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Bachelorthesis
Bachelorthesis
Matthias Lübbe
Matthias Lübbe
Neuentwicklung
eines automatisierten
MotorenprüfNeuentwicklung
eines automatisierten
standes
zur Endprüfung der
Motorenprüfstandes
zurAsynchronmotoren
Endprüfung der in
Radargeräten
Asynchronmotoren
in Radargeräten
Fakultät Technik und Informatik
Fakultät
Technik
und Informatik
Department
Informationsund
Department
Informations- und
Elektrotechnik
Elektrotechnik
Faculty of Engineering and Computer Science
Faculty of Engineering
and
Computer Science
Department
of Information
and
Department of Information and
Electrical Engineering
Electrical Engineering
Matthias Lübbe
Neuentwicklung eines automatisierten
Motorenprüfstandes zur Endprüfung der
Asynchronmotoren in Radargeräten
Bachelorthesis eingereicht im Rahmen der Bachelorprüfung
im Studiengang Informations- und Elektrotechnik
am Department Informations- und Elektrotechnik
der Fakultät Technik und Informatik
der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg
Betreuender Prüfer: Prof. Dr. Gustav Vaupel
Zweitgutachter: Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Jörg Dahlkemper
Abgegeben am 25. August 2010
Matthias Lübbe
Thema der Bachelorthesis
Neuentwicklung eines automatisierten Motorenprüfstandes zur Endprüfung der
Asynchronmotoren in Radargeräten
Stichworte
Oberschwingung, Asynchronmotor, Netzrückwirkung, Nutzwertanalyse, Simplorer,
LOGO!Soft Comfort, Frequenzumrichter
Kurzzusammenfassung
Die Bachelorthesis behandelt die Neuentwicklung eines automatisierten Prüfplatzes
für 14 verschiedene Asynchronmotoren. Die zu prüfenden Motoren befinden sich in
einer Leistungsklasse von 70W bis 1000W und werden in Radaren verbaut. Mit der
Prüfung soll sicher gestellt werden, dass die in Radaren eingebauten Motoren funktionsfähig und bereit für den Betrieb sind. Zur Festlegung der Realisierungsform des
Prüfplatzes werden unterschiedliche Lösungsansätze erarbeitet und einer Nutzwertanalyse unterzogen. Die Variante mit dem besten Nutzwertergebnis wird umgesetzt
und hinsichtlich des Einflusses auf die Motoren hin untersucht. Anschließend erfolgt
ein Test des Prüfplatzes.
Matthias Lübbe
Title of the paper
New development of an automated engine test stand for the final testing of asynchronous motors in radar equipment
Keywords
harmonic, asynchron motor, system perturbation, benefit analysis, Simplorer,
LOGO!Soft Comfort, frequency converter
Abstract
The bachelor thesis deals with the development of a new automated test station for 14
different motors. The engines are tested in a performance from 70W to 1000W and
are built in radars. The test is to ensure, that the motors built in radars are operational
and ready for operation. To determine the realization form of the test station, will
be developed solution options and to subject a benefit analysis. The variant with the
best benefit result is implemented and in terms of influence on the engines examined.
A check of the test station follows.
Danksagung
Ich bedanke mich bei Herrn Prof. Dr. Gustav Vaupel für die Betreuung meiner Arbeit.
Die mir gewährten Freiheiten ermöglichten ein selbstständiges und interessantes Arbeiten. Gleichfalls möchte ich mich bei Herrn Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Jörg Dahlkemper für
die freundliche Übernahme der Zweitkorrektur bedanken, Herrn Dipl.-Ing. Sönke Mier der
mich mit viel Engagement als betrieblicher Betreuer unterstützte.
Des Weiteren danke ich Katharina Flemming und Dipl.-Wirt.-Ing. Haiko Fries für das Korrekturlesen der Arbeit. Nicht vergessen werden dürfen meine Kollegen in der Arbeitsvorbereitung, die mir mit einer angenehmen und netten Arbeitsumgebung halfen die Arbeit
fertig zu stellen. Meinen zahlreichen Kollegen, die mir unterstützend mit Fachwissen zur
Seite standen und mir somit die Einarbeitung in die Thematik erleichterten. Mein besonderer Dank gilt meiner Familie und meinen Freunden, deren Unterstützung ich mir während
meines gesamten Studiums sicher sein konnte und die besondere Rücksicht, in der entscheidenden Phase der Thesis, auf mich nahmen.
Diese Arbeit möchte ich meiner vor vier Jahren plötzlich verstorbenen Schwester Anna
Lübbe widmen. Sie hat mir somit erst dieses Studium ermöglicht.
III
Verwendete Symbole
Formelzeichen
A
b
Cw
d
f
F
h
I
l
L
m
M
n
N
p
P
r
t
T
U
v
Z
η
λ
π
ρ
ω
cos ϕ
Beschreibung
Amplitude
Breite
Widerstandsbeiwert
Durchmesser
Frequenz
Kraft
Höhe
Stromstärke
Länge
Induktivität
Masse
Drehmoment
Drehzahl
Windungszahl
Polpaarzahl
Leistung
Radius
Zeit
Temperatur
Spannung
Geschwindigkeit
Impedanz
Wirkungsgrad
Wellenlänge
Kreiszahl
Massendichte
Kreisfrequenz
Phasenverschiebungswinkel
Einheit
[m]
[m]
[Hz]
[N]
[m]
[A]
[m]
[H]
[kg]
[Nm]
[1/s]
[W]
[m]
[s]
[K]
[V]
[m/s]
[Ω]
[m]
3,14159...
