Bremswiderstände und ihr Einsatz in elektrischen Antrieben

| Autor / Redakteur: Joachim Klingler * / Gerd Kucera

Bild 1: Beispiel für die besonders kompakte Ausführung eines Leistungswiderstands (Stahlgitterwiderstand) für eine kurzzeitige Energieaufnahme von 6 MJ.
Bild 1: Beispiel für die besonders kompakte Ausführung eines Leistungswiderstands (Stahlgitterwiderstand) für eine kurzzeitige Energieaufnahme von 6 MJ. (Bild: FRIZLEN)

Trotz aller Effizienzvorgaben der EU: In sicherheitsrelevanten Applikationen der elektrischen Antriebe muss weiterhin über Bremswiderstände Energie abgeführt werden. Auch bei Netzausfall ist auf Bremswiderstände zurückzugreifen.

Die unterschiedlichen Anforderungen an passive Bauelemente, insbesondere an Leistungswiderstände, machen inzwischen sehr differenzierte Lösungen notwendig. Wesentliche Parameter bei den Leistungswiderständen sind einerseits der Leistungswert und andererseits der Widerstandswert. Auf diese zwei Parameter war in der Vergangenheit quasi das Hauptaugenmerk gerichtet; jetzt gewinnen durch leistungsfähigere Elektronik und geänderte Normvorschriften und politische Vorgaben zunehmend andere Parameter an Bedeutung. Auch können, getrieben durch weltweiten Wettbewerb, seither eingerechnete Sicherheiten oft nicht mehr in altbewährter Weise vorgehalten werden.

Deshalb sind heute nicht nur in der Entwicklung tiefere Kenntnisse der eingesetzten Produkte notwendig, die vielfach über die Datenblattangaben der Hersteller hinausgehen. Durch verschärfte Sicherheiten und umfangreichere Nachweispflichten sind auch aufwändigere Tests in der Entwicklungsphase unumgänglich. Stellvertretend für die Vielfalt der Forderungen sollen die nachfolgenden Beispiele unterschiedliche Anforderungen und Lösungsansätze dazu aufzeigen.

Obwohl in der Automatisierung und in der Antriebstechnik das Einsparen elektrischer Energie weiter an Bedeutung gewinnt, auch und besonders gefordert durch die Energiesparrichtlinien der EU, nimmt die Zahl der Applikationen kontinuierlich zu, bei denen Leistungswiderstände zum Einsatz kommen. Ihre Aufgabe ist es beispielsweise Bewegungsenergie abzuführen bzw. durch Strombegrenzung Bauteile vor Überlast zu schützen.

Rückspeiseeinheiten und Zwischenkreiskopplung

Frequenzgeregelte Antriebe benötigen Widerstände zum Abbremsen des Antriebes. Durch optimal bemessene Leistungswiderstände ist es möglich, hochdynamische Maschinen zu realisieren, die durch schnelles Beschleunigen im Wechsel mit schnellen Bremsvorgängen wirtschaftliche und effektive Produktionsprozesse ermöglichen.

Das steht zwar im allgemeinen Widerspruch zu den Bemühungen um einen möglichst geringen Energieverbrauch, ist jedoch mit Abstand die wirtschaftlichste Methode, leistungsfähige dynamische Antriebe zu bauen.

Vermehrter Einsatz von Rückspeiseeinheiten und Zwischenkreiskopplung verändern hierbei die Anforderungen an Bremswiderstände. Waren Widerstände seither dimensioniert auf wiederkehrende Spitzenbremsleistungen, so werden Widerstände in diesen Fällen bevorzugt auf einmalige Bremsvorgänge innerhalb bestimmter Intervalle ausgelegt.

Die Sicherheit in den Anwendungen geht vor

Der Fokus wechselt damit von einer Dauerleistungsbetrachtung in Intervallen hin zu einer Kurzzeitleistungs- bzw. Energiebetrachtung für Einzeleinsätze mit größeren dazwischen liegenden Pausen. Weil das Thema Sicherheit in der elektrischen Antriebstechnik höchste Priorität hat, sind bestimmte Anlagenteile innerhalb vorgeschriebener Zeiten gefährdungsfrei stillzusetzen, sofern ein Notfall eintritt bzw. ein Not-Aus betätigt wird. Dies könnte unter anderem mechanisch erfolgen. In sicherheitsrelevanten Applikationen besteht aber oft die Anforderung, bei Netzausfall trotzdem auf Bremswiderstände zurückzugreifen, um nicht auf eine mechanische Bremsung angewiesen zu sein. Die Vorteile einer elektrischen Bremsung liegen klar in einer einstellbaren materialschonenden Bremsrampe sowie einem verschleißfreien und damit wartungsfreien Bremsvorgang.

