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Stromversorgung & Leistungselektronik Lasten aus dem Baukasten

07.06.2016

Elektronische Lasten kommen für ganz unterschiedliche Prüfzwecke zum Einsatz. Da ist es von Vorteil, wenn die Geräte möglichst flexibel einsetzbar sind. Eine neue Baureihe erlaubt es, mehrere Module zusammenzuschalten – und überwindet zudem Probleme wie Schwingungen oder hochfrequente Eingangsspannungen.

Wenn elektronische Komponenten auf Funktion, Leistung und Parameter geprüft werden, erfolgt dies in der Regel über elektronische Lasten. Bei der Prüfung können Spannung, Strom, Widerstand und Leistung individuell eingestellt und geregelt werden. Da elektronische Lasten jedoch beim Prüfen so unterschiedlicher Anwendungen wie Stromversorgungen, Batterien oder Brennstoffzellen eingesetzt werden, besteht die Herausforderung darin, sie so zu konzipieren, dass sie sich vielseitig einsetzen lassen. Von EA Elektro-Automatik kommt eine neue Serie elektronischer Lasten, die über eine Vielzahl an Spannungs-, Strom- und Leistungsstufen für verschiedene Anwendungen verfügt: Die Baureihe EL 9000 B wird mit Leistungen von 300 W bis 72 kW, Spannungen von 80 V bis 750 V und Strömen bis 5.100 A angeboten.

Leistung individuell anpassen

Das Besondere an dieser Serie ist ihre Modularität: Dank eines Baukastensystems können kompakte Leistungsteile zu unterschiedlichen Geräten zusammengesetzt werden: Module mit 600, 1.200 und 2.400 W lassen sich je nach Wunsch bis zu einer Leistung von 14.400 W zusammenfassen. Bei Systemen mit einer Leistung bis zu 72 kW werden ein Mastergerät und Slavegeräte in einer Einheit kompakt in einem Schrank zusammengebaut. Das so entstandene Gesamtsystem lässt sich genauso bedienen wie ein Einzelgerät und bietet dieselben Funktionen. Dabei kann man mit dem modularen System eine Vielzahl von Applikationen abdecken. Zudem lässt es sich leicht an neue Anforderungen anpassen. Zum Steuern und Überwachen der Geräte dient eine Kommunikationseinheit als Zentrale zwischen dem HMI, dem Leistungsteil und der Außenwelt: Standardmäßig sind auf der Rückseite der Geräte eine Analog- sowie eine USB-Schnittstelle integriert. Sämtliche Schnittstellen sind zum Ausgang galvanisch getrennt. Die analoge Schnittstelle besitzt neben den Steuereingängen für U, I, P und R auch Monitorausgänge für U und I. Diese Ein- und Ausgänge können zwischen 0 bis 10 V und 0 bis 5 V parametriert werden. Über einen Plug&Play-Slot lassen sich weitere digitale Schnittstellen für Ethernet, Modbus TCP und Profinet sowie Profibus, CANopen, CAN und RS232 nachrüsten.

Geringe Signallaufzeit

Die in den elektronischen Lasten der Serie EL 9000 B verwendete digitale Regelung und Steuerung basiert auf einem 16-Bit-AD/DA-Wandlerprinzip. Durch die parallele Signalverarbeitung des FPGA führt dies zu einer Signal-
laufzeit – Messen, Rechnen und Stellen – von kleiner als 1 µs. Somit können mit einer Bandbreite von 1 MHz gleichzeitig Strom-, Spannungs-, Leistungs- und
Widerstandsmessung verarbeitet werden. Die in die Regelung eingebundenen, frei belegbaren Lookup-Tables arbeiten ebenfalls mit einer Bandbreite von 1 MHz. So lassen sich auch komplexe, nicht lineare Widerstandskennlinien nachbilden, beispielsweise von LED-Ketten oder PV-Wechselrichtern. Die Tabellenwerte können in CSV- oder Text-Format erstellt und via USB-Schnittstelle in die Lookup-Tables überspielt werden. Ein besonderes Merkmal der Serie EL 9000 B ist der FPGA-basierte digitale Funktions- und Arbiträrgenerator, der die Steuerung von zeitlich ablaufenden, frei programmierbaren Lastprofilen ermöglicht. Damit lassen sich zahlreiche Kurvenverläufe wie Sinus, Dreieck oder Rechteck generieren. Zum Auslesen und Speichern von Daten dient eine Sequenzing- und Logging-Funktion. Ein Batterie-Managementsystem ermöglicht Tests verschiedener Batterien. Weitere Konstanten sind frei konfigurierbar. Dazu zählen Grenzwerte für Spannung, Strom, Leistung, Widerstand und zeitliche Parameter.

