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Hochschule Ostwestfalen-Lippe

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Wir gratulieren Herrn Dr.-Ing. Eugen Balzer zu seiner Promotion mit dem Thema

"Interaktion von Nieder- spannungs netzen mit daran betriebenen Netz- pulsstromrichtern"


Energieverteilung auf Basis Weidmüller FieldPower®

Die dezentrale Energieverteilung mit FieldPower® wurde im Labor Leistungselektronik und Elektrische Antriebe der Hochschule Ostwestfalen Lippe mit freundlicher Unterstützung der Firmen

  • Weidmüller Interface GmbH & Co. KG
    (Installationstechnik, FieldPower®-Komponenten, Leitungen, Sicherungsautomaten)

  • Moeller GmbH
    (Sicherungsautomaten, Anlagenschutzschalter)

  • MSF-Vathauer Antriebstechnik (Motorstarter)

  • Lenze (Frequenzumrichter)

durch Bereitstellung aller elektrischen Komponenten aufgebaut, um Untersuchungen an Netzwerken zur Energieverteilung durchführen zu können. An dieser Stelle bedanke ich mich sehr herzlich zur Verfügung gestellten Geräte.

Die damit aufgebaute Anlage wird in Lehrveranstaltungen zur Unterstützung von Praktikumsversuchen eingesetzt. Außerdem wird sie im Rahmen eines weiteren Forschungsprojektes zur Messung der Ausbreitung von Oberschwin-gungen in Netzen verwendet.

Die Energieverteilung mit FieldPower® ermöglicht:

  • Aufbau beliebiger Strukturen (Linie, Baum, Netzwerk)
    mit Rund- und Flachleitungen in 5G2,5 / 5G4 / 5G6

  • Signifikante Einsparung verlegter Leitungslänge gegenüber sternförmiger Verdrahtung

  • Fehlersichere und schnelle Installation der Leitungen und Geräte

  • Einfache Inbetriebnahme und Erweiterung der Verteilung

  • Frei wählbare Einspeisepunkte

  • Ersatz des Kurzschlussschutzes in jedem Verbraucher durch ein Gruppenschutzorgan

  • Separate Weitbereichseinstellung von Kurzschluss- und Überlast-Auslöseströmen mit Anlagenschutzschalter PKZ2

  • Erhalt der Kurzschlussleistung und Minimierung des Spannungsfalls durch ungeschnittene Leitung und Abgriffen in Schneid-Klemm-Technik.

  • Variable Schutzarten von IP20 über IP30 bis IP 65

  • VDE-konforme Auslegung des Netzwerks (Gruppenschutzorgan, Leitungslängen und Querschnitte) wird besonders unterstützt durch das Auslegungstool NetCalc

Übersicht der Laborverteilung

Die Anlage im Labor besteht aus folgenden Komponenten:

  • Eine Netzversorgung 3x400V mit Hauptschalter

  • Zwei Netzeinspeisungen „Netz 1“ und „Netz2“ für die Energiebusse mit zugehörigen Absicherungen über Anlagenschutzschalter PKZ2/ZM

  • Zwei Leitungssegmente „Leitung1“ und „Leitung2“ mit 5x4mm2 mit einer Gesamtlänge von jeweils 50 m

  • Zwei Energiebus-Segmente „Energiebus1“ und „Energiebus2“ mit 5x6mm2 und einer Gesamtlänge von jeweils 50 m, die mehrere FieldPowerBoxen zum Anschluss von Lasten beinhalten

  • Ein Steckbrett zur Verschaltung der Leitungen und zum Anschluss der Messinstrumente

  • Drehstrommotoren und Frequenzumrichter als Lasten

Alle Leitungen sind fünfadrig (L1, L2, L3, N, PE) ausgeführt.

Foto des Steckbrettes

Das Steckbrett gestattet es, die einzelnen Leitungen und Energiebus-Segmente mit geringem Aufwand zu verschalten. Dafür sind alle Leitungsenden auf Buchsen geführt, teilweise zweifach oder dreifach, damit zum Verbinden der Komponenten U-Steckbrücken verwendet werden können. Die beiden Leitungen „Leitung 1“ und „Leitung 2“ tauchen in der Grafik (Abb.2) doppelt auf, sind physikalisch aber nur einfach vorhanden. Abbildung 2 zeigt ein Foto des Steckbrettes. Zu erkennen sind die Steckbrücken an System 1 zwischen Leitung 1 und Leitung 2 sowie zwischen Leitung 2 und dem Energiebus 1. Der PE ist fest verdrahtet und kann nicht aufgetrennt werden.

Insgesamt können 6 verschiedene Energiebus-Strukturen mit Seiten- und Mitteneinspeisung und unterschiedlichen Gesamtlängen hergestellt werden. 
An die beiden Energiebus-Segmente können verschiedene Antriebe und Frequenzumrichter über FieldPower-Boxen angeschlossen werden. Fest verschaltet sind je Energiebus-Segment jeweils ein Motor und ein Frequenzumrichter. Weitere 10 FieldPower-Boxen sind im Segment installiert und können bei Bedarf genutzt werden. Die Belastungen sind einstellbar, so dass definierte Belastungspunkte reproduzierbar vorgegeben werden können.

Die Antriebssätze bestehen aus folgenden Komponenten:

Bezeichnung Bus Nr. Art Hersteller/Typ Bemessungsleistung
Motor M1 mit Motorstarter 1 Asynchronmaschine mit Gleichstrommaschine als Belastungsmaschine Motor: Lenze / MDEMA/G 132-22B Starter: MSF-Technik / Typ SSW-G, 7,6KW 7,5kW
Motor M2 mit Motorstarter 2 Asynchronmaschine mit Gleichstrommaschine als Belastungsmaschine Motor: Lenze / MDEMA/G 132-12B Starter: MSF-Technik / Typ SSW-G, 7,6KW 5,5kW
Frequenzumrichter FU1 1 Frequenzumrichter mit Asynchronmaschine und Gleichstrommaschine als Belastungsmaschine FU: Lenze / E94ASHE0174 DASM: AEG / - 11kw
Frequenzumrichter FU2 2 Frequenzumrichter mit Asynchronmaschine und Gleichstrommaschine als Belastungsmaschine FU: KEB / F5 DASM: AEG / - 11kw
Exemplarische Zeitverläufe bei Motor- und Umrictherlast

Versuche und Messungen an der Anlage

Durch den Aufbau mit FieldPower® können die Belastungen der Leitungen, Spannungsabfälle und die Zeitverläufe der Ströme und Spannungen im Betrieb sehr einfach gemessen werden.

Abb. 4 zeigt Netzstrom i1(t) und Netzspannung u1(t) bei Endeinspeisung mit gemischter Motor- und Umrichterlast. Die Ströme der einzelnen Lasten addieren sich am Netzanschlusspunkt zu einem Summenstrom, der den sinusförmigen Anteil der Maschinen und den nichtsinusförmigen Anteil der Umrichter enthält. Die beiden Nachladeströme der Umrichterkondensatoren sind symmetrisch zum Maximum der Netzspannung. Zusammen mit dem induktiven Strom der Maschine ergibt sich der dargestellte Stromverlauf. Die induktiven Ströme der Maschinen sind in Summe etwa 30° zur Netzspannung phasenverschoben.

Neben den Lastfällen können auch Kurzschlüsse bei verschiedenen Leitungslängen untersucht werden. Hierbei kann gezeigt werden, dass bei sehr langen Zuleitungen die Auslegung der Gruppenschutzorgane schwierig wird, da der ohmsche Widerstand der Leitungen den Strom unter den Kurzschluss-Auslösestrom begrenzt.