Bremsverfahren bei Asynchronmotoren

Jeder rotierende Körper besitzt ein Massenträgheitsmoment — je größer und schwerer er ist, desto mehr Energie steckt in seiner Drehbewegung. Wenn der Motor abgeschaltet wird, läuft er durch diese gespeicherte Energie weiter. Man spricht vom Auslaufverhalten des Antriebs.

Bei einem kleinen Lüftermotor ist das unproblematisch. Ganz anders sieht es aus, wenn ein Sägeblatt nach dem Abschalten noch 15 Sekunden dreht, eine Förderbahn nicht exakt an der Zielposition stoppt oder ein Kran eine hängende Last nicht sofort fixiert. Hier ist gezieltes Bremsen nicht nur eine Frage der Effizienz, sondern der Sicherheit.

Der Bremsweg — also die Anzahl der Umdrehungen bis zum Stillstand — und die Bremszeit hängen direkt vom Massenträgheitsmoment der Last und vom erzeugten Bremsmoment ab. Je größer das Bremsmoment, desto kürzer der Weg.

Mechanisches vs. elektrisches Bremsen

Die einfachste Lösung ist eine mechanische Bremse: Bremsbacken oder Bremsscheibe pressen gegen den Rotor oder die Welle. Das funktioniert zuverlässig, erzeugt aber Wärme, verschleißt Bremsbeläge und erfordert regelmäßige Wartung.

Elektrische Bremsverfahren greifen stattdessen ins elektromagnetische Innenleben des Motors ein. Sie erzeugen ein Bremsmoment über das Magnetfeld — ohne mechanischen Kontakt, ohne Reibverschleiß. Das macht sie für häufig bremsende Antriebe besonders wirtschaftlich.

Überblick der drei Verfahren:

Wer schon einmal an einem laufenden Motor zwei Phasen vertauscht hat, kennt das Ergebnis: Der Motor versucht sofort, in die andere Richtung zu drehen. Genau diesen Effekt nutzt die Gegenstrombremsung — allerdings kontrolliert und nur bis zum Stillstand.

Prinzip

Im normalen Motorbetrieb dreht das Drehfeld im Ständer in eine Richtung, der Rotor folgt mit leichtem Rückstand (Schlupf). Beim Gegenstrombremsen werden zwei der drei Außenleiter am Motor miteinander vertauscht. Das Ständerdrehfeld dreht damit augenblicklich in die entgegengesetzte Richtung, während der Rotor noch in der alten Richtung dreht. Der Relativschlupf zwischen Drehfeld und Rotor ist jetzt fast doppelt so groß wie im Anlaufmoment — das Bremsmoment ist entsprechend hoch.

Auf der M-n-Kennlinie (mehr dazu im Beitrag „Schlupf und M-n-Kennlinie beim ASM“) entspricht dieser Zustand dem Betrieb im Bereich s > 1, also oberhalb des normalen Anlaufs. Der Motor bremst kraftvoll.

Wirkung auf die M-n-Kennlinie

Das vollständige Bremsverhalten lässt sich nur über alle Quadranten der M-n-Kennlinie nachvollziehen. Das SVG weiter unten in diesem Kapitel zeigt schematisch, wie der Arbeitspunkt beim Phasentausch vom motorischen Bereich in den Gegenstrombremsbetrieb springt.

Die rote Kennlinie zeigt, was beim Phasentausch passiert: Der Arbeitspunkt springt aus dem motorischen Bereich (blau, rechts oben) schlagartig auf die Gegenstrombremskurve. Das dort wirkende Drehmoment ist stark und bremsend — aber der Motor würde nach Erreichen des Stillstands sofort in Gegenrichtung anlaufen, wenn man ihn nicht rechtzeitig abschaltet.