[kg/m3 ]
[1/s]
IV
Verwendete Abkürzungen
Abkürzung
BRT
CPU
CW-Wert
DIN
EMV
EN
ESD
FFT
FU
GTO-Thyristor
HA
HM
IGBT
IP
ISO
ITU
MOSFET
PELF
PWM
Radar
RCD
RMS
ROT 1
ROT 2
SELF
SIPN
TCU
THD
USB
VA
VDE
Beschreibung
Bruttoregistertonne
central processing unit (Hauptprozessor)
Strömungswiderstandsbeiwert
Deutsches Institut für Normung
Elektromagnetische Verträglichkeit
Europäische Norm
electro-static discharge (elektrostatische Entladung)
Fast Fourier Transform (Schnelle Fourier-Transformation)
Frequenzumrichter
Gate Turn-Off Thyristor (durch das Gate abschaltbarer Thyristor)
Halbautomatisch
Headmarker (Impuls des Radars nach jeder vollen Umdrehung)
Insulated Gate Bipolar Transistor
(Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode )
International Protection (Schutzart)
International Organization for Standardization
(Internationale Organisation für Normung)
International Telecommunication Union
(Internationale Fernmeldeunion)
Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor
(Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor )
Protective Extra Low Voltage
(Funktionskleinspannung mit sicherer Trennung)
Pulsweitenmodulation
Radio Detection and Ranging
(Funkortung und Funkabstandsmessung)
Residual Current protective Device
(Fehlerstromschutzeinrichtung)
Root Mean Square (Effektivwert)
Rotationsgeschwindigkeit 1
Rotationsgeschwindigkeit 2
Safety Extra Low Voltage (Sicherheitskleinspannung)
Steuerungstechnisch interpretiertes Petrinetz
Transmission Control Unit (elektronische Getriebesteuerung)
Total Harmonic Distortion (Gesamte harmonische Verzerrung)
Universal Serial Bus (Bussystem für Computer)
Vollautomatisch
Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik
Inhaltsverzeichnis
1
2
3
Einleitung
1
1.1
Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.2
Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.3
Aufbau der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
1.4
Rahmenbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
Analyse der Anforderungen
5
2.1
Technische Anforderungen an den Motorenprüfstand . . . . . . . . . . . .
5
2.2
Anforderungsliste an den Motorenprüfstand für die 14 Motoren . . . . . . .
7
2.3
Betriebliche Vorgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.4
Ist-Zustand der momentanen Prüfvorrichtung . . . . . . . . . . . . . . . .
8
Realisierungsvarianten des Motorenprüfstandes
3.1
3.2
10
Vollautomatische Realisierungsvariante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1.1
Vollautomatische Variante 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1.2
Vollautomatische Variante 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.1.3
Vollautomatische Variante 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Halbautomatische Realisierungsvariante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2.1
Halbautomatische Variante 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.2
Halbautomatische Variante 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.3
Halbautomatische Variante 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3
Zusammenfassung der unterschiedlichen Varianten . . . . . . . . . . . . . 26
3.4
Nutzwertanalyse der vorgestellten Varianten . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.5
Auswertung der gewonnenen Ergebnisse aus der durchgeführten Nutzwertanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
V
INHALTSVERZEICHNIS
VI
4
32
5
Realisierung des Motorenprüfstandes
4.1
Technische Umsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.2
Notwendigkeit der Simulation beim Einsatz eines Frequenzumrichters . . . 33
4.3
Simulation der Auswirkungen des Frequenzumrichters auf die Motoren . . 36
4.4
Auswertung der Simulationssrgebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.5
Schlussfolgerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.6
Erstellung der technischen Unterlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Funktionsprüfung des Motorenprüfstandes
5.1
6
7
8
58
Inbetriebnahme des Aufbaus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.1.1
Besichtigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.1.2
Erprobung und Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.1.3
Funktionsprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Exemplarischer Test einer Radaranlage
62
6.1
Testergebnisse der X-Bandradaranlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.2
Auswirkungen des Frequenzumrichters auf die Messergebnisse . . . . . . . 65
Verbesserungsvorschlag zum Radar 1100
74
7.1
Ausarbeitung des Verbesserungsvorschlages . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
7.2
Motorendimensionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
7.3
Berechnungen zur Motorendimensionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
7.4
Auswertung der Berechnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
7.5
Klärung der Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
7.6
Betrachtung der Kosteneffizienz des Umbaus . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Zusammenfassung
8.1
84
Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
A Zusätzliche Informationen
87
A.1 Informationen zu S-Band und X-Band . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
INHALTSVERZEICHNIS
VII
A.2 Informationen zu Dahlandermotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
A.3 Entstehende Problematik beim Einsatz von Frequenzumrichtern . . . . . . 90
A.3.1 Allgemeine Problematik des Frequenzumrichters . . . . . . . . . . 90
A.3.2 EMV-Problematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
A.4 Eigenkonstruktion eines Transportwagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
B Zeichnungen
93
B.1 LOGO!-Steuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
B.2 Stromlaufpläne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
B.3 Konstruktionszeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
B.4 Liste der eingestellten Parametern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Abbildungsverzeichnis
1.1
S-Bandradaranlage und X-Bandradaranlage . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.2
Liste der verbauten S- und X-Bandmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2.1
