Bahntaugliche 1-Phasen-Batterie-Wechselrichter

Diese Leistungsfamilie (250/500/1000/2000/3000 W Dauer / 1,4-fach dynamisch) ist ein potenzialtrennendes Bindeglied zwischen dem Bordnetz und dem neu zu bildenden eigenständigen 230 VAC-Netz.

Bild 1: Die digitale, potenzialgetrennte 1-Phasen-Wechselrichterserie WER.HXD für 24/36/72/110 V-Eingangsgleichspannungen und Leistungen von 250/500/1000/2000/3000/6000 VA; dynamisch auch bis zu 1,4-fachen Leistung. Syko

Die Ausführungsqualität dieser 1-Phasen-Wechselrichter-Familie ist entsprechend dem Einsatzort im mobilen Bereich mit hohen Umweltbelastungen, hohen mechanischen Belastungen, großen Bordnetzschwankungen, langen Zuleitungen, gestörtem Umfeld, extremen Umgebungstemperaturen sowie EMV-Forderungen/Belastungen entwickelt worden.

Dreistufentopologie

Um das Bordnetz nicht durch eine Einstufentopologie mit der doppelten Sinusamplitude, der doppelten Netzfrequenz und dem doppelten Gewicht zu belasten (Marktbegleiter) wurde eine aufwendige Dreistufentopologie gewählt. Damit unterscheidet Syko sich im DC-Eingangsstrom wie in Bild 2 gezeigt. Eingangsströme bedeuten Spannungsabfälle auf den Leitungen und der doppelte Sinus-Spitzenstrom bedeutet doppelt so hohen dynamischen Spannungsabfall. Dadurch wird der Eingangsspannungsbereich dieses Umrichters und weiterer Verbraucher eingeschränkt und AC-Ströme von bis 400 A_SS schaden der Batterie.

Bild 2: Eingangsstromvergleich, Syko verwendet eine Dreistufentopologie, der Marktbegleiter eine Einstufen-Technik. Syko

An die Kurvenform der Ausgangsspannung wurde die Bedingung gestellt, dass sie kaum Oberwellen (K = 1,5 %) aufweist, was durch die Prozessorregelung erreicht wurde. Die Amplitude ist ab Leerlauf auf ±2 % = f (T_U, I_A, U_E) stabil und statisch/dynamisch kurzschlussfest. Eine Kurzzeitstrombegrenzung bei der 1,4-fachen Dauerlast hat eine 4 s I²t-Begrenzung. Zusätzlich gibt es Spitzen-Kurzschlussstrombegrenzung bei etwa 2,5-fachem Sinusstrom. Beim Aktivieren der Sinusausgangsamplitude fährt die Sinusform ab 0 V mit konstanter Frequenz und integral auf die Nennspannung hoch. Bei mehrmaliger Überlast schützt sich der Ausgang durch bleibendes Inaktivschalten der Leistungsstufe.

Die Wechselspannung (230 V, optional 115 V) wird potenzialfrei gegen Masse ausgegeben. Der Kunde kann entscheiden, ob er das neue Netz erdet und mittels Fehlerstromschutz überwacht.

Isolationsüberwachungsverfahren

Bleibt der Ausgang erdfrei, so ist es bei Syko üblich, optional ein Isolationsüberwachungsverfahren, das mehrfach im mobilen Bereich zertifiziert wurde, anzubieten. Hierbei wird der interne Leistungskreis (DC-Zwischenkreis) und das Netz überwacht. Bei einem vorhandenen Erdschluss fährt der interne Leistungskreis nicht hoch und das zweipolige Relais bleibt geöffnet. Tritt der Erdschluss während des Betriebes auf, wird das Relais abgeworfen, der Ausgangs-Zwischenkreis (Elkos) hart entladen und der Leistungskreis bleibend inaktiv geschaltet. Diese Option wird in den Serien DWR schon in Stückzahl eingebaut.

Gemäß der Sicherheitsbetrachtung wird kein Unterschied gemacht ob der Verbraucher ein Werkzeug/Staubsauger oder ob es sich um die Versorgung von Küchengeräten oder Service-Steckdosen für den Passagierraum handelt. Die Isolationsüberwachung hat den Vorteil, dass beim Auftreten des ersten Fehlers noch keine Gefahr für Leib und Leben besteht. Der Fehler kann signalisiert werden und durch Überwachung auf Fehlerstrom wird abgeschaltet. Syko handhabt es so, dass bei mobiler Applikation mit dem ersten Fehler abschaltet.

Wärmemanagement

Ganz entscheidend für die Qualität des Umrichters ist auch das Wärmemanagement in Verbindung mit dem Gesamtwirkungsgrad (1 % Wirkungsgrad-Verbesserung entsprechen 12,5 % Verlustleistungsreduzierung). So liegt Syko bei 92 % mit seinem Dreistufenkonzept und Einstufenkonzepte weisen 84 % auf. Lüfter werden nicht gerne gesehen, da sie LCC-Kosten steigen lassen. Syko sagt aber, dass ohne Umluft die MTBF-Werte um den Faktor >4 sinken und damit die Elektronikbauelemente frühzeitig ausfallen. Die Lüfterzeile ist über Schrauben und Stecker einfach tauschbar.

Bild 3: Prinzipschaltung der potenzialgetrennten einphasigen Wechselrichterserie mit Dreistufentopologie. Syko

Die im Unternehmen verwendete Wärmemanagement-Lösung transportiert die Verlustleistung aller Leistungshalbleiter über die SMT-Bestückung direkt zu dem außenliegenden massiven Kühlkörper, der die Wärme gut und schnell über die große Fläche aufnimmt und weiterleitet. Die Gesamtleistung ist auf geregelte stromkaskadierte Strings aufgeteilt und die Potenzialtrennstufen arbeiten als resonante Gegentaktstufe mit synchronisierter Taktfrequenz und verstärkter Isolation. Die WR-Ausgangs-H-Brücke arbeitet mit SiC-Transistoren bei 100 kHz und mit einer groß dimensionierten Sinusdrossel. Die Strings werden mehrfach phasenversetzt angesteuert, wodurch die Effektivstrombelastung der Kondensatoren und die Stromwelligkeit zum Eingang reduziert wird.

Funkentstört

Eingang und Ausgang sind funkentstört und weitere Normenerfüllungen lassen den Wechselrichter für den Einsatz in der Bahntechnik und weitere Märkte geeignet sein.

Ein separater potenzialgetrennter Ausgang (24 V/0,6 A) versorgt kundenseitige Elektronik oder den Verpolschutz und sanftes Aufschalten (Vorladung) bevor der Leistungsteil aktiviert wird. Fehlersignalisierung und ein Inhibit (potenzialgetrennt/polaritätsfrei) sind Standard.

(jj)