Ein wichtiges Einsatzgebiet für diesen gekapselten Bremswiderstand ist der elektrische Antrieb (Vierquadrantenbetrieb) mit Frequenzumrichtern (eigensichere Bremswiderstände bis 18 kW Dauerleistung).
Ein wichtiges Einsatzgebiet für diesen gekapselten Bremswiderstand ist der elektrische Antrieb (Vierquadrantenbetrieb) mit Frequenzumrichtern (eigensichere Bremswiderstände bis 18 kW Dauerleistung). (Bild: FRIZLEN)

Gegenüber einer möglichen Rückspeisung der Energie im Notfall sind Widerstände wesentlich störungsunempfindlicher gegenüber äußeren Umwelteinflüssen, wie etwa die der vorhandenen Netzqualität, die ja für eine erfolgreiche Rückspeisung Voraussetzung ist. In Versorgungsnetzen mit schlechter oder wechselnder Netzqualität kann eine Rückspeisung eventuell auch schon von vornherein ausgeschlossen werden.

Widerstände für diese sogenannten Not-Aus-Anwendungen werden völlig anders dimensioniert. Hier ist einzig und allein die Menge der in der Applikation gespeicherten kinetischen Energie entscheidend, gepaart mit der Anforderung innerhalb welcher Zeit ein Antrieb stillgesetzt werden muss (diese kann von wenigen Millisekunden bis hin zu Minuten reichen).

Bremswiderstände bedeuten bei Normalbetrieb immer gleichzeitig auch Wärmeentwicklung, da die zugeführte überschüssige Energie innerhalb der Bremswiderstände in Wärme umgewandelt wird. Außerhalb der Nennbedingungen betrieben kann es dabei bis zum Brand des Leistungswiderstands kommen, mit entsprechendem Schadenspotenzial für die umgebenden Komponenten, beispielsweise im Schaltschrank.

Die Leistungswiderstände schützen bei Überlast

Der DC-Überlastschalter Powerswitch dient zum Schutz von Widerständen vor dauernder Überlast und vor kurzzeitig zu hohen Leistungsspitzen, die über den normalen Pulslastbetrieb hinausgehen. Er ist spezifiziert für maximal 850 VDC und 40 A.
Der DC-Überlastschalter Powerswitch dient zum Schutz von Widerständen vor dauernder Überlast und vor kurzzeitig zu hohen Leistungsspitzen, die über den normalen Pulslastbetrieb hinausgehen. Er ist spezifiziert für maximal 850 VDC und 40 A. (Bild: FRIZLEN)

FRIZLEN entwickelte gekapselte Widerstände, die durch ihre geschlossene Bauart eigensicher ausgeführt sind. Sie lassen sich dann charakteristisch mit einer Gleichstromsicherung vergleichen. Abhängig von Spannungshöhe, Widerstandswert und Belastungsdauer werden intern Maßnahmen getroffen, um bei Überlast eine sichere interne Trennung zu gewährleisten.

Sofern die Betriebs- und Fehlerbedingungen bekannt sind, ist im Gegensatz zu Halbleiter-Sicherungen eine sehr gute Anpassbarkeit und damit gute dynamische Ausnutzung der jeweiligen Applikation möglich. Wirtschaftlich sind diese gekapselten Widerstände im Bereich bis etwa 1000 W Dauerleistung, darüber hinaus kann ein FRIZLEN-DC-Powerswitch zum Einsatz kommen.

Mit diesem DC-Powerswitch können Bremswiderstände unabhängig von ihrer Bauart eigensicher überwacht werden, sodass ein Fehler durch rechtzeitiges Abschalten verhindert wird. Durch die skalierbare Ausführung erfolgt die Anpassung exakt an die jeweilige Applikation. Die volle Dynamik für den Antrieb ist damit gewährleistet. Das Potenzial der Bremswiderstände kann damit vollständig ausgenutzt werden, ohne es zu überschreiten.

