Tipps zur Auswahl von Leistungswiderständen für industrielle Motorantriebe

Die zunehmende Leistungsdichte von Industriemaschinen erhöht das Risiko von Störungsauslösungen, Überhitzung und katastrophalen Ausfällen, die eine ganze Produktionslinie zum Stillstand bringen können. Um diese Risiken zu mindern und gleichzeitig die Effizienzanforderungen zu erfüllen, benötigen Entwickler Widerstände, die mehrere Aspekte berücksichtigen. Einige müssen Einschalt- oder Fehlerereignisse begrenzen, andere müssen regenerative Energie ableiten und wieder andere müssen eine zuverlässige thermische Leistung in kompakten Gehäusen bieten. 

Kurzum, die Wahl des richtigen Widerstands ist zu einem entscheidenden Faktor bei der Entwicklung zuverlässiger industrieller Motorantriebssysteme geworden.

Dieser Artikel beleuchtet die Herausforderungen, mit denen Entwickler von Industriemaschinen konfrontiert sind, und die Vorzüge der entsprechenden Widerstandstechnologien. Anschließend werden beispielhafte Widerstände aus dem breiten Angebot von Ohmite vorgestellt, mit denen Entwickler diese Herausforderungen in gängigen Brems- und Transientenschutzszenarien bewältigen können.

Absorption der Impulsenergie für Einschaltstrombegrenzung und Überspannungsschutz

Bei industriellen Motorantrieben sind Widerstände regelmäßig transienten Ereignissen mit hoher Energie ausgesetzt. Die Vorladestufe eines frequenzvariablen Antriebs (VFD) ist ein gutes Beispiel. Wenn diese Stufe eingeschaltet wird, stellen ihre Zwischenkreiskondensatoren einen Beinahe-Kurzschluss zur Stromversorgung dar, was eine starke Einschaltstromspitze erzeugt. Ohne einen Strombegrenzungswiderstand im Vorladepfad kann diese Spitze den vorgelagerten Schutz auslösen oder die bipolaren Transistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) des Antriebs beschädigen.

Ähnliche Anforderungen an energiereiche Impulse ergeben sich bei der Absorption von Störenergie, bei Überspannungsableitern und bei Schutzstufen für Stromversorgungen. In all diesen Fällen muss ein Widerstand einen kurzen, aber großen Energieimpuls aufnehmen, ohne mechanisch beschädigt zu werden, so dass dieser Vorgang über viele Betriebszyklen hinweg wiederholt werden kann.

Die Keramik-Verbundwiderstände der Serie PulsEater A von Ohmite wurden speziell für diese Aufgabe entwickelt. Ihr nicht-induktiver Keramikaufbau verteilt die Energie gleichmäßig über den Widerstandskörper und verringert so das Risiko von Drahtermüdung, die herkömmliche drahtgewickelte Widerstände beschädigen kann. Dieselbe nicht-induktive Struktur trägt auch dazu bei, parasitäre Spannungsspitzen bei schnellen Stromtransienten zu reduzieren, was in Schutzschaltungen mit abrupten Schaltflanken nützlich ist.

Die Serie A umfasst Widerstandswerte von 1,0 Ω bis 15 kΩ, Dauerleistungen von 2,0 W bis 5,5 W, Impulsleistungen von 1000 V bis 2500 V und Einzelimpulsenergiekapazitäten von 250 J bis 2800 J. Dieser Bereich ermöglicht es Entwicklern, ihre Auswahl auf die Busspannung und das Energieprofil einer bestimmten Schutzschaltung abzustimmen.

Beispielsweise kann der AY33GKE (Abbildung 1) mit einem Widerstand von 3,3 Ω den Spitzeneinschaltstrom auf einem typischen 600-V_DC-Bus auf etwa 180 A (I = V/R) begrenzen, je nach Systemimpedanz und Kapazität. Dieser Wert ist hoch genug, um die Kondensatorbatterie schnell aufzuladen, aber niedrig genug, um die vorgeschalteten Schütze und IGBTs zu schützen. Die Impulsbelastbarkeit von 2000 V bietet einen Spielraum, der weit über der Standard-Industriespannung liegt, und die Einzelimpuls-Energiebelastbarkeit von 1400 J bietet einen ausreichenden Spielraum für einen typischen Ladezyklus.

Abbildung 1: Der Widerstand AY33GKE verwendet eine keramische Konstruktion, um bis zu 1400 J Einzelimpulsenergie zu absorbieren. (Bildquelle: Ohmite)

Es ist erwähnenswert, dass der AY33GKE eine bescheidene Dauerleistungsaufnahme von 4,5 W hat. Dies ist für die angestrebten transienten Anwendungen ausreichend. Sobald beispielsweise ein Vorladezyklus des VFD abgeschlossen ist, wird der Widerstand überbrückt und muss keine Energie mehr abführen.