Auswahl der verbauten Motoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
2.2
momentane Prüfvorrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
3.1
Hauptkomponenten der VA Variante 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2
Hauptkomponenten der VA Variante 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3
Hauptkomponenten der HA Variante 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.1
Grundschwingung und die dazugehörigen Harmonischen . . . . . . . . . . 36
4.2
Simplorermodell für einen Frequenzumrichter . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.3
Simplorersimulationsergebnisse des Frequenzumrichters . . . . . . . . . . 39
4.4
Signale aus der Simulation des Frequenzumrichters . . . . . . . . . . . . . 41
4.5
Effektivwert und Amplitude vom PWM-Signal des Frequenzumrichters . . 41
4.6
FFT-Analyse des Eingangsstromes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.7
FFT-Analyse der Lastspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.8
Flussdiagramm des Prüfablaufs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.9
Flussdiagramm der Motorenauswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.10 SIPN der Logosteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.11 grobe Übersicht eines Teils der Logosteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.12 Stromlaufpläne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.13 AutoCad-Zeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.1
Neu entwickelter Motorenprüfstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.2
Schaltkasten des neu entwickelten Motorenprüfstandes . . . . . . . . . . . 59
VIII
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
IX
6.1
X-Bandradaranlage ohne Antenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6.2
Prüfergebnisse der X-Bandradaranlage Teil A . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.3
Prüfergebnisse der X-Bandradaranlage Teil B . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.4
Anlaufströme der X-Bandradaranlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.5
Strom am Motor des Motorenprüfstandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.6
Spannung am Motor des Motorenprüfstandes . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.7
Strom Netzseitig des Motorenprüfstandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6.8
Spannung Netzseitig des Motorenprüfstandes . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.9
Strom am Motor der alten Prüfvorrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.10 Spannung am Motor der alten Prüfvorrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . 73
7.1
horizontale Windströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
7.2
vertikale Windströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
7.3
Drehmoment an der Antennenachse über den Antennenwinkel . . . . . . . 79
7.4
Nenndrehmoment an der Motorachse über den Antennenwinkel . . . . . . 80
7.5
Motorantriebsleistung über den Antennenwinkel . . . . . . . . . . . . . . . 80
A.1 Prinzipaufbau einer Radaranlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
A.2 Polumschaltbarer Motor mit Dahlanderwicklung . . . . . . . . . . . . . . 89
Tabellenverzeichnis
3.1
Kostenaufstellung für VA Variante 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2
Kostenaufstellung für VA Variante 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3
Kostenaufstellung für VA Variante 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.4
Kostenaufstellung für HA Variante 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.5
Kostenaufstellung für HA Variante 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.6
Kostenaufstellung für HA Variante 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.7
Zusammenfassung von Vor- und Nachteilen der vollautomatischen Varianten 24
3.8
Zusammenfassung von Vor- und Nachteilen der halbautomatischen Varianten 25
3.9
Nutzwertanalyse der möglichen Realisierungsformen . . . . . . . . . . . . 28
3.10 Stückliste des Motorenprüfstandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.1
Verträglichkeitspegel für Oberschwingungen der Geräteklasse A, bei einem Eingangsstrom < 16A nach VDE 0838 Teil 2 . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2
Verträglichkeitspegel für Oberschwingungen der Spannung in Niederspannungsnetzen nach VDE 0839 Teil 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
6.1
Stromwerte für den X-Bandradarmotor dreiphasig 400V/50Hz . . . . . . . 66
7.1
Gewichtsänderung der X-Bandradaranlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
7.2
Kostenaufstellung des Verbesserungsvorschlages . . . . . . . . . . . . . . 82
7.3
Gewinn des Verbesserungsvorschlages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
A.1 Frequenzbänder von S- und X-Band . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
A.2 Stückliste für die Fertigung des Transportwagens . . . . . . . . . . . . . . 92
B.1 veränderte Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
X
Kapitel 1
Einleitung
1.1
Motivation
Die momentane Prüfung der Radaranlagen findet mit einer etwa 20 Jahre alten Vorrichtung
statt. Auf Grund des technischen Alters der Prüfvorrichtung und fehlender Dokumentation, besteht die Notwendigkeit eines Neubaus. Falls die Prüfvorrichtung einen Schaden
erleidet oder anderweitig ausfällt, kann niemand anhand von technischen Unterlagen eine Reparatur oder Fehlersuche betreiben. Aus diesen Gründen wird eine neue Vorrichtung
entworfen, die den aktuellen Sicherheitsstandards entspricht und einen sicheren Prüfablauf
ermöglicht. Jeder Mitarbeiter soll anhand einer kurzen Einführung die Prüfung der Radaranlagen nach der vorhanden Prüfanweisung durchführen können. Darüber hinaus ist SAM
Electronics GmbH nach DIN EN ISO 9001:2008 zertifiziert. Dadurch verpflichtet sich das
Unternehmen an einem kontinuierlichen Verbesserungsprozess teilzunehmen. Dies beinhaltet alle Prozesse an denen das Unternehmen beteiligt ist. Angefangen von organisatorischen Prozessen und Abläufen bis hin zu Geräten und Werkzeugen. Zu letzterem gehört
unter anderem ein Motorenprüfstand.