Drehzahlwächter als Abschaltbedingung

Das ist das entscheidende Problem der Gegenstrombremsung: Sie bremst zuverlässig bis Null — schaltet man nicht rechtzeitig ab, kehrt die Drehrichtung um. Deshalb ist ein Drehzahlwächter (auch Drehzahlrelais oder Nulldrehzahlschalter) zwingend erforderlich. Er erkennt den Stillstand und trennt den Motor sofort vom Netz, bevor er in Gegenrichtung hochläuft.

Thermische Belastung

Die Gegenstrombremsung ist energetisch teuer. Die gesamte kinetische Energie der Last plus die aus dem Netz aufgenommene elektrische Energie werden als Wärme im Läuferwiderstand vernichtet. Bei häufigen Bremszyklen oder großen Massen kann das zur thermischen Überlastung des Motors führen. Daher ist die Gegenstrombremsung eher für gelegentliche Schnellstopps geeignet, nicht für Dauerbetrieb mit vielen Bremsvorgängen pro Stunde.

Vor- und Nachteile

Nicht jedes Bremsen bedeutet, dass Energie vernichtet werden muss. Wenn ein Asynchronmotor schneller dreht als sein Drehfeld — also schneller als die synchrone Drehzahl — kehrt sich die Energieflussrichtung um: Der Motor wird zum Generator.

Prinzip

Im normalen Motorbetrieb dreht der Rotor etwas langsamer als das Drehfeld (positiver Schlupf, 0 < s < 1). Wird der Rotor von außen beschleunigt — etwa durch eine herabsinkende Last beim Kran oder durch Frequenzumrichter-Steuerung — überholt er das Drehfeld. Der Schlupf wird negativ (s < 0). In diesem Bereich liefert der Motor elektrische Energie, statt sie zu verbrauchen. Das erzeugte Bremsmoment wirkt der Bewegung entgegen.

Auf der M-n-Kennlinie entspricht das dem Bereich rechts von n₀ (grüne Kennlinie im SVG oben). Der Arbeitspunkt wandert beim Überschreiten der Synchrondrehzahl automatisch in den generatorischen Bereich.

Energie: Rückspeisung oder Vernichtung

Was mit der gewonnenen Energie passiert, hängt von der Infrastruktur ab — und das ist in der Praxis ein entscheidender Unterschied:

Netzrückspeisefähige Systeme: Wenn ein entsprechender Frequenzumrichter (mit aktiver Einspeisung, sogenannte AFE-Umrichter) vorhanden ist oder wenn der Motor direkt am Netz betrieben wird und die Synchrondrehzahl überschreitet, fließt die Bremsenergie tatsächlich ins Netz zurück. Das ist die energieeffiziente Variante.

Standard-Frequenzumrichter ohne Rückspeisung: Die meisten Frequenzumrichter in der Praxis are nicht netzrückspeisefähig. Die generatorisch erzeugte Energie fließt in den Zwischenkreis des Umrichters und erhöht dort die Zwischenkreisspannung. Steigt diese Spannung über einen zulässigen Grenzwert, schaltet der Umrichter auf Störung ab — der Antrieb stoppt unkontrolliert.

Um das zu verhindern, wird ein Bremswiderstand über einen Bremschopper (Transistor-Schaltkreis) zugeschaltet. Der Bremschopper überwacht die Zwischenkreisspannung und schaltet den Bremswiderstand zu, sobald der Grenzwert überschritten wird. Die generatorische Energie wird dann als Wärme im Bremswiderstand vernichtet — kontrolliert, ohne Abschaltung auf Störung. Der Bremswiderstand ist je nach Anwendung im Umrichtergehäuse integriert oder als externe Einheit montiert.

Anwendungen

Die Nutzbremsung ist immer dann interessant, wenn die Last selbst Bewegungsenergie liefert: Krane beim Absenken, Förderbänder mit Gefälle, Aufzüge, Windkraftanlagen im Netzbetrieb. Bei Frequenzumrichtern ist generatorisches Bremsen außerdem das bevorzugte Verfahren für gezieltes Abbremsen von der Betriebsdrehzahl auf Null — sanft, kontrolliert, ohne Phasentausch.