Niederinduktives dynamisches Bremsen in kompakten Antrieben

Wenn ein VFD einen Motor abbremst, fungiert der Motor als Generator und speist regenerative Energie in den DC-Bus zurück. Eine Zerhackerschaltung leitet diese Energie an einen Bremswiderstand weiter und schaltet den Strom mit hoher Frequenz ein und aus. Wenn der Bremswiderstand eine erhebliche parasitäre Induktivität aufweist, erzeugen diese schnellen Stromübergänge Spannungsspitzen, die die Chopper-IGBTs beschädigen können. Gleichzeitig werden moderne Schaltschränke immer kleiner, so dass den Entwicklern weniger Platz für sperrige konvektionsgekühlte Widerstandsbänke zur Verfügung steht.

Die Dickschicht-Planarwiderstände der Serie TAP800 erfüllen beide Anforderungen. Das Widerstandselement ist auf einem Keramiksubstrat mit hohem Tonerdegehalt aufgebaut, das auf der Unterseite für eine effiziente Wärmeübertragung metallisiert ist. Der planare Formfaktor leitet die Wärme direkt in ein Gehäuse oder eine Kühlplatte ab und ermöglicht dynamisches Bremsen mit hoher Leistung in Gehäusen, in die ein herkömmlicher konvektionsgekühlter Widerstand nicht passen würde. Dieser planare Aufbau minimiert auch die parasitäre Induktivität und Kapazität und stabilisiert so die Performance bei hochfrequenter Impulsbelastung.

Die Serie TAP800 deckt Widerstandswerte von 1 Ω bis 10 kΩ ab, alle mit einer Dauerleistung von 800 W bei entsprechender Kühlung. Dank dieses breiten Spektrums kann eine Plattform mit einem einzigen Widerstand Bremsschaltungen in einem breiten Spektrum von Antriebsspannungen und Leistungsstufen bedienen.

Der TAP800K390E (Abbildung 2) ist ein repräsentatives Beispiel. Bei 390 Ω ist er für eine kontinuierliche Verlustleistung von 800 W ausgelegt, wenn er auf einen flüssigkeits- oder luftgekühlten Kühlkörper montiert wird. Die kritische Spezifikation für das dynamische Bremsen ist die Induktivität von 80 Nanohenry (nH), die sicherstellt, dass das schnelle Schalten der IGBTs keine zerstörerischen Spannungstransienten in den Chopper-Schaltkreis einleitet.

Abbildung 2: Der TAP800K390E ist ein Dickschicht-Planarwiderstand, der für die Verwendung mit Leitungskühlung ausgelegt ist. (Bildquelle: Ohmite)

Der TAP800K390E bietet außerdem eine robuste elektrische Isolierung zwischen dem stromführenden Zwischenkreis und der geerdeten Montagefläche. Mit einer maximalen Arbeitsspannung von 5000 V_DC und einer Teilentladungsrate von 4 kV_eff bei weniger als 10 Picocoulomb (pC) ist er für langfristige Zuverlässigkeit ausgelegt. Diese Spezifikationen gewährleisten, dass die Isolierung den wiederkehrenden Hochspannungsbelastungen und Schalttransienten standhält, die für moderne industrielle Antriebe charakteristisch sind, ohne im Laufe der Zeit an Leistungsfähigkeit zu verlieren.

Dynamisches Hochleistungsbremsen für Lasten mit hohem Trägheitsmoment

Bei einigen Motorantriebsanwendungen kommt es weniger auf eine kompakte Bauweise als vielmehr auf die reine Energieaufnahme an. Beispiele hierfür sind Industriekräne, Zentrifugen und schwer beladene Abwärtsförderer, bei denen das Abbremsen der Last den Motor dazu zwingt, als Generator zu fungieren und große Mengen an kinetischer Energie in den Antrieb zurückzuführen. In diesen Fällen muss der Bremswiderstand starken Stromstößen standhalten und zwischen den Zyklen schnell abkühlen, um einen Wärmestau zu vermeiden.

Die Widerstände der Serie Corrib280 von Ohmite sind genau für diese Art von Hochstrombetrieb mit niedrigem Widerstand ausgelegt. Die Serie besteht aus einem gewellten Widerstandsdraht, der auf einen röhrenförmigen Keramikkern gewickelt und mit einer glasartigen Emaillebeschichtung fixiert ist. Diese Konstruktion dient mehreren Zwecken: Der gerippte Draht vergrößert die Oberfläche für eine schnellere Wärmeableitung; der Keramikkern und die Emaille-Beschichtung fördern eine effiziente Wärmeübertragung und verbessern gleichzeitig die mechanische Haltbarkeit; und die Hohlkernstruktur ermöglicht einen Luftstrom durch den Widerstandskörper für eine passive Kühlung.

