Untersuchung der Dropoutfestigkeit der Stromquelle PS2000OEM im laufenden Betrieb

In diesem Beitrag wird die Untersuchung der Ausfallwahrscheinlichkeit der Stromquelle PS2000OEM bei einem kurzzeitigen Netzausfall des Stromnetzes im laufenden Betrieb vorgestellt. Aufgezeigt werden die durchgeführten Versuche als auch Netzausfallwahrscheinlichkeiten in Europa. Das Ergebnis lässt sich unmittelbar auf praktische Anwendungen übertragen und zeigt die Beständigkeit der PS2000OEM gegenüber Netzausfällen auf.

Netzausfälle treten in europäischen Ländern, insbesondere in Deutschland, kaum mehr auf. Unabhängig davon kann es zu Netzschwankungen oder sehr kurzen Netzzusammenbrüchen kommen, welche kaum bzw. nicht auffallen. Aus Abbildung 1 wird deutlich, dass etwa zwei Drittel der Netzausfälle eine Dauer von t=20ms nicht überschreiten. Im Zuge dessen wurde ein Versuchsaufbau angefertigt, welcher die Dropoutfestigkeit der PS2000OEM aufzeigen soll. Untersucht wird, wie lange die PS2000OEM bei einem Netzausfall durch die internen Kapazitäten gespeist werden kann. Wie sich zeigen wird kann die PS2000OEM eine gewisse Zeit ohne Versorgung aus dem Stromnetz den Betrieb aufrechterhalten.

Abbildung 1: Dauer und Häufigkeit von Störungen in der Stromversorgung der öffentlichen Versorger pro Jahr²

Versuchsaufbau zur Messung der Dropoutfestigkeit

Der Versuchsaufbau besteht aus einer PS2000OEM, einem 4-Kanal-Oszilloskop Tektronix DPO3034 sowie zwei Hochspannungstastköpfen (T1, T2) und einem Stromtastkopf (T3). Der erste Hochspannungstastkopf (T1) misst die Netzspannung. Strom und Spannung werden ausgangsseitig am Hochspannungskabel (HVC) beim Betrieb mit einem Plasmaerzeuger PG31 gemessen. Zur Netzspannungsmessung wird ein Bananenstecker in den Phasenkontakt (L1) einer Schuko-Mehrfachsteckdose mit Schalter (S1) eingeführt. Der Erdungspunkt des zweiten Hochspannungstastkopfes ist das geerdete Gehäuse der PS2000OEM. Die Messung erfolgt während des Betriebs. Der Abschaltzeitpunkt wurde willkürlich in der Mitte der Aufnahmedaten gewählt. Die Aufnahmeparameter sind Strom und Spannung der PS2000OEM ausgangsseitig sowie Netzspannung der PS2000OEM eingangsseitig. Abbildung 2 zeigt schematisch den Versuchsaufbau.

Abbildung 2: Schematischer Versuchsaufbau mit Versorgung aus dem Stromnetz, Stromquelle PS2000OEM [1], Hochspannungskabel [2], Plasmaerzeuger PG31 [3], Oszilloskop Tektronix DPO3034 sowie Tastköpfen (T1, T2, T3)

Messreihen zur Zeitbestimmung der Dropoutfestigkeit

Oszilloskopaufnahmen der Ausgangsspannung und des Ausgangsstromwertes nach dem abrupten Ausfall der Netzspannung, simuliert durch Abschalten der PS2000OEM am Frontschalter sowie durch das Öffnen des Schalters der Mehrfachsteckdose zeigen das in Abbildung 3 skizzierte Verhalten.

Dauer und Häufigkeit von Störungen in der Stromversorgung der öffentlichen Versorger pro Jahr — Abbildung 3: Auswertung der Messreihen zum Abschaltverhalten der PS2000OEM beim Ausfall der Netzspannung bei t=0.

