Warum steigt beim Rekuperieren die Zwischenkreisspannung? – Bremswiderstände, erklärt mit interaktiven Schaltbildern

Teil 3 der Serie „Schutz und Störungen in Steuerstromkreisen – mit interaktiven Schaltbildern“

Beim letzten Mal, im Vergleich von vier Arten, einen Motor zu stoppen, wirkte eine besonders elegant: die Rekuperation – die Energie nicht als Wärme verheizen, sondern als Strom zur Versorgung zurückgeben. Der Artikel endete allerdings mit einer Warnung: Die meisten realen Netzteile sind gar nicht dafür gebaut, Strom „anzunehmen“. Wohin also mit der Energie, die niemand haben will?

Die Antwort ist das Thema dieses Artikels: der Anstieg der Zwischenkreisspannung. Energie ohne Ziel sammelt sich in den Zwischenkreiskondensatoren, und die Spannung bläht sich immer weiter auf. Der „Überspannungsfehler“ eines Frequenzumrichters oder Servoreglers und jenes Bauteil, das in Katalogen Bremswiderstand heißt, hängen genau mit diesem Phänomen zusammen. In diesem Artikel sehen wir der Spannung beim Aufblähen zu – und einem Widerstand dabei, wie er sie wieder einfängt – mit interaktiven Schaltbildern und Echtzeit-Diagrammen.

Was dieser Artikel beantwortet

Häufige Fragen und die Abschnitte, die sie beantworten.

Frage	Abschnitt
Wo landet die rekuperierte Energie?	§1
Was passiert, wenn der Empfänger eine „ideale Quelle“ wäre?	§2 (interaktives Bild)
Warum steigt die Zwischenkreisspannung bei realen Geräten?	§3 (interaktives Bild)
Wie funktioniert der Bremswiderstand am Zwischenkreis?	§4 (interaktives Bild)
Ist der Bremswiderstand aus Teil 2 dasselbe Bauteil?	§5 (interaktives Bild)
Wie lösen reale Geräte das Problem?	§6 / FAQ

1. Die heutige Bühne – der Zwischenkreis unter Einspeisung, ganz ohne Motor

In Bild 4 von Teil 2 sind wir dem rekuperierten Strom bis zu dem Punkt gefolgt, an dem er „zur Versorgung zurückfließt“. Heute drehen wir die Kamera: Hauptdarsteller ist die Empfängerseite, der Zwischenkreis. Der Zwischenkreis (DC-Bus) ist die Gleichstrom-Hauptader, die sich die internen Schaltungen eines Frequenzumrichters oder Servoreglers teilen; an ihm hängen große Kondensatoren (die Zwischenkreiskondensatoren), die die Spannung stabilisieren.

Deshalb kommt in den heutigen Bildern kein Motor vor. Der rekuperierte Strom, den ein drehender Motor zurückliefern würde, ist vereinfacht zu einer Einspeisung aus einer „48-V-Quelle + 100 Ω“ (das denkbar einfachste Lehrmodell eines auslaufenden Motors als Generator; Effekte wie die mit der Drehzahl sinkende Generatorspannung sind weggelassen). Dank dieser Vereinfachung schrumpft die Geschichte auf „einspeisende Seite“ und „empfangende Seite“ – und was am Zwischenkreis passiert, liegt offen da.

Das Grundgerüst der Schaltung ist das der ganzen Serie: links der senkrechten Grenze liegt die Rekuperationsseite (die Quelle der Einspeisung), rechts der Zwischenkreis. Der Knopf „Logik Y0“ im Bedienfeld schaltet die Einspeisung ein und aus – er steht also für „gerade kommt Rekuperation zurück“. Von Bild zu Bild ändert sich nur eines: wie der Zwischenkreis sie empfängt.

V1 Vbus (Zwischenkreisspannung) – steigt sie, oder wird sie begrenzt? I1 Einspeisestrom – fließt, solange Logik Y0 auf ON steht

Vorweg ein paar gemeinsame Bedienregeln. Jedes Bild hat zusätzlich seine eigene Schritt-für-Schritt-Anleitung direkt darüber.

