Ein Hersteller elektronischer Lasten überarbeitete seine Produkte. Heraus kam eine Serie, bei der sich die Leistung dank eines Baukastensystems individuell zusammenstellen lässt. Für die meisten Anwendungen lässt sich so das passende Gerät finden. Zudem hat das Unternehmen die Probleme marktüblicher Lasten zu eliminieren versucht – durch eine aktive Dämpfung und einem speziellen Wärmemanagement.

Ob Stromversorgungen, Batterien, Brennstoff und Solarzellen, Generatoren oder elektronische Komponenten: Sie alle müssen auf Funktion und Leistung geprüft werden. Dazu werden vorwiegend elektronische Lasten eingesetzt. Hier können bei der Prüfung Spannung, Strom, Widerstand und Leistung eingestellt und geregelt werden. So wird ein nachvollziehbarer Prüfprozess gewährleistet. Da die Anwendungen sehr unterschiedlich sind, muss eine elektronische Last so konzipiert sein, dass sie in vielen unterschiedlichen Applikationen funktioniert. Bei der Verwendung solcher Lasten können folgende Probleme auftreten:

• Wenn Stromversorgungen oder sonstige Schaltungen mit einem eigenen Regelkreis geprüft werden, kann es zu Regelschwingungen kommen. Die physikalischen Voraussetzungen dafür sind erfüllt, wenn eine Phasenverschiebung der Regelkreise von mehr als 180° und eine Verstärkung, welche größer 1 ist, vorliegen. Dann beginnt das Gesamtsystem zu oszillieren. Durch lange und induktionsreiche Zuleitungen kann es zu einem verzerrten Stromanstieg kommen, der in der Anwendung unerwünscht ist.
• Spannungsverschiebungen des Eingangs einer elektronischen Last gegen das Gehäuse, also gegen PE, können bei Prüfungen auftreten und so eine Gefahr für Elektronik und Anwender darstellen.
• Hochfrequente Eingangsspannungen können einer elektronischen Last zusetzen und den Eingangsfilter und weitere Schaltungsteile zerstören. Diese Punkte hat die Firma Elektro Automatik aus Viersen bei der Entwicklung der neuen Lasten EL 9000 B berücksichtigt. Dem Anwender steht damit ein breites Portfolio an Modellen mit verschiedenen Spannungs-, Strom- und Leistungsklassen zur Verfügung.

Aktive Dämpfung
Die neuen Lasten der Serie EL 9000 B besitzen eine aktive, elektronische Dämpfung des DC-Eingangskreises. Diese bewirkt eine hohe Stromstabilität in vielen Anwendungen. Unbekannte Impedanzen der speisenden Quelle sowie lange Zuleitungskabel führen nicht zu unerwünschter Schwingneigung. Mit diesem Prinzip konnte die für diverse Anwendungen unerwünschte Kapazität des DC-Eingangsfilters der EL 9000 B auf ein Minimum reduziert werden. Denn eine hohe Kapazität am DC-Eingang einer Last kann zu unerwünschten Stromspitzen führen, die der angeschlossenen Quelle unter Umständen sogar schaden können. Damit bei einer DC-Spannung mit hochfrequentem AC-Anteil eine Überlastung des Eingangsfilters verhindert wird, besitzt dieser einen Eigenschutz in Form einer Isolation des DC-Eingangs. Möchte ein Anwender beispielsweise eine PFC-Stufe testen, die nicht potentialgetrennt vom Netz ist, so befindet sich am Eingang der Last gefährliches Netzpotential. Die Lasten der neuen Serie sind deshalb vom Eingangskreis zum Chassis, zum HMI und zu den analogen und digitalen Schnittstellen hoch isoliert ausgeführt. Die doppelte Isolation stellt eine zulässige Float-Spannung von ±400 Veff sicher. Somit sind alle an die Schnittstellen angeschlossenen Geräte gegen hohe Spannungen und gegen Netzpotential geschützt.

Ständige Überwachung der Halbleitertemperaturen
Alle marktüblichen Lasten verfügen über einen Übertemperaturschutz. Sollten Bauteile im Gerät eine Temperatur übersteigen, die zur Zerstörung der Last führen könnten, wird der Eingang abgeschaltet. Diese Abschaltung und eine notwendige Hysterese zwischen Abschalt- und Einschalttemperatur bewirken, dass die Last über einen gewissen Zeitraum keine Leistung aufnehmen kann. Im Unterschied zu diesen Geräten verfügt die Baureihe EL 9000 B über ein intelligentes Thermal-Management. Die Halbleitertemperaturen werden ständig überwacht und ab einer vorgegebenen Temperatur zuerst die Lüfter auf ihre maximale Drehzahl geregelt, um danach die Eingangsleistung der Last zu reduzieren. Ein Regelkreis hält dabei die Halbleitertemperaturen auf einem Niveau und verhindert somit eine Überhitzung. Wie bei Lasten mit Übertemperaturabschaltung vorgesehen, wird dadurch eine schlagartige, schützende Abschaltung des Lasteingangs verhindert. Das ist in diversen Anwendungen unerwünscht und könnte aufwändige Systemtests zum Abbruch bringen.

