antriebstechnik 12/2022

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 04 02 03 Tiefpassfilters einzeln zu konfigurieren, um bei Frequenzumrichterbetrieb auch Effekte höherer Ordnung zu analysieren. Die Signale von Drehzahl und Drehmoment der Drehmomentmesswelle werden dem Leistungsmessgerät zugeführt, so dass alle elektrischen und mechanischen Größen transient aufgezeichnet werden können, um die dynamischen Vorgänge beim Anlauf oder Laststößen zu messen. Für stationäre Zustände oder langsam veränderliche Vorgänge werden alle Messdaten mit Hilfe der SPS und einem gemeinsamen Zeitstempel erfasst. Dazu gehören dann auch die weiteren Inputs, die zusätzliche Feldgeräte zur Verfügung stellen. Temperaturmessungen sind sowohl über 10 PT100 als auch 10 Thermoelemente möglich. Anschlüsse für sechs Schwingungsaufnehmer mit 4-20 mA Signal sind vorhanden. Bild 04 zeigt die Anschlüsse in der Schaltschrankwand. Der bereits beschriebene Bremsmotor lässt sich auch als Motor betreiben. Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten: Er kann dann Pumpen antreiben und deren hydraulisches Verhalten analysieren. Der Aufbau eines Kreislaufs, der zur Realisierung auf dem Hubtisch platziert wird, ist als Ausbaustufe des Prüfstands in Planung. Eingänge für Drücke und Volumenströme wurden bereits berücksichtigt. STEUERN UND PROGRAMMIEREN 02 Theorie: Elektrischer Aufbau 03 Praxis: Schaltschrank mit Leistungsmessgerät, Milliohmmeter und SPS-Komponenten 04 Möglichkeiten: Sensor Inputs Randbedingung für die Auswahl einer geeigneten SPS war der Konsens mit bestehenden Lehrveranstaltungen, in denen die Studierenden bereits die Grundlagen von Codesys lernen. Im Prüfstand kommt deshalb eine Beckhoff-Soft-SPS mit TwinCat als Entwicklungsumgebung zum Einsatz, die Codesys integriert. Somit kann die Fachhochschule Projekte anbieten, die auf Vorlesung und Praktikum aufbauen und den nahtlosen Übergang zu industrienahen Aufgabenstellungen schaffen. Im Lastenheft für den Prüfstand verzichtete Professor Raabe (FH Dortmund) bewusst auf die Automatisierung gängiger Prüfabläufe. Diese Aufgaben sollen später Studierende übernehmen. Aus diesem Grund sind zunächst nur Bibliotheken zum Ansprechen der 40 antriebstechnik 2022/12 www.antriebstechnik.de

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG Mess- und Feldgeräte vorhanden, nicht jedoch fertige Bausteine für einen Leerlauf, Lastlauf oder ähnliches. Eine einfache grafische Benutzeroberfläche ermöglicht zumindest für den Anfang den Handbetrieb des Prüfstands. So ist das Einstellen stationärer Betriebszustände und deren Validierung möglich. WICHTIGE PROJEKTE Den Prüfstand entwickelte die FH unter der Maßgabe, dass Studierende mit unterschiedlichen Schwerpunkten Fragestellungen im Zusammenhang mit der elektrischen Antriebstechnik bearbeiten können. Zunächst besteht die Möglichkeit, elektrische Maschinen im Detail zu untersuchen und dabei die beschriebenen Betriebsarten des Prüfstands für den Prüflingsmotor auszunutzen. Für ein breites Spektrum an Themen sind folgende Maschinentypen im Labor vorhanden: Asynchronmotor (2- bis-8-polig, bis 11 kW) und 4-polige Motoren (3 kW): Permanentmagnetischer Synchronmotor, Synchronreluktanzmotor sowie ein Line-Start- Permanentmagnetmotor. Leer-, Last- und Erwärmungsläufe lassen sich durchführen sowie das Verhalten bei Variation von Spannung sowie Frequenz aufzeichnen und mit analytischen Berechnungen vergleichen. Studierende mit dem Schwerpunkt Automatisierungstechnik erhalten Aufgaben zur Erweiterung der Funktionalitäten der SPS. Dabei kann es sich um das Programmieren von Prüfabläufen handeln oder auch die kontinuierliche Aufzeichnung und Auswertung von Messdaten. Außerdem bieten sich Themen im Zusammenhang mit der noch rudimentären grafischen Benutzeroberfläche an. Hier können weitere Arbeiten die Optionen und Parameter der Messgeräte, Prüfabläufe, das Speichern von Messwerten in Dateien sowie zeitliche Verläufe von