Anwendungsbeispiele

Das CERN in der Nähe von Genf ist eine der weltweit bedeutendsten Forschungseinrichtungen und das weltgrößte Forschungszentrum auf dem Gebiet der Teilchenphysik. Mehr als 2.000 feste Mitarbeiter und über 10.000 Gastwissenschaftler aus 85 Nationen arbeiten an einer Vielzahl von Experimenten zur physikalischen Grundlagenforschung und versuchen dabei, die Geheimnisse um den Aufbau der Materie zu lüften. Der technische Aufwand dabei ist ebenso hoch wie die Anforderungen an die Genauigkeit und Belastbarkeit der eingesetzten Vorrichtungen und Geräte, und für die zahlreichen Experimente müssen vielfach völlig neue Technologien und Verfahren entwickelt werden.
 

Ungelöstes Rätsel um den Spin von Nukleonen

Bei einem dieser Grundlagenexperimente, dem COMPASS-Experiment (Common Muon Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy), sollen einige bislang nicht vollständig verstandene Eigenschaften des Spins von Protonen und Neutronen in einem Atomkern näher studiert werden. Unter dem Spin wird der Eigendrehimpuls eines Teilchens verstanden, der zwar analog zum mechanischen Drehimplus ist, aber aufgrund quantenphysikalischer Effekte nur bestimmte Werte annehmen und auch für punktförmige Teilchen von Null verschieden sein kann. Protonen und Neutronen haben einen Spin, der die Hälfte des reduzierten Planckschen Wirkungsquantums beträgt. Protonen und Neutronen bestehen aber aus den beiden Komponenten Gluonen und Quarks, die ebenfalls einen Spin aufweisen. Summiert man jedoch die Spinwerte der Quarks miteinander auf, erreicht man nicht den Spinwert eines ganzen Protons - eine Differenz, für die es bislang keine stichhaltige Erklärung gibt. In Frage kommen neben dem Bahndrehimpuls der Quarks auch der Spin der Gluonen sowie ihr Bahndrehimpuls.

Um eine Antwort auf diese offenen Fragen zu finden, bereitet eine Arbeitsgruppe am CERN derzeit mit hohem Aufwand das COMPASS-Experiment vor. „Bei diesem Versuch werden wir ein zylinderförmiges, rund 120 cm langes und 4 cm dickes Target aus kristallisiertem, tiefgefrorenen Ammoniak mit einem Strahl aus Myonen beschießen, um durch eine tiefinelastische Myon-Proton-Streuung die Spinstruktur des Protons zu untersuchen“, erläutert Fabrice Gautheron, der als Kernphysiker maßgeblich an Konzeption und Aufbau des COMPASS-Experiments beteiligt ist. „Der eingesetzte Teilchenstrahl stammt aus dem SPS-Beschleuniger (Super-Proton-Sychrotron), einem von mehreren Beschleunigern am CERN, die teilweise für eigene Experimente oder auch als Injektoren für den großen, 27 Kilometer langen LHC (Large Hadron Collider) genutzt werden.“
 

Tiefste Temperatur am CERN

Beim Beschuss des Ammoniak-Targets mit Myonen entstehen neue Teilchen wie Pionen und Kaonen, die zusammen mit den gestreuten Myonen in einem nachgeschalteten, rund 15 Meter langen Spektrometer analysiert werden. Damit die dabei gewonnenen Daten aussagekräftig sind, muss der normalerweise zufällig verteilte Spin der Nukleonen im Target einheitlich ausgerichtet werden. Dazu wird das Target über zwölf Stunden hinweg einer Mikrowellenstrahlung mit einer Frequenz von etwa 70 Gigahertz ausgesetzt, während gleichzeitig ein extrem starkes Magnetfeld von 2,5 Tesla einwirkt. Dadurch wird das Umklappen der Spins in einen definierten Zustand angeregt, so dass in rund 80% der Ammoniakmoleküle die drei freien Protonen einheitlich ausgerichtet sind.

Derart starke Magnetfelder erfordern aber hohe Ströme, die nur mit supraleitenden Spulen realisiert werden können. Daher wird die gesamte Apparatur auf 50 Millikelvin abgekühlt - die niedrigste Temperatur, die am gesamten CERN genutzt wird. Zur Kühlung wird ein Kryostat eingesetzt, der mit Hilfe von flüssigem Helium extrem tiefe Temperaturen erzeugt. Das dabei verdampfende Helium wird in eine CERN-eigene, mehrere Kilometer lange Pipeline zurückgespeist, gereinigt und erneut verflüssigt, so dass es für weitere Experimente genutzt werden kann.
 

