Entwicklung eines Leistungsteils für eine elektronische Strombegrenzung im industriellen Kleinspannungsumfeld

Abstract

Grundlage für die moderne industrielle Automatisierungstechnik und Energieerzeugung bilden Maschinen und industrielle Anlagen, welche rund um die Uhr, das ganze Jahr über, ihre Funktion erfüllen. Maschinen- und Anlagenausfälle durch externe oder interne Fehlerquellen stellen eine kostspielige Behinderung des Produktionsablaufes dar. Des Weiteren steigt die Gefahr für Leib und Leben im Fehlerfall, beispielsweise durch den Ausfall von sicherheitsrelevanten Schutzeinrichtungen. Nicht zuletzt dadurch ist der Schutz und die Absicherung solcher Industrieanlagen durch Richtlinien und die damit empfohlenen Normen obligatorisch. Konventionelle elektrische Schaltgeräte, wie beispielsweise der fast 100 Jahre alte Leitungsschutzschalter, kommen dabei heute überwiegend zum Einsatz. Der stetige Fortschritt in der Leistungselektronik eröffnete jedoch bereits vor rund zwei Jahrzehnten die Möglichkeit konkurrenzfähige elektronische Strombegrenzungen am Markt zu etablieren. Im Mittelpunkt dabei steht der Leistungsteil, dessen wichtigste Komponente der elektronische Halbleiterschalter ist. Die zahlreichen Konfigurations- und Kommunikationsmöglichkeiten einer solchen elektronischen Strombegrenzung laufen den konventionellen elektrischen Schaltgeräten im digitalen Umbruch der Industrie zusehends den Rang ab. Aufgrund der hohen Nachfrage in der Zukunft, laufenden Veränderungen in den zugrunde liegenden Halbleitermaterialien, der ständige Kostendruck sowie wachsende industrielle Anforderungen begründen eine Auseinandersetzung mit dieser Thematik. Die vorliegende Arbeit widmet sich der Konzeption, der Implementierung, dem Aufbau und der Verifikation eines Leistungsteils für eine solche elektronische Strombegrenzung. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Auswahl eines elektronischen Halbleiterschalters, dessen Ansteuerung und sein Schutz vor einer thermischen Überlastung. Dazu werden Literaturrecherchen zu elektronischen Halbleiterschaltern durchgeführt und mit Informationen zu heute am Markt befindlichen Produkten ergänzt. Auf Basis dieser Erkenntnisse werden Anforderungen abgeleitet und ein finales Konzept diskutiert und formuliert. Ein kostenoptimierter, universell adaptierbarer und zukunftsorientierter Leistungsteil wird implementiert und real aufgebaut und stellt einen funktionsfähigen Kern einer elektronischen Strombegrenzung dar. Der Leistungsteil ist eine konkurrenzfähige Alternative zu heute preislich höherwertigen Varianten. Mit den gesammelten Erkenntnissen, präsentierten Möglichkeiten und Prinzipien können auf Basis dieser Arbeit weitere Leistungsteile für elektronische Strombegrenzungen abgeleitet werden und bestehende Konzepte adaptiert werden.

Modern industrial automation and energy generation are based on machines and industrial systems that function around the clock, all year around. Machine and system failures caused by external and internal sources represent a high costly obstruction to the production process. Furthermore, the risk of life and limb increases by the event of a fault, for example due to the failure of safety-relevant protective devices. This is one of the reasons why the protection and safeguarding of such industrial plants is made mandatory through guidelines and the associated recommended standards. Conventional electrical switches, such as the almost 100-year-old miniature circuit breaker, are dominant today. However, the steady progress in power electronics opened up the possibility of establishing competitive electronic current limiters on the market over the last two decades. The focus of such devices is the power unit with its most important part the power switch. The numerous configuration and communication options of such electronic current limiters are increasingly outstripping conventional electrical switches during the digital revolution of the industry. Due to the high demand in the future, ongoing developments in the underlying semiconductor materials, constant cost pressure and growing industrial requirements, the development of electronic current limiters is becoming increasingly important and all those factors ask for a deeper investigation of this topic.This thesis targets the conception, the implementation, the development and the verification of a power unit for an electronic current limiter. The main focus is thereby on the selection of a power switch, its control and its thermal protection. For this purpose, a literature research about power switches is conducted, which is then being complemented with current information about products on today’s market. Based on this knowledge, requirements are derived and then led over into the formulation of a final concept. A cost-optimized universally adaptable and future-oriented power unit is being implemented and built, which acts as the functional core of an electronic current limiter. It is a competitive option to high price alternatives on the market. The collected insights and the derived opportunities in the thesis manifest a basis for the development of further power units for electronic current limiters and for the adaptation of existing concepts.