Bremswiderstände Bei Umrichterantrieben geht fast nichts ohne Bremswiderstand

In der elektrischen Antriebstechnik erweisen sich Bremswiderstände oft als notwendige Peripherieteile. Der Einsatzbereich geht vom Widerstand für die Ladung und Entladung von Kondensatoren und reicht bis hin zum Prüfwiderstand.

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Auf den Bremswiderstand möchte man am liebten ganz verzichten, schließlich gibt es mit Netzrückspeisung, Koppelung des Gleichstrom-Zwischenkreises oder Energierückflusses in die Wicklungen der Motoren mehr als eine Vermeidungsstrategie. Trotzdem behauptet sich der Bremswiderstand als wichtiges Peripherieteil der elektrischen Antriebstechnik. Zuverlässigkeit, Beherrschbarkeit und ein sinnvolles Kosten-/Nutzen-Verhältnis sind wesentliche Faktoren dafür. Und nicht zuletzt die Verfügbarkeit eleganter und sicherer Produkte.

Leistungswiderstände sind einfach auszulegen

Der Einsatzbereich von Leistungswiderständen ist durch die weiten Spannen von Leistung und Spannungsfestigkeit sehr breit aufgefächert. Genannt seien deshalb nur Widerstände für die Ladung und Entladung von Kondensatoren/-bänke, Erdungswiderstände etwa in Energieverteilungsanlagen, Dämpfungswiderstände oder auch Prüfwiderstände für eine schier unbegrenzte Anzahl von Anwendungen. Eine recht große Anzahl von Leistungswiderständen wird in der Applikation Brems- oder Ballastwiderstand in der elektrischen Antriebstechnik eingesetzt. Dabei geht es um Spannungsfestigkeit bis rund 1100 VDC und Leistungen bis mehrere 100 kW.

Kompakt, sicher, passiv bei jeder Gelegenheit, einfach auszulegen und zu montieren – dies sind nur einige der Anforderungen an Bremswiderstände. So haben sie sich zu einer besonderen Spezies der Leistungswiderstände entwickelt, die bei Spannungen bis 1100 VDC kurze aber ihrem Widerstand entsprechende starke Energieimpulse aufnehmen können müssen.

So ist bei ihnen auch nicht die Nennleistung die entscheidende Größe sondern die Stärke der maximal verarbeitbaren Energieimpulse bei gegebenen Einschaltdauern. Entsprechend der Vielfalt der Einsatzfälle haben sich auch eine große Anzahl an Technologien etabliert, jede mit spezifischen Vor- aber auch Nachteilen.

Anforderungen hinsichtlich Präzision und Dynamik nehmen ständig zu

Die Anforderungen der elektrischen Antriebstechnik hinsichtlich Präzision und Dynamik nehmen ständig zu. Der 4-Quadranten-Betrieb (Links-/Rechtslauf, inzwischen auch mit ausgeprägten Verfahrprofilen) wird zum Standard, der Dauerbetrieb über den klassischen Ein-/Ausschalter wird zum Sonderfall. Doch 4Q-Betrieb ohne die passende Peripherie ist nicht zu erreichen. Der Grund ist einfach ermittelt: Bei Drehrichtungsänderungen oder allgemeinen Bremsphasen muss die aus der kinetischen entstehende elektrische Energie abgeleitet werden, ansonsten steigt die Spannung im Gleichstromzwischenkreis des Umrichters so stark an, dass er mit der Fehlermeldung „Überspannung“ in Störung geht oder gar die spannungssensiblen Bauteile seiner Elektronik zerstört werden.

Die einfachste und kostengünstigste Lösung für diesen Fall ist der Brems- oder Ballastwiderstand, der über einen spannungsgeführten Transistor im Gleichstromzwischenkreis geschaltet wird. Andere Lösungen wie die Rückleitung der Bremsenergie in die Spulen des Motors oder die Netzrückspeisung sind entweder nur begrenzt darstellbar oder im zweiten Fall technisch und kommerziell sehr aufwändig, sodass sich ihr Einsatz nur bei besonderen Anwendungen lohnt.

Selbst die Koppelung mehrerer Antriebe über einen gemeinsamen Gleichstromzwischenkreis hilft nur problemlos bei nicht synchron bremsenden Motoren und nur unter bestimmten Voraussetzungen in der Applikation. Vor allem im Notaus-Fall und bei einer Trennung vom Stromnetz finden sich wenige Alternativen.

Im Hochleistungsbereich werden Stahlgitter- oder Gusseisenwiderstände eingesetzt

Bei sehr hohen Leistungen kommen Stahlgitter- oder Gusseisenwiderstände zum Einsatz. Dem Widerstandswert entsprechend mäanderförmig geschnittene oder gestanzte Stahlbleche oder derart gegossene Teile werden auf die benötigte Leistung abgestimmt kaskadiert. Hohes Speichervolumen bei relativ günstigen Kosten sprechen für diese Techniken. Einsatzfall für diese Großwiderstände ist insbesondere die Antriebstechnik von Schienenfahrzeugen.

Als Standardtechnologie für kleine bis mittelgroße Leistungen gilt der Widerstandsdraht, in der üblichsten Ausführung auf einen Keramikträger gewickelt und mit Glasur oder Zement fixiert. Meistens wird als Wickelträger ein Keramikrohr benutzt, weswegen diese Art der Widerstände als Rohrwiderstand bezeichnet wird. Bei Impulsbelastung kurzzeitig sehr hohe Oberflächentemperaturen sind der Preis für eine sehr schnelle Wärmeabfuhr. Um die Schutzart IP20 zu erreichen, wird der Widerstand in ein Lochblechgehäuse eingebaut. Eine abgespeckte Ableitung stellt der offene Drahtwiderstand dar, der ein schlicht über zwei gegenüberliegende Isolatoren geführter offener Widerstandsdraht ist. Diese kostengünstige und dennoch leistungsfähige Ausführung des Bremswiderstands ist häufig als in Servoantriebe eingebauter Bleeder zu finden.

