Schutz vor Überlast Sichere Leistungswiderstände

Auslösekennlinen bei 10 A Nennstrom: Frizlen-DC-Powerswitch (blau), Schmelzsicherung (rot), maximal zulässiger Strom an einem Leistungswiderstand (grün)

Bild: Frizlen
14.10.2016

Zum Schutz von Widerständen vor Überlast in DC-Zwischenkreisen gibt es verschiedene Methoden. Doch diese sind entweder mit großem Aufwand verbunden, zeigen Alterungseffekte oder melden zeitverzögert. Eine neue Lösung schaltet nun sogar bei DC-Spannungen von 850 V bei allen möglichen Überlasten rechtzeitig ab.

Leistungswiderstände wandeln überschüssige elektrische Energie in Wärmeenergie um. Ein Widerstand wird dabei bei üblicher Auslegung an der Oberfläche auf eine Temperatur zwischen 200 und 300 °C erwärmt. Produkte mancher Hersteller werden im Nennbetrieb teilweise bis zu 450 °C erwärmt. Bei einer Überlastung würde sich der Widerstand noch stärker erwärmen. Je nach Grad der Überlastung kann dies zu einer Überhitzung führen welche den Widerstand dauerhaft schädigt oder sogar zerstört – mit Brandgefahr für umliegende Bauteile. Bremswiderstände in DC-Zwischenkreisen sind aufgrund ihrer intermittierenden Betriebsweise besonders gefährdet.

Überwachen nach Stand der Technik

Zur Detektion von Überlasten gibt es verschiedene Überwachungsarten, die dem aktuellen Stand der Technik entsprechen. Da wäre zum einen der Temperaturschalter. Dieser ist angebaut an den Widerstand in der Regel mit potentialfreiem Öffner. Durch Erwärmung eines Bimetalls erfolgt die Meldung. Als zweites gibt es thermische Überstromrelais. Diese sind direkt in den Stromkreis des Widerstands eingebunden. Es steht ein potentialfreier Wechsler zur Auswertung zur Verfügung. Und dann gibt es noch die Halbleiter-Schmelzsicherung. Sie ist in Reihe vor die Zuleitung zum Widerstand geschaltet. Durch das Abschmelzen eines Schmelzleiters wird der Stromkreis unterbrochen, wenn die Stromstärke einen bestimmten Wert während einer ausreichenden Zeit überschreitet.

Die übliche und günstigste Methode ist das Überwachen der Leistungswiderstände mit einen Temperaturschalter. Durch hohe Übergangswiderstände erfolgt hier eine Meldung jedoch sehr zeitverzögert. Alternativ dazu detektiert ein dem Leistungswiderstand vorgeschaltetes externes thermisches Überstromrelais die Überlastung schneller, da es stromdurchflossen ist. Auch mittlere bis große Überlasten sind so zuverlässig erkennbar. Jedoch ist aufgrund der fehlenden magnetischen Überwachungskomponente auch hier der Schutz nicht vollständig. Sehr große Überlasten werden nicht rechtzeitig erkannt. Auch die Halbleitersicherung kann aufgrund des hohen Lastwechselfaktors von 1,6 und der groben Abstufung der Bemessungsströme nur grob auf den Widerstand abgestimmt werden. Zudem ändert sich durch Alterung dauerhaft ihre Auslösecharakteristik, was Fehlauslösungen begünstigen kann. Bei den Methoden mit Temperaturschalter und mit thermischem Überstromrelais kommt hinzu, dass die Abschaltung durch extern zu treffende Maßnahmen mittels Relais oder Schütz vorgenommen werden muss. Bei Bremswiderständen im Zwischenkreis wird die Abschaltung deshalb zumeist durch Trennen der Einspeisung des Frequenzumrichters im Wechselstrom-Kreis (AC) vorgenommen, da die Trennung des Gleichstrom-Zwischenkreises (DC) nur mit großem Aufwand zu realisieren ist.

Powerswitch als neuer Lösungsansatz

Ein neuer Lösungsansatz, um Überlasten zu detektieren, ist der Frizlen-DC-Powerswitch (FPS). Dieser wird entweder werksseitig direkt am Widerstand verbaut oder kundenseitig in Reihe vor die Zuleitung zum Widerstand geschaltet. An das Verhalten eines Motorschutzschalters angelehnt erfolgt Meldung und Abschaltung sowohl bei geringer, lang anstehender Überlast wie auch bei hohen bis sehr hohen Überlastungen. Der FPS ist damit für die Sicherung von Bremsanwendungen bei Gleichspannungen bis 850 VDC geeignet. Er schaltet sowohl bei thermischer Überlast als auch elektromagnetisch bei Kurzschluss sowie bei einem Vielfachen des Nennstroms rechtzeitig ab und meldet den Fehler. So wird bei uneingeschränkter Dynamik des Antriebs der Bremswiderstand geschützt und Umgebungsschäden durch Überhitzung und Brand wirkungsvoll vorgebeugt. Stromrichtung und Polarität sind dabei unbedingt zu beachten.

Vergleich der Überwachungseinrichtungen

In Abbildung 1 sind exemplarisch die Auslösekennlinien für verschiedene Überwachungseinrichtungen bei 10 A Nennstrom skizziert. Der Strom errechnet sich aus der Formel I = √(P/R). Das thermische Überstromrelais verhält sich dabei in etwa wie der thermische Teil des FPS; in der Abbildung in blau dargestellt. Ein Temperaturschalter zeigt eine ähnliche Charakteristik, schaltet wegen der thermischen Kopplung jedoch verzögert. Der grüne Graph zeigt den maximal zulässigen Strom an einem Rohrwiderstand, der ohne Beschädigung des Widerstands im zyklischen Bremsbetrieb möglich ist. Die Schmelzsicherung, als rote Linie aufgetragen, ist erkennbar nur für den Kurzschluss konstruiert.

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