1
KAPITEL 1. EINLEITUNG
1.2
2
Zielsetzung
Das von SAM Electronics vertriebene Produkt “Radar 1100” dient zur Navigationshilfe in
der Schifffahrt. Je nach Größe des Schiffes, muss jedes Schiff ein oder mehrere Radaranlagen besitzen. So brauchen Schiffe ab einer Größe von 300 Bruttoregistertonnen (BRT)
mindestens eine X-Bandradaranlage1 . Schiffe über 3000 BRT benötigen zusätzlich eine
S-Bandradaranlage[18]. Je nach Klassifizierungsgesellschaft müssen dann die Radaranlagen redundant ausgelegt sein. Auf Grund der unterschiedlichen Frequenzbänder und damit
verbundenen Wellenlänge, sind die Antennen (auch Scanner genannt) der Radaranlagen
unterschiedliche dimensioniert. Dadurch bedingt wird für die S-Bandradaranlagen eine höhere Motorleistung benötigt, um die Antenne anzutreiben. Des Weiteren kann der Kunde
je nach seinen Bordnetzanforderungen einen passenden Motor auswählen. Insgesamt sind
das sieben verschiedene Motortypen für X-Bandradaranlagen und sieben verschiedene Motortypen für S-Bandradaranlagen. Insgesamt müssen somit 14 verschiedene Motoren(siehe
Abbildung 1.2) mit dem Motorenprüfstand geprüft werden können. Eine Prüfung der Motoren soll möglich sein, bevor die Motoren verbaut wurden und im eingebauten Zustand,
also in Verbindung mit dem Getriebe. Die Prüfung dient der Endkontrolle und hilft fehlerhafte Motoren zu erkennen. Zu den Fehlern zählen zum Beispiel, Beschädigungen der
Isolation, Wicklungsfehler oder falsch angeklemmte Wicklungen. Mit Hilfe des Motorenprüfstandes können kostspielige Serviceeinsätze an Bord des Schiffes vermieden und eine
Qualitätsverbesserung der Produkte gewährleistet werden. Nachfolgend ist eine Abbildung
der S-Bandradaranlagen und X-Bandradaranlagen zu sehen. Danach folgt eine Abbildung
der verfügbaren Motoren. Die 115V-Motoren sind aus dem Sortiment genommen.
Abbildung 1.1: S-Bandradaranlage (große Antennen) und X-Bandradaranlage (kleine Antennen)
1 nähere
Informationen zu S- und X-Band im Anhang A1
KAPITEL 1. EINLEITUNG
3
RADARPILOT 1000
8 Repair/Maintenance
Technical Manual
8.8 Fuses
Antenna Motor (F1...F3), Heating (F4)
X-Band
1)
Mains
supply
Nom.
current
/A
Power/W
Fuse F1...F3/A
(slow blow)
F4/A
(slow blow)
rpm
(nom.)
1-ph/115 V
50 Hz
1.6
100
6.3
2
1430
Asynchronous motor
(1X14PD2511550)
1-ph/115 V
60Hz
1.5
100
6.3
2
1730
Asynchronous motor
(2X14PD2511560)
1-ph/230 V
50 Hz
0.8
70
4
2
1430
Asynchronous motor
(3X14PD2523050)
1-ph/230 V
60 Hz
0.8
70
4
2
1730
Asynchronous motor
(4X14PD2523060)
3-ph/230 V
50 Hz
1.15/0.55
180/70
6.3
2
2700/
1450
Dahlander Asynchr. motor
(5X32/4PD2523050)
3-ph/230 V
60 Hz
1.05/0.52
180/70
6.3
2
3330/
1750
Dahlander Asynchr. Motor
(6X32/4PD2523060)
3-ph/400 V
50 Hz 1)
0.65/0.32
180/70
4
2
2700/
1450
Dahlander Asynchr. motor
(7X32/4PD2540050)
3-ph/400 V
60 Hz
0.60/0.30
180/70
4
2
3330/
1750
Dahlander Asynchr. motor
(8X32/4PD2540060)
Motor
Motor
also 3-ph/440 V, 60 Hz
S-Band
1)
278
Mains
supply
Nom.
current/
A
Power/W
Fuse F1...F3/A
(slow blow)
F4
(slow blow)
rpm
(sync.)
