Leitfaden zur Dimensionierung von Bremswiderständen für Frequenzumrichter: So berechnen und wählen Sie den richtigen Widerstand aus

Ein Bremswiderstand schützt Industriemaschinen vor Überspannungsfehlern. Er absorbiert die beim Abbremsen eines Motors entstehende Rückspeisungsenergie. Anlagen mit hoher Massenträgheit laufen dank der Fähigkeit des Widerstands, die Energie in Wärme umzuwandeln, weiter, anstatt mitten im Zyklus abzuschalten.

Warum Lasten mit hoher Massenträgheit Überspannungsfehler auslösen

Wenn ein Frequenzumrichter eine Last mit hoher Massenträgheit, wie beispielsweise ein schweres Förderband, schneller abbremst als es die üblichen Kosten für den Stillstand erfordern würde, wird der Motor durch seinen Impuls selbst zum Generator. Der dabei erzeugte Strom fließt dann direkt zurück in den Gleichstromzwischenkreis des Systems. fahren.

Wenn ein Frequenzumrichter Wird eine Last mit hoher Massenträgheit, wie beispielsweise ein Kranaufzug, ein großer Ventilator oder ein schweres Förderband, schneller abgebremst als sie es im Normalbetrieb zum Stillstand bräuchte, so nutzt der Motor seine eigene Trägheit, um als Generator zu fungieren. Der dabei zurückgewonnene Strom fließt direkt zurück in den Gleichstromzwischenkreis des Antriebs.

Wird die Spannungsspitze nicht abgefangen, überschreitet sie die zulässigen Grenzwerte des Umrichters und löst einen Überspannungsfehler aus. Ein korrekt dimensionierter VDF-Bremswiderstand leitet die Überspannung in Verbindung mit dem internen Chopper-Transistor des Umrichters sicher ab.

Formeltabelle für Ingenieure

Nachfolgend finden Sie einige Gleichungen, mit denen Sie den richtigen Widerstand berechnen und auswählen können.

Wo:

T_Bremse = das erforderliche Bremsmoment in Nm

ω = Winkelgeschwindigkeit des Motors in rad/s

V_dc = Aktivierungsschwelle des Choppers, ca. 780 V DC bei Leitungen mit einer Spannung von 400 bis 480 V.

Schritt für Schritt VFD-Bremswiderstand Dimensionierung und Berechnung

Schritt 1: Maximale Bremsleistung berechnen

Im ersten Schritt muss die maximal erzeugbare mechanische Leistung am Punkt der Verzögerung ermittelt werden. Bei Kränen und Hebezeugen müssen sowohl die kinetische Energie der Masse als auch die auf sie wirkende Gewichtskraft berücksichtigt werden.

Schritt 2: Ermitteln Sie den minimalen Widerstand

Wenden Sie nun R_min = (V_dc)^2 / P_peak unter Verwendung der Aktivierungsspannung des Choppers an. Unterhalb dieses Wertes überschreitet der durch die Schleife fließende Strom die maximale Belastbarkeit des Chopper-Widerstands, was zu dessen Zerstörung führt. 

Schritt 3: Tastverhältnis und durchschnittliche Leistung ermitteln

Widerstände erhitzen sich beim Bremsen und kühlen sich im Dauerbetrieb ab. Daher bestimmt das Tastverhältnis (Bremszeit geteilt durch die Gesamtzykluszeit), wie viel kontinuierliche Leistung das Gerät abführen muss.

Schritt 4: Einen Sicherheitsspielraum einplanen

Für Standardlasten wie Pumpen und Ventilatoren sollte ein Faktor von 1,2 bis 1,3 verwendet werden. Für schwere, zyklische Lasten wie Hebezeuge und Kräne ist ein Faktor von 1,5 oder höher besser geeignet, da Luftstrombeschränkungen und Umgebungswärme die Sicherheitsreserven schnell verringern.

Praktisches Dimensionierungsbeispiel: Industrieförderanlage

Angenommen, Sie haben ein Hochleistungsförderband, das mit einem 400-V-Frequenzumrichter betrieben wird. Das gesamte System muss eine Spitzenleistung von ca. 30 kW für mindestens 6 Sekunden innerhalb von 60 Sekunden aufnehmen können. Und dies muss mit 780 V Gleichstrom am internen Chopper-Schalter erfolgen.

Hier sind drei Berechnungen, die Ihnen bei der Auswahl der richtigen Hardware helfen. 

