Come calcolare con precisione la capacità di portata di corrente delle barre collettore nella fase di progettazione

La scelta delle dimensioni corrette per una barra collettore inizia con il calcolo accurato della sua capacità di corrente. Se la barra collettore è troppo piccola, si surriscalderà, subirà perdite energetiche e potrebbe addirittura causare il guasto del sistema. Anche una barra collettore eccessivamente grande è altrettanto indesiderabile, poiché spreca materiale, aggiunge peso superfluo e aumenta i costi di produzione. Diversi fattori entrano in gioco nella determinazione delle dimensioni ottimali di una barra collettore in rame o alluminio per trasportare in sicurezza una data corrente. Questa guida riassume quattro fattori chiave in calcolo della portata di corrente delle barre collettrici e indicazioni pratiche per - Ma che c'è? includente decisioni ingegneristiche precise e affidabili.

Comprendere la relazione tra sezione trasversale e portata di corrente

L’area della sezione trasversale della barra collettore è il parametro fondamentale per determinare la capacità di trasporto di corrente. Una sezione trasversale maggiore consente il passaggio di una corrente maggiore a flusso ,grazie all’aumento del numero di percorsi disponibili per gli elettroni e a una maggiore superficie per la dissipazione del calore ion . Tuttavia, la relazione tra area della sezione trasversale e portata di corrente non è lineare. Raddoppiare la sezione trasversale non raddoppia la portata di corrente, poiché la generazione di calore ion è proporzionale al quadrato della corrente (perdite I²R). Nella pratica, gli ingegneri consultano spesso tabelle standard di ampacità che fornire le correnti di riferimento per le barre più comuni. Ad esempio, in condizioni tipiche di aria libera, una piccola barra collettrice in rame con una sezione trasversale di circa 10 mm² può trasportare decine di ampere, mentre una barra collettrice in rame da 100 mm² può spesso trasportare diverse centinaia di ampere. Tuttavia, la corrente nominale esatta dipende non solo dalla sezione trasversale, ma anche dalle dimensioni della barra collettrice, dalla temperatura ambiente, dall’aumento di temperatura ammissibile, dal metodo di installazione, dall’interasse e dalle condizioni di raffreddamento. La conducibilità dell’alluminio è pari a circa il 60% di quella del rame, pertanto la sezione trasversale del conduttore in alluminio necessaria per trasportare la stessa corrente è maggiore. Per le barre collettrici personalizzate, Kinto collabora con i propri clienti per determinare la sezione trasversale ottimale che - Si incontrano. s requisiti di prestazioni elettriche tenendo conto dei vincoli di spazio e peso.

Tenere conto dell’aumento di temperatura e delle condizioni ambientali

La capacità di trasporto della corrente non è un valore fisso. Essa varia in funzione dell’innalzamento massimo di temperatura ammissibile della sbarra collettore e della temperatura ambiente circostante la sbarra stessa. Ogni sbarra collettore presenta perdite resistive che generano calore. Questo calore deve essere dissipato nell’ambiente circostante senza superare la classe di isolamento o creare rischi per la sicurezza. L’innalzamento di temperatura tipico previsto in fase di progettazione è compreso tra 30 e 65 °C rispetto alla temperatura ambiente. Se la temperatura ambiente all’interno di un involucro è già pari a 50 °C, la corrente nominale deve essere notevolmente ridotta. Temperature ambiente più elevate riducono generalmente la capacità di trasporto della corrente ammissibile, mentre condizioni di raffreddamento migliorate possono aumentarla in modo significativo. D’altro canto, la capacità può essere incrementata qualora il raffreddamento venga potenziato mediante ventilazione forzata o dissipazione diretta del calore su un dissipatore. In fase di progettazione, Kinto raccomanda ai propri clienti di definire l’ambiente operativo previsto per la sbarra collettore e la massima temperatura ammissibile, al fine di garantire che il prodotto finale sia basato su condizioni reali e non su condizioni ideali.

Tenere conto dell'effetto pelle e degli effetti di prossimità per le applicazioni in corrente alternata

In molti progetti si considerano soltanto la corrente continua o la corrente alternata a bassa frequenza, per le quali la corrente è distribuita uniformemente sulla sezione trasversale della barra collettore. A frequenze più elevate o con dimensioni maggiori dei conduttori, tuttavia, l'effetto pelle causa una concentrazione della corrente a più vicino alla superficie ,riducendo l'area efficace della sezione trasversale disponibile per la conduzione. Ciò aumenta la resistenza in corrente alternata (AC) e riduce la capacità efficace di trasporto della corrente. Per una barra collettore in rame, la profondità di penetrazione è approssimativamente di 8,5 mm a 60 Hz. Se una barra collettore ha uno spessore superiore al doppio della profondità di penetrazione, la porzione interna del conduttore contribuisce poco alla conduzione della corrente. La soluzione consiste nell'utilizzare più barre sottili in parallelo oppure barre laminate. La capacità di trasporto della corrente può essere ulteriormente ridotta dall'effetto di prossimità, causato dalla ridistribuzione della corrente dovuta ai campi magnetici generati dai conduttori vicini. Nelle applicazioni di distribuzione di potenza o negli inverter, Kinto aiuta i clienti a comprendere come tali effetti influenzino le barre collettore in corrente alternata e raccomanda configurazioni di barre collettore laminate che massim dimensione valori di portata di corrente riducendo al minimo le perdite in corrente alternata.

Applicare fattori di correzione per forma, involucro e metodo di fissaggio

La dissipazione del calore dipende fortemente dalla configurazione fisica della barra collettore e dal suo metodo di montaggio. Una barra collettore piana montata in verticale dissipa generalmente il calore in modo più efficace rispetto a una montata in orizzontale, grazie a una migliore convezione naturale. Anche la forma della barra collettore, la distanza tra i conduttori e la superficie disponibile influenzano le caratteristiche di trasferimento del calore.

Una barra collettore installata all'aperto beneficia di un raffreddamento illimitato, mentre la stessa barra collettore installata all'interno di un involucro sigillato può subire una riduzione significativa della sua capacità di portata di corrente a causa di una dissipazione termica limitata. Analogamente, più barre collettore installate in prossimità l'una dell'altra generano un riscaldamento reciproco, che riduce ulteriormente la corrente ammissibile.

Devono essere applicati i fattori di correzione standard pubblicati da IEC, IEEE o dalle linee guida dei produttori, in base alla configurazione di installazione. Fattori quali il tipo di involucro, la distanza tra i conduttori, il flusso d'aria e l'orientamento di montaggio devono tutti essere presi in considerazione nel determinare il valore finale della portata di corrente.

Presso Kinto , il nostro team di ingegneria applica questi principi di correzione durante ogni progettazione personalizzata di barre collettrici per garantire che la capacità di trasporto di corrente calcolata rifletta con precisione le reali condizioni operative dopo l'installazione.