Für diese Entwicklung mitverantwortlich ist ebenso der globale Wettbewerb. Er zwingt Projekteure bei der Systemauslegung auf die bisher bewährten Sicherheiten zu verzichten. Das verlangt nicht nur in der Entwicklung tiefere Kenntnisse der eingesetzten Produkte, die vielfach über die Datenblattangaben der Hersteller hinausgehen. Aufgrund der reduzierten Sicherheiten sind umfangreichere Nachweispflichten und aufwendigere Tests in der Entwicklungsphase unumgänglich.

Forciert durch die Energiespar-Richtlinien der EU gewinnt in der Automatisierung und speziell in der Antriebstechnik das Einsparen elektrischer Energie weiter an Bedeutung. Dieser Entwicklung zum Trotz steigt dennoch die Zahl der Applikationen kontinuierlich, bei denen Leistungswiderstände zum Einsatz kommen. Fakt ist: Fast jede Antriebslösung im Werkzeugmaschinenbau, in der Lagertechnik oder bei Verpackungsmaschinen, braucht Brems-, Anlass- oder Stellwiderstände. Ihre Aufgabe ist es, Bewegungsenergie abzuführen beziehungsweise durch eine Strombegrenzung Bauteile vor Überlast zu schützen.

Vor allem Frequenzumrichter-geregelte Antriebe benötigen Widerstände zum Abbremsen des Antriebs. Optimal bemessen ermöglichen Leistungswiderstände hochdynamische Maschinenkonzepte, die durch schnelles Beschleunigen im Wechsel mit Bremsvorgängen für wirtschaftliche und effektive Produktionsprozesse sorgen. Keine Frage, diese Maßnahme steht im Widerspruch zu den allgemeinen Bemühungen, einen möglichst geringen Energieverbrauch zu erzielen. Jedoch ist es die mit Abstand wirtschaftlichste Methode, dynamische Antriebe beziehungsweise Maschinen zu bauen.

Rückspeisung und Zwischenkreiskopplung zeigen Wirkung

Kompakter Stahlgitterwiderstand für eine kurzzeitige Energieaufnahme von 6 MJ.

Kompakter Stahlgitterwiderstand für eine kurzzeitige Energieaufnahme von 6 MJ.Frizlen

Der vermehrte Einsatz von Rückspeise-Einheiten und Zwischenkreis-Kopplungen der Achsen verändert die Anforderungen an Bremswiderstände. Wurden die Widerstände bislang für wiederkehrende Spitzen-Bremsleistungen ausgelegt, werden die Widerstände bei diesen Antriebskonzepten bevorzugt auf einmalige Bremsvorgänge innerhalb bestimmter Intervalle dimensioniert. Der Fokus wechselt damit von einer Dauer-Leistungsbetrachtung in Intervallen hin zu einer Kurzzeit-Leistungs- oder Energiebetrachtung für Einzeleinsätze mit größeren Pausen.

Sicherheit geht vor

Überall wird das Thema Sicherheit groß geschrieben. So sind bestimmte Anlagenteile innerhalb vorgeschriebener Zeiten gefährdungsfrei stillzusetzen, wenn ein Not-Aus betätigt wurde oder eine andere Sicherheitseinrichtung den Maschinenhalt auslöst. Dieses kontrollierte Stillsetzen kann unter anderem mechanisch erfolgen.

In sicherheitsrelevanten Applikationen besteht aber oft die Anforderung, auch bei Netzausfall auf Bremswiderstände zurückzugreifen, um nicht auf eine mechanische Bremsung angewiesen zu sein. Die Vorteile einer elektrischen Bremsung liegen in der einstellbaren, Material-schonenden Bremsrampe sowie einem verschleißfreien und damit wartungsfreien Bremsvorgang.

Im Vergleich der Variante mit Energie-Rückspeisung im Notfall sind Widerstände wesentlich störungsunempfindlicher gegenüber Umgebungseinflüssen, wie der vorhandenen Netzqualität. Schließlich ist letztere Voraussetzung für eine erfolgreiche Rückspeisung und damit für den Bremsvorgang. In Netzen mit schlechter oder wechselnder Netzqualität kann eine Rückspeisung eventuell von vornherein ausgeschlossen sein.

Widerstände für solche Not-Aus-Anwendungen werden komplett anders dimensioniert. Hier zählt einzig und allein die in der Applikation gespeicherte kinetische Energie und die Zeitvorgabe, wie schnell die gefährliche Bewegung stillgesetzt sein muss. Die Spanne reicht hier von wenigen Millisekunden bis zu Minuten.

Schutz bei Überlast

19-Zoll-Belastungswiderstand: Typische Einsatzgebiete sind Laboratorien, Prüfstände und Entwicklung sowie Wärmesimulationen für Serverapplikationen.

19-Zoll-Belastungswiderstand: Typische Einsatzgebiete sind Laboratorien, Prüfstände und Entwicklung sowie Wärmesimulationen für Serverapplikationen.Frizlen

Bremswiderstände bedeuten bei Normalbetrieb immer auch Wärmeentwicklung, da die zugeführte überschüssige Energie in Wärme umgewandelt wird. Außerhalb der Nennbedingungen betrieben, kann eine Überlast bis zum Brand des Leistungswiderstands führen; mit entsprechendem Schadenspotenzial für die anderen Komponenten im Schaltschrank.

