Gleichstrombremsung mit Schützsteuerung

Wenn der Bedien-Taster losgelassen wird, trennt das Hauptschütz den Motor vom Netz. Der Läufer läuft frei aus, getragen nur von den Reibverlusten. Bei kleinen Lüftern stört das niemandem. Bei einer Holzkreissäge mit großem Sägeblatt kann der Nachlauf dagegen 20 bis 30 Sekunden betragen — eine echte Gefahrenquelle und ein Produktivitätsproblem.

Es gibt mehrere Verfahren, um diesen Nachlauf zu kürzen: die Gegenstrombremsung mit Drehfeldumkehr, mechanische Bremsen, generatorische Bremsung über Frequenzumrichter. Diese werden in einem separaten Beitrag zu den Bremsverfahren behandelt.

Die Gleichstrombremsung sticht aus dieser Reihe heraus, weil sie kontaktlos arbeitet, präzise dosierbar ist und den Antriebsstrang mechanisch schont. Das Wirkprinzip ist einfach: Sobald der Motor vom Drehstromnetz getrennt ist, schaltet ein zweites Schütz Gleichstrom auf einen Teil der Statorwicklungen. Der Stator erzeugt damit kein Drehfeld mehr, sondern ein stehendes Magnetfeld. Der noch rotierende Käfigläufer schneidet dieses Feld, in den Läuferstäben werden Spannungen induziert, der entstehende Läuferstrom erzeugt zusammen mit dem stehenden Statorfeld ein Bremsmoment. Der Motor bremst sich selbst gegen seine eigene Schwungmasse ab.

Wichtig dabei: Die Bremswirkung hängt von der Bewegung des Läufers ab. Bei Stillstand entfällt die Induktion, das Bremsmoment wird null. Ein Halten des Motors gegen ein äußeres Lastmoment ist mit der DC-Bremsung also nicht möglich — dafür braucht es eine zusätzliche mechanische Halte- oder Stillstandsbremse.

Die drei Statorwicklungen U-V-W eines Drehstrom-Asynchronmotors lassen sich auf mehrere Arten mit Gleichstrom beaufschlagen. Welche Variante gewählt wird, hängt von der verfügbaren DC-Spannung, dem gewünschten Bremsmoment und der zulässigen Wicklungserwärmung ab. Drei Anschlussarten haben sich in der Praxis durchgesetzt.

Zwei-Leiter-Anschluss an zwei Klemmen. Der DC-Strom wird zwischen zwei Motorklemmen angelegt (z.B. U und V), die dritte bleibt offen. In der Sternschaltung fließt der Strom dann durch zwei Wicklungen in Reihe. Standard-Variante in der Industrie — der Wicklungswiderstand ist gut bekannt, die nötige DC-Spannung bleibt überschaubar.

Anschluss am Sternpunkt. Setzt einen zugänglichen Sternpunkt voraus. Der DC-Strom fließt zwischen Sternpunkt und einer einzelnen Klemme — nur eine Wicklung trägt Strom. Halber Widerstand, halbe benötigte DC-Spannung, kleineres Bremsmoment.

Drei-Leiter-Anschluss mit Brücke. Zwei Klemmen werden gebrückt (z.B. V und W), die DC-Quelle liegt zwischen U und der Brücke V-W. Eine Wicklung trägt den vollen Strom, die anderen beiden tragen jeweils den halben Strom in Reihenschaltung — alle drei Wicklungen führen Strom und werden gleichmäßiger erwärmt.

In der Praxis ist die erste Variante (2-Leiter-Anschluss an zwei Klemmen) am verbreitetsten, weil sie mit Standard-Steuertrafos und Brückengleichrichtern gut auslegbar ist und ein brauchbares Bremsmoment liefert.

Im Hauptstromkreis fließen die hohen Motorströme — Drehstrom für den Antrieb, Gleichstrom für die Bremsung. Beide Stromquellen müssen über getrennte Schütze auf die Motorklemmen geführt werden, und sie dürfen niemals gleichzeitig wirksam sein.

