono ai progettisti livelli di affidabilità più elevati, basandosi sull’introduzione dello standard a livello di componente Iec 60747-17, il quale specifica i criteri di prestazione, collaudo e certificazione per gli isolatori ad accoppiamento magnetico e capacitivo. L’isolamento digitale offre diversi benefici, tra i quali una più veloce risposta, che consente l’integrazione della protezione da sovracorrenti e la riduzione dei tempi morti. Ciò fornisce una variazione più progressiva delle tensioni in uscita migliorando, di conseguenza, il controllo di coppia. Questo articolo riassume le differenze di standard tra le tecniche tradizionali, basate sui fotoaccoppiatori, e quelle che utilizzano tecnologie induttive o capacitive a isolamento rinforzato, illustrando un sistema a controllo digitale su un motore che incorpora resistenze di sense per rilevare la corrente di avvolgimento. Verranno anche dati consigli su come selezionare la miglior resistenza di sense per quest’applicazione.

Standard di isolamento applicati ai motori elettrici

In generale, i progettisti di motori elettrici sanno di doversi attenere agli standard internazionali sull’isolamento. Quest’ultimo è necessario per diverse ragioni:

• impedisce che le interferenze elettriche si propaghino, per induzione, tra il collegamento verso terra di un circuito ad alta potenza e una linea di segnali a bassa potenza;
• garantisce la sicurezza elettrica degli utenti, impedendo che tensioni e correnti di valore pericolosamente elevato possano trasferirsi a un ambiente protetto, a bassa tensione.

Lo standard Iec 61010-1 Edizione 3 specifica che i progettisti di sistema debbano essere a conoscenza delle distanze tra conduttori, attraverso l’aria (clearance) e sulle superfici (creepage).
Inoltre precisa che gli stessi debbano conoscere la separazione tra conduttori e parti metalliche, nei casi di isolamento a immersione in resina e di quello a film sottile. Il progettista dovrebbe anche sincerarsi che i componenti scelti garantiscano un certo livello di sicurezza nel caso siano usati su sistemi conformi a Iec 61010-1. Secondo lo standard Iec 60747-17, l’isolamento rinforzato viene collaudato usando l’analisi, riconosciuta nel settore, della rottura tempo-dipendente del dielettrico o Tddb (Time dependent dielectric breakdown), facilitando il calcolo delle aspettative di vita del dispositivo e della tensione di lavoro applicabile in continuo. Mentre l’Iec 60747-17 è stato adottato per definire in modo specifico l’isolamento con l’uso di tecniche induttive e capacitive, il diffusissimo standard Iec 60747-5-5 definisce invece l’isolamento con l’uso della tecnologia a fotoaccoppiatore. Tuttavia, l’Iec 60747-5-5 non specifica se l’analisi Tddb debba determinare la tensione di lavoro in continuo o l’aspettativa di vita. Fa invece affidamento, per determinare la tensione di lavoro, sul test di scarica parziale, ma non definisce la vita utile del dispositivo. Pertanto, le tecniche induttive e capacitive garantiscono una durata di 37,5 anni, mentre non vi è alcuna definizione nel caso in cui siano impiegati sistemi di isolamento basati su fotoaccoppiatori. Le differenze principali tra gli standard basati e non basati su fotoaccoppiatori. La conclusione che si può trarre è che gli standard che non ne fanno uso siano destinati a riscuotere un favore crescente nel tempo, dato che offrono ai progettisti maggiori garanzie di sicurezza e una vita utile prolungata.

Sistema a isolamento rinforzato

Un tipico motore trifase a magneti permanenti che utilizza le resistenze di sense per la misura della corrente di avvolgimento, con feedback attraverso il modulatore isolato Σ-∆ dell’AD7403 di Analog Devices e un filtro sinc³. L’AD7403 utilizza un singolo modulatore digitale di secondo-ordine, che converte il segnale analogico proveniente dalle resistenze di sense in un flusso isolato di dati a singolo bit, pesato rispetto al valore di fondo scala d’ingresso. Successivamente il filtro sinc³ ricava il valore medio della corrente, eliminando il rumore generato dalle commutazioni dell’inverter. Può memorizzare un intero a 16 bit che rappresenta la corrente e, nel contempo, confrontarlo con un riferimento che rappresenta il valore limite della corrente, segnalando le condizioni di sovraccarico attraverso un pin separato. L’uso di filtri più veloci per il monitoraggio del sovraccarico, in combinazione con il filtro di misura, permette di ottenere una riduzione delle latenze nella segnalazione di allerta. L’AD7403 ha un isolamento rinforzato, che permette al modulatore di misurare direttamente la tensione della resistenza di sense di corrente senza componenti aggiuntivi, a eccezione di un semplice filtro passa-basso a componenti discreti, con resistenza e condensatore. La tensione massima di esercizio del modulatore è di ±250 mV, pertanto è necessario che il valore della resistenza di sense sia inferiore a 250 mV/I_max.