1. Zielwiderstand: Nehmen Sie das Quadrat Ihrer Aktivierungsspannung und teilen Sie es durch Ihre maximale Stoßleistung:

R = (780^2)/(30000) = 20,28 Ω

Ein Widerstand von 20,28 Ohm oder etwas darüber stellt sicher, dass das Bauteil nicht zu viel Strom zieht. Außerdem verringert er die Wahrscheinlichkeit, dass der interne Transistor des Frequenzumrichters durchbrennt.

2. Durchschnittliche Leistung: Das Förderband bremst nur 6 Sekunden lang innerhalb einer 60-Sekunden-Schleife. Anders ausgedrückt: Es arbeitet mit einem Tastverhältnis von 10%. Die durchschnittlich erzeugte kontinuierliche Wärmemenge lässt sich wie folgt berechnen:

30 kW × 0,10 = 3 kW

3. Thermische Sicherheitsmarge: Nehmen Sie nun die durchschnittliche Leistung und multiplizieren Sie sie mit einem Sicherheitsfaktor von 1,3:

3 kW × 1,3 = 3,9 kW

Dadurch wird das System besser vor heißen Schaltschränken geschützt.

Wenn wir also Ihre Wahl endgültig treffen, muss die von Ihnen gewählte Hardware einen Widerstand von 20,28 Ohm aufweisen. Vergessen Sie nicht, dass sie mit einer Dauerwärmeleistung von mindestens 4 kW (aufgerundet) für ausreichende Reserve kombiniert werden sollte.

Konstruktionsfallen, die es zu vermeiden gilt

Da der Überstrom nicht abgeleitet werden kann, führt ein Unterschreiten von R_min schnell zum Ausfall eines Choppers. Bei einer Unterschätzung des Tastverhältnisses verläuft der Prozess langsamer, da der Kern überhitzt und schließlich ausfällt. Der Einbau eines Hochleistungsgeräts in ein geschlossenes Gehäuse ist kontraproduktiv, da diese Komponenten zur Wärmeabfuhr freie Luft benötigen und nicht in einem geschlossenen Gehäuse die Wärme einschließen.

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Unser Schneider Electric ATV Bremswiderstand Die Produktlinie ist für die native Integration mit den Altivar Machine ATV340- und Altivar Process ATV900-Serien konzipiert. Sie bietet maximales kurzzeitiges Bremsmoment in Verbindung mit robusten IP20/IP23-Gehäusen und integrierten Thermoschaltern, die die Bedienfelder vor extremer Hitze schützen. 

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Danfoss 132F0059 VLT Frequenzumrichter 15 kW 20 PS 400 V 3-phasig

HerstellerDanfoss
Modell: 132F0059 / FC-051P15KT4E20H3BXCXXXSXXX
Nennleistung15 kW (20 PS)
Eingangsspannung380–480 V Wechselstrom (3-phasig)

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Häufig gestellte Fragen

Was ist ein Bremschopper, und hat mein Frequenzumrichter bereits einen?

Der interne Schalter, der die Gleichspannung des Zwischenkreises überwacht und den Zugriffsstrom nach Überschreiten eines sicheren Schwellenwerts über einen externen Widerstand ableitet, wird als Bremschopper bezeichnet. Er ist in den meisten Antrieben mit niedriger bis mittlerer Leistung zu finden, Antriebe über 200 kW benötigen jedoch häufig eine externe Bremseinheit.

Kann ich mehrere Widerstände zusammenschalten, um einen bestimmten Nennwert zu erreichen?

Das ist möglich. Beachten Sie jedoch, dass Reihenschaltungen gut geeignet sind, um Widerstandswerte zu addieren. Durch Parallelschaltung lässt sich der Gesamtwiderstand hingegen verringern. Da beide Konfigurationen die Gesamtleistung erhöhen, ist ihre Kombination ein sinnvoller Ansatz, um ein nicht standardisiertes Ziel zu erreichen. 

Worin unterscheidet sich ein dynamisches Bremsmodul von einem regenerativen Antrieb?

Ein dynamisches Bremsmodul wandelt die zurückgewonnene Energie in Wärme um und ist somit zuverlässig und kostengünstig für intermittierendes Bremsen. Ein regenerativer Antrieb speist diese Energie zurück in das Wechselstromnetz der Anlage ein und eignet sich daher für Maschinen, die kontinuierlich bremsen.

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