Design und Prüfung von PowerFlex-Bremswiderständen für dynamisches Bremsen

Dynamisches Bremsen ist nicht einfach nur eine Parameteränderung. Es ist eine Aufgabe des Energiemanagements: Wenn eine angetriebene Last abgebremst wird, kann der Motor Energie in den Gleichspannungszwischenkreis des Frequenzumrichters zurückspeisen, wodurch die Zwischenkreisspannung steigt, sofern diese Energie nicht ins Netz zurückgeführt, gespeichert oder in Wärme umgewandelt wird. Ein korrekt ausgewählter Bremswiderstand stellt für einen PowerFlex-Frequenzumrichter einen kontrollierten Pfad für diese Energie bereit. Widerstand, Bremschopper, Verdrahtung, Gehäuse und Bremsprofil müssen jedoch als ein Gesamtsystem betrachtet werden.

Ein PowerFlex-Frequenzumrichter kann dynamisches Bremsen nur verwenden, wenn seine spezifische Baugröße und Ausstattung den erforderlichen Bremskreis unterstützen.

Beginnen Sie mit dem Rückspeiseereignis

Ein Widerstand sollte anhand des Bewegungsprofils und nicht allein anhand der Motorleistung ausgewählt werden. Erfassen Sie die Motordrehzahl vor dem Abbremsen, die Enddrehzahl, die erforderliche Bremszeit, die gesamte auf die Motorwelle bezogene Trägheit, das Getriebeverhältnis und die Häufigkeit der Bremsvorgänge. Eine Zentrifuge mit hoher Trägheit, die einmal pro Schicht stoppt, und eine vertikale Achse, die alle 20 Sekunden absenkt, können ähnliche Motoren haben, aber eine völlig unterschiedliche thermische Belastung verursachen.

Die verfügbare Energie eines rotierenden Systems ist proportional zur Trägheit und zum Quadrat der Drehzahl. Bei einer linearen Verzögerung erreicht nur ein Teil dieser Energie den Widerstand, da mechanische Verluste sowie Verluste im Motor und Frequenzumrichter einen Teil davon aufnehmen. Die konservative ingenieurtechnische Aufgabe besteht darin, die maximale Rückspeiseleistung während des Bremsvorgangs und die durchschnittliche Leistung über den vollständigen Betriebszyklus zu schätzen. Die Anwendungstechnik „PowerFlex Dynamic Braking Resistor Calculator“ von Rockwell Automation enthält die modellspezifischen Gleichungen, Mindestwiderstandswerte, Angaben zur Einschaltdauer und Auswahltabellen.

Ersetzen Sie den vorgegebenen Widerstand nicht durch einen Näherungswert, nur weil dieser physisch verfügbar ist. Ein Widerstand unterhalb des Mindestwerts des Frequenzumrichters kann einen übermäßigen Strom durch den Bremschopper verlangen. Ein zu hoher Widerstand zieht möglicherweise nicht genügend Strom, um eine Überspannung des Gleichspannungszwischenkreises zu verhindern. Auch die Leistung hat zwei Bedeutungen: Der Widerstand muss den kurzen Spitzenimpuls verkraften und die langfristige durchschnittliche Wärme abführen können, ohne seine Temperaturgrenze zu überschreiten.

Bestätigen Sie die genaue PowerFlex-Hardware

PowerFlex ist eine Produktfamilie und keine einheitliche elektrische Konstruktion. Die Verfügbarkeit des Bremschoppers, Anschlussbezeichnungen, Mindestwiderstandswerte, Parameternummern und internen Schutzfunktionen unterscheiden sich zwischen PowerFlex 520, 750 und älteren Produkten der 7-Klasse sowie teilweise zwischen Baugrößen innerhalb einer Serie. Lesen Sie die Bestellnummer und Baugröße vom Typenschild ab und verwenden Sie anschließend das aktuelle Benutzerhandbuch sowie die technischen Daten für genau diesen Frequenzumrichter. Die Allen-Bradley-PowerFlex-Kollektion kann bei der Identifizierung der installierten Produktfamilie helfen; für technische Entscheidungen ist jedoch weiterhin das Typenschild maßgeblich.

Stellen Sie außerdem fest, ob die Maschine tatsächlich einen Widerstand benötigt. Eine Verlängerung der Bremsrampe kann die Rückspeisung vermeiden. Ein gemeinsamer Gleichspannungszwischenkreis kann Energie zwischen motorisch betriebenen und rückspeisenden Achsen teilen. Ein aktiver Netzstromrichter kann Energie ins Netz zurückführen. Mechanische Bremsen bleiben erforderlich, wenn eine Last nach Wegnahme des Drehmoments gehalten werden muss. Dynamisches Bremsen verbessert das kontrollierte Abbremsen; es ist weder eine sicherheitsgerichtete Stoppfunktion noch eine Haltebremse.

Verwenden Sie ausschließlich die Anschlussbezeichnungen und den Verdrahtungsaufbau, die für die genaue Baugröße des Frequenzumrichters angegeben sind.