1-ph/115 V
50 Hz
11
900
16
2
1430
Asynchronous motor
(1S14PD2911550)
1-ph/115 V
60 Hz
11
900
16
2
1740
Asynchronous motor
(2S14PD2911560)
1-ph/230 V
50 Hz
5.5
900
10
2
1430
Asynchronous motor
(3S14PD2923050)
1-ph/230 V
60 Hz
5.5
900
10
2
1730
Asynchronous motor
(4S14PD2923060)
3-ph/230 V
50 Hz
4.2/3.2
1000/750
10
2
2890/
1450
Dahlander Asynchr. motor
(5S32/4PD2923050)
3-ph/230 V
60 Hz
3.8/3.1
1000/750
10
2
3520/
1760
Dahlander Asynchr. motor
(6S32/4PD2923060)
3-ph/400 V
50 Hz 1)
2.4/1.9
1000/750
6.3
2
2890/
1450
Dahlander Asynchr. motor
(7S32/4PD2940050)
3-ph/400 V
60 Hz
2.2/1.75
1000/750
6.3
2
3510/
1760
Dahlander Asynchr. motor
(8S32/4PD2940060)
also 3-ph/440 V, 60 Hz
ED3038G342 / 11 (2004-10)
t_r1_e08.fm / 29.09.04
Abbildung 1.2: Liste der verbauten S- und X-Bandmotoren aus dem Technical Manual
RADARPILOT 1000
KAPITEL 1. EINLEITUNG
1.3
4
Aufbau der Arbeit
In Kapitel 2 findet eine Analyse der Anforderungen statt. Dort ist der Funktionsumfang
des Motorenprüfstandes definiert. Das Kapitel 3 beinhaltet eine Vorstellung der möglichen
Lösungsvarianten, um den Motorenprüfstand zu realisieren. Dafür werden Komponenten
exemplarisch vorgeschlagen und die dazugehörigen Marktpreise ermittelt. Unter Berücksichtigung der zuvor erstellten Anforderungen wird eine Nutzwertanalyse durchgeführt. Im
Kapitel 4 ist die Realisierung des Motorenprüfstandes behandelt. Dies beinhaltet die Erstellung von Stromlaufplänen, Konstruktionszeichnungen, der Steuerungsentwurf und die
Umsetzung. Das Kapitel 5 beinhaltet die Funktionsprüfung des Motorenprüfstandes. Darin
ist zusätzlich eine Simulation enthalten, in welcher der Einfluss des Motorenprüfstandes
auf die Motoren simuliert wird. Danach folgen die messtechnische Überprüfung der Simulationsergebnisse sowie ein exemplarischer Test einer Radaranlage in Kapitel 6. Das
folgende Kapitel 7 beschäftigt sich mit einer Verbesserungsmöglichkeit der Radaranlage.
Dies ermöglicht es, den Motorenprüfstand zu vereinfachen. Abschließend ist im Kapitel
8 eine Zusammenfassung zu finden, in der die gewonnen Ergebnisse sowie ein Ausblick
aufgeführt sind.
1.4
Rahmenbedingungen
Das Motorenprüfgerät wird im Produktionsbereich der SAM zum Einsatz kommen. Dort
herrschen klimatisierte und saubere Arbeitsbedingungen. Somit bestehen keine besonderen Anforderungen an den Schutzart (IP). Das Spannungsnetz in der Fertigung ist ein 400V
TN-C-S Drehstromsystem. Von einer 16A Drehstromsteckdose kann die benötigte Versorgungsspannung für den Motorenprüfstand entnommen werden. Es existiert kein definierter Endtermin, bis wann der Motorenprüfstand einsatzbereit sein sollte. Diese Situation
ermöglicht eine gründlichere und intensivere Einarbeitung in das Thema. Die Lösungsansätze können besser ausgearbeitet werden und es nimmt den Druck auf eine zeitnahe
Fertigstellung des Motorenprüfstandes. Die benötigten Komponenten und Materialien sowie das vorhandene Budget zur Beschaffung der Komponenten werden nach Fertigstellung
der Nutzwertanalyse bestimmt.
Kapitel 2
Analyse der Anforderungen
2.1
Technische Anforderungen an den Motorenprüfstand
An das neu zu entwerfende Motorenprüfgerät werden verschiedenartige Anforderungen
gestellt. Zunächst soll es alle Prüfanforderungen der existierenden Prüfanweisung für Getriebe GR3040PA1 und GR3041PA2 erfüllen. Der Motorenprüfstand soll die in der Produktion verwendeten Motoren prüfen. Dazu zählt die Prüfung der Motoren bevor sie in
das Getriebe eingebaut werden und im bereits eingebauten Zustand in der Radaranlage,
wenn die Motoren mit dem Getriebe verbunden sind. Darunter fallen nach der Auswahl
des verbauten Motortyps die Prüfung des Anlaufstromes sowie der Strom bei Betriebsart
ROT1 (Stufe 1) und ROT2 (Stufe 2 nur für dreiphasige Motoren). Bei dreiphasigen Motoren ist zusätzlich auf Schieflast im Anlauf sowie im Betrieb des Motors zu achten. Die Sollwerte für die jeweiligen Motorströme sind vom Hersteller der Dahlandermotoren bekannt.
