Moderne elektrische Antriebstechnik – das bedeutet hohe Dynamik und Präzision in komplexen Geschwindigkeits- und Drehrichtungsverläufen. Daher beschäftigen sich Entwickler von Antrieben vor allem mit der Dynamik der Beschleunigung und der Geschwindigkeit der Drehrichtungsänderung sowie der präzisen Winkelstellung der Antriebsachse. Weniger Gedanken verwenden sie darauf, dass sich die Dynamik der Beschleunigung nur durch entsprechende Dynamik des Bremsens erreichen lässt. Kleine und mittelgroße Frequenzumrichter und Servoregler sind heutzutage üblicherweise mit einem integrierten Bremschopper ausgestattet, in dessen Gehäuse ein Widerstand untergebracht ist. Bis zu 1.000 V Gleichspannung im Zwischenkreis und Ströme weit im zweistelligen Amperebereich bei Bremsenergieimpulsen in Sekundenbruchteilen sind auch bei kleineren elektrischen Antrieben gängige Werte. Die am Bremstransistor eingesetzten Widerstände müssen die zu kompensierenden Energiestöße problemlos in Wärme umwandeln. Dabei ist wichtig, Temperaturspitzen zu vermeiden, um die Umgebung nicht unnötig zu belasten. Die Bestimmung und Auswahl des Widerstands, der verwendet werden soll, ist insbesondere dann eine Herausforderung, wenn es um den Einbau eines Leistungswiderstands in das Umrichtergehäuse geht. Hierfür empfiehlt sich eine Kombination aus einem besonders sicheren, in das Gerät integrierten Widerstands und dem Einbau der Option, im Fall eines erhöhten Energieaufnahmebedarfs zusätzlich einen externen Widerstand einbinden zu können. Um Widerstände in Umrichter- oder Servoreglergehäuse zu integrieren, haben sich zwei Bauteilvarianten bewährt: Zum Einen der klassische drahtbasierte Festwiderstand, allerdings modern interpretiert, und zum Anderen der PTC-Widerstand. Letzterer bringt es auf Einsatzgrenzspannungen bis 1.100 VDC und Dauerleistungen bis zu 140 W auf Kühlkörper. Damit ist er für den Einsatz als Ballastwiderstand in Geräten kleinerer Leistungen optimal geeignet.
* Koch
* Koch
* Jetter
Widerstandsverlauf ist temperaturabhängig
PTC steht für Positive Temperature Coefficient (Kaltleiter) und bedeutet, dass ab einer definierten Temperatur der Widerstandswert exponentiell bis zur Hochohmigkeit ansteigt. Diese Eigenschaft ist insbesondere beim Einsatz von PTC-Elementen als Bremswiderstand von Vorteil, denn hier kommt es vor allem auf die Eigensicherheit des Bauteils an. So wird der Widerstand oder gar das gesamte Gerät bei Überlastung nicht zerstört, sondern es erfolgt eine Meldung des Umrichters aufgrund der Überspannung des Zwischenkreises. Die festgestellte fehlende Widerstandsleistung lässt sich dann durch einen zusätzlichen externen Widerstand erbringen. PTC-Widerstände in elektrische Schaltungen zu integrieren, ist für Entwickler aufgrund des temperaturabhängigen Widerstandsverlaufs eine besondere Herausforderung. Allerdings belohnt der sicherheitstechnische Vorteil jegliche zusätzliche Anstrengung. Ein Beleg hierfür ist die Approbation nach den strengen nordamerikanischen Normen UL 508 bzw. CSA C.22.2 Nr. 14, auf die stets zu achten ist, will man die Typprüfung seines Geräts nicht gefährden. Mit ihren kompakten Ausführungen und des damit verbundenen geringen Platzbedarfs lassen sich diese Bauteile in Schutzart IP20 nicht nur innerhalb eines Gehäuses, sondern auch am Kühlkörper des Geräts unterbringen.
PTCs im Einsatz bei Servoreglern
PTC-Bremswiderstände, die das Unternehmen Michael Koch produziert, stellen ihre Vorzüge unter anderem in den universellen Servoumrichtern der Reihe Jet-Move des Automatisierungsspezialisten Jetter unter Beweis. Dabei ist für diese Umrichter, die Spitzenleistungen von 500 bis 10.000W bieten, die Eigensicherheit des Widerstands besonders wichtig. Außerdem sind die UL-Zertifizierung, die einfache mechanische Montierbarkeit aufgrund der geringen Abmessungen und die Direktmontage auf eine Kühlfläche Gründe dafür, dass Jetter die Koch-Widerstände in seinen Produkten verwendet. Demgegenüber standen zu Beginn der Überlegungen, ob man die PTC-Widerstände einsetzt oder nicht, aber auch Bedenken – und zwar hinsichtlich der enormen Toleranz und dem Verlauf der Widerstände bei Erwärmung. Diesen Bedenken ist man bei Jetter so begegnet: Die Entwickler sind bei der Dimensionierung des Bremschopper-Stroms nicht bis an die Grenzen des Transistors gegangen, sondern sie haben sich im Wesentlichen an die abzuführende Leistung und die Stromtragfähigkeit des Bremstransistors gehalten. Trotz der Dynamik des Widerstandsverlaufs hat man ähnliche Werte ausgewählt wie bei der Auswahl eines Festwiderstands. Die Auslegung des Bremstransistors wurde anhand des niedrigsten Ohmwerts festgelegt, der bauteiletypisch bei etwa 100 °C erreicht wird. Er liegt dann typischerweise bei rund der Hälfte bis ein Drittel des Nennwerts. Der eingesetzte Transistor muss in diesem Temperaturbereich also mit dem doppelten bis dreifachen Strom im Vergleich zu dem bei Nennwiderstand zurechtkommen. Andererseits lässt dieser Effekt zu, dass sich gerade im üblichen Hauptlastbereich der Applikationen besonders viel Energie abführen lässt. Allerdings gilt es zu beachten, dass es eine feste Korrelation zwischen Spannungsfestigkeit und Ohmwert gibt: Je höher die Spannungsfestigkeit, desto höher ist auch der Ohmwert. Dieses Problem löst der Hersteller durch die Parallelverschaltung mehrerer PTC-Elemente. Das unscheinbare Bauteil beweist seine Zuverlässigkeit in der Praxis in zahlreichen Antrieben: Es verrichtet seinen Dienst unauffällig, denn die Oberflächentemperatur erreicht selbst bei dauerhafter Überlast höchstens 180 °C, eine zerstörerische Überlast ist ausgeschlossen. Im mechanischen Aufbau des Servoreglers bedeuten diese Maximaltemperaturen kein Problem. Mit Zwangskühlung durch Kühlkörper oder Gebläse lassen sich noch weitere Leistungssteigerungen erreichen. Dies macht sich Jetter zu Nutze und platziert das Bauteil an günstiger Stelle auf dem Kühlkörper. Trotzdem kann es Grenzfälle von Anwendungen geben, bei denen die Kapazität der PTC-Widerstände nicht ganz ausreicht. Dann kommt die in den Reglern vorausschauend eingebaute Option, dass ein weiterer Bremswiderstand extern angeschlossen werden kann, zum Tragen.
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