Accurato barra collettrice in rame Il dimensionamento è fondamentale per garantire una circolazione elettrica sicura, affidabile ed efficiente. Le sbarre collettrici distribuiscono correnti elevate nei quadri elettrici e nei quadri di distribuzione. Un dimensionamento inadeguato provoca un surriscaldamento eccessivo, perdite di potenza, cadute di tensione e possibili guasti, quali danni all’isolamento o incendi. È essenziale comprendere i fattori che influenzano il dimensionamento e i metodi di calcolo.
La capacità di carico (ampacità) delle sbarre collettrici è limitata principalmente dall'efficienza termica (aumento della temperatura), dalla capacità di corrente e dalla caduta di tensione. L'aumento di temperatura è in genere uno dei fattori più importanti, in particolare negli ambienti chiusi. Il calore generato dalle perdite $I ^ 2R$ deve essere dissipato per mantenere la temperatura entro i limiti previsti.
Una formula semplificata per il ΔT è simmetrica rispetto alla perdita di potenza ed è inversamente proporzionale alla posizione di dissipazione del calore. ΔT ≈ 1000 × perdita di potenza 1,1 × area in cm² ΔT ≈ 1,1 × area in cm² 1000 × perdita di potenza. Si tratta di un valore approssimativo che non tiene conto di tutto il trasferimento di calore.
La trasmissione del calore attraverso i collegamenti riduce i picchi di temperatura nella zona interessata. Il metodo della rete termica valuta la circolazione del calore tenendo conto del coefficiente di trasferimento (α), dell'area (A), della resistenza termica (R) e di ΔT. Un valore elevato di ΔT potrebbe indicare la presenza di calore esterno o una ridotta dissipazione.
Nel caso dei cortocircuiti, ΔT presuppone che il calore venga assorbito dal conduttore con un trasferimento trascurabile durante il breve periodo. Le variabili rilevanti sono il tempo (T), la temperatura iniziale (Θ1) e quella massima ammissibile (Θ2), l'area (A) e la corrente efficace (I).
Le versioni complete valutano il comportamento termico in regime stazionario, tenendo conto della corrente, della sezione trasversale, della lunghezza, della variazione della resistività del prodotto e della resistenza di contatto. Proprietà del materiale quali la resistività (ρa), la conducibilità termica (λ) e il coefficiente di temperatura (α0) sono importanti. ΔT è inversamente proporzionale all’area della sezione trasversale.
La caduta di tensione dipende dalla corrente e dall'immunità delle sbarre collettrici. L'impedenza in corrente alternata è maggiore rispetto a quella in corrente continua a causa di fenomeni legati alla regolarità del campo, quali l'effetto pelle e l'effetto di prossimità.
Per determinare le dimensioni corrette sono necessari dati fondamentali che specifichino i problemi elettrici e ambientali:
Altre specifiche:
Queste specifiche forniscono indicazioni sulle opzioni di metodo e sul ridimensionamento per determinare le dimensioni necessarie.
La disposizione fisica e l'ambiente influiscono in modo determinante sulla portata di corrente e sull'efficienza termica.
Alloggiamento/Ventilazione: Le sbarre collettrici in involucro hanno una portata di corrente inferiore rispetto a quelle all'aperto a causa del flusso d'aria limitato. La portata di corrente in queste unità è determinata principalmente dalle prove di aumento di temperatura (UL, ANSI). Le semplici regole relative allo spessore in funzione della corrente non sono affidabili per i sistemi in involucro. La dissipazione di potenza deve rientrare nella capacità dell'involucro. Il raffreddamento forzato aumenta la capacità rispetto alla convezione naturale.
Barre parallele/Riduzione della potenza: Le barre identiche aumentano la capacità; tuttavia, a causa delle tolleranze, dei collegamenti e della reattanza, si verifica una ripartizione non uniforme della corrente. Ciò richiede una riduzione della portata di corrente totale indicata al di sotto del valore corrispondente alle barre specifiche. Le variabili di riduzione aumentano all’aumentare del numero di barre identiche. La capacità effettiva delle barre $n$ è molto inferiore a $n$ volte la capacità di una singola barra.
Spaziatura/Orientamento: La distanza influisce sul trasferimento di calore, mentre la vicinanza ne limita l’efficacia. Una maggiore distanza favorisce la dissipazione e aumenta la portata di corrente. Le configurazioni affiancate garantiscono un raffreddamento meno efficace rispetto a quelle sovrapposte. Massimizzare la distanza tra le alette e le perforazioni migliora il trasferimento di calore. Il raffreddamento dell’area della superficie inferiore orizzontale è meno affidabile.
Attrezzature compatte/a sandwich: L'incapsulamento consente di realizzare progetti di dimensioni ridotte. La distanza ridotta tra i componenti riduce l'induttanza, la resistenza, la caduta di tensione e le perdite di potenza.
Altre variabili: I componenti metallici (alluminio) riducono gli effetti di prossimità e il surriscaldamento dei componenti. L'elevazione richiede un ridimensionamento della potenza. Collegamenti difettosi causano il surriscaldamento dell'apparecchio; è essenziale garantire una forza di contatto sufficiente.