Erst ein präzises Magnetfeld ermöglicht das Experiment

Zur Erzeugung des erforderlichen Magnetfeldes enthält die Testvorrichtung ein Solenoid in Kombination mit einem Dipol. Das Solenoid, eine zylindrisch gewickelte Spule mit 6000 Windungen in 10 Lagen, produziert ein röhrenförmiges, longitudinales Magnetfeld. In seinem Zentrum wird das Ammoniak-Target platziert, während der Dipol ein transversal dazu stehendes Magnetfeld erzeugt. Solenoide erzeugen allerdings ein Magnetfeld, das zu den Enden hin an Stärke verliert. Da aber die Stärke des Magnetfeldes und die Frequenz des Mikrowellenfeldes sehr genau aufeinander abgestimmt sind und das Target auf voller Länge einem konstanten Magnetfeld ausgesetzt sein soll, musste ein Ausgleich für diesen Feldstärkeabfall geschaffen werden, da sonst nicht das gesamte Target polarisiert würde. Dieser Ausgleich erfolgt durch 16 kleinere Korrekturspulen, die gezielt auf dem Solenoid positioniert wurden. Die Magnetfelder, die sie erzeugen, brauchen nicht übermäßig stark zu sein: Während das Solenoid von einem Strom von 650 Ampere und der Dipol von 590 Ampere durchflossen wird, genügen für die Korrekturspulen Ströme in der Größenordnung von drei Ampere.
 

Maximale Zuverlässigkeit mit Stromversorgungen von ET System electronic

Für die Stromversorgung der Korrekturspulen sind in einem Schaltschrank 16 separate Stromversorgungen eingebaut, die von ET System electronic entwickelt und gebaut wurden. Diese linear geregelten DC-Labornetzteile des Typs LAB/SL kommen ohne Thyristorvorregelung aus, weisen einen sehr geringen Ripple auf und bieten schnelle Regelzeiten von etwa 250 Mikrosekunden. Sie lassen sich als Konstantstrom- und als Konstantspannungsquelle betreiben, verfügen neben diversen Schnittstellen auch über eine eingebaute elektronische Last und sind gegen Kurzschluss, Überlast und Übertemperatur geschützt.

Wichtigstes Kriterium bei der Auswahl dieser Stromversorgungen war ihre hohe Zuverlässigkeit. Das COMPASS-Experiment soll zunächst von Mitte 2014 bis 2017 laufen, könnte dann aber mit einem veränderten Design bis 2020 weiterbetrieben werden und soll während seiner ganzen Laufzeit weltweit rund 220 Physiker mit Daten versorgen."Eine Unterbrechung des Experiments wegen des Ausfalls einer Stromversorgung könnten wir uns auf gar keinen Fall leisten", sagt Fabrice Gautheron. "Da wir acht dieser Stromversorgungen schon seit 2005 ohne irgendwelche Probleme im Betrieb haben, wissen wir genau, wie stabil und zuverlässig sie sind. Das war für uns der Anlass, nun acht weitere Geräte dieses Typs bei ET System electronic zu ordern, um für unser Kernspinexperiment ein Maximum an Zuverlässigkeit sicherzustellen.“Die zentrale Apparatur für das COMPASS-Experiment

16 Labornetzteile des Typs LAB/SL übernehmen die Stromversorgung der Korrekturspulen

Die ABB STOTZ-KONTAKT GmbH aus Heidelberg entwickelt, fertigt und vertreibt Produkte für die elektrische Ausrüstung und Automatisierung von Gebäuden, Maschinen und Anlagen. Der Spezialist für die Schalt- und Steuerungstechnik bietet Kunden aus Industrie und Handwerk neben Installationsgeräten und Gebäudesystemen vor allem gekapselte und ungekapselte Schalter, Leistungsschalter und NH-Sicherungslasttrennschalter. Im werkseigenen Entwicklungslabor arbeiten zwölf Prüfer daran, neue Produkte für die Serienreife vorzubereiten und den Zulassungsbehörden nachzuweisen, dass die gesetzlichen Vorschriften eingehalten werden und die Produkte den verschiedenen internationalen Normen wie IEC, CSA, UL und CCC entsprechen.

"Unser Entwicklungslabor darf diese Prüfungen selbst durchführen, denn wir sind UL-akkreditiert und erfüllen damit die Voraussetzungen, um auch die Einhaltung von anderen Normen prüfen und bescheinigen zu dürfen", erläutert Simon Stephan vom Labor für Schalttechnik. "Unser Labor wird dazu jährlich neu auditiert, und dabei werden die Prüfleistungen und -abläufe untersucht und auch die technische Ausstattung kontrolliert." Für die Auditierung muss das Labor auch über geeignete Stromquellen verfügen, um Produkte wie Leitungs- und Überstromschutzschalter normenkonform prüfen zu können. Die Leistungsfähigkeit und Genauigkeit der Stromquellen spielt dabei eine wichtige Rolle, denn um das Verhalten von Überstromrelais, Leitungs- und Motorschutzschaltern, thermischen und elektronischen Überstromrelais oder von Kleinschützen bei unterschiedlichen Belastungen prüfen zu können, werden teilweise hohe Ströme benötigt.
 

Sondergerät mit flexiblem Frequenzbereich

Für diese sicherheitsrelevanten Prüfaufgaben setzt ABB STOTZ-KONTAKT seit 2013 eine einphasige Wechselstromquelle des Typs EAC-S 9000 von ET System electronic ein. Der Stromversorgungsspezialist entwickelt und fertigt AC- und DC-Quellen, Labornetzteile, Wechselrichter und elektronische Lasten - und er bietet neben seinem Standardlieferprogramm vor allem auch kundenspezifische Modifikationen, mit denen auch sehr spezielle Anforderungen erfüllt werden können. Solche Anforderungen hatte ABB STOTZ-KONTAKT bei der Suche nach einer geeigneten AC-Quelle durchaus. Das Gerät sollte nicht nur eine Genauigkeit von 0,2 % aufweisen, sondern auch Ströme bis 2000 Ampere abgeben können und vor allem den Frequenzbereich zwischen 50 und 400 Hz abdecken.