Die Abkürzung ROT1 und ROT2 steht dafür, dass damit der verwendete Dahlandermotor,
mit Hilfe von Schützen, in seinen Wicklungen umgeschaltet wird. Wobei ROT1 für den
langsam laufenden Betrieb steht und ROT2 für den schnell laufenden Betrieb. Des Weiteren werden vom Getriebe zwei Sensorsignal zurückgegeben, welche ausgewertet werden
müssen. Ein Headmarker-Impuls wird einmal pro Umdrehung der Radarantenne von einer Lichtschranke geliefert. Die Azimut-/Pulsersignale kommen bei S-Bandradaranlagen
von einem induktiven Sensor, welcher die Zähne der Zahnräder abtastet. Pro Umdrehung
sind es 72 Flankenwechsel. Bei X-Bandradaranlagen hingegen liefert die Pulse eine Lichtschranke, welche eine Lochscheibe abtastet. Es sind 415 Pulse pro Umdrehung[14]. Die
vorgegebene Antennendrehzahl bei S-Bandradaranlagen und bei X-Bandradaranlagen beträgt bei ROT1 24U/min und bei ROT2 48U/min[13]. Diese Drehzahl wird durch ein jeweils unterschiedliches Übersetzungsverhältnis erreicht. Wenn 50Hz-Motoren eingesetzt
werden ist diese kleiner als wenn 60Hz-Motoren eingesetzt werden. Wünschenswert wäre
eine Kontrolle der Umdrehungszahl. Zumindest muss die Überprüfung der beiden Signale
erfolgen, ob die Impulse geliefert werden. Außerdem wird vom Motorenprüfstand erwartet,
dass dieser leicht und einfach zu den Radaranlagen zu transportieren ist. Die momentane
Prüfvorrichtung wiegt 80kg und ist mit schwergängigen Transportrollen zu bewegen.
1 Prüfanweisung
2 Prüfanweisung
für X-Bandradaranlagen
für S-Bandradaranlagen
5
KAPITEL 2. ANALYSE DER ANFORDERUNGEN
6
Da das zu entwerfende Motorprüfgerät mobil sein soll, muss generell auf die elektromagnetische Verträglichkeit geachtet werden. Elektrostatische Entladungen dürfen zum Schutz
elektronischer Bauteile und Personen nicht auftreten. Diese könnte durch walken der Gummibereifung der Räder an den Lagern beim Schieben des Motorenprüfstandes, auftreten.
Eine technisch unwichtige Anforderung ist das Design des Motorprüfstandes. Allerdings
es sollte nicht nur allen technischen Anforderungen genügen, sondern auch den repräsentativen Erscheinungsbild eines modernen und technisch fortschrittlichen Unternehmens gerecht werden.
Abbildung 2.1: Auswahl der verbauten Motoren: links X-Bandmotor (70W) 1x230V/50Hz;
mitte X-Bandmotor (180W) 3x400V/50Hz; rechts S-Bandmotor (1000W) 3x400V/50Hz
KAPITEL 2. ANALYSE DER ANFORDERUNGEN
2.2
7
Anforderungsliste an den Motorenprüfstand für die
14 Motoren
Nachfolgende Anforderungen bestehen an den Motorenprüfstand.
• Anlaufströme messen und überprüfen,
• Betriebsströme für ROT1 und ROT2 messen und überprüfen,
• Headmarker-Impuls überprüfen,
• Azimut-/ Pulsersignal und die Umdrehungszahl überprüfen.
2.3
Betriebliche Vorgaben
Für die Realisierung der in Kapitel 2.2 genannten Anforderungen sind keine Einschränkungen vorhanden. Es kann frei aus dem Angebot diverser Hersteller zurückgegriffen werden.
Dies ist notwendig, da unterschiedliche Lösungsansätze ausgearbeitet werden sollen, die
der Entscheidungsfindung dienen. Die spätere technische Lösung sowie Nutzwertanalyse bestimmt welches Konzept zu favorisieren ist. Eine weitere Vorgabe ist es die Kosten
gering zu halten. Des Weiteren wird ein automatisierter Prüfablauf angestrebt, um Bedienfehler und Prüfzeiten zu minimieren. Ein vorher zu erstellender Prüfablaufplan wird bei
den Entwicklungsarbeiten helfen.
KAPITEL 2. ANALYSE DER ANFORDERUNGEN
2.4
8
Ist-Zustand der momentanen Prüfvorrichtung
Abbildung 2.2: momentane Prüfvorrichtung
Pro Jahr werden zwischen 400 und 800 S-Bandradaranlagen und X-Bandradaranlagen gefertigt und geprüft. Dies geschieht, wie in Kapitel 1.1 erwähnt, mit einer zirka 20 Jahre
alten Prüfvorrichtung. Die Prüfvorrichtung kann die Phasenströme im Betrieb des Motors
messen. Dazu verbindet der Prüfer zwei Stecker mit dem Anschlussterminal der Radaranlage. Das ist zum einem die Versorgungsspannung, je nach Modell einphasig oder dreiphasig und die Steuerleitungen für die jeweiligen Funktionen der Radaranlage. Nachdem der
Prüfer die jeweils erforderliche Versorgungsspannung über einen Stelltrafo eingestellt und
diesen Wert auf einem analogen Spannungsmessgerät überprüft hat, kann er die jeweiligen Betriebsströme ablesen. In einem nächsten Schritt werden die gemessen Daten mit den
Herstellerangaben verglichen. Die Ströme werden für jede Phase mit jeweils einem analogen Strommessgerät für die S-Bandradaranlagen und X-Bandradaranlagen gemessen. Dies
ist notwendig, da die Messbereiche für die Ströme unterschiedlich groß sind, um eine möglichst hohe Auflösung zu liefern. Bei X-Bandradaranlagen betragen die Ströme maximal
0,8A und bei S-Bandradaranlagen 5,5A.