Messgrößen ergänzen. Bei einem messtechnischen Schwerpunkt sind Untersuchungen der eingesetzten Sensoren, Toleranzbetrachtungen und Vergleiche mit anderen im Labor zur Verfügung stehenden Messgeräten möglich. Mit Inbetriebnahme des Prüfstands im Februar 2022 wurden gleich drei Projekte von Masterstudierenden begonnen. Um Rüstzeiten zu vermeiden, basieren alle auf einem 3 kW Asynchronmotor als Prüfling. Dieser Motor wurde von der Firma Nord-Getriebe [3] gespendet. Die Aufgabe im ersten Projekt ist die Automatisierung des Leerlaufversuchs nach IEC 60034-2-1. Hier sind alle Schaltvorgänge, das Warmfahren, Einstellen der Spannung am Stelltransformator und Aufzeichnen sowie Speichern der Messwerte zu berücksichtigen. Der Fokus liegt auf der Programmierung in strukturiertem Text und dem Erstellen einer passenden sowie leicht verständlichen Visualisierung. Im zweiten Projekt geht es um die Analyse und den Vergleich der Einzelverluste und des Wirkungsgrads bei Netz- und Frequenzumrichterbetrieb. Hier liegen die Aufnahme von Messungen und die physikalische Interpretation der Ergebnisse im Fokus. Das dritte Projekt behandelt ausschließlich den Frequenzumrichterbetrieb, wobei dieser ungeregelt bleibt. Stattdessen wird versucht, eine Regelung auf Basis der SPS zu entwerfen, die für einen neuen Betriebspunkt nach Lastanstieg oder -abwurf eine optimale Kombination aus Spannung und Frequenz findet. Das Optimalitätskriterium lässt sich dabei unterschiedlich definieren. WEITERFÜHRENDE ARBEITEN Folgeprojekte mit weiteren Studierenden sind bereits parallel gestartet. In einer Bachelorarbeit geht es um den Vergleich von Asynchron- und permanenterregtem Synchronmotor im Teillastbetrieb. Dabei kommt zum ersten Mal ein externer Frequenzumrichter mit Sinusfilter und zusätzlichem Leistungsmessgerät zum Einsatz, um die Gesamtverluste des Antriebsstrangs aufteilen zu können. Spannungen, Ströme und Leistungen werden hier an insgesamt drei Stellen aufgezeichnet. Aufgabe ist, zu untersuchen, wann sich der Einsatz des Sinusfilters in Bezug auf den Gesamtwirkungsgrad tatsächlich lohnt. In einer weiteren Bachelorarbeit wird die grafische Benutzeroberfläche neu aufgesetzt und erweitert. Dabei lassen die Studierenden die bisher gesammelten Erfahrungen einfließen und legen besonderen Wert auf Sicherheit und Benutzerfreundlichkeit. Wichtige Parameter, zum Beispiel Grenzfrequenzen der Leistungsmessungen sind wie bereits beschrieben aktuell nur am Messgerät selbst zugänglich. Zukünftig soll der Bediener diese direkt am Touchpanel überprüfen und auch einstellen können. Analog verhält es sich mit den Einstellungen für das Milliohmmeter, auch diese sind bisher ausschließlich am Messgerät vorzunehmen. Die Gefahr, dass Studierende die Messungen mit ungünstigen oder ungewollten Einstellungen durchführen und die Ergebnisse signifikant verändern, ist gegeben, da mittlerweile eine größere Zahl Studierende im Wechsel am Prüfstand arbeitet. Dies zeigt die Wichtigkeit der Bachelorarbeit. Zuletzt laufen im Rahmen einer betrieblichen Praxis noch Messungen an einem kleinen Asynchronmotor mit 0,37 kW. Dabei vergleichen die Anwender die Ergebnisse mit den zu Beginn genannten einfachen Lehrmitteln für Praktikumsversuche mit denen des neuen Prüfstands. Anschließend sollen die Tester die gemessenen Motorcharakteristiken auch noch mit analytischen Berechnungen auf Basis des magnetischen Kreises nachvollziehen und so den Bogen zwischen Theorie und Praxis schlagen. Bilder: FH Dortmund www.fh-dortmund.de Links/Literaturhinweis [1] www.fh-dortmund.de/labore/elektrische-maschinen-em.php [2] www.vogelsangbenning.de [3] www.nord.com [4] DIN EN 60034-2-1: Drehende elektrische Maschinen – Teil 2-1: Standardverfahren zur Bestimmung der Verluste und des Wirkungsgrades aus Prüfungen, 2015 DER AUTOR Prof. Dr. Nick Raabe, FB Elektrotechnik und Elektrische Antriebssysteme, Fachhochschule Dortmund www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2022/12 41