In vielen Bereichen der Elektronik liegt das Hauptaugenmerk auf Miniaturisierung und der Reduktion des Energieverbrauchs. Entsprechend müssen die eingesetzten Widerstände immer kleiner werden. In der Leistungselektronik, und damit auch bei den in diesem Bereich eingesetzten Widerständen, belegen jedoch andere Parameter die vorderen Plätze. Bei diesen Bauteilen stehen die Stromtragfähigkeit, das Energieaufnahmevermögen und die Kurzzeit- oder Pulsleistung im Zentrum des Interesses. Auch die mechanische Integration, die durch Wirkungsort und Umweltbedingungen definierten Schutzarten und die Entwärmung spielen eine wichtige Rolle. Es geht um Betriebspunkte, die durch komplett unterschiedliche Temperatur-Arbeitsbereiche definiert sind, um Eigensicherheit und um die Absicherung im Fall einer Überlastung.
Bei Leistungswiderständen sprechen wir von Leistungen, die ab etwa 10 W beginnen. Das obere Ende liegt grob bei einem Megawatt. Dabei können entsprechende Kurzzeit- oder Spitzenleistungen noch ein Vielfaches der Dauerleistung betragen. Typische Energieaufnahmevermögen liegen zwischen einigen 100 Ws bis hin zu Werten im Megawattsekunden-Bereich.
Tatort elektrische Antriebstechnik
Das häufigste Einsatzgebiet von Leistungswiderständen ist die elektrische Antriebstechnik. Hier werden Brems- oder Ballastwiderstände für Frequenzumrichter benötigt, die als mechanischer Bremsen-Ersatz einen wartungsfreien Betrieb ermöglichen. Der Mechanismus beruht darauf, dem geregelten elektrischen Antrieb gezielt Energie zu entziehen. Dadurch ist es möglich, applikationsspezifische und präzise geregelte Verzögerungs- und Bremsrampen zu „befahren“ und damit sowohl verschleißfrei als auch sanft zu verzögern beziehungsweise zu bremsen.
Generell sind Gleichstromantriebe derzeit wieder auf dem Vormarsch. Hier werden Leistungswiderstände verwendet, um den Anlassstrom zu begrenzen und die Momente zu erhöhen. Auch der Maschinenbau setzt auf sogenannte Not-Aus-Widerstände, um im Falle eines Stromausfalls oder Not-Halts die Energie schnellstmöglich aus der Maschine zu bekommen und damit Personen- und Sachschäden zu vermeiden.
Wärmeentwicklung von Widerständen
In der Leistungselektronik besteht großer Bedarf an Lade-, Entlade-, Symmetrier- und Strombegrenzungswiderständen. Soweit es die Leistungsanforderungen zulassen, werden diese Widerstände teilweise noch in einer in Platinen integrierbaren Ausführung angeboten. Wenn größere Leistungen im Spiel sind, müssen sie unter Umständen auf luft- oder flüssigkeitsgekühlten Kühlkörpern montiert werden.
Die Wärmeentwicklung von Leistungswiderständen stellt Projektingenieure vor die grundsätzliche Aufgabe, den Wärmefluss zu steuern und somit lokale Überhitzungen zu vermeiden. Leistungswiderstände werden in der Regel auf eine Oberflächentemperatur von 300 °C ausgelegt. Das bedeutet, dass man bei der Montage auf jeden Fall die Umgebungsbedingungen im Auge behalten muss, um beispielsweise benachbarte Bauteile, Kabelkanäle oder Leitungen vor Überhitzung zu schützen.
Energietechnik braucht Leistungswiderstände
Ein weiteres Anwendungsfeld von Leistungswiderständen ist die Energietechnik. Hier werden Dämpfungs- und Filterwiderstände im Bereich der Nieder- und Mittelspannung eingesetzt, zum Beispiel um die Netzqualität sicherzustellen oder bei Erdschlüssen den Strom zu begrenzen. So fordern die Energieversorger von den Herstellern von Windenergieanlagen, dass die Anlage bei einem möglichen Ausfall des Versorgungs- und Einspeisenetzes einige Sekunden weiterlaufen muss, um nach Beseitigung des Fehlers sofort wieder Energie ins Netz einspeisen zu können.
Dafür braucht es sogenannte FRT- oder LVRT-Widerstände, welche die Energie für die geforderte Zeit kurzfristig aufnehmen. Dabei handelt es sich um Energiemengen im Bereich von einigen Megawatt. Sind die Pitch-Antriebe für das Verstellen der Blätter nicht hydraulisch, sondern elektrisch, gibt es je nach Regelungsart auch hier Bedarf an Bremswiderständen, um den vom Generator erzeugten Winddruck aufzunehmen. Da es sich um unregelmäßige, nadelförmige Impulse handelt, ist ein hoher Aufwand erforderlich, um diese Energie zurückzugewinnen.
Auch die ständig wachsende Transport- und Logistikbranche mit ihren vor allem im Hafenbereich installierten Portal- und Containerstapelkränen und ihren automatisch fahrenden Containertransportern benötigt Anlass-, Brems- und Stellwiderstände, um einen sicheren und effizienten Betrieb zu ermöglichen. In der Test- und Labortechnik werden Leistungswiderstände als passive Lasten eingesetzt.
Beginnend mit den altbekannten Schiebewiderständen über Ringstellwiderstände bis hin zu fein einstellbaren und mit Schaltern und Feinstellern kombinierten Belastungswiderstandseinheiten bietet das schwäbische Unternehmen Frizlen kundenspezifische Lösungen für zahlreiche Branchen und Anwendungen an. Die durch die Elektromobilität wieder aufkommende Gleichspannung hat hier zu einer zusätzlichen Nachfrage geführt. Belastungs- und Prüfwiderstände werden zum Beispiel für alle Arten von Spannungsquellen angeboten, die sowohl in Innenräumen, etwa in Laboren, als auch für Industrieanwendungen in Hallen- oder Außenbereichen verwendbar sind.
Aus Kosten-Nutzen-Sicht oft alternativlos
Viele Entwickler würden gerne auf Leistungswiderstände verzichten. Es gibt auch verschiedene Möglichkeiten, zum Beispiel bei Bremswiderständen, diese zu umgehen. Die wichtigsten Alternativen sind die Netzrückspeisung, die Energiespeicherung im Zwischenkreis oder durch eine separate Lösung und die Gleichstrom-Zwischenkreiskopplung. Trotzdem ist es aus Kosten-Nutzen-Sicht häufig sinnvoll, auf die bewährte Technologie der Leistungswiderstände zurückzugreifen. Ihre Zuverlässigkeit und Langlebigkeit sind handfeste Gründe dafür, dass die Technologie nicht ausstirbt, sondern im Gegenteil stetig wächst.