Zudem sind diese Bremswiderstände mit UL-Zulassung für den amerikanischen und kanadischen Markt verfügbar. Im Aufbau ähnlich zu einem AC-Motorschutzschalter erkennt der DC-Powerswitch Überlasten am Bremswiderstand, schaltet die Widerstandslast ab und meldet die Abschaltung über einen Meldekontakt. Anschließend kann der DC-Powerswitch wie ein Motorschutzschalter durch Schalterumlegen wieder in Betrieb gesetzt werden. Der DC-Powerswitch ist auch als Nachrüstlösung im Schaltschrank integrierbar. Dazu wird er zwischen Frequenzumrichter und Bremswiderstand geschaltet und sichert so nicht nur den Bremswiderstand ab, sondern auch noch die Zuleitung.

Beispiel eines Schiebewiderstands für Last- und Prüfzwecke
Beispiel eines Schiebewiderstands für Last- und Prüfzwecke (Bild: FRIZLEN)

Ob der Einsatz des DC-Powerswitch technisch möglich ist, lässt sich mit einer einfachen Rechnung ermitteln. Der Nennstrom des Bremswiderstands muss dafür unterhalb von 40 A liegen. Größere Nennströme oberhalb von 40 A können durch Parallelschaltung mehrerer Teilwiderstände abgesichert werden.

Multifunktionale ohmsche und induktive Widerstände

Diverse Vorschriften, wie beispielsweise Netzanschaltbedingungen, sind gegenüber den öffentlichen Energieversorgern bei der Ein-/ bzw. Rückspeisung von regenerativer Energie ins öffentliche Netz einzuhalten, um Störaussendungen und zusätzliche Netzbelastungen durch etwa Oberschwingungen auf ein bestimmtes Maß zu begrenzen. Zur Einhaltung dieser Regeln werden zusätzliche Filterelemente benötigt, die wiederum in ihren Grundelementen aus Kombinationen von Induktivitäten, Kondensatoren und Leistungswiderständen bestehen. Spezielle Entwicklungen gehen hin zu multifunktionalen Widerständen die in ein und demselben Bauelement ohmsche und induktive Anteile vereinen. So werden in der Endanwendung nicht nur Bauteile und Platz, sondern vor allem Montage- und Installationskosten eingespart.

Beispiel eines Belastungswiderstands im 19-Zoll-Rack für eine Vielzahl von Anwendungen. Es gibt ihn mit variabler Bauhöhe und Einschubtiefe.
Beispiel eines Belastungswiderstands im 19-Zoll-Rack für eine Vielzahl von Anwendungen. Es gibt ihn mit variabler Bauhöhe und Einschubtiefe. (Bild: FRIZLEN)

Lasten für Prüfung und Simulation

Ob als Prüf- und Lastwiderstand von Spannungsquellen im Labor oder zur thermischen und elektrischen Simulation von Servern in Rechenzentren; es gibt diverse Ausführungen von Lastwiderständen mit Werten zwischen 100 W und 500 kW. Das FRIZLEN-Sortiment beispielsweise umfasst Schiebewiderstände kleinerer Leistung, fahrbare Prüfwiderstände, Leichtbauausführungen geeignet für den PKW-Transport oder Lastwiderstände zur Aufstellung im Freien mit großen Leistungen.

Darüber hinaus gibt es die Baureihe eines 19-Zoll-Belastungswiderstandes. Dieser Belastungswiderstand ermöglicht eine Vielzahl von Anwendungen und ist gut aufgeräumt in einem 19-Zoll-Rack untergebracht. Variable Bauhöhen und Einschubtiefen bieten gute Kompatibilität zu allen gängigen 19-Zoll-Racks. Gleichzeitig kann durch den Einsatz verschiedener Schalter, Stufenzahlen und Anzeigegeräte gezielt auf die Anforderungen der jeweiligen Anwendung eingegangen werden; mit mehreren Modulen lässt sich die Gesamtleistung aufstocken.

Fakten und Erfahrungen für die Antriebstechnik 2020

Fakten und Erfahrungen für die Antriebstechnik 2020

22.01.20 - Fachwissen für das neue Jahrzehnt vermittelt das Praxisforum Antriebstechnik vom 17.-19. März im VCC Würzburg. Kommende Normenänderungen, neue technische Lösungen und Entwickler-Tipps stehen drei Tage im Mittelpunkt. lesen

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 5/2020 (Download PDF)

* Joachim Klingler ist Vertriebsleiter bei FRIZLEN, Murr.

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