Intuitive Bedienung

Über ein hochaufgelöstes TFT-Touch-
panel lassen sich die Geräte intuitiv bedienen. Mit wenigen Berührungen können Parameter ausgewählt und Werte entweder über Drehknöpfe oder über einen Nummernblock eingegeben werden. Das farbige Display zeigt alle Soll- und Istwerte gleichzeitig an. Über Länderflaggen-Symbole lassen sich vier Sprachen einstellen: neben Deutsch auch Englisch, Chinesisch und Russisch. Um das HMI vor unberechtigter oder unbeabsichtigter Nutzung zu schützen, lässt es sich teilweise oder komplett sperren. Der DC-Eingang wird über einen Taster mit taktiler Rückmeldung ein- und ausgeschaltet. Außerdem zeigen zwei LEDs den Zustand des Eingangs an. Mit der neuen Baureihe beseitigt Elektro-Automatik die Mängel, die bei der Anwendung herkömmlicher elektronischer Lasten auftreten: Regelschwingungen, Spannungsverschiebungen oder hochfrequente Eingangsspannungen. Zu Regelschwingungen kann es kommen, wenn die Stromversorgung oder sonstige Schaltungen mit einem eigenen Regelkreis geprüft werden. Physikalisch ist dies möglich, wenn eine Phasenverschiebung der Regelkreise von mehr als 180 ° sowie eine Verstärkung größer als 1 vorliegen. Dann oszilliert das Gesamtsystem.

Lange und induktionsreiche Zuleitungen können zu einem verzerrten Stromanstieg führen. Die neuen Lasten der Serie EL 9000 B sichern hingegen die Stromstabilität, da sie eine aktive elektronische Dämpfung des DC-Eingangskreises besitzen. Auf diese Weise wird die Kapazität des DC-Eingangsfilters minimiert und die Stromquelle geschützt. Das ist wichtig, da eine hohe Kapazität am DC-Eingang einer Last zu unerwünschten Stromspitzen führen kann, die der angeschlossenen Quelle schaden können. Der Eigenschutz des Eingangsfilters verhindert, dass er bei einer DC-Spannung mit hochfrequentem AC-Anteil überlastet wird.

Bei Prüfungen können auch Spannungsverschiebungen des Eingangs einer elektronischen Last gegenüber PE auftreten, die eine Gefahr für den Nutzer und die Elektronik darstellen. Wird eine Last getestet, die nicht potentialgetrennt vom Netz ist, existiert gefährliches Netzpotential am Eingang der Last. Daher sind die Lasten der Serie EL 9000 B vom Eingangskreis zum Chassis, allen Bedienelementen und den analogen und digitalen Schnittstellen isoliert. Diese doppelte Isolation sichert eine zulässige Float-Spannung von +/- 400 Veff. Somit sind alle an die Schnittstellen angeschlossenen Geräte gegen hohe Spannungen und Netzpotential geschützt.

Bei üblichen Lasten wird der Eingang bei Übertemperatur abgeschaltet. Dies führt häufig dazu, dass aufwändige Systemtests abgebrochen werden müssen. Die neuen Lasten der Baureihe EL 9000 B hat der Hersteller mit einem temperaturgeregelten Derating ausgestattet, das eine Überhitzung und eine schlagartige Abschaltung verhindert.

Fazit

Das modular aufgebaute Gesamtkonzept der Serie EL 9000 B ist vielseitig und flexibel. Es bietet Entwicklern Vorteile wie individuell zusammenstellbare Leistungen, eine gute Konnektivität sowie eine hohe Bedienerfreundlichkeit.

Bildergalerie

  • Bei der Baureihe EL 9000 B lassen sich die elektronischen Lasten nach Bedarf zu einem Gerät bis zu einer Leistung von 14.400 W oder einem Schranksystem bis zu 72 kW auslegen.

    Bild: EA Elektro-Automatik

  • Im Schranksystem werden ein Mastergerät und Slavegeräte in einer Einheit bis zu 72 kW kompakt zusammengebaut. Dieses Gesamtsystem weist denselben Bedienkomfort und Funktionsumfang auf wie ein Einzelgerät.

    Bild: EA Elektro-Automatik

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