Widerstand im Aluminiumgehäuse

Als ein weiteres Derivat des drahtbasierten Widerstands gilt der Bremswiderstand im Aluminiumgehäuse. Seit rund zehn Jahren im Markt präsent hat er sich als gängiges Peripherieteil von Umrichtern im kleineren Leistungsbereich bis 15 Kilowatt etabliert. Mit seinen hohen Schutzarten bis IP67 lässt er sich auch außerhalb des Schaltschranks montieren und unterstützt somit den Trend der dezentralen Antriebstechnik. Aufgrund des Gehäuses sind die Produkte verschiedener Hersteller kaum zu unterscheiden, im inneren Aufbau und der technischen Ausführung gibt es aber unterschiedliche Qualitäten.

So reicht das Spektrum von frei eingelegten Wickeln bis zu fest fixierten und stabilen Konstruktionen. Geschätzt werden an dieser Technik vor allem der kompakte Aufbau und die verhältnismäßig geringe Durchschnittstemperatur der Gehäuseoberfläche beim Impulsbetrieb.

Zudem kann diese Art von Widerstand sehr variabel platziert werden. Hohe Qualitäten sind kurzschluss- sowie körperschlussfest und bieten sich wegen ihrer recht kleinen Dimensionen daher als integrales Bauteil für Umrichter an. Ihre Spannungsfestigkeit lässt auch die Anwendung als Lade- und Entladewiderstand für die Kondensatorenbänke großer Umrichter zu. Andererseits kann der Bauraum und das Klima von Schaltschränken entlastet werden, indem diese Bremswiderstände außerhalb montiert werden können, ja sogar direkt als Komponente dezentraler Antriebstechnik am Antrieb selbst. Sind höhere Leistungen als die Nennleistungen einzelner Module notwendig, steht einer Kaskadierung nichts im Wege.

Ein durchdachtes Baukastensystem dieser Art bietet die Michael Koch GmbH. Sichtbares Ergebnis ist eine Variationsbreite von über 60 000 Widerständen von 100 W bis 7,2 kW Nenn-Dauerleistung bei sechs mechanischen Grundausführungen. Wesentlicher Vorteil des Systems: Sehr kurze Lieferzeiten bei dennoch sehr feiner Stufung der Leistungs- und Widerstandswerte. Darüber hinaus sind auf der Basis des Baukastens maschinenspezifische Individuallösungen ebenfalls innerhalb kurzer Projektzeiten möglich.

Sicherheit durch PTC-Bremswiderstände

Für kleine Leistungen geeignet sind Schicht-, Folien- und PTC-Keramik-Widerstände. Während Schicht- und Folienwiderstände sehr genaue und vor allem stabile Widerstandswerte zulassen, bietet die PTC-Technik höchste passive Sicherheit bei Überlastung. Umgekehrt leiden Schicht- und Folienwiderstände bei Überlastverhältnissen, während PTC-Bremswiderstände durch den dynamischen Widerstandswertverlauf über die Temperatur erhöhte Anforderungen an die Auslegung stellen.

Bei kleinen Antrieben drängt sich der PTC-Bremswiderstand als eingebauter Ballastwiderstand geradezu auf. Basierend auf speziell entwickelten PTC-Bausteinen können von den Produkten der Michael Koch GmbH mit Nenn-Dauerleistungen bis 140 W die Bremsleistungen kleiner und mittlerer Umrichter ohne Risiko aufgenommen werden. Die dynamische Charakteristik des PTC-Elements, die, in vereinfachter Form ausgedrückt, ausgehend von Raumtemperatur mit steigender Temperatur erst einen fallenden und ab etwa 100 °C einen steigenden Widerstandswert ausweist, wird von Entwicklern anfangs nur selten geschätzt, denn sie zwingt bei der Konzeption eines Umrichters zu genaueren Überlegungen.

Inzwischen ist diese Dynamik jedoch von vielen Herstellern der Antriebselektronik als einzigartiger Sicherheitsfaktor anerkannt. Zum einen werden in mittleren Temperaturbereichen höhere Ströme aufgenommen, was der Applikation zu Gute kommt. Zum andern steigt der Widerstandswert ab der so genannten Sprungtemperatur von rund 140 °C derart steil in die Höhe, dass die Leistungsaufnahme gegen Null geht. Die Folgen: Ohne weitere Leistungsaufnahme erfolgt kein weiterer Temperaturanstieg. Das Risiko einer Überlastung ist ausgeschlossen. Der PTC-Bremswiderstand schützt sich also selbst.

Die Applikation entscheidet

Der Markt bietet ein reichhaltiges Angebot an Lösungen, mit dem jede technische Anforderung erfüllt werden kann. Die Maschine und ihre Einsatzbedingungen sind entscheidend für die Wahl des optimalen Umgangs mit generatorischer Energie. In den meisten Fällen schneidet bei der Gesamtbetrachtung der Bremswiderstand mit seinem guten Kosten-Nutzen-Verhältnis im Vergleich zu anderen Alternativen am besten ab. Die verfügbaren Widerstandstechniken und –ausführungen bieten eine reichhaltige Auswahl für jede Leistungsgröße.

Michael Koch ist geschäftsführender Gesellschafter der Michael Koch GmbH in 76698 Ubstadt-Weiher, Tel. (07251) 9626-20, Fax (07251) 9626-21, mail@koch-mk.de

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