FPGA-basierte, parallele Signalverarbeitung
Die in den elektronischen Lasten 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 Signallaufzeit (Messen, Rechnen und Stellen) von kleiner 1 μs. Somit können gleichzeitig Strom-, Spannungs-, Leistungs- und Widerstandsmessung mit einer Bandbreite von 1 MHz verarbeitet werden. Die in die Regelung eingebundene Look-Up-Table (LUT), die vom Anwender frei belegt werden kann, arbeitet ebenfalls mit einer Bandbreite von 1 MHz. Sie erlaubt neben der standardisierten, linearen Regelung auch die Realisierung komplexer, nicht linearer Widerstandskennlinien. So können zum Beispiel die Charakteristiken einer LED-Kette oder die eines PV-Wechselrichters nachgebildet werden. Die gewünschten Tabellenwerte können vom Anwender in CSV- oder Text-Format erstellt und via USB-Schnittstelle in die Look-Up-Table überspielt werden.

Überarbeitetes Bedienkonzept
Da dem Anwender eine Vielzahl von Funktionen zur Verfügung steht, entwickelte Elektro Automatik ein neues, intuitives Bedienkonzept. Dank eines hochaufgelösten TFT-Displays mit kapazitivem Touchscreen ist dieses Konzept umgesetzt worden. Den internationalen Nutzern stehen vier Sprachen für das Menü zur Verfügung. Das sind neben Deutsch und Englisch Chinesisch und Russisch. Die Sprachen sind dank der Länderflaggen im Menü leicht einzustellen. Da das klassische Bedienen nicht zu kurz kommen sollte, besitzt das HMI zwei konventionelle Drehknöpfe für Spannung und Strom, einen Taster mit taktiler Rückmeldung, um den DC-Eingang ein- und auszuschalten, sowie 2 LEDs, die den Zustand des Eingangs anzeigen. Das HMI lässt sich in Teilen oder auch ganz sperren und mit oder ohne Freigabecode wieder aktivieren. Beim Bedienen des Gerätes können mit wenigen Berührungen Parameter ausgewählt und dann die Werte über Drehknöpfe oder alphanumerisch über einen Nummernblock eingegeben werden. Im Display werden die aktuellen Werte für Spannung, Strom, Leistung und Innenwiderstand angezeigt. Gleichzeitig hat der User hier den Überblick über die eingestellten Sollwerte, den aktuellen Regelmodus, anstehende Alarme oder Warnungen, sowie den Zustand des Eingangs. Ist das Gerät im Fernsteuerungs- Betrieb wird im Display angezeigt, über welche Schnittstelle es gerade gesteuert wird.

Skalierbare Leistung
Verfügbar sind Leistungen von 300 W bis 72 kW, Spannungen von 80 V bis 750 V und Ströme bis 5.100 A. Dabei besteht die Vielfalt dieser Lasten nicht aus unendlich vielen, sondern nur aus wenigen Leistungsmodulen. Dies wird durch ein speziell entwickeltes Baukastensystem realisiert. Hierzu stehen Leistungsteile mit 600 W, 1.200 W und 2.400 W zur Verfügung, die in einem Gerät bis zu 7.200 W verbunden werden. Dank einer intelligenten Master-Slave-Schnittstelle und einem Share-Bus sind die Geräte so konzipiert, dass man aus ihnen ein Gesamtsystem mit höherer Leistung aufbauen kann. Dieses System wird dann über ein Mastergerät gesteuert und ausgelesen. Das Mastergerät zeigt im Display die Systemspannung, den Summenstrom und die Gesamtleistung an. So ist es möglich, Systeme mit bis zu 72 kW auszulegen und gegenüber einer einzelnen Last den zusätzlichen Vorteil der Redundanz zu erhalten.

Um digitale Schnittstellen erweiterbar
Um die Geräte steuern und überwachen zu können, verfügen sie über eine Kommunikationseinheit, die als Zentrale zwischen HMI, Leistungsteil und Außenwelt dient. Zur Standardausrüstung zählen je eine fest im Gerät verbaute USB- und Analogschnittstelle. Sämtliche Schnittstellen sind zum Eingang galvanisch getrennt ausgeführt. 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…10 V und 0…5 V parametriert werden. Zudem gibt es weitere digitale Ausgänge für diverse Fehlermeldungen. Über einen Plug-and-Play-Slot können weitere digitale Schnittstellen angeschlossen und benutzt werden. Hier stehen Ethernet, Modbus TCP und Profinet mit einem oder zwei Ports sowie Profibus, CanOpen, CAN, und RS232 zur Verfügung. Weitere digitale Schnittstellen können nach Kundenwunsch schnell realisiert werden, so dass eine Integration in weitere Systeme möglich ist.

Fazit
Das Gesamtkonzept bietet seinen Kunden einen Mix aus Leistung, Konnektivität, Funktionalität und Bedienerfreundlichkeit. Das Ziel, eine elektronische Last zu entwickeln, die für den Kunden so vielseitig ist, dass sie fast jeder Anwendung gerecht wird, sollte mit dieser Geräteserie erfüllt sein.