Leistungswiderstände Moderne Dauerbrenner

Ob energieeffizientes Handeln, der Schutz vor Überlasten oder sicherheitstechnische Aspekte in Produktionsanlagen: Die Ansprüche an passive Bauelemente steigen. Gekapselte Widerstände, DC-Powerswitches und multifunktionale ohmsche/induktive Widerstände bieten Lösungsansätze.

Die unterschiedlichen Anforderungen an passive Bauelemente, vor allem im Bereich der Leistungswiderstände, machen es notwendig, verschiedene Lösungen zu realisieren. Sowohl die Leistung, als auch der Widerstand an sich, waren in der Vergangenheit die wichtigsten Parameter in Hinblick auf passive Bauelemente. Durch eine leistungsfähigere Elektronik, geänderte Normen und politische Vorgaben gewinnen jedoch zunehmend andere Einflussfaktoren an Bedeutung. Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Vielfalt der verschiedenen Anforderungen an passive Bauteile und zeigen die dazu passenden Lösungen auf.

Obwohl in der Automatisierung und Antriebstechnik energieeffizientes Handeln immer mehr an Bedeutung gewinnt, nimmt die Anzahl der Applikationen, bei denen Leistungswiderstände zum Einsatz kommen, kontinuierlich zu. Die Aufgaben sind z. B. Bewegungsenergie abführen oder Bauteile vor Überlast schützen.

Energiesparverordnung erfordert umdenken

Frequenzgeregelte Antriebe benötigen Widerstände zum Abbremsen des Antriebes. Durch optimal bemessene Leistungswiderstände ist es möglich, hochdynamische Maschinen zu realisieren. Schnelles Beschleunigen im Wechsel mit schnellen Bremsvorgängen ermöglichen wirtschaftliche und effektive Produktionsprozesse. Dies steht zwar im Widerspruch zu energieeffizientem Handeln, ist jedoch die wirtschaftlichste Methode leistungsfähige dynamische Antriebe zu bauen. Die vermehrte Anwendung von Rückspeiseeinheiten und Zwischenkreiskopplungen verändert die Anforderungen an die Bremswiderstände. Widerstände waren in der Vergangenheit für wiederkehrende Spitzenbremsleistungen dimensioniert. Nun werden sie auf einmalige Bremsvorgänge innerhalb bestimmter Intervalle ausgelegt. Die Fokussierung auf Dauerleistungsbetrachtungen innerhalb bestimmter Intervalle ändert sich hin zur Kurzzeitleistungs- oder Energiebetrachtung für Einzeleinsätze.

Sicherheit geht vor

Das Thema Sicherheit wird in allen Bereichen groß geschrieben. Innerhalb einer vorgeschriebenen Zeit müssen bestimmte Anlagenteile gefährdungsfrei still gesetzt werden können, sofern ein Notfall eintritt oder die Not-Aus-Taste betätigt wird. Dies kann unter anderem mechanisch erfolgen.

Für sicherheitsrelevante Applikationen gibt es jedoch oft die Anforderung, bei Netzausfällen auf Bremswiderstände zurückzugreifen, um nicht auf eine mechanische Bremsung angewiesen zu sein. Eine elektrische Bremsung hat im Unterschied zur mechanischen den Vorteil einer einstellbaren materialschonenden Bremsrampe und eines verschleißfreien Bremsvorgangs. Bei einer möglichen Rückspeisung der Energie im Notfall sind Widerstände störungsunempfindlicher gegenüber äußeren Umwelteinflüssen. Die Netzqualität ist für die erfolgreiche Rückspeisung Grundvoraussetzung. In Netzen mit schlechter oder schwankender Netzqualität kann eine Rückspeisung eventuell von vornherein ausgeschlossen werden. Bei Widerständen für Not-Aus-Anwendungen ist die kinetische Energie entscheidend, die in der Applikation gespeichert ist, und die Anforderung, innerhalb welcher Zeitspanne der Antrieb stillgesetzt werden muss (Bild 1). Die Zeit variiert zwischen wenigen Millisekunden bis hin zu Minuten.

Schutz bei Überlast

Bei Normalbetrieb erzeugen Bremswiderstände Wärme, da die zugeführte überschüssige Energie in Wärme umgewandelt wird. Außerhalb der Nennbedingungen kann dies bis zum Brand des Leistungswiderstands führen. Daraus ergibt sich ein entsprechendes Schadenspotenzial für die umgebenden Komponenten, z. B. im Schaltschrank.

