Wellenförmige Unterlegscheiben, Spiraldruckfedern, Tellerfedern... Die Liste erprobter Federn, die für eine Vielzahl von Anwendungen in Frage kommen, ist...
Während sich in vielen Bereichen der Elektronik das Hauptaugenmerk auf die Miniaturisierung und die Reduzierung des Energieverbrauchs richtet und dadurch Widerstände immer kleiner werden müssen, stehen in der Leistungselektronik, und damit bei Widerständen die in diesem Bereich eingesetzt werden, andere Parameter auf den vorderen Plätzen. So geht es bei diesen Bauteilen um Themen wie Stromtragfähigkeit, Energieaufnahmevermögen, Kurzzeit- oder Pulsleistung. Um mechanische Integration, um Schutzarten, die durch Wirkungsort und Umweltbedingungen definiert sind, sowie um Themen der Entwärmung. Es geht um Betriebspunkte, definiert durch komplett unterschiedliche Temperaturarbeitsbereiche, um Themen wie Eigensicherheit und Absicherung bei Überlastfällen. Bei Leistungswiderständen sprechen wir von Leistungen, beginnend ab circa 10 W, das obere Ende liegt in etwa bei einem Megawatt. Entsprechende Kurzzeit- oder Spitzenleistungen können dabei noch ein Vielfaches der Dauerleistung betragen. Typische Energieaufnahmevermögen liegen zwischen einigen 100 W und enden ebenfalls im MW-Bereich.
Welche Einsatzbereiche und welche Branchen sind damit verbunden?
Ein wichtiges Einsatzgebiet bietet die elektrische Antriebstechnik. Hier werden Brems- oder Ballastwiderstände für Frequenzumrichter benötigt, die als mechanischer Bremsenersatz einen wartungsfreien Betrieb ermöglichen. Dies erfolgt durch gezielten Energieentzug des geregelten elektrischen Antriebs. Dadurch ist es möglich, an der Applikation orientierte, präzise geregelte Verzögerungs- und Bremsrampen zu fahren und so sowohl verschleißfrei als auch sanft zu bremsen bzw. zu verzögern. Dies stellt auch die häufigste Anwendung für Leistungswiderstände dar. Im Bereich der Gleichstromantriebe, welche aktuell wieder in manchen Anwendungen auf dem Vormarsch sind, werden Leistungswiderstände zur Anlassstrombegrenzung sowie zur Momenterhöhung verwendet. Der Maschinenbau setzt applikationsgetrieben auf sogenannte Not-Aus-Widerstände um bei Netzausfall oder Not-Halt die Energie schnellstmöglich aus der Maschine/Anlage zu bekommen damit Personen- und Sachschäden vermieden werden. In der Leistungselektronik besteht großer Bedarf an Lade- und Entladewiderständen, an Symmetrier- und Strombegrenzungswiderständen. Diese werden – soweit es die Leistungsanforderungen zulassen – teilweise noch als Platinen-integrierbare Ausführung angeboten. Größere Leistungen erfordern unter Umständen eine Montage auf Kühlkörpern, die luft- und flüssigkeitsgekühlt sein können. Generell stellt die Wärmeentwicklung der Leistungswiderstände die Projektingenieure immer vor die Aufgabe, den Wärmefluss zu steuern, um lokalen Überhitzungen vorzubeugen. Leistungswiderstände werden in der Regel auf eine Oberflächenübertemperatur von 300 K ausgelegt. Das bedeutet, dass man bei der Montage unbedingt die Umgebungsbedingungen betrachten muss um beispielsweise benachbarte Bauteile, Kabelkanäle, Leitungen etc. vor Überhitzung zu schützen.
Anwendungsfeld Energietechnik
Ein weiteres Anwendungsfeld ist die Energietechnik. Hier werden Dämpfungs- und Filterwiderstände im Bereich der Nieder- und Mittelspannung eingesetzt, um beispielsweise die Netzqualität sicherzustellen oder um bei Erdschlüssen den Strom zu begrenzen. Die Energieversorger stellen als Aufgabe an die Windenergieanlagenhersteller, dass bei Ausfall des Versorgungs- und Einspeisenetzes die Windenergieanlage einige Sekunden weiter laufen muss, um nach Fehlerbeseitigung sofort wieder Energie ins Netz einspeisen zu können. Dies erfordert sogenannte FRT oder LVRT-Widerstände, welche für die geforderte Zeit die Energie kurzfristig aufnehmen. Wir sprechen hier von Energiemengen in Bereich einiger MW. Sind Pitchantriebe für die Blattverstellung nicht hydraulisch sondern elektrisch, so gibt es je nach Regelungsart auch hier Bedarf an Bremswiderständen um den generatorisch erzeugten Winddruck aufzunehmen. Da es sich um unregelmäßige, nadelförmige Impulse handelt ist der Aufwand diese Energie zurückzugewinnen zu hoch. Die ständig wachsende Transport & Logistikbranche mit ihren im Hafenbereich installierten Portal- und Containerstapelkränen und den automatisch fahrenden Containertransportern, auch sie benötigen Anlass-, Brems- und Stellwiderstände, um einen sicheren und rationellen Betrieb zu ermöglichen. Als Besonderheit werden Leistungswiderstände als passive Lasten im Bereich Test- und Labortechnik eingesetzt. Angefangen bei den bekannten Schiebewiderständen, über Ringstellwiderstände bis hin zu mit Schaltern und Feinstellern kombinierten, fein einstellbaren Belastungswiderstandseinheiten werden hier kundenspezifische Lösungen für viele Branchen und Anwendungen angeboten. Die wieder aufkommende Gleichspannung durch E-Mobilität beschert hier zusätzliche Nachfrage. So werden Belastungs- und Prüfwiderstände für alle Arten von Spannungsquellen angeboten, sowohl geeignet zur Aufstellung in Innenräumen wie beispielsweise in Laboren als auch für Hallen- oder Außenaufstellung bei Industrieanwendungen.
Widerstandstechnik aus Kosten-Nutzen-Sicht sinvoll
Viele würden gerne auf Leistungswiderstände verzichten. Es gibt auch verschiedene Möglichkeiten die dies zum Beispiel bei Bremswiderständen erlauben. Die wichtigsten sind Netzrückspeisung, Energiespeicherung (im Zwischenkreis oder durch separate Lösung) und Gleichstrom-Zwischenkreiskopplung. Doch trotz der genannten Alternativen ist es aus Kosten-Nutzen Sicht häufig sinnvoll, auf die bewährte und robuste Widerstandstechnologie zurückzugreifen. Zuverlässigkeit und Langlebigkeit sind weitere Gründe, weshalb die Technologie nicht stirbt sondern weiter wächst. jg
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