Stromversorgungen Rückspeisefähige Wandler

Elektroantriebe sind auf dem Vormarsch. Das setzt aber die Fähigkeit voraus, Akkus aus einer Wechselstromquelle zu laden und im Gegenzug mit diesen Akkus Elektromotoren zu versorgen. Natürlich muss diese Interaktion getestet werden, zum Beispiel mit rückspeisefähigen Stromversorgungen.

Um Hybridmotorsysteme ausgiebig testen zu können, werden in den Entwicklungslaboren rückspeisefähige AC/DC-Wandler benötigt, die quasi als Mittler zwischen Akku und Stromerzeuger beziehungsweise Antrieb fungieren.

ET System electronic hat daher sein Lieferprogramm um die rückspeisefähigen AC/DC-Wandler der Baureihe »LAB/SL« ergänzt (Bild 1). Mit diesen 2-Quadranten-Gleichrichtersystemen lassen sich spezielle Leistungsprüfungen an Elektromotoren durchführen, die zum Beispiel als Fahrzeugantriebe eingesetzt werden. Mit der Baureihe LAB/SL lassen sich dabei alle Betriebszustände simulieren, die bei Test und Entwicklung von Hybridmotoren eine Rolle spielen.

Fungieren die Geräte als Stromquelle, werden die Akkus mit einer Gleichspannung versorgt und damit aufgeladen. Im Rückspeisemodus zieht das LAB/SL dagegen Strom aus den Akkus und wandelt ihn in eine Wechselspannung um, mit der dann wiederum ein Elektromotor angetrieben werden kann. Der Einsatz moderner IGBT-Gleichrichter mit PWM-Ansteuerung ermöglicht einen kontinuierlichen Übergang von der Einspeisung zur Rückspeisung, sobald die Spannungen an den Akkus unter die Nennspannung fallen.

Zudem bieten diese Geräte über den gesamten Leistungsbereich eine Regeldynamik von unter 3 ms - gute Voraussetzungen also, um den ständigen Wechsel zwischen Laden und Entladen realitätsnah zu simulieren. Die Restwelligkeit liegt bei unter 0,5%. Bei der Rückspeisung passen sich die Wandler der Sinuswelle des Netzes an, sodass keine Ausgleichsströme fließen.

Eine aktive PFC (Power Factor Correction) sorgt dafür, dass Strom und Spannung phasengleich sind und keine Blindleistung aufgebracht werden muss. Die kleinste einstellbare Ausgangsspannung beträgt ein Prozent der maximalen Ausgangsspannung. Die Geräte sind mit galvanisch getrennten Ausgängen ausgestattet und bieten je nach Ausführung Ausgangsspannungen bis 1000 V und Ausgangsströme bis 800 A bei Leistungen von 25 kW bis 500 kW. Da sich aber bis zu vier Geräte parallel schalten lassen, können Maximalleistungen bis hin zu vollen 2 MW erreicht werden.

In der Praxis bewährt

Anwendergerechte Steuerungsfunktionen und die einfache Bedienung über eine intuitive Menüführung sollen die tägliche Arbeit erleichtern, wobei auch die Fernbedienung über PCs oder CAN-Terminal möglich ist. Neben »intelligenten« Überwachungsfunktionen stehen optional auch konfigurierbare Schnittstellen wie RS-232, Relais, CAN und Ethernet zur Verfügung, um die rückspeisefähigen Stromversorgungen in unterschiedlichste System- und Testumgebungen einbinden zu können.

Die Baureihe mit Luftselbstkühlung ist für den Prüffeldeinbau geeignet, und auf Wunsch bietet ET System electronic wie bei allen seinen Geräten beliebige technische Modifikationen und Sonderausführungen an. Die Geräte der Baureihe LAB/SL können sowohl in der Entwicklung von Hybrid- und Elektrofahrzeugen als auch in den Fahrzeugen selbst eingesetzt werden.

Beispielsweise hat ein namhafter deutscher Automobilhersteller mehr als ein Dutzend dieser Geräte bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen im Einsatz. Die Motorsportabteilung eines japanischen Automobilherstellers nutzt diese Technologie ebenso wie der Rennstall Scuderia Mensa, der ähnliche Geräte als DC/DC-Wandler einsetzt, um aus den Hochspannungsakkus eines Elektro-Rennwagens eine 12-V-Bordspannung zu gewinnen.

Ein führender Automobilzulieferer erprobt dagegen mit Hilfe von Geräten der Baureihe LAB/SL den Einbau von Elektromotoren in seinen Getrieben. Diese Motoren erhöhen das Anfahrdrehmoment und arbeiten im Fahrbetrieb dann als Generatoren, aus denen die Akkus wieder geladen werden. Am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF ist seit Jahren ein LAB/SL mit einer Leistung von 30 kW im Einsatz.

Hier lassen namhafte deutsche Fahrzeughersteller beziehungsweise deren Zulieferer Radnabenmotoren, die für den Einsatz in Elektrofahrzeugen entwickelt wurden, auf ihre elektrischen und mechanischen Eigenschaften hin überprüfen. Das Fraunhofer LBF plant die Anschaffung einer leistungsfähigeren Variante, um dann mithilfe gezielter Überlasttests zum Beispiel das Verhalten der Motoren bei Überhitzung besser erfassen zu können.

Weitere Einsatzmöglichkeiten für das LAB/SL stehen noch in der Erprobung, die Technik dürfte aber eine interessante Zukunft vor sich haben. So gibt es in der internationalen Schifffahrt eine Tendenz zu strengeren Abgasauflagen, die von den meist mit Schweröl betriebenen Schiffen nicht ohne weiteres eingehalten werden können. In Häfen wie San Francisco und Los Angeles ist aus Umweltschutzgründen schon heute die Einfahrt von schwerölbetriebenen Schiffen verboten.

Ein Ausweg, der derzeit erprobt wird, ist die landnahe Fahrt mit Elektromotoren. Sie werden aus großen Akkumulatoren für die Fahrt im Hafen mit Energie versorgt und beziehen ihren Ladestrom während der normalen Fahrt aus den Generatoren, die dann vom Schiffsdiesel angetrieben werden. Auch an Ladestationen für Elektrofahrzeuge kann die Baureihe LAB/SL zum Einsatz kommen.

Hier könnten nicht nur Akkus aufgeladen, sondern auch die in stehenden Fahrzeugen gespeicherte Energie teilweise wieder an das Netz abgegeben werden, um so zum Beispiel Lastspitzen abzufangen - ein wichtiger Aspekt von Smart-Grids. Ähnlich könnten in Windenergieanlagen für die dezentrale Stromversorgung bei Stromüberschuss Akkus geladen werden, aus denen bei Flaute dann wieder Wechselstrom erzeugt werden kann.