• Die Knöpfe werden aktiv, sobald das Bedienfeld „Verbunden“ anzeigt (solange „Simulator wird geladen…“ dasteht, bitte warten).
• Die Diagramme laufen wie ein Oszilloskop und zeigen die letzten ~0,05 s. Der Zahlenwert steht außerdem im Bedienfeld: „Vbus = … V“.
• Die Simulation läuft nur, solange das Bild auf dem Bildschirm sichtbar ist. Wirkt ein Diagramm eingefroren, scrollen Sie zum Bild zurück.
• In diesen Bildern kann eine gestiegene Zwischenkreisspannung auch nach dem Ausschalten oben bleiben – das ist das Thema des Artikels, kein Fehler. Für einen Neustart nutzen Sie den Knopf „Schaltung zurücksetzen“ oben rechts im Bedienfeld.

2. Mit einem idealen Empfänger passiert – nichts (Bild 1)

Das erste Bild stellt „die Welt von Teil 2“ nach. Wäre der Zwischenkreis eine ideale 24-V-Quelle – ein perfekter Empfänger, der jeden Strom schluckt –, dann wäre zurückkommende Rekuperation völlig undramatisch. Alle weiteren Bilder des Artikels liest man gegen diese Referenz.

Die ideale Quelle nimmt den zurückkommenden Strom anstandslos auf – die Zwischenkreisspannung zuckt nicht einmal. Dass sich in Bild 4 von Teil 2 die 【V1】 nahe der Versorgungsspannung stabilisierte, lag genau daran, dass der Empfänger diese ideale Quelle war. – Eine beneidenswerte Welt, die es ehrlich gesagt nur im Simulator gibt. Im nächsten Bild tauschen wir diesen Empfänger gegen etwas, das realer Hardware deutlich näher kommt.

3. Ein Zwischenkreis, der nichts aufnehmen kann – die Spannung bläht sich auf (Bild 2)

Die meisten realen Gleichspannungsnetzteile erzeugen ihren Gleichstrom, indem sie Wechselstrom mit Dioden gleichrichten – und eine Diode ist eine Einbahnstraße: Ein solches Netzteil kann Strom nach außen drücken, aber keinen zurücknehmen. Dieses Bild reduziert diese Eigenschaft auf das Minimum: 24-V-Quelle → Diode → Zwischenkreiskondensator (470 µF). Die Quelle kann den Zwischenkreis über die Diode auf 24 V halten, aber nichts, was auf dem Zwischenkreis liegt, kommt zur Quelle zurück.

Deshalb bedeutet „wir können rekuperieren“ noch lange nicht „Problem gelöst“. Die zurückkommende Energie wird vom Netzteil abgewiesen; ihr bleibt nichts, als sich im Zwischenkreiskondensator anzusammeln – und ein Kondensator ist ein Bauteil, dessen Spannung steigt, je mehr er speichert. Solange die Einspeisung anhält, bläht sich Vbus weiter auf.

	Bild 1 (idealer Empfänger)	Bild 2 (realistischer Zwischenkreis)
【V1】 während der Einspeisung	Bleibt bei ~24 V	Klettert stetig nach oben
Fließt Strom zur Quelle zurück?	Die ideale Quelle nimmt ihn auf	Die Diode blockiert ihn
Ziel der Energie	Zurück in die Quelle	Sammelt sich im Zwischenkreiskondensator
Nach Stopp der Einspeisung	Keine Änderung	Die gestiegene Spannung bleibt stehen

4. Bremswiderstand dazuschalten und beobachten (Bild 3)

Wenn sich die Energie nur ansammeln kann, geben wir ihr einen Ort, an dem sie entsorgt wird. An den Zwischenkreis aus Bild 2 hängen wir Schalter + 80-Ω-Widerstand zwischen Zwischenkreis und 0 V. Das ist das Grundgerüst des Bauteils, das Kataloge als Bremswiderstand (am Zwischenkreis) führen: Überschüssige Energie wird in diesem Widerstand zu Wärme und losgeworden. Dieses Bild ist das Highlight des Artikels: gleiche Einspeisung – und das Schicksal der Zwischenkreisspannung kippt mit einem einzigen Knopf.