Eine geeignete Schutzmaßnahme gegen Überlast sind gekapselte Widerstände. Vergleichbar mit einer Gleichstromsicherung werden Abhängig von Spannungshöhe, Widerstandswert und Belastungsdauer intern Maßnahmen getroffen, um bei Überlast eine sichere interne Trennung zu gewährleisten. Sofern die Betriebs- und Fehlerbedingungen bekannt sind, lassen sich im Gegensatz zu Halbleitersicherungen die Widerstände anpassen, was der Dynamik der jeweiligen Applikation zu Gute kommt. Gekapselte Widerstände rechnen sich bis etwa 1 000 W Dauerleistung. Darüber hinaus sollte ein sogenannter DC-Powerswitch zum Einsatz kommen.

Eigensichere Bremswiderstände bis 18 kW

Der DC-Powerswitch schützt vor Überlast und meldet Unregelmäßigkeiten.

Der DC-Powerswitch schützt vor Überlast und meldet Unregelmäßigkeiten.Frizlen

Der DC-Powerswitch kann Bremswiderstände unabhängig von ihrer Bauart eigensicher überwachen, sodass eine Überlastung durch rechtzeitiges Abschalten verhindert wird. Im Aufbau ähnlich zu einem AC-Motorschutzschalter erkennt der DC-Powerswitch Überlasten am Bremswiderstand, schaltet die Widerstandslast ab und meldet die Abschaltung über einen Schaltkontakt. Nach einem Auslösen kann der DC-Powerswitch wie ein Motorschutzschalter wieder in Betrieb gesetzt werden.

Durch ihre Skalierbarkeit lässt sich diese Art der Sicherung der Applikation anpassen, sodass die Dynamik des Antriebs nicht verloren geht. Das Potenzial der Bremswiderstände kann damit ausgereizt werden, ohne es zu überschreiten.

Die Überwachungseinrichtung lässt sich nachrüsten und wird dann zwischen Frequenzumrichter und Bremswiderstand geschaltet. Der Vorteil: Auch die Zuleitung zum Bremswiderstand ist gesichert.

Ob der Einsatz des DC-Powerswitch technisch möglich ist, hängt vom Nennstrom des Bremswiderstands ab. Er muss unterhalb von 40 A liegen. Größere Nennströme können jedoch durch Parallelschaltung mehrerer Teilwiderstände mit DC-Powerswitch realisiert werden. Zudem ist der DC-Powerswitch mit UL-Zulassung für den amerikanischen und kanadischen Markt erhältlich.

Norm und Richtlinien treiben Entwicklungen

Bei der Ein-/Rückspeisung von regenerativer Energie ins öffentliche Netz sind diverse Vorschriften einzuhalten, um Störaussendungen und zusätzliche Netzbelastungen durch Oberschwingungen zu begrenzen. Die Einhaltung dieser Regeln erfordert zusätzliche Filterelemente, die wiederum 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. Der Vorteil dieser Filterwiderstände ist, dass anstatt jeweils drei einzelner Induktivitäten und Widerstände ein einziges Bauteil diese Funktion übernimmt. So werden in der Endanwendung nicht nur Bauteile und Platz, sondern vor allem Montage- und Installationskosten gespart.

Technik im Detail

Widerstände in allen Variationen

Frizlen produziert gewickelte Drahtwiderstände und Stahlgitterwiderstände, die aufgrund ihrer Modularität bei den Wickelkörpern, Widerstandsdrähten, den verwendeten Stahlgitterelementen und Gehäusen eine nahezu beliebige Zahl unterschiedlicher Bauformen ermöglichen.

Bei den Drahtwiderständen werden die Produktgruppen Rohrwiderstände, Lamellenwiderstände und gekapselte Flachwiderstände unterschieden. Bei Dauerlastanwendungen kommt bei Rohrwiderständen Blankdraht zum Einsatz, der mit einem eigenentwickelten Spezialzement fixiert ist. Geht es um die Aufnahme von sehr hohen Kurzzeit-Leistungen auf möglichst kleiner Oberfläche, spielt das Drahtgewicht, die entscheidende Rolle. Bei diesen Typen kommt oxidierter Draht zum Einsatz.

Die Produktgruppe der Lamellenfestwiderstände basiert auf einer bewickelten Trägereinheit aus metallischen Lamellen und aufgesteckten Keramik-Reitern. Ebenso können Abgreifschellen zur Anpassung des Widerstandswertes auf den Wicklungen aufgebracht werden.

Flachwiderstände sind für beengte Raumverhältnisse prädestiniert. Möglich macht dies die fast frei wählbare Form des Trägermaterials Glimmer. Eingebaut in geschlossene Aluminiumstrangpressgehäuse entstehen Varianten mit Schutzart IP67. Außerdem lassen sich diese Widerstände zur Erhöhung der Leistung auf Kühlkörpern oder Kühlflächen montieren.

Im Bereich höherer Leistungen sind besonders robuste Konstruktionen gefragt. Hier kommen Stahlgitterwiderstände zum Einsatz, bestehend aus Stahlblechelementen mit je 500 W Leistung. Eingebaut in Gehäuse, die bei größeren Leistungen bis 500 kW auch fremdbelüftet werden können, sind verschiedene Schutzarten möglich.

Zur Überlastüberwachung stehen in nahezu allen Baureihen thermische Überstromrelais, Temperaturschalter sowie DC-Powerswitch zur Verfügung. Alle wichtigen Baureihen des Herstellers haben eine UL-Approbation.

SPS IPC Drives 2015 – Halle 3, Stand 431