Bremslösung für VFD-System

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Welche Funktion hat eine Bremslösung für einen Frequenzumrichter (VFD)?

Eine VFD-Bremslösung wird verwendet, um die beim Abbremsen oder Stillsetzen eines Motors entstehende regenerative Energie zu verarbeiten, eine übermäßige DC-Zwischenkreisspannung zu verhindern und einen sicheren sowie effizienten Systembetrieb zu gewährleisten. Übliche Lösungen umfassen das dynamische Bremsen und das regenerative Bremsen, die je nach Lastcharakteristik, Energieeffizienz und Kostenanforderungen ausgewählt werden können.

In einem Frequenzumrichter-Steuerungssystem werden das Abbremsen und Stillsetzen des Motors durch schrittweises Verringern der Frequenz erreicht. Im Moment der Frequenzabsenkung sinkt die Synchrondrehzahl des Motors entsprechend, während die Rotordrehzahl aufgrund der mechanischen Trägheit unverändert bleibt. Wenn die Synchrondrehzahl w_1 niedriger wird als die Rotordrehzahl w, verschiebt sich die Phase des Rotorstroms um nahezu 180 Grad, wodurch der Motor vom Motorbetrieb in den Generatorbetrieb übergeht. Gleichzeitig wird das Drehmoment an der Motorwelle zu einem Bremsmoment T_e, das die Motordrehzahl schnell reduziert und den Motor in einen regenerativen Bremszustand versetzt. Die vom Motor regenerierte elektrische Energie P wird über die Freilaufdioden durch Vollweggleichrichtung in den DC-Zwischenkreis zurückgespeist. Da die elektrische Energie im DC-Zwischenkreis nicht über die Gleichrichterbrücke ins Netz zurückgespeist werden kann, wird sie nur vom eigenen Kondensator des Umrichters aufgenommen. Obwohl andere Komponenten elektrische Energie verbrauchen können, sammelt der Kondensator dennoch kurzzeitig Ladung an, was eine “Pumpspannung” bildet und die DC-Spannung Ud ansteigen lässt. Eine zu hohe DC-Spannung kann verschiedene Komponenten beschädigen. Daher müssen Maßnahmen ergriffen werden, um diese regenerative Energie zu verarbeiten. Unser Unternehmen bietet die folgenden zwei Lösungen an.

Lösung A: Dynamisches Bremsen
Diese Methode verbraucht die regenerative Energie über einen Bremswiderstand. Ihr Funktionsprinzip besteht darin, mithilfe eines Choppers (auch als Bremseinheit bezeichnet) den Bremswiderstand zur Energieaufnahme im DC-Zwischenkreis zu steuern und so eine schnelle Abbremsung zu erreichen. Diese Lösung zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau, niedrige Kosten und ein hohes Bremsmoment aus und verursacht keine Netzverschmutzung. Allerdings kann die regenerative Energie nicht zurückgewonnen werden. Sie eignet sich für Anwendungen, bei denen die Kosten sensibel sind oder geringe Anforderungen an die Netzstabilität bestehen, wie z. B. in Standard-Zentrifugen oder Hobelmaschinen.

Lösung B: Regeneratives Bremsen
Diese Methode wandelt die regenerative Energie mittels Wechselrichter in Wechselstrom mit gleicher Frequenz und Phase um, um sie ins Netz zurückzuspeisen. Durch den Einsatz aktiver Wechselrichtertechnologie wird ein Energierecycling ermöglicht, die Systemeffizienz verbessert und ein Vier-Quadranten-Betrieb unterstützt. Allerdings ist eine stabile Netzspannung erforderlich (Spannungsschwankungen dürfen 15 % nicht überschreiten), da sonst leicht Kommutierungsfehler auftreten können. Es besteht zudem ein Risiko der Oberschwingungsbelastung, und die Steuerungskomplexität sowie die Kosten sind relativ hoch. Sie eignet sich für Anwendungen, die häufiges Bremsen erfordern und eine stabile Netzversorgung aufweisen, wie z. B. bei potenziellen Lasten in Kränen und Aufzügen.