	Brems-R Zwischenkreis = aus	Brems-R Zwischenkreis = ein
【V1】 während der Einspeisung	Klettert stetig (wie Bild 2)	Wird nahe 24 V gehalten
Ziel der Energie	Sammelt sich im Kondensator	Überwiegend Wärme im Widerstand
Praktische Lesart	Direkter Weg zum Überspannungsfehler	Der Widerstand entsorgt; die Maschine läuft weiter

Ein wichtiger Unterschied zur realen Hardware sei betont: In diesem Bild hat ein Mensch den Widerstand per Knopf zugeschaltet. In realen Geräten überwacht eine Schaltung namens Brems-Chopper die Zwischenkreisspannung und schaltet den Widerstand automatisch zu, sobald eine Schwelle überschritten wird (in einem 24-V-System etwa ein vereinbarter Wert um 30 V), und wieder ab, wenn die Spannung sinkt. Mit anderen Worten: Was Sie gerade mit dem Finger gemacht haben – „zuschalten, wenn es steigt, loslassen, wenn es sinkt“ – in Hochgeschwindigkeit automatisiert, das ist das reale Produkt. Das Grundgerüst seiner Arbeit ist exakt der Knopf in diesem Bild.

5. Ist der Bremswiderstand aus Teil 2 dasselbe Bauteil? (Bild 4)

In der FAQ von Teil 2 bekam die Frage „Bremswiderstand und Rekuperationswiderstand – ist das dasselbe?“ diese Antwort: „Das Bauteil ähnelt sich, aber es gibt zwei Anschlussorte.“ Dieses Bild packt beide in dieselbe Schaltung und lässt sie direkt vergleichen. Es gibt zwei Widerstandspfade: Der Klemmen-R (150 Ω) liegt zwischen dem Einspeiseknoten (dem Punkt, der die Motorklemmen vertritt) und 0 V – derselbe Anschluss wie der „Bremswiderstand“ in Bild 3 von Teil 2. Der Zwischenkreis-R (80 Ω) liegt zwischen Zwischenkreis und 0 V – derselbe Anschluss wie der „Bremswiderstand“ in Bild 3 dieses Artikels.

	Klemmen-R (Bremse aus Teil 2)	Zwischenkreis-R (dieser Artikel)
Anschlussort	Zwischen den Motorklemmen (vor dem Zwischenkreis)	Zwischen Zwischenkreis und 0 V
Seine Aufgabe	Energie gar nicht erst zum Zwischenkreis lassen	Was den Zwischenkreis erreicht hat, als Wärme entsorgen
Bild im Diagramm	Kommt kaum zum Steigen	Reißt die gestiegene Spannung herunter
Katalogname	Bremswiderstand (an den Klemmen)	Bremswiderstand (Zwischenkreis) / Rekuperationswiderstand

Die vollständige Antwort auf „ist das dasselbe?“ lautet also: Als Bauteile sind beide Leistungswiderstände – aber sie besetzen unterschiedliche Posten in der Schaltung, und wenn ein Katalog „Rekuperationswiderstand“ sagt, ist in der Regel die Zwischenkreisseite gemeint. Was Teil 2 mit Worten beantwortet hat, lässt dieses Bild Sie mit eigenen Augen nachprüfen.