Un fattore di condizione combinato (K) tiene conto dei seguenti fattori: varietà delle barre (k1), superficie (k2), posizione (k3, k4), flusso d’aria ($k5), tipo esistente (k6). La verniciatura aumenta la dissipazione (k2 = 1,15). I fattori relativi alla posizione variano (ad esempio, k3 = 1 per il montaggio sul bordo e k3 = 0,95 per il montaggio sulla base).
Il tipo di corrente, in particolare la frequenza della corrente alternata, influenza la circolazione della corrente attraverso la pelle e gli effetti di prossimità, aumentando la resistenza efficace alla corrente alternata e le perdite.
Effetto pelle: L'aria condizionata si concentra in prossimità della superficie, riducendo l'area effettiva. Questo fenomeno è più evidente a frequenze più elevate. La profondità di pelle (lo spessore della corrente scende a ~ 37%) è di ~ 8,5 mm per il rame a 50 Hz. Ciò limita la densità efficiente delle sbarre collettrici a valori inferiori a 10 mm. I fattori (ys) e le formule empiriche consentono di stimare le perdite aggiuntive.
Impatto di prossimità: I campi elettromagnetici provenienti da conduttori vicini generano correnti parassite, che si concentrano in determinate aree. Ciò aumenta la resistenza e le perdite del sistema di climatizzazione, soprattutto in caso di spaziatura ridotta. La perdita di potenza può aumentare più rapidamente rispetto alla posizione.
Il fattore di distanza (K=RAC/RDC) valuta l'aumento della resistenza. Una minore distanza comporta un aumento del valore della distanza e delle perdite.
Impatto integrato/Mitigazione: Entrambi questi effetti aumentano la resistenza del condizionatore d'aria, le perdite I2R e la caduta di tensione. Ciò è significativo in presenza di correnti elevate (> 2000 A) e di sistemi estesi.] Anche piccoli aumenti delle perdite hanno un impatto economico. La reattanza sbilanciata provoca disuguaglianze di tensione e forze elettrodinamiche
Tecniche di riduzione:
L'effetto misto viene tenuto conto mediante un fattore di correzione (S) = aspetto della pelle (Sk) * aspetto della vicinanza (Sp).
Il dimensionamento prevede l'utilizzo di metodologie basate su norme di sicurezza e affidabilità. Le tecniche calcolano la superficie richiesta in base all'aumento di temperatura ammissibile per una corrente continua, tenendo conto dell'ambiente e degli effetti della climatizzazione. Si tratta spesso di un processo ripetitivo [15]
Criteri principali:
La scelta della tecnica dipende dalla complessità del sistema, dalla precisione richiesta, dai tempi di consegna delle informazioni e dalle norme vigenti. I sistemi impiantistici o quelli che superano i limiti di calcolo richiedono una verifica fisica.
Dopo aver calcolato l'area della sezione trasversale necessaria, scegli una dimensione e una densità adeguate. Tieni conto delle dimensioni di base, della resistenza meccanica, delle prestazioni termiche e della circolazione della corrente.
Le sbarre collettrici in rame sono disponibili in dimensioni rettangolari standard. Scegliere le misure in base alla disposizione prevista (ad esempio, per una lunghezza di 500 mm, la disposizione può essere 50×10 mm oppure più barre parallele).
La densità attuale rappresenta un limite rigoroso. Lo spessore ammesso è maggiore per le barre più piccole. Una stima approssimativa per il rame in assenza di vento è di circa 2 A/mm².
La scelta delle dimensioni finali tiene conto dell'equilibrio tra efficienza elettrica e termica, requisiti meccanici, spazio disponibile, costo e facilità di produzione.
Un software avanzato offre analisi e ottimizzazione complete per i sistemi impiantistici, le correnti elevate e i fenomeni transitori, avvalendosi delle tecniche FEA e CFD.
CENOS BBH: Analisi combinata elettromagnetica, termica e strutturale per sbarre collettrici CA/CC. Simula la distribuzione esistente, il riscaldamento domestico per effetto Joule, i punti caldi, la caduta di tensione e la tensione termica. Consente la modifica e l’ottimizzazione del progetto. Supporta analisi in regime stazionario e transitorio.
Ansys: Simulazione combinata elettromagnetica (Maxwell) e termica (Icepak). Utile per le sbarre collettrici degli inverter. Il risolutore a breve termine di Maxwell individua la circolazione delle perdite ohmiche (comprendente gli effetti di raffreddamento), che viene poi trasferita a Icepak per la valutazione termica. .
EMWorks: Simulazione elettrotermica incentrata sulla generazione di calore per resistenza. Il solutore per la trasmissione elettrica integrato nell'analisi termica simula l'area, la densità di corrente, la potenza, la temperatura e lo scambio termico. Richiede i dati di base del prodotto, gli input (convezione, ambiente) e la mesh.
JMAG-Designer: Consiste nell'analisi delle sollecitazioni termiche delle sbarre collettrici. Prevede l'aumento e la variazione del livello di temperatura sulla base della valutazione della generazione di calore dovuta al campo magnetico.
Questi dispositivi consentono un'analisi approfondita rispetto ai metodi manuali:
Richiedono conoscenze specifiche, ma consentono di perfezionare i progetti, garantire la conformità e spingere al limite le capacità. Il CFD valuta l'aumento della temperatura in numerose condizioni. Le formule analitiche automatizzano il calcolo della portata di corrente e del coefficiente di trasferimento termico. La simulazione può integrare o sostituire i test fisici durante la fase di progettazione.
