Bremswiderstände bei Frequenzumrichtern: Bremschopper, Ohmsche Auslegung & Thermische Sicherheit

Wenn ein Frequenzumrichter (VFD) einen Wechselstrommotor stark abbremst oder eine ziehende Last steuert (wie z. B. ein Kranhebewerk oder einen Abwickler), arbeitet der Motor als Generator. Die kinetische Energie fließt dabei vom mechanischen System zurück in den Zwischenkreis des Umrichters.

Ohne geeignete Maßnahmen steigt die Gleichspannung im Zwischenkreis schnell an, bis der Umrichter mit einer Überspannungsstörung (OV / Overvoltage) abschaltet, um seine internen Kondensatoren zu schützen.

Wird der Frequenzumrichter mit einem Bremschopper und einem externen Bremswiderstand ausgestattet, lässt sich diese regenerative Energie sicher in Wärme umwandeln. Das ermöglicht präzise Bremsvorgänge und kurze Anhalteweiten.

Dieser Leitfaden erklärt die Funktionsweise des dynamischen Bremsens, die richtige Berechnung von Widerstandswert und Leistung sowie die wichtigsten Sicherheitsregeln bei der Installation.

1. Funktionsweise des dynamischen Bremsens

Das dynamische Bremsen basiert auf drei zentralen Komponenten im Zwischenkreis des Frequenzumrichters:

[ Abbremsender Motor ] ── (Regenerative Energie) ──> [ Wechselrichter des Umrichters ]
                                                                 │
                                                                 ▼
                                                  [ Zwischenkreisspannung steigt ]
                                                                 │
                                                                 ▼
                                                   [ Bremschopper (IGBT-Schalter) ]
                                                                 │  (Schaltet bei Schwellenspannung)
                                                                 ▼
                                                    [ Externer Bremswiderstand ]
                                                       (Gibt Wärme an Luft ab)

1. Generatorischer Betrieb: Sobald die synchrone Drehzahl des Feldes unter die tatsächliche Rotordrehzahl fällt, speist der Motor Energie über die Wechselrichterstufe zurück in die Zwischenkreiskondensatoren.

2. Aktivierung des Bremschoppers: Der Bremschopper (ein interner oder externer IGBT-Schalter) überwacht die Zwischenkreisspannung. Übersteigt die Spannung einen festgelegten Schwellenwert (typischerweise ca. 380V DC bei 230V-Geräten bzw. 750V DC bei 400V/480V-Geräten), schaltet der IGBT durch.

3. Wärmeabgabe am Widerstand: Der Bremschopper leitet die überschüssige Gleichstromenergie in den externen Bremswiderstand, wo sie kontrolliert in Wärme umgewandelt wird.

2. Schritte zur Auswahl des passenden Bremswiderstands

Ein falsch dimensionierter Widerstand kann den IGBT-Schalter des Umrichters beschädigen oder dazu führen, dass der Motor nicht rechtzeitig stoppt. Die Auswahl richtet sich nach zwei Hauptgrößen: dem Ohmsche Widerstandswert (Ohm) und der Dauerleistung (Watt).

Schritt A: Minimale Ohmzahl ermitteln (R_min)

Der Bremschopper-Transistor des Umrichters besitzt eine strikte maximale Stromgrenze. Der Gesamtwiderstand des angeschlossenen Bremswiderstands darf niemals den vom Hersteller angegebenen Mindestwiderstandswert (R_min) unterschreiten.

• Zu niedriger Widerstand (R < R_min): Führt zu zu hohem Stromfluss und zerstört den Bremschopper-Transistor.

• Zu hoher Widerstand (R > R_ideal): Begrenzt den Stromfluss zu stark; der Umrichter kann die Energie nicht schnell genug abbauen, was zur Überspannungsabschaltung führt.

Schritt B: Spitzenbremsleistung berechnen (P_peak)

Die maximale Bremsleistung tritt zu Beginn des Bremsvorgangs bei höchster Drehzahl auf:

P_peak = (V_dc)^2 / R

Dabei ist V_dc die Ansprechschwelle des Bremschoppers und R der gewählte Widerstandswert.

Schritt C: Nennleistung (P_br) anhand der Einschaltdauer (ED) berechnen

Bremswiderstände werden nach ihrer kontinuierlichen Wärmeabgabe bemessen. Um übergroße und teure Widerstände zu vermeiden, wird die Spitzenleistung mit der relativen Einschaltdauer (Duty Cycle in %) multipliziert:

Einschaltdauer (%) = (Bremszeit / Gesamtzykluszeit) x 100
P_br = P_peak x Einschaltdauer (%)

3. Montage- und Sicherheitsvorschriften

Da Bremswiderstände elektrische Energie in hohe Temperaturen umwandeln (im Betrieb oft über 200°C bis 300°C), ist eine fachgerechte Installation zwingend erforderlich:

1. Montage außerhalb des Hauptschaltschranks: Hochleistungswiderstände sollten niemals direkt neben der SPS oder dem Frequenzumrichter im Schaltschrank montiert werden. Die Hitzeentwicklung beschädigt empfindliche Elektronik. Platzieren Sie sie auf dem Schaltschrank oder in einem separaten, gut belüfteten Gehäuse.

2. Thermoschalter integrieren: Verwenden Sie stets Widerstände mit integriertem Temperaturschalter (Öffnerkontakt). Verdrahten Sie diesen Kontakt in den Sicherheitskreis oder die Freigabekette des Umrichters, um die Stromzufuhr zu unterbrechen, falls der Widerstand überhitzt (z. B. bei einem Kurzschluss des Bremschoppers).

3. Abstände und vertikale Ausrichtung beachten: Montieren Sie Widerstandsbänke vertikal, um die natürliche Konvektion zu unterstützen. Halten Sie mindestens 150 mm bis 200 mm Abstand zu umliegenden Wänden oder wärmeempfindlichen Bauteilen ein.

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