6. Was reale Geräte tun – auch ohne die Energie zu verheizen

Die heutigen Bilder sind Lehrmodelle, reduziert auf „Diode + Kondensator + Widerstand“ – aber die realen Gegenmaßnahmen teilen dasselbe Grundgerüst. In der Reihenfolge, in der man ihnen in der Halle begegnet:

• Die Kondensatoren schlucken lassen – für kurze, kleine Rekuperationen reicht die Zwischenkreiskapazität allein. Dass Bild 2 „nicht sofort kaputtgeht“, verdankt es diesem Polster.
• In Bremswiderstand + Brems-Chopper verheizen – die automatisierte Fassung von Bild 3 und die häufigste Gegenmaßnahme. Wenn der Katalog eines Servos oder Umrichters einen „Bremswiderstand (Option)“ listet, ist genau das gemeint.
• Eine andere Achse verbrauchen lassen – mehrere Servoregler können sich einen Zwischenkreis teilen, sodass die von einer bremsenden Achse zurückgegebene Energie eine beschleunigende Achse speist. Umverteilen statt wegwerfen.
• Wirklich ins Netz zurückgeben (Netzrückspeisung) – ein rückspeisefähiger Umrichter speist die Zwischenkreisenergie zurück ins Wechselstromnetz. Man wählt das dort, wo viel und oft Energie zurückkommt – Aufzüge, Krane –; praktisch ist es der „ideale Empfänger“ aus Bild 1, mit Geld gekauft.

Welche Lösung passt, hängt davon ab, wie viel Energie zurückkommt, wie oft – und was das Gerät kosten darf. Aber welche Option auch auf dem Tisch liegt, die Ausgangsfrage ist dieselbe, die die vier Bilder gestellt haben: „Wohin geht die Energie, die zurückkommt?“

Fazit – Rekuperation auslegen heißt den Empfänger auslegen

• Rekuperation endet nicht bei „zur Versorgung zurückgeben“. Kann der Empfänger nichts annehmen, sammelt sich die Energie in den Zwischenkreiskondensatoren und die Spannung steigt (§2, §3).
• Mit einem idealen Empfänger rührt sich die Zwischenkreisspannung nicht; was die Realität unterscheidet, sind die Gleichrichterdioden des Netzteils, die den Rückweg versperren (§2, §3).
• Sich selbst überlassen, kollidiert der Anstieg mit den Nennspannungen der Bauteile – daher der Überspannungsfehler (§3).
• Der Bremswiderstand am Zwischenkreis wandelt den Überschuss in Wärme und begrenzt die Spannung; im realen Gerät automatisiert ein Brems-Chopper das Zu- und Abschalten (§4).
• Der Bremswiderstand aus Teil 2 (an den Klemmen) und der am Zwischenkreis ähneln sich, besetzen aber verschiedene Posten: Die Klemmenseite „verhindert den Anstieg“, die Zwischenkreisseite „reißt das Gestiegene herunter“ (§5).
• Jenseits des Verheizens: die Kondensatoren schlucken lassen, zwischen Achsen teilen oder per Netzrückspeisung ins Netz zurückgeben (§6).

In dieser Serie behandelte Teil 1, „Die Gegen-EMK der Spule und die Rolle der Freilaufdiode – erklärt mit interaktiven Schaltbildern“, die momentane Überspannung, und Teil 2, „Wie man einen DC-Motor stoppt – Auslaufen, Bremsen und Rekuperation, erklärt mit interaktiven Schaltbildern“, den Verbleib der Bewegungsenergie. Dieser Artikel nimmt den Faden genau dort auf, wo beide ihn liegen ließen: wie die zurückkommende Energie empfangen wird.

FAQ

F1. Was genau ist der „Zwischenkreis“?

A. Die Gleichstrom-Hauptader, die innerhalb eines Frequenzumrichters oder Servoreglers den gleichgerichteten Gleichstrom an die übrigen Schaltungen verteilt. An ihr hängen große Kondensatoren (die Zwischenkreiskondensatoren), die die Spannung stabilisieren. Sie ist auch der erste Ort, den rekuperierte Energie erreicht – die 【V1】 in diesen Bildern misst genau diese Zwischenkreisspannung.

F2. Warum kann ein gewöhnliches Gleichspannungsnetzteil keinen rekuperierten Strom annehmen?

