Beim Einschalten eines Zwischenkreises sind die Kondensatoren zunächst ungeladen. Dadurch wirken sie kurzfristig wie ein Kurzschluss. Ohne Strombegrenzung kann ein sehr hoher Einschaltstrom entstehen.
Ein korrekt ausgelegter Vorladewiderstand begrenzt diesen Strom. Dadurch laden sich die Kondensatoren kontrolliert auf.
Dieser Beitrag zeigt:
Beim Einschalten eines Systems mit Zwischenkreiskondensatoren sind die Kondensatoren zunächst ungeladen.
Für einen kurzen Moment verhalten sie sich elektrisch wie ein Kurzschluss.
Ohne Strombegrenzung kann der Einschaltstrom deshalb extrem hohe Werte erreichen.
Die möglichen Folgen sind:
Eine korrekte Berechnung und Dimensionierung des Vorladewiderstands begrenzt den Einschaltstrom.
Dadurch werden die Kondensatoren kontrolliert geladen, bevor die Hauptschütze schließen.
Für die Berechnung des Vorladewiderstands sind drei zentrale Werte erforderlich:
Die Berechnung basiert auf der Zeitkonstante Tau (τ). Sie beschreibt, wie schnell sich ein Kondensator über einen Widerstand auflädt.
Nach 5 * τ hat der Kondensator rund 99,3 Prozent seiner Endspannung erreicht. Dieser Wert gilt in der Elektrotechnik als praktisch vollständig geladen.
Wer den Widerstand auf Basis der Zeitkonstante auslegt, stellt sicher, dass der Kondensator vollständig geladen ist, bevor die Hauptschütze schließen.
Der Einschaltstrom erreicht seinen Höchstwert genau bei (t = 0), also im ersten Augenblick nach dem Einschalten. Er darf die zulässigen Grenzwerte der Schütze und Sicherungen nicht überschreiten.
Während des Ladevorgangs wandelt der Widerstand die gesamte aufgenommene Energie in Wärme um. Dieser Wert ist häufig ausschlaggebend für die Bauteilwahl.
Bei hohen Zwischenkreisspannungen steigt die Energie quadratisch. Das stellt hohe Anforderungen an die Pulsbelastbarkeit des Widerstands.
Schaltet das System wiederholt vor, zum Beispiel dreimal innerhalb von 10 Sekunden, summiert sich die Wärme im Widerstand auf. Für eine erste Abschätzung gilt:
P_avg =(E_sum)/(t_sum)=3*E /10 s
Liegt die mittlere Verlustleistung zu hoch, kühlt das Bauteil zwischen zwei Ladezyklen nicht vollständig ab. Die Temperatur steigt von Zyklus zu Zyklus, bis der Widerstand thermisch überlastet wird.
Die Berechnung allein reicht nicht. Im Datenblatt des Widerstands müssen folgende Angaben geprüft werden:
Folgende Systemparameter liegen zugrunde:
Zunächst ergibt sich aus der Stromgrenze der kleinste zulässige Widerstand:
Aus der Ladezeit folgt der Zielwert:
Der sinnvolle Auslegungsbereich liegt damit zwischen 120 Ω und 200 Ω. Ein niedrigerer Wert verkürzt die Ladezeit, erhöht aber den Einschaltstrom. Ein höherer Wert schont die Schütze, verlängert jedoch den Vorladevorgang. Bauteiltoleranzen müssen bei der finalen Auswahl berücksichtigt werden.
Der Widerstand muss bei jedem Vorladevorgang 320 Joule in Wärme umwandeln. Dieser Wert ist die Grundlage für die Prüfung der Pulsbelastbarkeit im Datenblatt.
Korrekte Rechenwerte sind die Voraussetzung, aber keine Garantie für einen dauerhaft funktionierenden Vorladewiderstand. In der Praxis bestimmen physikalische Eigenschaften des Bauteils, ob es den realen Betriebsbedingungen standhält.
Die zwei häufigsten Herausforderungen und ihre technischen Lösungsansätze:
Jeder Vorladevorgang erzeugt innerhalb weniger Millisekunden eine hohe Verlustenergie. Diese Energie entsteht zunächst im Inneren des Widerstands. Kann das Material diese lokale Wärme nicht schnell genug ableiten, entstehen Hotspots, die das Bauteil beschädigen, bevor die Wärme überhaupt das Gehäuse erreicht.
Lösung: Entscheidend ist eine hohe Pulsfestigkeit des Widerstands. Drahtgewickelte Widerstände (Wirewound) nehmen kurzzeitig sehr hohe Energiemengen auf, ohne dabei Schaden zu nehmen. Das verhindert thermische Überlastung im Inneren und ermöglicht eine kompakte Bauform bei gleichzeitig hoher Belastbarkeit.
Schaltet das System in kurzen Abständen wiederholt ein, bleibt zwischen zwei Ladezyklen wenig Zeit zum Abkühlen. Die Resttemperatur aus dem vorherigen Zyklus addiert sich zur neuen Verlustleistung. Über mehrere Zyklen steigt die Bauteiltemperatur kontinuierlich an.
Lösung: Der Widerstand muss für die mittlere Verlustleistung (P) des gesamten Betriebszyklus ausgelegt sein. Eine ausreichende Kühlung am Einbauort ist dabei ebenso wichtig wie der Nennwert des Bauteils selbst.
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