Die Herausforderung einer Stoßstromanlage ist es, einen hohen Strom bis zu 35 kA bei einer konstanten Spannung bis zu 1.500 VDC für einige Millisekunden bereitzustellen.

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35-kA-Teststand für Stoßstromprüfungen Mit hohen Stromstößen sicher arbeiten

06.11.2020

Zwei Unternehmen haben gemeinsam einen Prüfstand für Stoßstromversuche bis zu 35 kA für das IPH Institut „Prüffeld für elektrische Hochleistungstechnik“ entwickelt. Der Anwenderbericht erörtert, worauf das IPH bei der Auswahl der Stromstoßprüfanlage besonderen Wert gelegt hat.

Insbesondere namhafte Automobilzulieferer nutzen mit der Stoßstromanlage verstärkt die Testmöglichkeiten der IPH zur Überprüfung von Schaltelementen und Sicherungen in Fahrzeugen mit hohen Strömen für einige Millisekunden. Zum Leistungsumfang von GvA Leistungselektronik zählten die Auslegung aller elektrischen Komponenten, das Erstellen von Stromlaufplänen, die Konstruktion der Schaltschränke sowie der Aufbau der Gesamtanlage. Die Entwicklung sowie der Aufbau der Steuerung der Stoßstromanlage inklusive der Messwerterfassung und des Sicherheitskonzepts kamen von IRS Systemtechnik.

Zuverlässige Partner gesucht

„In der Partnerschaft mit IRS bringen beide gemeinsam viel Know-how ein, das sich ideal ergänzt“, erklärt GvA-Geschäftsführer Thomas Schneider. „Das ist ein Mehrwert, den unsere Kunden zu schätzen wissen. Und wenn zudem die persönliche Chemie zwischen allen Beteiligten stimmt, dann entwickelt sich, so wie in unserem Fall, eine sehr vertrauensvolle Zusammenarbeit, die heutzutage nicht alltäglich ist.“

Reinhard Schiegl, IRS-Geschäftsführer, bekräftigt: „Mit GvA haben wir einen Entwickler für Leistungselektronik gewonnen, der auch große Gesamtanlagen verantworten kann. Gepaart mit unserem langjährigen Know-how für Mess- und Prüftechnik sowie Steuerungs- und Softwarelösungen ist dies für mich eine wirkliche fruchtbare Partnerschaft mit Zukunftspotenzial.“

IPH-Geschäftsführer und Kema Labs Division Executive Vice President Domenico Villani ist begeistert von seiner neuen Prüfanlage: „Stoßstromtests bis 35 kA sind beeindruckende Werte. Dies kann nicht von vielen angeboten werden. Die neue Anlage erweitert die Möglichkeiten für unsere Kunden und Partner am Standort Berlin und festigt unsere Marktposition an der Spitze innovativer Technologien.“

„Wir haben uns aufgrund der großen Erfahrungen bei solchen Testanlagen für GvA und IRS entschieden und sind mehr als zufrieden mit dem Projektablauf“, bekräftigt Villani in seiner Argumentation zum Projektablauf weiter.

Die Stoßstromanlage im Detail

Das System besteht aus insgesamt 14 Schaltschränken:

  • einem Steuerschrank mit einem bidirektionalen DC-Netzteil zum Laden und Entladen auf maximal 1.500 VDC,

  • einer Kondensatorbank bestehend aus zehn Schaltschränken mit einer Gesamtkapazität von 2 F, um die nötige Energie für einen „Schuss“ bereit zu stellen,

  • einem Stoßstromschrank zum Zu- und Abschalten der Zwischenkreisspannung,

  • einem Trennerschrank für die Anlagensicherheit

  • sowie einem Widerstandsschrank zum Einstellen des Zielstromes.

Die Herausforderung einer solchen Stoßstromanlage ist es, einen hohen Strom bis zu 35 kA bei einer konstanten Spannung bis zu 1.500 VDC für einige Millisekunden bereitzustellen. Hierbei spielen ein niedriger Innenwiderstand und eine niedrige Induktivität der Anlage eine große Rolle. Denn wenn ein Großteil der Spannung bereits innerhalb der Anlage abfällt, läge in Folge die Zielspannung nicht am Prüfling an und es entstünden hohe Überspannungen beim Abschalten des Laststromes. Mit dem erreichten Innenwiderstand von < 4 mΩ und der Anlageninduktivität von < 6 µH konnten hier negative Effekte bestmöglich reduziert werden.

Eine Besonderheit dieser Anlage war auch die Anforderung, den Ausgangsstrom nicht nur zu- sondern auch zeitlich reproduzierbar wieder abschalten zu können. Dies wurde zum einen für bestimmte Prüfungen gefordert und bietet zum anderen den Vorteil, Strompulse in extrem kurzen Zyklen wiederholen zu können.

Für das Schalten derartig hoher Ströme sind Thyristoren in der Regel das bevorzugte Halbleiterelement. Jedoch ist es aufgrund der physikalischen Eigenschaften eines Thyristors nicht möglich, den Strom auch wieder abzuschalten.

Vorzüge der neun Stoßstromanlage

Die IPH ist Teil der Kema Labs, dem Unternehmensbereich für Prüfung, Inspektion und Zertifizierung von Cesi, und bietet unabhängige Tests von Leistungskomponenten. Durch den von GvA entwickelten IGBT-Schalter für die neue Stoßstromanlage ist die IPH in der Lage, den vollen Strom von 35 kA auch mehrfach zu- und abzuschalten, ohne die Kondensatorbank vollständig zu entladen und die gesamte Energie der Kondensatorbank in Wärme umzuwandeln. Beim Abschalten entstehen dabei über den IGBTs hohe Abschaltspannungen, welche durch ein speziell entwickeltes Beschaltungsnetzwerk so weit reduziert werden, dass sie den IGBT-Modulen in keinster Weise gefährlich werden können.

Des Weiteren kann es bei derartigen Tests von neuartigen Komponenten durchaus passieren, dass ein Prüfling einmal versagt. In diesen Fall muss die gesamte Energie der Kondensatorbank von der Anlage aufgenommen werden können, was durch die recht große Kondensatorbank nicht gerade trivial ist. Daher ist der Widerstandsschrank, welcher zum Einstellen des Zielstromes Widerstandsplatten in verschiedenen Konfigurationen besitzt, darauf ausgelegt, im Fehlerfall auch die komplette Energie aufnehmen zu können.

Bildergalerie

  • Nicht ganz alltäglich: die neue 35-kA-Stoßstromanlage der IPH in Berlin.

    Bild: GvA

  • Die Kondensatorbank mit 2 F kann auf 1.500 VDC aufgeladen werden.

    Bild: GvA

  • Der 35-kA-IGBT-Schalter besteht aus sechs einzelnen Einschüben, die sich den Strom intern aufteilen.

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  • Vier Trenner dienen zur galvanischen Trennung der Anlage und Erdung des Prüflings.

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  • Steuerung, Messtechnikauswertung und Sicherheitskonzept der Stromstoßanlage hat IRS beigesteuert.

    Bild: GvA

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