Die zentralen Komponenten:

• Q1 — Hauptschütz schaltet den Drehstrom auf den Motor (klassische Direkteinschaltung)
• F2 — Motorschutz überwacht den Motorstrom über Bimetallauslöser oder Motorschutzschalter; das Thema ist Inhalt eines eigenen Beitrags
• T1 — Steuertrafo transformiert die Netzspannung auf die niedrigere AC-Bremsspannung herunter
• V1 — Brückengleichrichter richtet die AC-Spannung des Trafos zur DC-Bremsspannung gleich
• Q2 — Bremsschütz schaltet den Gleichstrom auf die Motorklemmen

Gegenseitige Verriegelung im Hauptkreis. Q1 and Q2 dürfen nie gleichzeitig geschlossen sein. Geschieht das doch, wird der DC-Kreis gegen das Netz geschaltet — der Gleichrichter bekommt rückwärts die Drehspannung aufgedrückt, Sicherungen lösen aus, im schlimmsten Fall brennen Dioden oder der Trafo durch. Die Verriegelung erfolgt elektrisch über Hilfskontakte im Steuerkreis und zusätzlich oft mechanisch durch verriegelte Schützpaare. Verriegelungen sind selbst Thema eines eigenen Beitrags.

Der Steuerstromkreis koordiniert den Wechsel vom Motorbetrieb zur Bremsung und beendet die Bremsung nach einer einstellbaren Zeit. Zentrales Element ist ein Zeitrelais K1T.

Der Ablauf in vier Schritten:

1. Start. EIN-Taster S1 drücken → Q1 zieht an, ein Hilfskontakt von Q1 hält die Spule über sich selbst (Selbsthaltung). Der Motor läuft im Drehstrombetrieb. Gleichzeitig öffnet ein Q1-Öffner im Bremskreis und sperrt Q2.
2. Ausschalten und Bremsen einleiten. AUS-Taster S0 drücken → der Strompfad der Selbsthaltung von Q1 wird unterbrochen, Q1 fällt ab. Damit schließt der Q1-Öffner im Bremskreis und gibt die Versorgung für K1T-Spule und Q2-Spule frei. Q2 zieht über den noch geschlossenen K1T-Öffner an, der Gleichrichter wird auf die Motorklemmen geschaltet.
3. Zeitrelais läuft. Die K1T-Spule wurde gleichzeitig mit Q2 erregt — die voreingestellte Bremszeit läuft (typisch 0,5 bis 5 s). K1T arbeitet als ansprechverzögerter Öffner: Sein Kontakt im Pfad von Q2 bleibt zunächst geschlossen.
4. Bremsung beenden. Nach Ablauf der Verzögerungszeit öffnet K1T seinen Kontakt → Q2 fällt ab, der Bremsstrom wird abgeschaltet, der Motor steht. Beim nächsten EIN-Befehl zieht Q1 an, sein Öffner unterbricht den Bremskreis vollständig, K1T-Spule fällt ab, das System ist für die nächste Bremsung bereit.

Gegenseitige Verriegelung im Steuerkreis. Im Spulenpfad von Q1 sitzt ein Öffner-Kontakt von Q2, im Spulenpfad von Q2 sitzt ein Öffner-Kontakt von Q1. Solange das eine Schütz angezogen ist, kann das andere nicht anziehen — auch nicht bei klemmendem Taster.

Nicht jeder Motor braucht den gleichen Bremsstrom, und nicht jede Bremszeit ist sinnvoll. Drei Größen müssen aufeinander abgestimmt werden: der Bremsstrom I_DC, die DC-Quellspannung U_DC und die AC-Trafospannung U_AC.

Bremsstrom in Abhängigkeit vom Motornennstrom

Faustregel aus der Praxis: Der DC-Bremsstrom liegt beim 1- bis 4-fachen des Motornennstroms. Das Verhältnis wird hier als Bremsfaktor k bezeichnet.