2 Angaben
aus der Datenbank von SAP
KAPITEL 2. ANALYSE DER ANFORDERUNGEN
9
Gefordert wird auch die Prüfung des Anlaufstromes. Dieser ist nur bedingt mit den analogen Messgeräten darstellbar. Hingegen ist die Ermittlung der Ströme für die Geschwindigkeiten ROT1 sowie ROT2 ausreichend. Die Umschaltung zwischen den beiden Geschwindigkeitsstufen erfolgt mittels Kippschalter. Auf einem Oszilloskopbildschirm wird
auf zwei Kanälen jeweils der Headmarker-Impuls und das Azimut-/Pulsersignal dargestellt.
Dadurch wird die Kurvenform der beiden Signale deutlich. Auf die geforderte Umdrehungszahl von 24U/min bei ROT1 und 48U/min bei ROT2 kann nur bedingt geschlossen
werden. Es wird nur überprüft, ob die beiden Signale anliegen und die Sensoren Signale liefern. Vorhandene Probleme, die durch den neuen Motorenprüfstand erkannt werden
sollen, sind:
• Ablesefehler bei den analogen Messgeräten,
• unzureichende Bestimmung des Anlaufstromes,
• Ablesefehler in der Tabelle, ob der zulässige Strom eingehalten wird,
• HM-Impuls kann zwar erkannt werden, aber nicht die Umdrehungszahl,
• Azimut-/Pulsersignal kann erkannt werden, eine Drehzahlbestimmung ist nicht möglich.
Die momentane Prüfzeit pro Radaranlage beträgt 2,5 Minuten. Dies beinhaltet die Verbindungsherstellung mit den notwendigen Steckverbindungen zwischen Radaranlage und
Prüfgerät, das Einstellen der jeweiligen Versorgungsspannung laut Tabelle3 , die Auswahl
des zu prüfenden Motortyps, das Kontrollieren der einzuhaltenden Phasenströme und das
Ablesen des Oszilloskopbildschirmes.
3 Tabelle
befindet sich in GR3040PA und GR3041PA
Kapitel 3
Realisierungsvarianten des
Motorenprüfstandes
Um eine Auswahl über mögliche Realisierungsformen treffen zu können, muss aus der Anforderungsliste1 und den Rahmenbedingungen2 , eine minimale Systemvoraussetzungsliste
der Komponenten erstellt werden. Damit eine Prüfung der Radaranlagen durchgeführt werden kann, wird eine Betriebsspannung von dreiphasen Drehstrom mit 400V/50Hz benötigt.
Diese Spannung ist ausreichend, um alle Motorenspannungen zu erzeugen. Es werden zukünftig digitale Anzeigeelemente für Strom und Spannung verwendet, damit mögliche Ablesefehler durch einen falschen Blinkwinkel auf die Anzeigen vermieden werden.
Viele Stromversorgungsgeräte können mit einer externen Steuerung bedient werden. So
kann zum Beispiel die Ausgangsspannung des Stromversorgungsgerätes mit einem Analogwert eingestellt werden. Um die unterschiedlichen Motorenspannungen vorzugeben,
benötigt die Steuerung einen analogen Ausgang. Der Forderung das Azimut-/Pulsersignal
und den HM-Impuls zu überprüfen, kann mit zwei digitalen Eingängen, welche mit einer Frequenz von mindestens 332Hz abtasten [14], nach gekommen werden. Das Azimut/Pulsersignal tritt häufiger auf. Nach folgender Formel wird die Abtastrate berechnet.
u
48 min.
Pulse
Pulse
· 415
= 332
60s
u
sec.
1 siehe
2 siehe
Kapitel 2.2
Kapitel 1.4
10
(3.1)
KAPITEL 3. REALISIERUNGSVARIANTEN DES MOTORENPRÜFSTANDES
11
Die Anzahl der digitalen Eingänge kann sich je nach Steuerungsprinzip erhöhen. Dies wird
bei der Vorstellung der möglichen Realisierungsmöglichkeiten in den nächsten Abschnitten deutlich. Dies ist der Fall wenn zum Beispiel zusätzliche externe Taster angeschlossen
werden wie Ein- oder Austaster. Mit diesen könnte die Steuerung Ein- oder Ausgeschaltet
werden. Die Steuerung der Radaranlage benötigt ein 24V Startsignal (“24V für TCU”) und
eine Geschwindigkeitsvorgabe, ob auf ROT1 oder ROT2 geschaltet werden soll. Mit diesem Signal wird die Polumschaltung im Dahlandermotor gesteuert. Um diese drei Funktionen zu realisieren, werden mindestens drei digitale Ausgänge benötigt. Insgesamt ergeben
sich daraus folgende Minimalanforderungen:
• eins analoger Ausgang,
• zwei digitale Eingänge (Abtastrate mindestens 332Hz),
• drei digitale Ausgänge.