Fritzlen bietet gekapselte Widerstände an, die durch ihre geschlossene Bauart eigensicher ausgeführt werden. Sie sind mit einer Gleichstromsicherung vergleichbar. Abhängig von der Spannung, dem Widerstand und der Belastungsdauer werden Maßnahmen getroffen, um bei Überlast eine internsichere Trennung zu gewährleisten.

Sofern die Betriebs- und Fehlerbedingungen bekannt sind, ist im Gegensatz zu Halbleitersicherungen eine gute Anpassbarkeit und damit dynamische Nutzung der jeweiligen Applikation möglich. Die gekapselten Widerstände bewältigen eine Dauerleistung bis ca. 1000 W.

DC-Powerswitch

Mit dem DC-Powerswitch (Bild 2) können Bremswiderstände unabhängig von ihrer Bauart eigensicher überwacht werden. Durch rechtzeitiges Abschalten wird ein Fehler verhindert. Die skalierbare Ausführung ermöglicht die Anpassung an entsprechende Applikationen. Volle Antriebsdynamik ist gewährleistet. Mit dem DC-Powerswitch kann das Potenzial der Bremswiderstände vollständig und ohne Risiko genutzt werden.

Wegen der UL-Zulassung sind solche Bremswiderstände auch für den amerikanischen und kanadischen Markt planbar. Im Aufbau ähnlich einem AC-Motorschutzschalter erkennt ein DC-Powerswitch Überlasten am Bremswiderstand, schaltet die Widerstandslast ab und meldet die Abschaltung per Meldekontakt. Anschließend kann der DC-Powerswitch wie ein Motorschutzschalter durch Schalterumlegen wieder in Betrieb genommen werden.

Der DC-Powerswitch kann auch als Nachrüstlösung im Schaltschrank integriert werden. In diesem Fall wird er zwischen Frequenzumrichter und Bremswiderstand geschaltet und sichert so neben dem Bremswiderstand auch die Zuleitung ab. Ob der Einsatz eines DC-Powerswitch technisch möglich ist, kann einfach ermittelt werden: Der Nennstrom des Bremswiderstands muss unterhalb 40 A liegen. Größere Nennströme können durch Parallelschaltung mehrerer Teilwiderstände abgesichert werden.

Multifunktionale Widerstände

Bei Ein- oder Rückspeisung von regenerativer Energie in das öffentliche Netz sind viele Vorschriften gegenüber den öffentlichen Energieversorgern einzuhalten wie die Netzanschaltbedingungen. Dadurch versucht man Störaussendungen und zusätzliche Netzbelastungen, z. B. durch Oberschwingungen, auf ein bestimmtes Maß zu begrenzen.

Um die Vorgaben erfüllen zu können, werden zusätzliche Filterelemente benötigt. Diese wiederum bestehen in ihren Grundelementen aus Kombinationen von Induktivitäten, Kondensatoren und Leistungswiderständen. Gegenstand spezieller Entwicklungen sind deshalb multifunktionale Widerstände, die in einem Bauelement ohmsche und induktive Anteile vereinen. In der Endanwendung spart dies nicht nur Bauteile und Platz ein, sondern auch Montage- und Installationskosten.

Lasten für Prüfung und Simulation

Ob als Prüf- und Lastwiderstand im Labor oder zur thermischen/elektrischen Simulation von Servern in Rechenzentren, Lastwiderstände sind in diversen Ausführungen erhältlich. Das Programm umfasst Widerstände von 100 W bis 500 kW, z. B. als Schiebewiderstände kleinerer Leistung, fahrbare Prüfwiderstände, Leichtbauausführungen (geeignet für PKW-Transport) und Lastwiderstände großer Leistung zur Installation im Freien. Außerdem gibt es einen 19-Zoll-Belastungswiderstand (Bild 3). Variable Bauhöhen und Einschubtiefen bieten gute Kompatibilität zu allen gängigen 19-Zoll-Racks. Mit verschiedenen Schaltern, Stufenzahlen und Anzeigegeräten wird gezielt auf die Anforderungen der jeweiligen Applikation eingegangen. Die Gesamtleistung dieses Lastwiderstands kann durch Kombination mehrerer Module aufgestockt werden. (vw)