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Dynamische Bremsung Rekuperationsbremse

Dynamische Bremsung

Die Methode des dynamischen Bremsens basiert auf dem Hinzufügen eines Entladewiderstands auf der DC-Seite (Gleichstrom-Zwischenkreis) des Frequenzumrichters (VFD), um die regenerative Energie über einen Leistungswiderstand zu verbrauchen und so den Bremsvorgang zu realisieren (wie in der Abbildung gezeigt). Dies ist der direkteste Weg zur Handhabung regenerativer Energie, bei dem die Energie über einen speziellen dynamischen Bremskreis im Widerstand in Wärme umgewandelt wird. Daher wird dieses Verfahren auch als „Widerstandsbremsen“ bezeichnet und besteht aus zwei Komponenten: der Bremseinheit (Brems-Chopper) und dem Bremswiderstand.

1. Bremsprinzip

1.1. Bremseinheit (Braking Unit)
Die Funktion der Bremseinheit besteht darin, den Energiedissipationskreis zu aktivieren, wenn die Zwischenkreisspannung U_d einen voreingestellten Schwellenwert (die sogenannte Chopper-Spannung) überschreitet. Dadurch kann der Gleichstromkreis Energie in Form von Wärme über den Bremswiderstand abgeben. Bremseinheiten werden in zwei Typen unterteilt: integriert und extern. Erstere eignen sich für universelle Frequenzumrichter geringer Leistung, während letztere für Hochleistungs-VFDs oder Betriebsbedingungen mit speziellen Bremsanforderungen eingesetzt werden. Im Prinzip gibt es keinen Unterschied zwischen beiden; beide fungieren als „Schalter“ zur Zuschaltung des Bremswiderstands und bestehen aus einem Leistungstransistor, einer Spannungsabtast- und Vergleichsschaltung sowie einer Treiberschaltung.

1.2. Bremswiderstand
Ein Bremswiderstand ist eine Komponente, die dazu dient, die regenerative Energie eines Motors in Form von Wärme abzuführen. Er hat zwei Schlüsselparameter: den Widerstandswert und die Leistungskapazität. Basierend auf verschiedenen Anwendungen hat unser Unternehmen eine Vielzahl von Bremswiderständen mit unterschiedlichen Leistungsmerkmalen entwickelt. Weitere Einzelheiten entnehmen Sie bitte der Vergleichstabelle für Bremswiderstände.

2. Bremsvorgang

Der dynamische Bremsvorgang läuft wie folgt ab:
2.1. Wenn der Motor unter einer äußeren Kraft verzögert oder reversiert (einschließlich des Antriebs durch eine Last), arbeitet er im Generatorbetrieb und speist Energie in den Zwischenkreis zurück, wodurch die Zwischenkreisspannung steigt;
2.2. Wenn die Zwischenkreisspannung die Chopper-Spannung der Bremseinheit erreicht, wird der Leistungstransistor in der Bremseinheit aktiviert, sodass Strom durch den Bremswiderstand fließen kann;
2.3. Der Bremswiderstand wandelt elektrische Energie in Wärme um, was die Motordrehzahl verringert und folglich die Zwischenkreisspannung senkt;
2.4. Wenn die Zwischenkreisspannung auf den Ausschaltwert der Bremseinheit sinkt, schaltet der Leistungstransistor ab und stoppt den Stromfluss durch den Widerstand;
2.5. Die Zwischenkreisspannung wird kontinuierlich überwacht, und die Bremseinheit wiederholt diesen EIN/AUS-Prozess, um die Spannung zu regeln und den normalen Systembetrieb zu gewährleisten.

3. Bremscharakteristik

Die Vorteile des dynamischen Bremsens (Widerstandsbremsen) sind der einfache Aufbau, die geringen Kosten, das hohe Bremsmoment und die fehlende Netzrückwirkung. Es kann jedoch keine regenerative Energie zurückgewinnen, was bei häufigem Bremsen zu erheblichen Energieverlusten führt und eine größere Kapazität des Bremswiderstands erfordert.