Die Corrib280-Serie ist für Dauerleistungen von 35 bis 1500 Watt erhältlich, mit Widerstandswerten von nur 0,10 Ω bei den 300-Watt-Modellen. Dies gibt den Entwicklern eine große Flexibilität bei der Anpassung des Widerstands an bestimmte Busspannungen, Bremsströme und Platzverhältnisse.

Der C300KR50E (Abbildung 3) ist ein repräsentatives Beispiel. Er bietet einen Widerstand von 0,5 Ω und eine kontinuierliche Freiluftleistung von 300 W. Noch wichtiger für den Bremsbetrieb ist, dass die Corrib280-Serie für Überlastungen mit der 10-fachen Nennleistung für 5 Sekunden (s) ausgelegt ist. Beim C300KR50E entspricht dies einem Kurzzeitimpuls von bis zu 3000 W.

Abbildung 3: Der C300KR50E verwendet einen gewellten Widerstandsdraht, der um einen Hohlkern gewickelt ist, um die thermische Masse und die Luftkühlung zu maximieren. (Bildquelle: Ohmite)

Kompakte leitungsgekühlte Brems- und Lastwiderstände

Kleinere Maschinen, fahrerlose Transportsysteme (AGVs) und die Nachrüstung von Schaltschränken erfordern oft Brems- oder Lastwiderstände auf engstem Raum. In diesen engen Gehäusen reicht die herkömmliche Konvektion der freien Luft häufig nicht aus, um die Wärme abzuführen. In der Tat kann die von einem Standard-Drahtwiderstand erzeugte Wärme die umliegenden Komponenten leicht beschädigen. Um dieses Problem zu lösen, können Entwickler eine Leitungskühlung einsetzen, um die Wärmeenergie in ein Maschinengehäuse, eine Schrankwand oder eine spezielle Kühlplatte abzuleiten.

Die Widerstände der Serie Arcol HS von Ohmite wurden speziell für diese Szenarien entwickelt. Diese drahtgewickelten Widerstände verfügen über ein geripptes Aluminiumgehäuse mit einer flachen Montagefläche, die für die Wärmeleitfähigkeit zu einem Kühlkörper optimiert ist. Die Familie umfasst Nennleistungen von 10 bis 300 Watt und Widerstandswerte von 0,005 Ω bis 100 kΩ. Für Projekte, die empfindlich auf parasitäre Induktivität reagieren, sind auch nicht-induktive Varianten erhältlich.

Mit Hilfe der Leitungskühlung kann diese Architektur deutlich höhere Leistungsdichten erreichen als herkömmliche Freiluftwiderstände. So kann die Serie HS100, wenn sie auf einem Kühlkörper montiert ist, 100 W abführen. Im Vergleich dazu ist dieselbe Serie ohne Kühlkörper nur für 30 Watt ausgelegt.

Der HS100 R47 J (Abbildung 4) ist ein repräsentatives Teil. Mit 0,47 Ω ist der niedrige Widerstand gut für die Bremsprofile von AGVs und kleinen Servoantrieben geeignet, bei denen sich kurze, intensive Verzögerungsvorgänge mit längeren Laufzeiten abwechseln. Die Dauerleistung von 100 Watt reicht aus, um die durchschnittliche Bremsenergie bei dieser Art von Arbeitszyklus abzubauen. Sein geripptes Aluminiumgehäuse ist für die Montage von Kühlkörpern ausgelegt.

Abbildung 4: Der HS100 R47 J verwendet ein geripptes Aluminiumgehäuse für die Montage auf einem Kühlkörper (Bildquelle: Ohmite).

Fazit

Entwickler von leistungsstarken Industriemaschinen müssen die Risiken von Fehlauslösungen, Überhitzung und katastrophalen Ausfällen verringern und gleichzeitig die Effizienzanforderungen erfüllen. Bei sorgfältiger Auswahl und Anpassung an die jeweilige Anwendung können die Widerstandslösungen von Ohmite eine Vielzahl von Problemen lösen, von der Abschwächung von Einschalt- oder Fehlerereignissen bis hin zur Bereitstellung einer zuverlässigen thermischen Leistung in kompakten Gehäusen, um eine robuste Leistung unter rauen Betriebsbedingungen zu erzielen.