Wie ein Frequenzumrichter einen Motor bremst: Austrudeln, DC-Bremse, Bremschopper & Rekuperation

Das „Bremsen“ an einem Frequenzumrichter ist kein einzelner Mechanismus – es ist die Wahl zwischen mehreren grundlegend verschiedenen Verfahren. Die falsche Methode für eine Anwendung zu wählen, ist eine häufige Ursache für Fehlermeldungen (Überspannung), ungenutzte Abwärme oder Motoren, die nicht so stoppen, wie sie es eigentlich sollten.

Hier ist eine Übersicht darüber, was die einzelnen Verfahren tatsächlich tun.

1. Austrudeln (Coast-to-Stop): Der Standard – und oft die beste Wahl

Die einfachste Option ist gar keine aktive Bremsung: Der Umrichter stellt die Ausgangsfrequenz und -spannung schlagartig ein, und die Last verlangsamt sich von selbst durch Reibung und mechanischen Widerstand.

Dies ist für Anwendungen ohne Zeitdruck beim Stoppen und ohne Risiko durch eine unkontrollierte Auslaufzeit völlig ausreichend – und oft sogar zu bevorzugen. Ein Ventilator oder Gebläse ist hierfür das klassische Beispiel: Ein etwas längeres Austrudeln kostet nichts. Installieren Sie keine Brems-Hardware in Systemen, die sie gar nicht benötigen – das spart Kosten und Komplexität.

2. Gleichstrombremsung (DC-Injektion): Für den Stillstand, nicht zur Entschleunigungsregelung

Anstatt regenerierte Energie abzuführen, speist die Gleichstrombremsung (DC Injection Braking) einen definierten Gleichstrom direkt in die Motorwicklungen ein, sobald der Umrichter eine sehr niedrige Frequenz erreicht hat.

Dieser Gleichstrom erzeugt ein stehendes Magnetfeld im Stator. Der sich noch drehende Rotor induziert ein Bremsmoment gegen dieses stehende Feld. Es dient primär dazu, den Motor im absoluten Stillstand zu halten oder die letzte Restdrehzahl abzufangen – nicht aber dazu, eine kontrollierte Rampen-Verzögerung über den gesamten Bereich zu steuern.

• Einsatzbereich: Verhindert das Reversieren oder Nachlaufen bei schwachen geneigten Lasten (z. B. Bandförderer) oder Haltedrehzahl im Stillstand.

• Thermische Belastung: Da die Bremsenergie als Wärme direkt in den Motorwicklungen des Stators verbrannt wird, darf die Gleichstrombremsung nur kurzzeitig am Ende der Stopp-Rampe angewendet werden, um eine thermische Überlastung der Isolierung zu vermeiden.

3. Dynamisches Bremsen (Bremschopper & Bremswiderstand): Der Standard für kontrolliertes Verzögern

Dies ist das Verfahren, das in der Praxis meist gemeint ist, wenn man von „FU-Bremsen“ spricht. Wenn Sie einen Motor schneller abbremsen, als es die Eigeninertiät (Trägheitsmoment) der Last zulässt, arbeitet der Motor als Generator. Die elektrische Energie fließt über den Wechselrichter zurück in den Zwischenkreis (DC Bus) des Frequenzumrichters.

Ein Bremschopper – ein Schalttransistor im Zwischenkreis – schaltet einen externen Bremswiderstand zu, sobald die Zwischenkreisspannung einen kritischen Schwellenwert überschreitet. Der Widerstand wandelt diese überschüssige Energie in Wärme um, bevor der Umrichter wegen Überspannung (Overvoltage Trip) abschaltet.

Motor arbeitet generatorisch ──> Energie fließt in den FU-Zwischenkreis ──> Bremschopper schaltet ──> Wärmeabgabe über Bremswiderstand

Typischer Irrtum bei der Hardware-Auslegung:

Bremschopper sind keineswegs nur auf kleine Leistungsbereiche beschränkt. Integrierte Bremschopper gehören bei vielen Frequenzumrichtern von kleinen Leistungen bis hin zu mehreren Dutzend kW zur Serienausstattung. Ab welcher Leistung ein externer Chopper oder zusätzliche Hardware erforderlich ist, hängt vom spezifischen Umrichtermodell, dessen interner Chopper-Nennleistung und der tatsächlichen Bremsleistung der Anwendung ab. Prüfen Sie immer das Datenblatt des Frequenzumrichters auf die kontinuierliche und Spitzen-Bremsleistung des internen Choppers.

Die korrekte Dimensionierung des Bremswiderstands:

Hier geschehen in der Praxis die meisten Fehler. Ein Bremswiderstand muss sowohl für die Spitzenbremsleistung (kW während des Bremsvorgangs) als auch für die Einschaltdauer (Prozentuale Einschaltdauer / %ED bezogen auf eine Zykluszeit) ausgelegt sein:

• Spitzenleistung (Peak Power): Bestimmt den minimalen Widerstandswert ($\Omega$), um den maximalen Bremsstrom sicher abzuführen.

• Einschaltdauer (%ED): Bestimmt die physikalische Baugröße und thermische Kapazität (Watt/kW) des Widerstands. Ein Widerstand, der nur nach der Spitzenleistung dimensioniert ist, aber bei hohen Taktzahlen (hoher %ED) betrieben wird, brennt thermisch durch – das ist ein Auslegungsfehler bei der Einschaltdauer, kein Materialfehler.

4. Regeneratives Bremsen (Rückspeisung / Active Front End): Für hohe Trägheiten und hohe Taktzahlen

Anstatt die Bremsenergie in Widerständen als Wärme zu verbrennen, speist ein rückspeisefähiger Frequenzumrichter (mit Active Front End / AFE oder Rückspeiseeinheit) die kinetische Energie direkt zurück in das Wechselstromnetz.

Dies rechtfertigt die höheren Investitionskosten (CAPEX) genau dann, wenn die Bremszyklen so häufig oder die Trägheitsmomente so hoch sind, dass die zurückgewonnene Energie die Stromrechnung spürbar senkt oder die Ableitung der Abwärme von Großwiderständen ein echtes Problem darstellt.

• Typische Anwendungen: Krane und Hebezeuge (ständiges Absenken von Lasten), Zentrifugen, Prüfstände oder Schnellläufer-Sägen.

5. Entscheidungshilfe: Welches Verfahren passt zu Ihrer Anwendung?

Fazit

Diese Methoden sind keine aufeinander aufbauenden Entwicklungsstufen, sondern lösen völlig unterschiedliche technische Aufgaben:

1. Austrudeln verursacht keine Kosten und reicht für unkritische Lasten völlig aus.

2. DC-Injektion hält den Motor im Stillstand fest, anstatt die Verzögerungsrampe zu führen.

3. Dynamisches Bremsen mit korrekt berechneter Einschaltdauer (%ED) deckt den Großteil aller industriellen Stopp-Anforderungen ab.

4. Rückspeisung rechnet sich gezielt bei hohen Taktzahlen und großen Massenträgheitsmomenten.

Die exakte Berechnung der prozentualen Einschaltdauer (%ED) des Widerstands – und nicht nur dessen Ohmwert – ist das entscheidende Detail, das thermische Ausfälle in der Praxis verhindert.