4. Auswahl von Bremseinheit und Bremswiderstand

4.1. Zuerst wird das Bremsmoment geschätzt.
Im Allgemeinen treten beim Bremsen des Motors interne Verluste auf, die etwa 18 % bis 22 % des Nenndrehmoments entsprechen. Wenn das berechnete Ergebnis unter diesen Bereich fällt, ist kein Bremswiderstand erforderlich.
4.2. Als nächstes wird der Widerstandswert des Bremswiderstands berechnet.
Während des Betriebs der Bremseinheit hängt die Schwankung der Zwischenkreisspannung von der Zeitkonstanten RC ab, wobei R der Widerstandswert und C die Kapazität des Elektrolytkondensators im VFD ist. Hier wird die Betriebsspannung der Bremseinheit typischerweise auf 710 V eingestellt.
4.3. Bei der Auswahl der Bremseinheit ist der maximale Betriebsstrom das einzige Kriterium. Die Berechnungsformel lautet wie folgt:
4.4. Schließlich wird die Nennleistung des Bremswiderstands berechnet.

Da der Bremswiderstand im Kurzzeitbetrieb arbeitet, ist die Nennleistung des Widerstands konstruktionsbedingt geringer als die im Dauerbetrieb aufgenommene Leistung. Die Berechnung erfolgt im Allgemeinen nach folgender Formel: Nennleistung = Derating-Faktor × durchschnittliche Bremsleistung × Einschaltdauer (ED) in %.

Vergleichstabelle für verschiedene Serien von Bremseinheiten

Hauptmerkmale	LN-Serie 220V	LN-Serie 400V	GN-Serie
Umrichter-Nennleistung (Pr)	7,5 kW bis 90 kW	7,5 kW bis 132 kW	37 kW bis 450 kW
Maximaler Bremsstrom (I)	50 A bis 200 A	40 A bis 200 A	75 A bis 450 A
Wiederholbare Bremsleistung (Pm)	Basierend auf Pr und ED (%)	Basierend auf Pr und ED (%)	Basierend auf Pr und ED (%)
Zykluszeit (bis 600s auf Anfrage)	120s Standard	120s Standard	120s Standard
ED / Einschaltdauer (höher als 40% auf Anfrage)	bis zu 20 %	bis zu 20 %	bis zu 40 %
Netzspannung (U) @50/60Hz	220/240V ±10 %	380/415V ±10 %	380/415V ±10 % 480/500V ±10 % 660/690V ±10 %
Standard Chopper-Spannung (einstellbar)	DC 320V ±5V	DC 660V ±5V	DC 660V / 830V / 1150V ±5V
Durchschlagsspannung	3.000 VAC @ 1 min	3.000 VAC @ 1 min	3.000 VAC @ 1 min
Isolationswiderstand	>20 MΩ / Gehäuse	>20 MΩ / Gehäuse	>20 MΩ / Gehäuse

5. Vergleichstabelle für verschiedene Serien von Bremswiderständen

Widerstandstyp	Seriennummer	Leistungsbereich (W)	Widerstandswert	Gehäusematerial	IP-Schutzart	Mit Lüfter	Merkmale	Anwendungsszenarien
Drahtwiderstand	RXG20	50–15.000	Kundenspezifisch	Nein	IP00	Nein	Niedrige IP, kostengünstig, gute Wärmeableitung	Aufzüge, Krane, Frequenzumrichter
Aluminiumgehäuse	RXLG	20–11.000	Kundenspezifisch	Nein	IP21/IP65	Nein	Hohe IP, kompakt, nicht für Dauerbetrieb	Aufzüge, Krane, VFD, Spritzguss, CNC, Robotik, E-Fahrzeuge
Kompakt-Alu-Gehäuse	RXLG				IP21/IP65	Nein	Kompakt, hoher Strom, niedriger Widerstand	Elektroroller
Kühlkörperwiderstand	RAD				IP21		Hoher Strom, Alu-Kühlkörper, modular	Platzkritische Anwendungen

