Auslegung elektrischer Antriebe

Bei modularen Stellgeräten wird die Einspeisung oft als einfache Diodenbrücke ausgeführt. Sie ist dann nicht in der Lage, Energie aus dem Zwischenkreis in das Netz zurückzuspeisen. Die bei Bremsvorgängen im Zwischenkreis anfallende Energie muß deshalb auf andere Weise abgeführt werden. Üblich ist, diese Energie in einem Bremswiderstand in Wärme umzusetzen.
Dazu wird ein Bremschopper am Zwischenkreis angeschlossen. Dieser überwacht die Zwischenkreisspannung bezüglich der Spannungshöhe. Überschreitet die Zwischenkreisspannung einen eingestellten Schwellwert, schaltet der Bremschopper den Bremswiderstand zwischen den positiven und den negativen Pol des Zwischenkreises. Als Folge fließt ein Gleichstrom über den Bremswiderstand, der die Kapazitäten in den angeschlossenen Stellgeräten entlädt und die Zwischenkreisspannung absenkt. Unterschreitet die Zwischenkreisspannung einen unteren Schwellwert, unterbricht der Bremschopper den Stromfluß durch den Bremswiderstand. Bei Einspeisungen mit Diodenbrücke ist der Bremschopper oft in der Einspeisung integriert. Dann muß lediglich der Bremswiderstand angeschlossen werden.

Bremschopper und Bremswiderstände werden auch bei rückspeisefähigen Einspeisungen eingesetzt. Sie haben dann die Aufgabe, bei einem Netzausfall und dem damit verbundenen Verlust der Rückspeisefähigkeit ein Abbremsen der Motoren zu ermöglichen.

Grundsätzlich sind Bremschopper und Bremswiderstände nur für kurzzeitige Bremsvorgänge vorgesehen. Bei Anwendungen, bei denen dauerhaft generatorische Leistung anfällt, empfiehlt sich der Einsatz von rückspeisefähigen Einspeisungen.

Thermisches Modell

Für die Auslegung ist im allgemeinen der Bremswiderstand des begrenzende Element, da in ihm große Energiemengen in Wärme umgesetzt werden. Die Verluste im Bremschopper sind dagegen zu vernachlässigen und für die Auslegung nicht relevant.
Bremswiderstände sind aus Heizwendeln oder Widerstandsbahnen aufgebaut. Diese sind entweder in einem Kühlkörper eingebettet oder von Luft umgeben. Das thermische Modell des Bremswiderstandes ähnelt damit dem thermischen Modell des Motors. Die Heizwendeln in Verbindung mit einem Kühlkörper bilden die wesentliche Wärmekapazität CM. Über den thermischen Widerstand Rth wird die Wärme an die Umgebung abgegeben Die resultierende thermische Zeitkonstante Tth ist allerdings wesentlich kleiner als bei Motoren und liegt zum Teil deutlich unter 1 min. Erwärmungsvorgänge laufen in Bremswiderständen relativ schnell ab.

Kenndaten von Bremschopper und Bremswiderständen

Die Hersteller von Bremschopper und Bremswiderständen geben ein Lastspiel zur Definition von Auslegungsdaten an:

• Die Bemessungsleistung PB gibt die Leistung an, die dauerhaft von Bremschopper und Bremswiderstand umgesetzt werden kann.
• Die Maximalleistung Pmax gibt die maximale Leistung an, die von Bremschopper und Bremswiderstand während der Spitzenlastdauer t1 kurzzeitig umgesetzt werden kann.
  

Das nebenstehende Bild verdeutlicht die Zusammenhänge. Leider lassen sich die real auftretenden Lastspiele nur selten in dieses Schema einordnen, so daß eine angepaßte Auslegungsstrategie gefunden werden muß.

Hinweis:
Zu beachten ist, daß sich die Leistungsangaben der Hersteller auf eine bestimmte Höhe der Zwischenkreisspannung beziehen. Wird das System mit abweichender Zwischenkreisspannungen betrieben, ändern sich auch die Leistungsangaben proportional zur Höhe der Zwischenkreisspannung.

Ermittlung der thermischen Zeitkonstante

Für eine Auslegung, die auf das tatsächlich auftretende Lastspiel zugeschnitten ist, muß die thermische Zeitkonstante des Bremswiderstandes bekannt sein. Diese wird in den technischen Daten jedoch nur selten angegeben. Sie läßt sich aber aus dem vom Hersteller definierten Lastspiel näherungsweise nach nebenstehender Formel berechnen.

Auslegung nach Lastspiel

Mit Kenntnis der thermischen Zeitkonstante ist eine Klassifizierung der Lastspiele nach "langen" und "kurzen" Lastspielen möglich, wie sie bereits bei der Auslegung der Einspeisungen angewendet wurde:

• "Kurzes Lastspiel": TLastspiel < 0,1Tth
• "Langes Lastspiel": TLastspiel > 0,1Tth
  

Das für die Auslegung relevante Lastspiel ergibt sich im Gegensatz zur Auslegung der Einspeisung jedoch aus der Bremsleistung, die im Zwischenkreis anfällt und nicht aus der Einspeiseleistung.

