Effektive Antriebsauslegung Bremswiderstände richtig wählen

Der Elektrokonstrukteur hat bei der Auslegung elektrischer Antriebe von Produktionsmaschinen einen breiten Themenfächer im Blick. In den Fokus rücken dabei neben hoher Verfügbarkeit und Leistungsfähigkeit eine hohe Energieeffizienz der Maschine sowie ein Höchstmaß an Sicherheit. Dabei spielen Bremswiderstände eine Rolle. Je nach Antriebskonzept ist dabei eine gesonderte Auslegung der Widerstände sinnvoll, um die technische Aufgabe bestmöglich zu erfüllen.

Frequenzgeregelte Antriebe benötigen im Allgemeinen Widerstände zum Abbremsen des Antriebes. Durch bestmöglich bemessene Bremswiderstände 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 jedoch 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. Der Fokus wechselt damit von einer Dauerleistungsbetrachtung in Intervallen hin zu einer Kurzzeitleistungs- beziehungsweise Energiebetrachtung für Einzeleinsätze mit größeren dazwischen liegenden Pausen. Im Allgemeinen können Bremswiderstände dadurch kleiner dimensioniert werden, wobei sie jedoch gleichzeitig auf ein hohes Energieaufnahmevermögen hin optimiert sein müssen.

Auch die gesteigerte Effizienz von Elektromotoren beim Einsatz von IE3- und IE4-Motoren kann Auswirkungen auf die Dimensionierung der benötigten Bremswiderstände haben. Gerade bei Umrüstungen von Antrieben muss dieser Aspekt bedacht werden. Denn der erhöhte Wirkungsgrad der Motoren wirkt nicht nur im motorischen, sondern auch im generatorischen Betrieb: Wird der Motor im Bremsfall von der Maschine angetrieben, kommt bei gleicher kinetischer Energie in der Applikation eine größere Energiemenge im Zwischenkreis des Frequenzumrichters an. Der höhere Wirkungsgrad des Motors kann also dazu führen, dass in der gleichen Anwendung ein größerer Bremswiderstand nötig ist, als wenn ein Motor mit niedrigerem Wirkungsgrad verbaut ist.

Wenn zuvor gar kein Bremswiderstand nötig war, da die Bremsenergie durch die Verluste im Motor kompensiert wurde, kann nun bei IE3- und IE4-Motoren ein kleiner externer Bremswiderstand notwendig werden.

Sicherheit geht vor

Auch das Thema Maschinensicherheit wird heute groß geschrieben. So sind bestimmte Anlagenteile innerhalb vorgeschriebener Zeiten gefährdungsfrei stillzusetzen, sofern ein Notfall eintritt beziehungsweise ein Not-Aus betätigt wird. Das Stillsetzen könnte prinzipiell 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. Gegenüber einer möglichen Rückspeisung der Energie im Notfall sind Widerstände wesentlich störungsunempfindlicher gegenüber äußeren Umwelteinflüssen, wie die der vorhandenen Netzqualität, die ja für eine erfolgreiche Rückspeisung Voraussetzung ist. In Netzen mit schlechter oder wechselnder Netzqualität kann eine Rückspeisung auch schon von vornherein ausgeschlossen werden. Widerstände für diese Not-Aus-Anwendungen werden komplett 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.

Schutz bei Überlast

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 zu einer Überlastung und Wärmeentwicklung kommen, die bis zum Brand des Leistungswiderstands führen kann – mit entsprechendem Schadenspotenzial für die umgebenden Komponenten. Abhilfe bieten hier gekapselte Widerstände im Aluminiumgehäuse, die durch ihre geschlossene Bauart eigensicher ausgeführt werden können. Sie sind dann von der Charakteristik her mit einer Gleichstromsicherung vergleichbar. 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 Halbleitersicherungen eine sehr gute Anpassbarkeit und damit gute dynamische Ausnutzung der jeweiligen Applikation möglich. Wirtschaftlich sind diese gekapselten Widerstände im Bereich bis 1000 Watt Dauerleistung. Doch auch bei Anlagen, in denen Bremswiderstände mit größeren Dauerleistungen zum Einsatz kommen, können diese eigensicher ausgelegt werden.

Eigensichere Bremswiderstände

Mit dem DC-Powerswitch von Frizlen können Bremswiderstände unabhängig von ihrer Bauart eigensicher überwacht werden, sodass ein Fehler durch rechtzeitiges Abschalten verhindert wird. Durch die skalierbare Ausführung des Überlastschalters bis maximal 40 A Nennstrom ist eine Anpassung exakt an die jeweilige Applikation möglich. Die volle Dynamik für den Antrieb ist damit gewährleistet. Das Leistungspotenzial der Bremswiderstände kann vollständig ausgenutzt werden, ohne es zu überschreiten. 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.

Frizlen bietet Bremswiderstände mit integriertem DC-Powerswitch mit UL-Zulassung für den amerikanischen und kanadischen Markt an. Diese Widerstände sind bei UL gelistet. Sie müssen dadurch bei einer UL-Zertifizierung der Maschine nicht erneut hinsichtlich ihres Sicherheitskonzepts überprüft werden, was die Abnahme in der Regel vereinfacht. Der DC-Powerswitch kann auch als Nachrüstlösung im Schaltschrank integriert werden. Er wird dann zwischen den Frequenzumrichter und den Bremswiderstand geschaltet und sichert so neben dem Bremswiderstand auch noch die Zuleitung ab. Ob der Einsatz des DC-Powerswitch technisch möglich ist, kann mit einer einfachen Rechnung ermittelt werden: Der Nennstrom des Bremswiderstands muss dafür unterhalb von 40 A liegen. Größere Nennströme oberhalb von 40 A können durch Parallelschaltung mehrerer Teilwiderstände abgesichert werden.