Widerstandsschrank-Typ	Seriennummer	Leistungsbereich (kW)	Widerstandstyp	Schrankmaterial	IP-Schutzart	Mit Lüfter	Merkmale	Anwendungsszenarien
Mehrfach-Alu-Gehäuse	ARXU	15-50	Aluminiumgehäuse	Kaltgewalztes Stahlblech	IP21/IP54	Kleiner Lüfter	Hohe IP, wasserdichte Anschlussbox	Aufzüge, Krane, VFD
Edelstahl-Gitterschrank	STL	6-250	Edelstahl-Gitter	304/316 Edelstahl	IP54	Ja (ab 12 kW)	Wasser- und salznebelbeständig	Schwerlast im Freien, Hafenkrane
Stahlgitter-Schrank	STC	6-250	Edelstahl-Gitter	Verzinktes Stahlblech	IP54	Ja (ab 12 kW)	Wasserdicht, nicht für Salznebel geeignet	Dauerbetrieb Schwerlast, Innen/Außen
Keramik-Widerstandsschrank	DBR	9-100	Drahtwiderstand	Verzinktes Stahlblech	IP54	Nein	Kompakt, hohe Überlastfähigkeit, zuverlässig	Schwerlast Innen/Außen
Flachwiderstand-Box	DBR	1-200	Flachwiderstand	Verzinktes Stahlblech	IP00	Optional	Kompakt, hoher Strom, lange Lebensdauer	Schwerlast Innenraum
Edelstahl-Gitterbox	STB	1-27	Edelstahl-Gitter	Kaltgewalztes Stahlblech	IP00	Nein	Niedrige Schutzart, sehr gute Wärmeableitung	Langzeitbetrieb Innenraum
Keramik-Widerstandsbox	BRB	2-36	Drahtwiderstand	Kaltgewalztes Stahlblech	IP00	Ja (ab 20 kW)	Einfach, gute Wärmeableitung	Langzeitbetrieb Innenraum
Aufzug-Edelstahlbox	EVR	3-9	Edelstahl-Gitter	Verzinktes Stahlblech	IP00	Nein	Kompakt, gute Wärmeableitung, wasserfest	Spezielle Aufzugsanwendungen

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Rekuperationsbremse

Die regenerative Bremsung, auch als Netzrückspeisung bezeichnet, nutzt aktive Invertertechnologie, um die beim Abbremsen oder Stoppen des Motors entstehende generatorische Energie in Wechselstrom umzuwandeln. Dieser wird in Frequenz, Phase und Spannung präzise mit dem Versorgungsnetz synchronisiert und direkt zurückgespeist. Dies ermöglicht ein effizientes Energrecycling, löst grundlegend das Problem des Spannungsanstiegs im DC-Zwischenkreis („Voltage Pumping“) und führt zu erheblichen Energieeinsparungen. Als High-End-Bremslösung in Systemen mit Frequenzumrichtern (VFD) unterstützt sie den Vier-Quadranten-Betrieb des Motors und eignet sich hervorragend für industrielle Anwendungen mit potenziellen Lasten oder häufigen Bremsvorgängen.

Kernkomponenten

Das Rückspeisesystem besteht im Wesentlichen aus vier Teilen: einer Rückspeiseeinheit (aktiver Inverter), einer Filterschaltung, einer Erfassungs- und Steuerschaltung sowie einer Schutzschaltung. Bei integrierten Lösungen sind diese Module oft in einem Rückspeiseschrank zusammengefasst, der für Hochleistungs-Frequenzumrichter ausgelegt ist.

Rückspeiseeinheit

Das Herzstück ist eine Hochleistungs-Inverterbrücke (bestehend aus Leistungshalbleitern wie IGBTs), die für die Umwandlung von Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) verantwortlich ist. Sie steuert Frequenz, Phase und Amplitude der invertierten Spannung präzise so, dass sie mit den Netzparametern übereinstimmt.