Bis ca. t=60ms nach Netzausfall kann ein stabiles Brennverhalten des Lichtbogens und der ausgetragenen Plasmaflamme beobachtet werden, nach t=85ms reißt der Lichtbogen ab. Die in der gepulsten Hochspannungsversorgung integrierte Kapazität und die Leistungsregelung sichert für diesen Zeitraum die Prozessstabilität.

Messung zur Ausfallwahrscheinlichkeit der Mikrocontroller und der Bus-Kommunikation

Bisherige Daten geben Aufschluss zum Verhalten von Lichtbogen und Plasmaausbildung. Weiterhin soll das Verhalten der CAN-Kommunikation [4] auf Mikrocontrollerbasis untersucht werden, um mögliches Fehlverhalten ausschließen zu können. Ein HIL-Test in Verbindung mit einer EATON EC4P-221-MTXD1 zeigt die jeweils erneute Verbindungsaufnahme nach Wegfall der Versorgungsspannung der PS2000OEM. Die Speisung der Kommunikationscontroller basiert auf nacheinander geschalteten Spannungswandlern (U_1=230 V AC, U_2=24 V DC, U_3=5 V DC) mit zugeschalteten Kondensatoren. Bei einem CAN-Heartbeat von t=2000 ms und einer Ausfallzeit von t_(max,drop)=60 ms ergibt sich die Ausfallwahrscheinlichkeit der Kommunikation zu P_drop=(85 ms)/(2000 ms)=4,25 %. Eine Verbesserung ergibt sich durch zyklisches Senden der sicherheitsrelevanten Befehle (Abschalten der Hochspannung) als auch des Heartbeats bzw. Node-Guarding-Signals. Bei einer angenommenen Halbierung der Ausfallwahrscheinlichkeit und unter Berücksichtigung der maximalen Ausfallzeit der Netzversorgung ergibt sich eine Ausfallwahrscheinlichkeit P_(drop,real)≪1% im Falle eines Netzausfalls.

Ein weiterer Ansatzpunkt ist der Ausfall eines verbauten Controllers unter der Annahme, dass die anderen Controller noch betriebsbereit sind. Intern wird die SPI-Kommunikation überwacht, sodass bei einem internen Kommunikationsausfall zwischen n≥2 Mikrocontrollern die Erzeugung der Hochspannung sofort gestoppt wird und die Stromquelle in den Fehlerzustand übergeht.

Zusammenfassung

Als maximale Zeit eines Netzausfalls, welche die Stromquelle PS2000OEM in ihrer Funktionsweise nicht beeinträchtigt, wird der Wert zu t=85 ms angenähert. Damit haben mindestens zwei Drittel aller Netzausfälle keine Auswirkung auf den Betrieb.

Dies zeigt die Festigkeit einer Stromquelle PS2000OEM gegen kurzfristige Netzausfälle bzw. Netzschwankungen auf und garantiert dadurch ein sicheres Handling im In-Line-Betrieb. Selbst bei einem Ausfall der verbauten Mikrocontroller ist bei einem kurzen Spannungsabfall ein sicheres Abschalten der Hochspannung gegeben.

Literaturverzeichnis

1) Krisenforscher zu Stromausfall in Deutschland, unter https://www.welt.de/vermischtes/article160308959/Irgendwann-bricht-das-oeffentliche-Leben-zusammen.html (14.03.2019)
2) Nach D. Eisermann, „Versorgungssicherheit durch unterbrechungsfreie Stromversorgung“, Elektropraktiker, Berlin 54 (2000) 4
3) Technische Beschreibung unter http://de.rs-online.com/web/p/prozessmodule/0133276/ (14.03.2019)
4) Handbuch unter ftp://ftp.moeller.net/DOCUMENTATION/AWB_MANUALS/MN05003003Z_DE.pdf (14.03.2019)
5) Node Monitoring via Node-Guarding or Heartbeat Messages, unter: https://www.canopensolutions.com/english/about_canopen/Heartbeat-service.shtml (14.03.2019)