A. Weil die meisten ihren Gleichstrom durch Gleichrichten von Wechselstrom mit Dioden erzeugen – und eine Diode ist eine Einbahnstraße. Strom kann nur hinaus; die vom Zwischenkreis her drückende Energie kommt nicht ins Netzteil hinein. Die einzelne Diode in Bild 2 ist diese Eigenschaft, auf das Minimum reduziert.

F3. Was passiert am realen Gerät, wenn die Zwischenkreisspannung immer weiter steigt?

A. Zunächst nähert sie sich den Nennspannungen von Kondensatoren und Halbleitern – mit dem Risiko von Degradation oder Ausfall. Das reale Gerät löst vorher, dank seiner Überwachung des Zwischenkreises, einen Überspannungsfehler (Störabschaltung) aus. Das klassische Symptom – Bremsrampe verkürzt, und plötzlich hagelt es Überspannungsalarme – ist genau dieser Mechanismus. Die Abhilfen: sanfter bremsen oder einen Abfluss bereitstellen, etwa einen Bremswiderstand.

F4. Wer schaltet den Bremswiderstand in der realen Hardware zu und ab?

A. Eine Schaltstufe namens Brems-Chopper. Sie schaltet den Widerstand zu, wenn die Zwischenkreisspannung eine Schwelle überschreitet, und ab, wenn sie sinkt – in hoher Geschwindigkeit und in Dauerschleife: die automatisierte Fassung dessen, was Sie in Bild 3 mit dem Knopf gemacht haben.

F5. Darf ich „Bremswiderstand“ und „Rekuperationswiderstand“ also gleichsetzen?

A. Als Bauteile gehören beide zur selben Familie (Leistungswiderstände), aber es gibt zwei Anschlussorte: zwischen den Motorklemmen (Bild 4 in Teil 2; der Klemmen-R dieses Artikels) und am Zwischenkreis (Bild 3 und der Zwischenkreis-R dieses Artikels). Sagt der Katalog „Rekuperationswiderstand“, ist üblicherweise der Zwischenkreis gemeint. Bild 4 lässt beide Rollen direkt vergleichen.

F6. Energie verheizen klingt nach Verschwendung – kann man sie nicht zurückgewinnen?

A. Doch. Es gibt Optionen wie einen gemeinsamen Zwischenkreis für mehrere Achsen, sodass die Energie eine andere Achse speist, und die „Netzrückspeisung“, bei der ein rückspeisefähiger Umrichter sie ins Wechselstromnetz zurückgibt. Beides verteuert das Gerät und wird daher gegen Menge und Häufigkeit der zurückkommenden Energie abgewogen. Für kleine Mengen bleibt das Verheizen im Widerstand am günstigsten und zuverlässigsten – das ist der praktische Konsens des Markts.

F7. Worin unterscheiden sich diese Bilder von realer Hardware?

A. Die Rekuperation ist durch eine Einspeisung „48 V + 100 Ω“ ersetzt; die reale Trägheit des Motors und das Absinken seiner Generatorspannung werden also nicht nachgebildet, und die Bauteilwerte sind didaktisch gewählt, damit die Bewegung sichtbar wird. Der reale Chopper schaltet zudem selbstständig und sehr schnell; die Bilder nutzen einen Handknopf, um das Grundgerüst offenzulegen. Nutzen Sie die Bilder für das Prinzip – für reale Auslegungszahlen die Datenblätter der Geräte.

F8. Logik Y0 steht auf OFF, aber die Zwischenkreisspannung sinkt nicht – ist das ein Fehler?

A. Kein Fehler – das ist der Kern von Bild 2. Die gespeicherte Ladung hat kein Ziel, also bleibt die Spannung nach dem Stopp der Einspeisung stehen. (Reale Zwischenkreiskondensatoren tun dasselbe: Nach dem Ausschalten des Geräts bleibt hohe Spannung übrig – deshalb schreiben Handbücher eine Entladewartezeit vor.) Für einen Neustart drücken Sie „Schaltung zurücksetzen“.