Filterschaltung

Beinhaltet Komponenten wie Drosseln und Kondensatoren. Sie dienen dazu, Oberschwingungen (Harmonische) zu unterdrücken, die während des Invertierungsprozesses entstehen, die Netzrückwirkungen zu minimieren und den Rückspeisestrom zu stabilisieren.

Erfassungs- und Steuerschaltung

Erfasst in Echtzeit Netzspannung, Frequenz, Phase sowie die Zwischenkreisspannung des Umrichters. Ein geschlossener Regelkreis passt den Betriebszustand der Inverterbrücke an, um die Synchronisation und Stabilität der Energierückspeisung zu gewährleisten.

Schutzschaltung

Verfügt über Schutzfunktionen gegen Überspannung, Überstrom, Phasenausfall, Phasenfehler und Netzschwankungen. Bei Netzschwankungen von mehr als 15 % oder im Fehlerfall wird der Rückspeisekreis sofort getrennt, um Kommutierungsfehler, Geräteschäden und Netzstörungen zu vermeiden.

1. Funktionsprinzip

1.1. Wenn der Motor abbremst, stoppt oder potenzielle Energie freisetzt (z. B. ein Kran beim Absenken einer Last oder ein abwärts fahrender Aufzug), behält er aufgrund der mechanischen Trägheit eine hohe Geschwindigkeit bei. Die Synchrondrehzahl liegt unter der Rotordrehzahl, wodurch der Motor in den Generatorbetrieb wechselt. Die regenerierte elektrische Energie wird über die Freilaufdioden in den DC-Zwischenkreis des Frequenzumrichters zurückgeführt, wodurch die Zwischenkreisspannung Ud ansteigt.

1.2. Sobald die Zwischenkreisspannung den Einschalt-Schwellenwert der Rückspeiseeinheit erreicht, erfasst die Messschaltung die Spannungs-, Frequenz- und Phasensignale des Netzes in Echtzeit, und die Steuerung aktiviert die Inverterbrücke der Rückspeiseeinheit.

1.3. Die Inverterbrücke wandelt die generatorische Energie aus dem Zwischenkreis in dreiphasigen Wechselstrom um, der in Frequenz, Phase und Amplitude dem Netz entspricht. Nach der Filterung der Oberschwingungen wird die Energie in das Stromnetz zurückgespeist (Rekuperation).

1.4. Sinkt die Zwischenkreisspannung auf den Abschaltschwellenwert, stellt die Inverterbrücke den Betrieb ein. Steigt die Spannung erneut an, wiederholt sich der Vorgang, wodurch die Zwischenkreisspannung stets im sicheren Bereich stabilisiert wird.

2. Bremsvorgang

2.1. Energieerzeugung: Der Motor arbeitet im regenerativen Bremsbetrieb und speist Energie in den DC-Kreis des Umrichters zurück, was die Zwischenkreisspannung ansteigen lässt.

2.2. Schwellenwert-Trigger: Erreicht die Spannung den voreingestellten Startwert der Rückspeiseeinheit, beginnt die Erfassung der Netzparameter und die Steuerung wechselt in den Arbeitszustand.

2.3. Aktive Invertierung: Die Inverterbrücke wandelt den Gleichstrom basierend auf den Netzsignalen in netzkonformen Wechselstrom um, der nach der Filterung in das Netz eingespeist wird.

2.4. Spannungsstabilisierung: Durch die kontinuierliche Rückspeisung sinkt die Zwischenkreisspannung allmählich. Beim Erreichen des Stopp-Schwellenwerts beendet die Einheit die Invertierung.

2.5. Zyklische Überwachung: Das System überwacht die Spannung permanent. Bei erneutem Erreichen des Schwellenwerts wiederholt sich der Prozess dynamisch, um die Sicherheit von Umrichter und Motor zu gewährleisten.