Auslegung bei "kurzen Lastspielen"

TLastspiel < 0,1Tth

Dann tritt innerhalb eines Lastabschnittes keine wesentliche Temperaturänderung des Bremswiderstandes ein und man kann von einer mittleren Belastung bzw. mittleren Erwärmung ausgehen. Die tatsächlich erreichte Maximaltemperatur des Bremswiderstandes weicht nur unwesentlich von der mittleren Temperatur ab. Die Auslegung erfolgt über die mittlere Leistung Pmittel, die den Bremswiderstand in gleicher Weise erwärmt wie die tatsächlich umgesetzte Leistung.

Die mittlere Leistung Pmittel ist nach folgender Formel zu berechnen:

Da die Leistung innerhalb eines Lastabschnitts nicht konstant ist, wird mit der Formel

ein Mittelwert für jeden Lastabschnitt bestimmt.

Der Bremswiderstand wird nun so ausgewählt,

• daß seine Bemessungsleistung über der mittleren Bremsleistung des Lastspiels liegt
  
  

  PB > Pmittel

  mit:

  PB:

  Bemessungsleistung des Bremswiderstandes

  
  
• und seine Maximalleistung größer als die im Lastspiel auftretende Maximalleistung ist.
  
  

  Pmax > Pmax_L

  mit:

  Pmax: Pmax_L:

  Maximalleistung des Bremswiderstandes Maximale Bremsleistung innerhalb des Lastspiels

Auslegung bei "langen Lastspielen"

Bei diesen Lastspielen erwärmt sich der Bremswiderstand innerhalb des Lastspiels temporär auf eine Temperatur, die deutlich über der mittleren Temperatur liegt. Die innerhalb des Lastspiels auftretende Maximaltemperatur kann deshalb nicht vernachlässigt werden. Entspricht die mittlere Temperatur der nominellen Erwärmung, würden die auftretenden Temperaturspitzen zur Abschaltung des Bremschoppers durch die integrierte Temperaturüberwachung führen. Die anfallende Bremsenergie bewirkt dann eine unzulässige Erhöhung der Zwischenkreisspannung und damit die Abschaltung des gesamten Antriebsverbandes.
Um den Bremswiderstand für "lange Lastspiele" auszuwählen, zerlegt man das Lastspiel in kurze Einzellastspiele, für die jeweils wieder die Bedingung

TLastspiel < 0,1Tth

gilt. Für jedes Einzellastspiel wird die mittleres Leistung Pmittel berechnet. Der Bremswiderstand wird nun so ausgewählt,

• daß seine Bemessungsleistung über der maximal ermittelten mittleren Bremsleistung liegt
  
  

  PB > Pmittel_max

  mit:

  PB: Pmittel_max:

  Bemessungsleistung des Bremswiderstandes Maximale mittlere Leistung eines Einzellastspiels

  
  
• und seine Maximalleistung größer als die im Lastspiel auftretende Maximalleistung ist.
  

Bei der Auswahl der Einzellastspiele innerhalb des gesamten Lastspiels ist ein gewisses Augenmaß erforderlich. Oft ist auf einen Blick schon erkennbar, in welchem Zeitabschnitt die maximale Erwärmung des Bremswiderstandes auftreten wird und wo das für die Auslegung entscheidende Einzellastspiel liegt. Dann berechnet man nur für dieses Einzellastspiel die mittlere Leistung und wählt den Bremswiderstand entsprechend aus.
Ist eine eindeutige Identifikation des prägenden Einzellastspiels nicht möglich, definiert man einen Zeitabschnitt mit einer maximalen Länge von 0,1Tth, verschiebt diesen Zeitabschnitt in kleinen Schritten über das Lastspiel und berechnet für jede Lage des Zeitabschnitts die mittlere Leistung. Die größte mittlere Leistung wird dann zur Auslegung des Bremswiderstandes verwendet.

Hinweis:
Zu beachten ist, daß sich Änderungen und zeitliche Verschiebungen der Einzellastspiele der aus dem Zwischenkreis gespeisten Einzelantriebe sehr stark auf die Summenleistung und damit auf die Auslegung des Bremswiderstandes auswirken können. Da solche Änderungen während der Entwicklung und Inbetriebsetzung von neuen Maschinen durchaus die Regel sind, ist die Berücksichtigung von entsprechenden Sicherheitsfaktoren bei der Auslegung des Bremschoppers und des Bremswiderstandes sehr zu empfehlen.
Insbesondere sind alle Betriebsarten der Maschine oder Anlage zu betrachten. So können besondere Betriebszustände wie z. B.

• das gleichzeitige Stillsetzen aller Antriebe
• oder der Schnellhalt bei Notsituationen

für die Auslegung des Bremswiderstandes entscheidend sein.