Die 400-Hz-Technik gewinnt immer mehr an Bedeutung, denn gegenüber der etablierten 50-Hz-Technik können die gleichen Leistungen mit kleineren Wandlern oder Transformatoren übertragen werden, und auch die Leitungsquerschnitte bei gleicher Leistungsübertragung können kleiner ausfallen. Die damit erreichbare Einsparung an Gewicht und Bauraum spielt vor allem im Flugzeugbau eine Rolle. Die Vorteile der höherfrequenten Energieübertragung werden aber zunehmend auch in anderen Bereichen erkannt, vor allem in der Bahntechnik und im Schiffbau.
Überstromrelais oder Leitungs- und Motorschutzschalter in 400-Hz-Technik werden daher künftig immer stärker nachgefragt - ein klarer Grund für  ABB STOTZ-KONTAKT, sein Produktportfolio in diesem Segment weiter auszubauen und für die entsprechenden Tests und Prüfungen auch eine geeignete Wechselstromquelle anzuschaffen.
 

Spezialtrafo ermöglicht hohe Ströme

Das EAC-S 9000 bietet einen über weite Bereiche einstellbaren Strom, vom Minimalstrom mit 5 A bei 160 V bis hin zu vollen 2000 A bei 9 V. Diese hohen Ströme werden aber nicht direkt im EAC-S 9000 generiert, denn sein Maximalstrom liegt bei 60 Ampere. Mit den abgegebenen Strömen wird zunächst ein spezieller Transformator gespeist, der sie in eine andere Spannungs- und Stromebene übersetzt und über verschiedene Anzapfungen erlaubt, sekundär dann doch die gewünschten hohen Ströme bei entsprechend niedrigeren Spannungen abzurufen. Gerade mit diesem Spezialtransformator hat ET System electronic technisches Neuland betreten, denn mit variablen Arbeitsfrequenzen gab es praktisch keine Erfahrungen. Von bestem Ingenieursehrgeiz gepackt, ging das Unternehmen hier schon vor Erteilung des Auftrages in Eigenleistung und gab bei einem spezialisierten Tranfsformatorenhersteller einen klassischen EI-Blechtransformator in Auftrag, mit dem erste Versuche unternommen wurden. Dabei zeigt sich allerdings, dass mit einem EI-Transformator die Anforderungen von ABB nicht zu erfüllen waren.

Die Entwickler entschieden sich daher, einen zweiten Transformator auf der Basis eines Ringkerns bauen zu lassen, weil Ringkerne bei höheren Frequenzen generell weniger anfällig für Sättigungsprobleme als EI-Kerne sind. ET System electronic konnte einen Transformatorhersteller ausfindig machen, der es wagte, einen Ringkerntrafo für den Frequenzbereich zwischen 50 Hz und 400 Hz zu bauen. Das war auch für diesen Hersteller eine ganz neue Herausforderung, denn Transformatoren werden für eine feste Frequenz von 50 Hz oder 400 Hz gebaut, und auch die gängige Berechnungsoftware ist auf eine dieser beiden Frequenzen zugeschnitten. Die mit der Berechnung und Herstellung des frequenzvariablen Transformators verbundenen Probleme zu bewältigen war eine eigene Meisterleistung, aber nach einem halben Jahr konnte der neue Ringkerntransformator, ein Koloss mit einem Gewicht von rund 112 Kilogramm, an ET System electronic ausgeliefert werden. Ausführliche Tests bestätigten, dass der neue Transformator die Anforderungen erfüllte, wenn auch in den Grenzen der Physik: So lassen sich bei der Frequenz von 400 Hz lediglich 800 A entnehmen, weil hier auch der Ringkern an die Grenze der magnetischen Sättigung stößt und keine höheren Ströme mehr übertragen kann.
 

Universelle Optionen für den Prüfstand

Die neue AC-Quelle wird hauptsächlich im Zusammenhang mit Neuentwicklungen eingesetzt, dient aber auch dazu, Testreihen für die Produktion und für andere Abteilungen durchzuführen. Im Prüfstand des Entwicklungslabors können dabei eine Vielzahl von Tests durchgeführt werden. Beispielsweise werden bei thermischen Tests die Überstromrelais oder Leitungs- und Motorschutzschalter über Stunden hinweg mit unterschiedlichen Strömen belastet, während über Thermofühler-Messsysteme die Temperaturentwicklung am Gehäuse aufgezeichnet wird. Bei Dauerversuchen werden die Schalter dagegen bis zu mehreren Tage mit ihrem Nennstrom belastet, um ihr Verhalten an der Auslösegrenze zu beobachten. Im Anschluss an die Bestromung mit dem Nennstrom wird der Prüfstrom meist noch auf den Auslösestrom erhöht, bei dem das Gerät je nach Bauart und Ausführung innerhalb einer definierten Zeit auslösen muss. Die AC-Quelle von ET System electronic ist nun schon ein Jahr ständig im Einsatz, und die Prüfer sind mit dem Gerät mehr als nur zufrieden.