Mehr Strom heißt mehr Bremsmoment, aber auch mehr Wärme in der Wicklung. Bei sanften Bremsungen genügt k ≈ 1,5, bei schnellen Stopps werden k = 3 oder mehr gewählt — die Bremszeit muss dann aber kurz bleiben.

Bremsmoment hängt quadratisch vom Bremsstrom ab

Praktische Folge: Verdoppelt sich der Bremsstrom, vervierfacht sich das Bremsmoment. Schon moderate Stromerhöhungen kürzen die Bremszeit deutlich.

DC-Spannung aus dem Wicklungswiderstand

Der Bremsstrom wird durch den Widerstand der durchflossenen Statorwicklungen begrenzt:

R_W ist nicht der Widerstand einer einzelnen Wicklung, sondern der Gesamtwiderstand des konkreten Anschluss-Schemas. Bei zwei Wicklungen in Reihe ist das ungefähr 2 · R (eine einzelne Wicklung), beim Sternpunkt-Anschluss ein R, beim Brücken-Anschluss ungefähr 1,5 · R.

AC-Trafospannung am Brückengleichrichter

Ein einphasiger Brückengleichrichter (B2) ohne Glättung liefert eine pulsierende Gleichspannung mit dem arithmetischen Mittelwert:

Daraus folgt für die nötige Trafospannung:

Bremszeit

Die Bremszeit hängt von Schwungmasse, Lastmoment und Bremsmoment ab. In der Praxis werden typische Werte zwischen 0,5 s (kleine Antriebe) und 5 s (große Schwungmassen) eingestellt. Dauerhaft eingeschalteter DC-Bremsstrom ist nicht zulässig — die Wicklung würde überhitzen.

Gleichstrombremsung mit klassischer Schützsteuerung findet sich überall dort, wo ein definierter, schneller Stillstand gefragt ist, aber kein Frequenzumrichter eingesetzt wird: Holzkreissägen, Förderbänder mit großer Schwungmasse, einfache Hebezeuge im Industriebetrieb, Pressen mit Schwungrad-Antrieb.

Wann lohnt sich die klassische Variante?

Drei Argumente sprechen für die Schützsteuerung: niedrige Kosten gegenüber Frequenzumrichtern, einfache Diagnose mit Multimeter, große Robustheit gegen elektromagnetische Störungen. Wenn ein Antrieb nur EIN und AUS braucht und keine variable Drehzahl gefordert ist, ist die DC-Bremsung wirtschaftlich.

Frequenzumrichter mit integriertem Bremschopper sind technisch eleganter und energieeffizienter, lohnen sich aber meist erst, wenn neben dem Bremsen auch eine variable Drehzahl gefordert ist.

Sicherheitstechnische Einordnung

Die Schaltung mit Q1, Q2 and Zeitrelais ist eine Betriebsfunktion — sie sorgt im Normalbetrieb für sauberes Bremsen. Sie ist keine sicherheitsgerichtete Funktion im Sinn der Maschinensicherheit.

Sobald die Bremsung gefahrbringende Bewegungen verkürzt — bei Kreissägen, Schneidmaschinen, Hubvorrichtungen — verlangt die Risikobeurteilung nach ÖNORM EN ISO 12100 eine zusätzliche Sicherheitsschicht. Das Zeitrelais kann ausfallen, ein Hilfskontakt verkleben, der Bediener kann die Schutztür öffnen, bevor der Motor wirklich steht. Übliche Ergänzungen:

• Sicherheitsrelais oder Sicherheits-SPS, die das Bremsschütz redundant überwachen
• Stillstandswächter, die die Drehzahl messen und erst bei Stillstand die Schutztür freigeben
• mechanische Bremsen als zweite, unabhängige Bremswirkung

Der erforderliche Performance Level (PL) ergibt sich aus der Risikobeurteilung nach ÖNORM EN ISO 13849-1. Die Auswahl der konkreten Sicherheitsbauteile ist Inhalt eigener Beiträge zur funktionalen Sicherheit.