Scegliere la corretta resistenza di sense

• La deriva termica della resistenza - Dato che l’uscita dell’AD7403 è un numero a 16 bit, la potenziale accuratezza della misura di corrente non è limitata dalla conversione dell’Adc, ma dalla stessa lettura della tensione. La deriva termica della resistenza varierà in funzione del materiale utilizzato nell’elemento resistivo, nonché della sua potenza nominale e struttura fisica. Gli elementi resistivi realizzati in speciali leghe di nickel, rame e manganese mostrano curve di deriva termica paraboliche. Queste leghe rappresentano il materiale più idoneo nelle applicazioni di sense di corrente. Anche i limiti inferiore e superiore della deriva termica di una resistenza Bourns CSS4J-4026R, corrispondenti a un coefficiente di temperatura di 50 ppm/°C. Questo intervallo è generato dai reofori in rame della resistenza, che aumentano la deriva a causa dell’alto valore di Tcr del rame (4000 ppm/°C). Il dispositivo serie CST0612 di Bourns è una resistenza da 1 W a 4-terminali, realizzata in lega speciale. Misura 3,2 × 1,65 mm, ha un Tcr di ±100 ppm/°C, e la differenza in Tcr tra i modelli CST0612 e CSS4J-4026R trova una spiegazione nella proporzione del rame, rispetto all’elemento resistivo. La quantità addizionale di rame, con la sua bassa resistenza termica, favorisce l’assorbimento da parte del componente di alte potenze senza surriscaldamento. Questo esempio mostra il compromesso tra le dimensioni del componente, la sua potenza nominale e il valore di deriva termica.
• Il calcolo della deriva termica - Utilizziamo il Bourns CSS4J-4026R-L500F per il calcolo della deriva a piena potenza e alla temperatura ambiente di 70°C. Si tratta di una resistenza di sense da 0,5 mΩ (±1%) da 5 watt di potenza alla temperatura ambiente massima di 130°C, che scende dal 100% della potenza a 0 W a 170 C. Pertanto, la resistenza termica del componente è 8 °C/W. A piena potenza e con temperatura ambiente di 70 °C, possiamo aspettarci che la temperatura superficiale del componente raggiunga i 110 °C (70 °C + 8 × 5 °C). Il valore della deriva a 110 °C  è +0,45% del valore nominale a 25 °C. La tolleranza assoluta è ±1%, di conseguenza l’accuratezza della misura della corrente sarà al massimo di +1,45%.
• I sovraccarichi - Può accadere, a volte, che i motori elettrici presentino dei cortocircuiti, e la resistenza di sense di corrente deve essere in grado di sopportare i sovraccarichi da corto senza subire danni. Prendendo come esempio la resistenza di sense CST0612, attraverso le specifiche disponibili sul sito web si può determinare che la sua massa è di 0,0132 g. In alternativa, la massa si può calcolare attraverso le sue dimensioni e la densità del rame e delle leghe (8,4 g/cm³). La velocità di salita in temperatura può essere calcolata così:

dT / dt = P/ mC

dove P è la potenza (watt), m la massa del componente (g), e C è la capacità termica della lega metallica. Un sovraccarico da 50 A in una resistenza da 1 mΩ genererebbe un rialzo termico di 462 °C al secondo. Considerando una temperatura di 50 °C in funzionamento normale, la durata del corto circuito non potrebbe superare 0,22 secondi. Questo periodo può essere esteso aumentando la massa complessiva del rame sul circuito stampato. Un modello più spesso e più grande come il CSS4J-4026, con una massa di 0,371 g, avrebbe una velocità di salita termica di 16,5 °C al secondo, con lo stesso sovraccarico. Considerando una temperatura superficiale di 100 °C, potrebbe reggere per un periodo fino a quattro secondi prima che la temperatura superficiale raggiunga il massimo valore consentito di 170 °C.

• Valori di resistenza appropriati - L’AD7403 ha un fondo scala di ingresso, dalla resistenza, di +/-250 mV in. La matrice mette in evidenza la caduta di tensione alla massima corrente sui diversi modelli di resistenza di sense ad alta potenza di Bourns. Il progettista può compensare tensioni inferiori modificando il fattore di scala.