"Früher konnten wir bei 400 Hz nur Versuche bis maximal 100 A machen, und dabei mussten wir die passenden Übersetzungsverhältnisse für die Trafos experimentell ausfindig machen", zieht Simon Stephan ein rundum positives Fazit "Mit unserer Stromversorgung von ET System electronic haben wir für diese Aufgaben heute eine rundum perfekte Lösung. Das Gerät ist sehr genau und zuverlässig, und die gesamte Technik steckt mitsamt Transformator und hochwertigen Messwandlern in einem kompakten Gehäuse." Da auch die Zusammenarbeit mit ET System electronic keine Wünsche offen lässt, haben Simon Stephan und seine Kollegen ET System electronic nicht nur an weitere Standorte innerhalb des Konzerns weiterempfohlen, sondern haben auch schon eine zweite Stromversorgung in Auftrag gegeben: Eine dreiphasige Wechselstromquelle mit 50 Hz, die mit einer Genauigkeit von 0,2 % Ströme von 90 mA bis 1000 A abgeben kann. Mit dieser enormen Bandbreite sind neue technische Herausforderungen verbunden - aber alle Beteiligten haben wenig Zweifel daran, dass die Entwickler von ET System electronic auch diese Probleme bewältigen und ein weiteres Meisterstück der Ingenieurskunst vorlegen werden. Bis 2000 Ampere: Die Sonderversion des EAC-S 9000

Abbildungen unten: Der Prüfstand mit Motor- und Leitungsschutzschaltern

An ihrem Schwarzwälder Standort in Hornberg entwickelt und fertigt ABB Komponenten für Motorschutz und -steuerung, wie z.B. den Motor Controller UMC100.3. ABB ist ein global führendes Technologieunternehmen in den Bereichen Elektrifizierungsprodukte, Robotik und Antriebe, Industrieautomation und Stromnetze. Arbeiten mit Schwarzwaldblick: ABB in Hornberg
 

Der Motor Controller UMC100.3

Der Motor Controller UMC100.3 ist ein intelligentes Motormanagementsystem, das dazu dient, große Drehstrommotoren zu überwachen. Das Gerät vereint Funktionen wie Motorschutz, Motorsteuerung, Fehlerdiagnose sowie Feldbuskommunikation. Die Controller können für Ein- und Dreiphasenmotoren und für Motorspannungen bis 1000 V AC eingesetzt werden und bewältigen Nennströme von 0,24 A bis zu 63 A. Dank seiner Feldbussschnittstelle kann der Motorcontroller auch dezentral angeordnet werden. Leistungsstarke Technik: Der UMC100.3

Der Motorstrom lässt sich dann über ein Leitsystem überwachen, mit den digitalen Ein- und Ausgängen kann der Motor aber auch direkt vor Ort ein- und ausgeschaltet werden – Funktionen, die gerade für größere Industrieanlagen sehr interessant sind.
 

Vollautomatischer Prüfablauf sichert hohe Qualität

Im Anschluss an die Montage werden die Geräte der Baureihe UMC100.3 in einer automatisierten Testanlage umfassend getestet. „Wir legen sehr strenge Qualitätsmaßstäbe an und unterziehen daher jedes unserer Geräte einer Einzelprüfung, bei der wir sämtliche Funktionen und Parameter überprüfen“, sagt Florian Backfisch, der für ABB in Hornberg für den Bereich Betriebsmittelbau, Wartung und Instandhaltung zuständig ist.

„Da wir spezielle Prüfanforderungen haben, die wir sicher realisiert haben wollen, haben unsere ABB-Experten im Bereich Betriebsmittelbau die Prüfanlage konzipiert und realisiert.“ Die automatisierte Prüfanlage im Überblick
 

Lückenlose Tests: Die Funktionsprüfung

Die Geräte werden zunächst einer Hochspannungsprüfung unterzogen, bei der die Isolation der verschiedenen Potenzialgruppen gegeneinander geprüft wird. Im Anschluss werden durch ein Software-Upload die Geräte mit der entsprechenden Intelligenz ausgestattet. Danach erfolgt in der dritten Station die Funktionsprüfung, bei der das Gerät an eine SPS angeschlossen und mit verschiedenen Strömen beaufschlagt wird. Bei diesem Testlauf fließen durch den Motorcontroller verschiedene Messströme, die die SPS AC500 an der AC-Quelle ansteuert.

Während die Stromquelle die entsprechenden Referenzwerte liefert, überwacht die an den Prüfling angeschlossene SPS, ob das Gerät die jeweiligen Ströme richtig erfasst und bei Überschreiten der einprogrammierten Grenzwerte korrekt reagiert. Beispielsweise wird geprüft, ob der Controller bei bestimmten Schwellwerten vorschriftsmäßig ausschaltet und dabei die vorgegebenen Schaltzeiten einhält.
 

