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antriebstechnik 12/2022

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antriebstechnik 12/2022

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PRÜFSTAND FÜR ELEKTROMOTOREN FLEXIBLER PRÜFEN IN DER HOCHSCHULLEHRE Damit die Fachhochschule Dortmund industrienahe Versuche durchführen kann, plante sie einen Prüfstand für Elektromotoren. Der ist für Studierende verschiedener Schwerpunkte, da sich Projekte aus den Bereichen Antriebs-, Automatisierungs- und Messtechnik flexibel mit ihm realisieren lassen. Mit Inbetriebnahme starteten gleich drei Projekte von Masterstudierenden. Die hohe Resonanz und Vergabe weiterer Arbeiten für Studierende, führen bereits nach wenigen Monaten zu einem durchweg positiven Zwischenfazit. Die in Vorlesungen vermittelten, theoretischen Grundlagen ergänzt die Fachhochschule (FH) Dortmund in der elektrotechnischen Hochschulausbildung durch praktische Laborversuche. Für das Fachgebiet der elektrischen Maschinen stehen an der FH dafür acht Laborplätze mit klassischen Lehrmitteln zur Verfügung [1]. In Gruppen können Studierende verschiedene elektrische Maschinen kleiner Leistung (< 1 kW) kennenlernen und einfache Kennlinien aufnehmen. Diese zugeschnittenen Versuche sind wichtig in der Ausbildung, ermöglichen jedoch keine Untersuchungen von Industrieantrieben und sind daher nicht für Abschlussarbeiten oder Projekte in hö- heren Semestern für Studierende im Einsatz. Aus diesem Grund plante und realisierte man in Zusammenarbeit mit der Firma Vogelsang und Benning [2] einen zusätzlichen, flexiblen Elektromotorprüfstand. Dieser bietet den Studierenden vielfältige Möglichkeiten, an elektrischen Maschinen zu forschen und professionell zu messen. AUFBAU UND FUNKTIONEN Bild 01 zeigt den mechanischen Aufbau, den die Firma auf einem bereits vorhandenen Maschinenfundament realisierten. Die 38 antriebstechnik 2022/12 www.antriebstechnik.de

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 01 Fachbereichsübergreifend: Aufbau des Prüfstands Welle des zu prüfenden Motors ist über Balgenkupplungen mit dem Bremsmotor verbunden. Dazwischen liegt die Präzisionsdrehmomentmesswelle mit einem Messbereich bis 200 Nm. Eine mit Sicherheitsschalter versehene Haube schützt den Anwender vor den rotierenden Teilen. Bei dem Bremsmotor handelt es sich um einen permanenterregten Servomotor mit Lagegeber, der sich bis 20 kW oder 200 Nm belastet lässt. Die Maximaldrehzahl liegt bei 5.000 1/min. Zur Geräuschminimierung wählte man eine Wasserkühlung. Um möglichst viele unterschiedliche Motoren prüfen zu können, steht der Prüfling (E-Motor) auf einem Hubtisch, der dann entsprechend der Achshöhe des Motors elektrisch einstellbar ist. Er ist bis zu 500 kg belastbar. Bild 02 zeigt vereinfacht den elektrischen Aufbau mit seinen verschiedenen Schaltmöglichkeiten. Die Speisung der zu prüfenden Motoren lässt sich dabei variieren. Neben einem Betrieb am starren Netz (8) ist auch ein 20 kVA-Stelltransformator (7) vorhanden, dessen Ausgang motorisch gesteuert wird und der bis zu 500 V liefert. Damit ist gewährleistet, dass Motoren mit 400 V Nennspannung weit in Sättigung oder auch in Überlast betrieben werden können. Für den Betrieb mit variabler Drehzahl steht ein Frequenzumrichter zur Verfügung (4). Er ist mit einem motorseitigen Sinusfilter (5) ausgestattet, der sich wahlweise ein- und ausschalten lässt, damit Studierende seinen Einfluss untersuchen können. Um die Spannungsverminderung durch Frequenzumrichter und Sinusfilter auszugleichen, ist ein nachgeschalteter Transformator mit zwei Anzapfungen (6) installiert. Der Trafo sorgt dafür, dass entweder wieder 400 V Netzspannung zur Verfügung stehen oder eine erhöhte Spannung bis zu 560 V. Die Leistungselektronik besteht aus einem Gleichrichter (3) und zwei Wechselrichtern. Prüfling und Bremsmotor teilen sich den Gleichstromzwischenkreis und die Bremsenergie wird zurückgeführt. Für den Sonderfall, dass die Netzspannung ausfällt, steht ein zusätzlicher 3.000 W Bremswiderstand (nicht im Bild berücksichtigt) zur Verfügung, der dann bei generatorischem Betrieb des Belastungsmotors die Spannungsspitzen begrenzt und Schäden am Prüfstand verhindert. Eine Schaltmatrix für die Stern-Dreieck-Umschaltung (12) lässt sich beim Anlauf von Asynchronmaschinen verwenden oder allgemein, um beide Verschaltungen ohne Rüstaufwand nutzen zu können. Besondere Antriebe, die mit einem eigenen Frequenzumrichter ausgestattet sind oder die die Studierenden mit verschiedenen Frequenzumrichtern testen sollen, können eingeschleift werden, so dass alle Funktionen des Prüfstands weiterhin zur Verfügung stehen. Das Leistungsmessgerät (10) ist mit zwei Gruppen (je 3 Kanäle) ausgestattet, damit sich alle elektrischen Daten vor und nach dem Frequenzumrichter bestimmen lassen. Die Verlustleistung des Frequenzumrichters können die Studierenden bei diesen Messungen berücksichtigen. Durch Hinzunahme eines weiteren, über Ethercad in die Prüfstandssteuerung integrierten, Leistungsmessgeräts wird es dann möglich, auch noch zwischen Frequenzumrichter und einem externen Sinusfilter zu messen, um seine Verlustleistung sowie Auswirkungen auf die Spannung zu bewerten. Die Messstelle des Milliohmmeters (11) ist so platziert, dass unabhängig von der gewählten Betriebsart des Prüfstands, die Studierenden immer den Wicklungswiderstand des Prüflings aufzeichnen können. Weiterhin ermöglicht eine Schaltmatrix das unkomplizierte Messen zwischen allen drei Phasen. MESSEN UND ANALYSIEREN Um die Mess- und Steuerungstechnik optisch besser zu präsentieren, sind das zentrale Leistungsmessgerät, das Milliohmmeter für die Wicklungswiderstände sowie einige Komponenten der SPS in einem Schaltschrank mit Glastür untergebracht (siehe Bild 03). Die umfangreichen Optionen und Parameter von Leistungsmessgerät und Milliohmmeter lassen sich alle mit Hilfe von SCPI-Befehlen über die SPS fernsteuern, wobei die Realisierung dieser Fernsteuerung ein weiteres Projekt für Studierende aus unterschiedlichen Fachbereichen sein wird. Das Leistungsmessgerät mit seinen sechs Strom- und Spannungskanälen in zwei Gruppen bietet umfangreiche Analysemöglichkeiten. Für beide Gruppen ist die Grenzfrequenz des www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2022/12 39

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