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35kA Teststand für Stoßstromprüfungen

Aus der engen Partnerschaft der GvA Leistungselektronik GmbH in Mannheim und der IRS Systemtechnik GmbH in Brennberg bei Regensburg entstehen aktuell sehr erfolgreich unterschiedliche Varianten an Prüfständen für Stoßstromversuche.

Die jüngste gemeinsame Entwicklung ist ein Prüfstand für Stoßstromversuche bis zu 35kA für das IPH Institut "Prüffeld für elektrische Hochleistungstechnik" GmbH in Berlin. Die IPH ist Teil der KEMA Labs, dem Unternehmensbereich für Prüfung, Inspektion und Zertifizierung von CESI S.p.A., dem führenden Anbieter von unabhängigen Tests von Leistungskomponenten mit Hauptsitz in Mailand. 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 GvA-Leistungsumfang 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 der IRS.

„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 Top-Entwickler für Leistungselektronik gewonnen, der auch große Gesamtanlagen verantworten kann. Gepaart mit unserem langjährigen Know-how für Mess- und Prüftechnik sowie Steuerungs- und Software-Lösungen ist dies für mich eine wirkliche Partnerschaft mit Zukunftspotenzial.“

IPH-Geschäftsführer und KEMA Labs Division Executive Vice President Domenico Villani ist begeistert von seiner neuen Prüfanlage: „Stoßstromtests bis 35kA 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.“

Die Stoßstromanlage im Detail
Das System besteht aus insgesamt 14 Schaltschränken: einem Steuerschrank mit einem bi-direktionalen DC-Netzteil zum Laden- und Entladen auf maximal 1500Vdc, einer Kondensatorbank bestehend aus 10 Schaltschränken mit einer Gesamtkapazität von 2,0F, 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 35kA) bei einer konstanten Spannung (bis zu 1500Vdc) 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 von GvA erreichten Innenwiderstand von <4m? und der Anlageninduktivität von <6µH 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. Durch den von GvA entwickelten IGBT-Schalter für die neue Stoßstromanlage ist die IPH in der Lage den vollen Strom von 35kA 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 soweit reduziert werden, dass sie den IGBT-Modulen nicht 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.

Aufgrund des enormen Energieinhaltes der Anlage von 2,25MWs wurde zusammen mit IRS ein besonderer Fokus auf die Anlagensicherheit gelegt. Die Software übernimmt dabei die Sicherheitsfunktionen wie Notentladungen bei einer Fehlfunktion oder einem Stromausfall, Isolationsüberwachungen, Spannungs- und Stromüberwachungen sowie mechanische Schutzbarrieren und verhindert Fehlbedienungen durch den Bediener.

Die Anlage versetzt somit die IPH und damit die ganze KEMA Labs Division von CESI S.p.A. in die Lage durch Prüfungen und Qualifizierungen von Komponenten an der weiteren Erhöhung der Sicherheit zukünftiger Generation von Elektrofahrzeugen mitzuwirken.

Bild 1:
Nicht ganz alltäglich: die neue 35kA Stoßstromanlage der IPH in Berlin.

Bild 2:
Die Kondensatorbank mit 2 Farad kann auf 1500Vdc aufgeladen werden.

Bild 3:
Der 35kA IGBT-Schalter besteht aus sechs Einschüben die sich den Strom aufteilen.

Bild 4:
Vier Trenner dienen zur galvanischen Trennung der Anlage und Erdung des Prüflings.

Bild 5:
Steuerung, Messtechnikauswertung und Sicherheitskonzept hat IRS beigesteuert.