Sonderanfertigung: Die Stromquelle

Um die Ströme mit der erforderlichen Stabilität und Genauigkeit zur Verfügung stellen zu können, setzt ABB eine AC-Quelle von ET System electronic ein. Das Unternehmen aus Altlußheim ist einer der führenden Anbieter von AC- und DC-Quellen, rückspeisefähigen Quellen/Senken, Laborstromversorgungen und elektronischen Lasten. Neben seinem breiten Standardprogramm bietet das Unternehmen für seine Geräte kundenspezifische Modifikationen an, mit denen bei kleinen Stückzahlen und sogar bei Einzelstücken jede noch so ausgefallene Anforderung erfüllt werden kann. Diese Kompetenz hat ABB in Hornberg genutzt, um ihre Anforderungen zu erfüllen zu können. „Wir setzen in unserer gesamten Produktion zahlreiche Laborstromversorgungen aus dem Lieferprogramm von ET System electronic ein und kennen seit vielen Jahren die hohe Zuverlässigkeit dieser Geräte“, sagt Florian Backfisch. „Für die speziellen Anforderungen in unserer automatisierten Prüfanlage haben wir bei ET System electronic aber eine Sonderanfertigung in Auftrag gegeben. Diese Quelle stellt alle erforderlichen Ströme zur Verfügung und ist mit verschiedenen Ein- und Ausgängen sowie mit einem Konverter ausgestattet, der die Signale der RS232-Schnittstelle auf eine Feldbusschnittstelle umsetzt. Die AC-Quelle von ET System electronic

In der Anlage sind die drei Kontaktstäbe zu erkennen, die von einer Lineareinheit in den Controller eingefahren werden. Das Gerät enthält zusätzlich zur Stromquelle aber auch noch eine dreiphasige Spannungsquelle, die bis zu 400 V AC abgibt. Ströme und Spannungen lassen sich hier gegeneinander verschieben, und wir nutzen das zur Simulation von Phasenausfällen, mit denen wir testen, ob unser Prüfling auch einen Phasenausfall erkennt.“
 

SPS AC500 koordinieren den Prüfablauf

Während der Testläufe kommuniziert eine SPS in der Prüfanlage über eine serielle Schnittstelle mit der Quelle, um die jeweiligen Sollwerte für Ströme und Spannungen einzustellen. Eine zweite SPS, die über einen Feldbusanschluss mit den Motorcontrollern verbunden wird, liest die vom Prüfling gemessenen Werte aus. Die Werte der Quelle und des Motorcontrollers werden miteinander verglichen und geben damit Aufschluss darüber, ob der Controller korrekt arbeitet. Zum Überprüfen der Auslösezeit ist allerdings zusätzlich ein Stromwandler eingeschaltet, mit dem sich mit hoher zeitlicher Auflösung der Verlauf des Stroms messen lässt. Ist beispielsweise das Gerät auf 10 A eingestellt und fließt plötzlich der zehnfache Strom, muss das Gerät innerhalb der vordefinierten Zeit ausschalten. „Um diese Zeit genau zu erfassen, kommt ein Messwandler zum Einsatz“, erläutert Florian Backfisch. „Damit wird eine Echtzeitmessung möglich.“ Der Nullleiter der AC-Quelle wird durch einen Messwandler geleitet
 

Seit vielen Jahren hohe Zufriedenheit

„Wir haben mit der AC-Quelle wie mit allen Geräten von ET System electronic sehr gute Erfahrungen gemacht“, äußert sich Florian Backfisch. „Insbesondere die Zuverlässigkeit der speziell für uns entwickelten AC-Quelle in der Serienproduktion hat uns überzeugt. Das Gerät funktioniert einwandfrei, so wie die anderen Quellen von ET System, die teilweise seit vielen Jahren verlässlich laufen. Wir sind sehr zufrieden und werden zukünftig auch bei der Simulation von Wechsel- und Drehstromnetzen Quellen von ET System einsetzen.“

Ein Sender erzeugt Mikrowellenimpulse, die an Regentropfen reflektiert werden, wobei die Reflexionen Aufschluss über Dichte und Größe der Tropfen geben. In zwei Produktreihen setzt Selex ES Stromquellen des Typs LAB/SMS ein, die die Spannungsversorgung in der Mikrowellenerzeugung und Mikrowellenverstärkung übernehmen. Diese Aufgabe stellt an die Geräte hohe Anforderungen, denn die Sendeimpulse sind sehr kurz. Die Stromversorgung muss innerhalb kürzester Zeit nahezu die maximale Leistung aufbringen, und das verlangt eine exzellente Regelgüte. „Die Baureihe LAB/SMS von ET System electronic liefert hier schon von Haus aus sehr gute Werte, aber um das Gerät so auszulegen, dass während unserer kurzen Sendeimpulse die Ausgangsspannung von maximal 800 V DC bei bis zu 6,25 A ausreichend stabil bleibt, haben wir zusätzliche Modifikationen benötigt“, sagt Thomas Breuer, Produktverantwortlicher bei Selex ES.