3. Merkmale der Rückspeisung

3.1. Energierückgewinnung und hohe Effizienz: Die regenerierte Energie wird direkt in das Netz zurückgespeist und kann wiederverwendet werden. Im Gegensatz zur dynamischen Bremsung (über Widerstände) entsteht kein Energieverlust. Bei häufigen Bremszyklen oder Lasten mit hoher Trägheit ist der Spareffekt signifikant.

3.2. Keine Wärmeverluste, reduzierte thermische Belastung: Da keine Bremswiderstände zur Energievernichtung verwendet werden, wird massive Hitzeentwicklung vermieden. Zusätzliche Kühlaggregate entfallen, was das Betriebsumfeld verbessert und Kühlkosten senkt.

3.3. Stabiles Bremsmoment, Vier-Quadranten-Betrieb: Das Drehmoment ist während des Bremsens stabil. Das System ermöglicht den Betrieb in allen vier Quadranten (Vorwärts-/Rückwärtslauf, Treiben/Bremsen). Ideal für Kräne, Aufzüge und Bergwerkswinden.

3.4. Niedrige langfristige Betriebskosten: Trotz höherer Anfangsinvestition amortisieren sich die Kosten durch Energieeinsparungen über den Lebenszyklus. Zudem entfällt der Austausch von Bremswiderständen, was den Wartungsaufwand reduziert.

4. Auswahl und Vorsichtsmaßnahmen

4.1. Grundlagen der Auswahl

Netzparameter: Überprüfung von Netzspannung, Phasenzahl und Schwankungsbereich (Stabilitätsanforderung ±15 %);
Rückspeiseleistung: Berechnung der Spitzen- und Durchschnittsleistung basierend auf Motornennleistung, Bremsfrequenz und Verzögerungszeit;
Lastcharakteristik: Bei potenziellen Lasten (Hebezeuge) muss die Leistung bei maximaler Senkgeschwindigkeit berücksichtigt werden (Sicherheitsmarge Faktor 1,2 bis 1,5);
Oberschwingungsbegrenzung: Auswahl geeigneter Drosseln und Filter gemäß den geltenden Netzqualitätsnormen.

4.2. Anwendungshinweise

4.2.1. Installieren Sie einen Trennschalter zwischen Rückspeiseeinheit und Netz. Achten Sie auf einen ausreichenden Leitungsquerschnitt zum DC-Zwischenkreis, um Leitungsverluste zu minimieren.

4.2.2. Inspizieren Sie regelmäßig die Leistungskomponenten und Sensoren. Tauschen Sie gealterte Teile rechtzeitig aus, um netzseitige Störungen zu vermeiden.

4.2.3. Bei instabilen Netzen kann ein zusätzlicher Spannungsstabilisator die Systemanpassungsfähigkeit verbessern.

4.2.4. Das Rückspeisesystem erfordert eine separate Erdung, die unabhängig von der Erdung des Frequenzumrichters ausgeführt sein sollte, um Interferenzen zu vermeiden.

5. Einsatzszenarien

Die regenerative Bremsung eignet sich für industrielle Anwendungen mit stabilen Netzen, häufigen Brems- oder Reversiervorgängen und hohen Anforderungen an die Energieeffizienz. Dazu gehören insbesondere:

5.1. Hebezeuge: Aufzüge, Rolltreppen, Kräne, Turmdrehkräne, Bergwerkswinden, hydraulische Hebebühnen;

5.2. Antriebe mit hoher Trägheit: Große Zentrifugen, Walzwerke, Ölpumpen (Pferdekopfpumpen), Hafen-Portalkräne;

5.3. Anlagen mit häufigem Reversierbetrieb: Werkzeugmaschinenspindeln, metallurgische Förderanlagen, Kratzerförderer im Bergbau.

Nicht geeignet für: Betriebsbedingungen mit massiven Netzspannungsschwankungen oder starker Oberschwingungsbelastung; einfache Lasten mit geringer Bremsfrequenz (z. B. kleine Lüfter, Standardpumpen), bei denen die Kostenersparnis die Investition nicht rechtfertigt.

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