Planen Sie den thermischen Schutz vor der Verdrahtung

Ein externer Widerstand wandelt elektrische Energie in intensive Wärme um. Montieren Sie ihn mit dem vom Hersteller vorgegebenen Abstand, der vorgesehenen Belüftung, Ausrichtung und Gehäuseschutzart. Halten Sie ihn von Kabelisolierungen, Kunststoffkanälen, Filtern, brennbarem Staub und für Bediener zugänglichen Oberflächen fern. Berücksichtigen Sie die Umgebungstemperatur sowie Wärmestau im oberen Bereich eines Gehäuses.

Die Anwendungstechnik von Rockwell warnt ausdrücklich davor, dass PowerFlex-Frequenzumrichter extern montierte Bremswiderstände nicht selbst schützen. Verwenden Sie eine eigensichere Widerstandseinheit oder eine korrekt ausgelegte Übertemperaturschaltung. Der Thermostat des Widerstands sollte die in der Risikobeurteilung der Maschine festgelegte sichere Reaktion einleiten, üblicherweise das Abschalten des Eingangsstroms des Frequenzumrichters über ein entsprechend bemessenes Schütz oder eine andere Maßnahme, die eine weitere Rückspeisung verhindert. Führen Sie den Widerstandsstrom nicht über den kleinen Thermostatkontakt.

Dimensionieren Sie Leiter, Klemmen, Kurzschlussschutz und Erdung gemäß dem Handbuch des Frequenzumrichters und den örtlichen Vorschriften. Halten Sie die Bremsleitungen kurz und verlegen Sie sie gemäß den Vorgaben, da schnell geschaltete Ströme elektrische Störungen verursachen können. Schalten Sie vor dem Einschalten die Stromversorgung frei, warten Sie die angegebene Entladezeit des Gleichspannungszwischenkreises ab, prüfen Sie die Spannungsfreiheit und messen Sie den installierten Widerstand an den dafür vorgesehenen Klemmen.

Konfigurieren Sie nicht durch Übernahme von Parameternummern

Im ursprünglichen Entwurf wurden Parameternummern so aufgeführt, als würden sie für alle PowerFlex-Modelle gelten. Das ist unsicher. Parameterzuordnungen ändern sich je nach Familie, Firmware, Regelungsart und Port. Verwenden Sie das Handbuch für die genaue Bestellnummer, um die Stoppart auszuwählen, die Funktion für dynamisches Bremsen oder das Profil für einen externen Widerstand zu aktivieren und – sofern unterstützt – die Widerstandsdaten einzugeben. Aktivieren Sie niemals einen Bremschopper, nur weil ein ähnlicher Frequenzumrichter dasselbe oder ein ähnlich aussehendes Menü verwendet.

Prüfen Sie Motortypenschilddaten, Stromgrenze, Zwischenkreisregelung, Bremszeit und gegebenenfalls die Leistungsgrenze für Rückspeisung als zusammengehörige Konfiguration. Wenn die Zwischenkreisregelung die Rampe automatisch verlängert, kann sie einen zu klein dimensionierten Widerstand während der Inbetriebnahme verdecken. Umgekehrt kann das Deaktivieren der Zwischenkreisregelung ohne nachgewiesene Widerstandskapazität einen gelegentlichen Überspannungsauslöser in eine dauerhafte thermische Belastung verwandeln.

Parameternamen und Grenzwerte müssen dem Handbuch für die genaue PowerFlex-Bestellnummer und Firmware entnommen werden.

Nehmen Sie die Inbetriebnahme mit gemessenen Bremsvorgängen vor

Beginnen Sie mit einem unbelasteten Test oder einem Test mit reduzierter Energie und einer längeren Bremszeit. Zeichnen Sie Sollgeschwindigkeit, Istgeschwindigkeit, Gleichspannungszwischenkreisspannung, Ausgangsstrom, den Bremsstatus – sofern verfügbar – und die Fehlerhistorie auf. Verkürzen Sie die Rampe schrittweise und kontrolliert. Prüfen Sie dabei, dass die Zwischenkreisspannung unterhalb der Auslöseschwelle bleibt und die Maschine weder die Regelung verliert noch die Stromgrenzen überschreitet.

Testen Sie anschließend den schlimmsten realistischen Betriebsfall: maximale Drehzahl, maximale auf die Motorwelle bezogene Trägheit, höchste zu erwartende Netzspannung, wiederholte Bremsvorgänge mit dem kürzesten Zyklus und die wärmste Umgebungstemperatur. Messen Sie die Temperatur des Widerstands mit einem geeigneten Verfahren und weisen Sie die Reaktion des Thermostats nach. Ein einzelner erfolgreicher Bremsvorgang im kalten Zustand bestätigt noch nicht die Eignung für die Einschaltdauer.

Dokumentieren Sie die Teilenummer des Widerstands, den Widerstandswert, die Dauer- und Impulsnennwerte, die Montageanforderungen, die Schutzlogik, die Parametersicherung und die Messergebnisse. Weitere Prüfungen zur Inbetriebnahme von Frequenzumrichtern finden Sie in unserem Leitfaden zur Auslegung von Frequenzumrichtern. Das grundlegende Prinzip einer dauerhaften Lösung ist einfach: Berechnen Sie die Energie, beachten Sie die elektrischen Grenzwerte des Frequenzumrichters, schützen Sie den Widerstand unabhängig und validieren Sie den vollständigen Zyklus unter realistischen Bedingungen.