„In einer sehr konstruktiven und problemfreien  Zusammenarbeit hat ET System die Regelparameter für uns optimiert und die Rise Time des Netzteils weiter verkürzt. Wir konnten damit nicht nur alle technischen Anforderungen erfüllen, sondern profitieren noch davon, dass die Geräte von ET System besonders klein und leicht sind und uns daher einen weiteren Vorteil gegenüber anderen Produkten am Markt bieten.“
Eine Wetterradaranlage von Selex ES

Mit dem GHP 456 Titan hat Netzsch ein Analysegerät entwickelt, das auf der so genannten Plattenmethode basiert. Hier wird zwischen einer elektrisch beheizten und einer unbeheizten Platte eine Materialprobe eingespannt. Die elektrische Leistung, die erforderlich ist, um die Temperatur in der heißen Platte stabil zu halten, liefert ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit der Probe. Für die Stromversorgung der vier Heizer im Gerät werden speziell angepasste Netzteile eingesetzt, die bei Spannungen von maximal 150 V DC einen Strom bis 5 A liefern. „Für diese Aufgabe brauchen wir zuverlässige und präzise arbeitende Stromversorgungen, und daher setzen wir von ET System electronic ein Gerät des Typs LAB/SL und drei Geräte der Baureihe LAB/S ein“, sagt Dipl.Ing. Georg Neumann, zuständig für Konstruktion und Entwicklung der Geräte. „Da wir die Geräte aber durch eine spezielle Software ansteueren, wollten wir Stromversorgungen ohne Frontbedienung einsetzen, um Irritationen bei den Kunden zu vermeiden und einen zusätzlichen Schutz gegen Fehlbedienung zu bieten. ET System electronic hat diese Anpassungen in kürzester Zeit vorgenommen und liefert uns seither Stromversorgungen mit einer Frontgestaltung, die auf die wesentlichen Einschalt- und Einstellmöglichkeiten reduziert sind.“ GHP 456 Titan mit vier DC-Quellen des Typs LAB/SL

Um Erwärmungsprüfungen an Schaltgerätekombinationen durchführen zu können, benötigte das Unternehmen eine zuverlässige geregelte Stromquelle, die im Frequenzbereich zwischen 45 und 150 Hz bis zu 250 A Wechselstrom an drei Phasen liefern kann.

Für mehrtägige Erwärmungsprüfungen mussten die Geräte sehr zuverlässig sein, und zum Schutz des Bedienpersonals sollte die Spannung unterhalb des für solche Geräte üblichen Spannungsbereiches bleiben, am besten im Schutzkleinspannungsbereich.

Fündig wurde Prüftechniker Heiko Fischer bei ET System electronic: „Schon beim ersten Telefonat erhielten wir die Auskunft, dass die Anpassung einer AC-Quelle des Typs EAC-3S Gerätes an unsere Vorstellungen kein Problem ist. Das entsprechende Angebot für ein Gerät mit einer Ausgangsspannung von 3x8 V AC bei einem Strom bis 3x250 A war dann auch noch günstiger als bei anderen Anbietern, und bei einer Firmenbesichtigung haben wir einen sehr positiven Eindruck von der Kompetenz und der Fertigungsqualiät bei ET System electronic gewonnen. Die Erfahrungen, die wir seither mit den Geräten gemacht haben, haben diesen guten Eindruck rundum bestätigt, was man nicht zuletzt auch daran ablesen kann, dass wir gerade den Auftrag für ein drittes Gerät erteilt haben.“

Abbildungen unten: Die Geräte von ET System electronic in einem Rack von Hager

TE Connectivity ist ein weltweit aktives Technologieunternehmen, das für den Einsatz in Geräten, Fahrzeugen, Flugzeugen, Produktionsanlagen und Kraftwerken ein breites Spektrum an anspruchsvollen Steckverbindern, Sensoren und Elektronikkomponenten entwickelt und produziert. An seinem Automotive-Standort in Speyer entwickelt und produziert das Unternehmen unter anderem Steckersysteme und Sensoren für die Automobilbranche. Die Entwickler befassen sich dabei auch mit Anwendungen für Hybrid- und Elektrofahrzeuge, bei denen vor allem der Ladestrang im Fokus steht. Zu ihm zählen alle Komponenten ab dem Netzversorgungsknoten, von den Ladekabeln inklusive der Schutzelektronik über die Fahrzeugstecker und Hochstromeingänge bis hin zur Anbindung des Ladereglers sowie die Elektronikperipherie rund um die Fahrzeugbatterien.
 

Nicht ganz so einfach: Der Ladevorgang

Um ein Elektrofahrzeug aufzuladen, gibt es mehrere Möglichkeiten. In den meisten Fällen wird das Fahrzeug an das Kabel einer speziellen Ladestation angeschlossen. Diese Stationen haben meist einen eigenen Versorgungsanschluss, sind separat abgesichert und ermöglichen damit einen recht hohen Ladestrom. Bei der Batterieladung über eine Ladestation ist je nach Rahmenbedingungen die Gleichstrom-, Drehstrom- oder Einphasenladung möglich. Hier kann mit Ladeströmen von 60 A bei Gleichstrom, 30 A bei Drehstrom und zehn bis 15 A beim einphasigen Laden gearbeitet werden. Gleichstromladung bietet den Vorteil, dass der Strom nicht gewandelt werden muss und daher mit höheren Strömen gearbeitet werden kann. Damit lassen sich Ladezeiten bis herunter zu 20 Minuten realisieren, während eine normale Dreiphasenladung mindestens 1 Stunde dauert und eine Einphasenladung per Wandbox je nach zulässigen Höchststrom in der Regel mindestens 2 Stunden in Anspruch nimmt.
 