Vor- und Nachteile

Die Gleichstrombremsung arbeitet nach einem anderen Grundprinzip als die beiden vorigen Verfahren. Statt mit einem rotierenden Drehfeld wird mit einem stehenden Magnetfeld gearbeitet.

Prinzip

Sobald der Asynchronmotor vom Wechselstromnetz getrennt wird, speist man einen Gleichstrom in zwei der drei Ständerwicklungen ein. Dieser Gleichstrom erzeugt ein statisches (stehendes) Magnetfeld im Ständer — kein rotierendes, kein drehendes, einfach ein festes Feld.

Der Rotor dreht sich aber noch (Massenträgheit). Damit bewegen sich die Läuferstäbe durch dieses stehende Feld. Nach dem Induktionsgesetz werden in den Läuferstäben Spannungen induziert, es fließen Ströme, und diese Ströme erzeugen ein Bremsmoment, das der Drehbewegung entgegenwirkt. Der Effekt ist derselbe wie bei einem generatorischen Betrieb — nur dass das Feld diesmal stillsteht.

Woher kommt der Gleichstrom?

Der Gleichstrom wird in der Regel über einen Brückengleichrichter aus dem Wechselstromnetz gewonnen. Die Gleichstromhöhe lässt sich über einen Vorwiderstand oder — bei moderneren Geräten — über einen steuerbaren Gleichrichter einstellen. Je höher der Gleichstrom, desto stärker das Magnetfeld, desto höher das Bremsmoment. Die Bremswirkung ist damit gut anpassbar.

Bei Schützsteuerungen übernimmt ein separater Gleichstromkreis die Einspeisung; die genaue Schaltungsausführung ist im Beitrag „Gleichstrombremsung mit Schützsteuerung“ ausführlich beschrieben.

Bremsverhalten

Die Gleichstrombremsung bremst weich und progressiv: Das Bremsmoment ist anfangs relativ hoch und nimmt mit sinkender Drehzahl ab, weil die induzierten Spannungen im Läufer kleiner werden. Kurz vor Stillstand ist das Bremsmoment sehr gering — der Motor „gleitet“ in den Stillstand. Das ist für viele Anwendungen ideal, weil es mechanisch schonend ist und keine abrupten Stopps erzeugt.

Ein Drehzahlwächter ist bei die Gleichstrombremsung in der Regel nicht erforderlich, weil das stehende Feld keinen Anlauf in Gegenrichtung verursacht. Der Motor bleibt bei Stillstand stehen.

Vor- und Nachteile

Welches Bremsverfahren für eine Anwendung taugt, hängt von mehreren Faktoren ab: wie schnell gebremst werden muss, wie oft, ob Energierückgewinnung sinnvoll ist, und welche Mechanik die Last verträgt.

Entscheidungshilfe für die Praxis:

• Maximale Geschwindigkeit beim Stoppen → Gegenstrombremsung, wenn die thermische Belastung vertretbar ist und ein Drehzahlwächter vorhanden ist
• Energieeffizienz im Vordergrund → Nutzbremsung mit netzrückspeisefähigem Umrichter; bei Standard-Umrichter: Bremswiderstand einplanen
• Sanftes, verschleißfreies Bremsen ohne Gegenrichtungsrisiko → Gleichstrombremsung
• Frequenzumrichter vorhanden → Nutzbremsung mit Bremswiderstand ist die typische Wahl; viele moderne Umrichter haben den Bremschopper bereits integriert

Mechanische Bremsen (Scheiben-, Backenbremsen) ergänzen elektrische Verfahren, wenn es um das Halten einer Last geht — etwa beim Kran im Stillstand. Elektrische Bremsverfahren allein erzeugen bei Drehzahl Null kein dauerhaftes Haltemoment. Für Kupplungen und mechanische Bremsen als Maschinenelemente sei auf den Beitrag „Kupplungen und Bremsen“ verwiesen.