Mehr als nur ein paar Leitungen: Das Ladekabel

Aber nicht überall sind Ladestationen verfügbar, und daher liegt jedem Elektrofahrzeug ein Ladekabel bei, das oft auch als Notladekabel oder als Sicherheits-Ladekabel bezeichnet wird. Dieses Ladekabel wird in eine normale Steckdose eingesteckt, aber da es im gleichen Sicherungskreis oft noch andere Nebenlasten gibt und auch keine Kommunikation zwischen Hausnetz und Fahrzeug möglich ist, muss der Ladestrom hier begrenzt werden. Der maximale Dauerstrom beträgt etwa 10 bis 12 A, was zu einer Ladezeit von bis zu 6 Stunden führt.

„Ein solches Ladekabel zu entwickeln und zu produzieren ist aber keine triviale Angelegenheit, denn es soll in möglichst vielen verschiedenen Ländern eingesetzt werden können“, erläutert Stefan Stross, Senior Manager Engineering für das Global Electronic Charger Cable. „Weltweit werden aber eine große Zahl unterschiedlicher Steckersysteme eingesetzt, die  nicht kompatibel sind. Auch über die sehr unterschiedliche mechanische Auslegung hinaus gibt es erhebliche Unterschiede bei den Stromnetzen, nicht nur bei den Spannungssystemen und Netzfrequenzen, sondern auch beim Anschluss der elektrischen Masse, bei der Gestaltung der Rückleiter, bei den Phasenbeziehungen zwischen den Leitern sowie bei der Frage, ob eine oder zwei Phasen angeschlossen werden.“ Die internationale Netzgestaltung ist also ein weites Feld, und ein universell einsetzbares Kabel entwickeln zu wollen ist illusorisch. Um Ladekabel aber zumindest regional einsetzen zu können, entwickelt und produziert TE unterschiedliche Kabel, die jeweils in Europa, Nordamerika und Asien eingesetzt werden können und alle dort auftretenden Anforderungsvarianten abdecken.
 

Sorgt für Sicherheit: Die integrierte Überwachungselektronik

Um den Ladevorgang auch ohne dezidierte Ladestation überwachen zu können, haben die Ingenieure von TE Connectivity im Kabel eine Überwachungselektronik in einem eigenen Gehäuse integriert, ein so genanntes „in cable current detection device“. Das Ladekabel (gelb) bei einem Test

In der Mitte ist die Überwachungseinheit zu erkennen, die gerade in einen Messcomputer eingesetzt ist. Bei dieser Elektronik handelt es sich um eine elektronische Schutz- und Überwachungseinheit, die zwischen dem Fahrzeug und dem Netz eingeschaltet wird. Sie überwacht Strom, Spannung und Temperatur, und sie verfügt beispielsweise auch über einen Thermosensor im netzseitigen Stecker, mit dem die Temperatur in der Steckdose überwacht wird. Die Elektronik kontrolliert aber auch, ob die Fahrzeugkarosserie etwa infolge eines Kurzschlusses unter Spannung steht oder ob durch Anschlussfehler oder Isolationsdefekte Fehlerströme auftreten. Um im Ernstfall das Fahrzeug vom Netz trennen zu können, enthält die Überwachungseinheit Schütze, die den Strom zu- oder abschalten und damit für die Sicherheit von Mensch und Fahrzeug sorgen.
 

Die Testumgebung: Quelle und Last von ET System electronic

Die Überwachungselektronik muss ihre Aufgaben bei Wind und Wetter zuverlässig erfüllen. Sie wird daher für eine Vielzahl unterschiedlicher Betriebsbedingungen ausgelegt und muss unter diesen Rahmenbedingungen zunächst im Labor getestet werden, ehe Praxistests in den Fahrzeugen erfolgen können. Die Prüfingenieure bei TE haben dazu eine Testbench aufgebaut, auf der Ein- und Zweiphasensysteme mit der entsprechenden Phasenlage und den geforderten Spannungen simuliert werden können. Ein Klimaschrank eröffnet zudem die Möglichkeit, die Funktion der Überwachungselektronik auch unter den unterschiedlichsten klimatischen Bedingungen zu simulieren – ob am Nordkap oder am Äquator.

Um die entsprechenden Ströme bereitstellen und mit einer elektronischen Last auch die erforderlichen Belastungen simulieren zu können, kommen programmierbare Spannungsquellen und –lasten zum Einsatz. Sie werden über einen Steuerrechner geregelt und können damit verschiedene Betriebs- und Fehlerbedingungen wie zum Beispiel Kurzschlüsse simulieren. Bei der Stromquelle und den Lasten setzt TE auf bewährte Technik: Im Einsatz ist nämlich eine AC-Quelle des Typs EAC-S 4000/Mod von ET System electronic. Diese AC-Quellen liefern je nach Ausführung ein- oder dreiphasige Sinus-, Rechteck- oder Dreieckspannungen. Der manuell einstellbare Frequenzbereich liegt zwischen 1 Hz und 2000 Hz, zusätzlich lassen sich die häufig benötigten Frequenzen 50 Hz, 60 Hz und 400 Hz auch per Tastendruck fest einstellen. In der Standardausführung bieten die Geräte einen Spannungsbereich von 0 bis 300 V bei einem Leistungsbereich von 250 VA bis 150 kVA. Die Ströme betragen bis 80 A pro Phase, eine spezielle Hochstromvariante stellt stromgeregelt sogar bis 2000 A zur Verfügung. Alternativ sind Spannungen bis 500 V AC beziehungsweise bis 700 V AC verfügbar, wobei die maximalen Ausgangsströme jeweils um 40 % bzw. 50 % reduziert sind. Die gesamte Baureihe weist exzellente Regeldaten auf und bietet bei einer Regelgüte von 0,1 % einen sehr kleinen Klirrfaktor von 0,1 % und eine Programmiergenauigkeit der Wechselspannung von 100 mV.

Bei dem von TE eingesetzten Gerät handelt es sich allerdings um eine modifizierte Variante, die von ET System electronic an kundenspezifische Vorgaben angepasst wurde. Das Gerät wird mit Drehstrom gespeist, liefert eine Ausgangsspannung von 300 V AC und gibt dabei bis zur Maximalleistung von 4 kW Ströme von maximal 30 A ab. Im Gegensatz zu den Seriengeräten ist diese spezielle AC-Quelle aber in der Lage, für 200 s einen Spitzenstrom von 20 A bei einer Ausgangsspannung von 265 VAC zu liefern und dabei eine Leistung von 5,3 kW zu erbringen – ideale Voraussetzungen also, um auch Überlaststests durchführen zu können. Kombipack: Oben die Quelle, unten die Last

Um die Belastung durch die Fahrzeugbatterie zu simulieren, setzt TE eine elektronische Last ein, die ebenfalls aus dem Lieferprogramm von ET System electronic stammt. Die Last aus der Baureihe ELP 32611 nimmt Leistungen bis 3600 VA bei einem Maximalstrom von 36 A und einer Eingangsspannung von maximal 300 VAC auf. Die Geräte bieten bei einer Grundgenauigkeit von 0,5 % alle Betriebsarten, die in der Praxis täglich gebraucht werden, also neben einem Konstantstrom-Modus auch die Betriebsarten Konstantwiderstand, Konstantspannungen und Konstantleistung. „Mit den sehr zuverlässigen Geräten von ET System electronic sind wir in der Lage, alle wichtigen Tests selbst durchzuführen“, sagt Stefan Stross. „So können wir unseren Kunden ausgereifte Produkte bieten und letztlich auch unsere Position in diesen innovativen Märkten sichern.“

TE Connectivity, TE und TE connectivity (Logo) sind Marken. Über TE Connectivity TE Connectivity (NYSE: TEL) ist ein weltweit führendes Technologieunternehmen mit einem Umsatz von 12 Milliarden US-Dollar. Unsere Lösungen für Verbindungstechnologie und Sensorik spielen in der heutigen, zunehmend vernetzten Welt eine Schlüsselrolle. Wir arbeiten mit Ingenieuren zusammen, um aus ihren Konzepten innovative Produkte zu machen – dabei verschieben wir die Grenzen des Möglichen, indem wir intelligente, effiziente und hochleistungsfähige Produkte und Lösungen von TE nutzen, die sich unter rauen Bedingungen bewährt haben. Unsere 75.000 Mitarbeiter, darunter 7.300 Entwicklungsingenieure, sind zuverlässige Partner für Kunden in über 150 Ländern und aus einer Vielzahl von Branchen. Unsere Überzeugung ist auch unser Motto: EVERY CONNECTION COUNTS – www.TE.com.

TE’s einzige Verpflichtungen sind diejenigen, welche in den Allgemeinen Geschäftsbedingungen (http://www.te.com/aboutus/tandc.asp) dargelegt sind. TE lehnt ausdrücklich jede Haftung aufgrund stillschweigender Zusicherungen hinsichtlich der hier enthaltenen Informationen ab.

Die Kerne werden im Unternehmen geprüft, indem eine primäre und eine sekundäre Prüfwicklung auf einen Kern aufgebracht wird. Die primäre Wicklung wird von einem definierten Prüfstrom mit einer bestimmten Frequenz durchflossen und erzeugt dabei ein Magnetfeld. Es fließt über den Kern zur sekundären Wicklung und induziert dort einen Strom, der Aufschlüsse über die Stärke des magnetischen Flusses und damit über die Eigenschaften des Kerns gibt. „Für diese Aufgaben brauchen wir eine stromgeregelte AC-Quelle mit einer einstellbaren Ausgangsfrequenz bis 1 kHz, die uns bis 20 A Strom liefert“, sagt Geschäftsführer Ewald Sorg. „Wir wollten für diese Aufgabe eine AC-Quelle des Typs EAC-S 1000 von ET System electronic einsetzen, aber das Standardgerät mit seiner Ausgangsspannung bis 230 V AC hätte insgesamt eine vierfach höhere Gesamtleistung erbringen können, als sie für unsere Zwecke erforderlich ist. Aufwand und Kosten sind aber bei diesen Geräten in erster Linie von der Leistung abhängig, so dass wir nach einem modifizierten Gerät gefragt haben, das nur die von uns benötigte Spannung von maximal 45 V AC abgeben kann. ET System electronic hat uns sofort eine entsprechende Modifikation angeboten, mit der wir in der passenden Leistungsklasse bleiben konnten. Wir brauchten dadurch keine überflüssige Leistung einkaufen, und das hat sich erheblich im Preis niedergeschlagen.“ Schnittbandkerne für Spulen und Messwandler