Unter Berücksichtigung der minimalen Systemvoraussetzungen werden nun Varianten zur
Realisierung eines Motorenprüfstandes erarbeitet. Anschließend folgt eine Nutzwertanalyse, um abzuwägen welche Variante sich am besten für die Umsetzung eignet und alle Anforderungen erfüllt. Die folgenden Kostenaufstellungen sind zirka Nettopreise ohne
Berücksichtigung von Firmenrabatten. Zusätzlich werden noch Kleinteile, Leitungen und
Sicherheitselemente wie Not-Aus, Fehlerstromschutzeinrichtung (RCD) benötigt, welche
nicht detailliert aufgelistet werden.
KAPITEL 3. REALISIERUNGSVARIANTEN DES MOTORENPRÜFSTANDES
3.1
12
Vollautomatische Realisierungsvariante
Eine vollautomatische Variante hat den Vorteil, dass die gesamte Prüfung ohne externes menschliches Eingreifen erfolgt. Dies reduziert Fehlerquellen erheblich. Um die
gewünschte Spannungsversorgung für den Motor bereitzustellen wird ein programmierbares Stromversorgungsgerät verwendet. Damit können sowohl Frequenzen wie auch die
benötigten Spannungen variabel eingestellt werden. Gleichzeitig ermöglichen Stromversorgungsgeräte einen vorprogrammierten Prüfablauf zu implementieren. Die Messung
von Phasenspannungen, Phasenströmen sowie Leistungen ist bereits integriert. Ein weiterer Vorteil des Stromversorgungsgerätes ist der integrierte Überlastschutz sowie die
Kurzschlussfestigkeit. Dies erlaubt es, bis auf Leitungsschutzschalter, auf zusätzlich Absicherungen zu verzichten. Für die Steuerung und Visualisierung des Motorenprüfstandes
dient ein Laptop mit dem Betriebssystem Windows XP. Dieses Betriebssystem ist weit
verbreitet und wird von vielen Softwareanwendungen unterstützt. Insbesondere das vorgesehene Steuerungsprogramm LabView ist unter XP lauffähig. Mit dem Laptop können die
Bedienung des Prüfstandes sowie die Programmierung der Steuerungssoftware realisiert
werden. Die Radaranlage benötigt Steuerbefehle und gibt wie in Kapitel 2.1 erwähnt zwei
Sensorsignale aus, welche überprüft werden müssen. Dafür wird ein Interface verwendet,
welches als ein USB Optokoppler Relaismodul ausgeführt sein kann. Es dient als Verbindungsstück zwischen der Radaranlage und der Steuerung. Dieses ist notwendig, um die
Steuerung von Kurzschlüssen und ähnlichen unerlaubten Betriebszuständen zu schützen
und die notwendige Steuerspannung von 24V für die Radaranlage bereit zu schalten. Für
die Erzeugung der Steuerspannung von 24V, wird ein Labornetzgerät verwendet. Dieses
ist kurzschlussfest und benötigt keine zusätzliche Absicherung. Alternativ ist auch die
Verwendung eines Festspannungsnetzgerätes möglich.
Mit der vollautomatischen Variante sind somit Bedienungs- und Handhabungsfehler
auf ein Minimum reduziert. Die einzige Fehlerquelle ist nun das fehlerhafte Einstellen
des Motorentyps. Dies würde jedoch zu einer ungültigen Prüfung führen. Somit sind alle
Fehlerursachen durch den Bediener beseitigt.
In Kapitel 3.2.1, 3.2.2 und 3.2.3 folgen verschiedene Ausführungen eines vollautomatisierten Prüfablaufes. Im Internet sind Hersteller ausfindig gemacht, die die in Kapitel 2.2
genannten Anforderrungen erfüllen. Preise für die Komponenten wurden beim jeweiligen
Hersteller erfragt oder auf Websites von Händlern übernommen.
KAPITEL 3. REALISIERUNGSVARIANTEN DES MOTORENPRÜFSTANDES
3.1.1
13
Vollautomatische Variante 1
Das Stromversorgungsgerät ist bei gleichem Leistungsangebot im Vergleich zu anderen
Herstellen am günstigsten. Die maximale Leistung der zu prüfenden Motoren beträgt 1kW.
Ein Anlaufstrom von 10A3 ist dabei durchaus möglich[1]. Dafür ist die Leistung des Stromversorgungsgerätes mit 4,5kW ausreichend. Das Labornetzgerät hat einen großen einstellbaren Spannungsbereich und kann einen für die Anforderung ausreichend großen Strom
liefern. Dies ist sinnvoll, falls es zu einem späteren Zeitpunkt zu einer Erweiterung der
Anlage kommt. Der Laptop ist für Industrieeinsätze geeignet und ist für die in der Produktion gegeben Arbeitsbedingungen ausgelegt. Andere Hersteller liefern ähnliche Geräte in
der gleichen Preiskategorie. Daher gibt es keine besonderen Gründe, für die Entscheidung,
zu einem bestimmten Hersteller zu tendieren. Das Interface ist das Einzige, welches die
Anforderung erfüllt und in dem Relais verbaut sind. Diese können einen größeren Strom
schalten als Transistoren. Sind aufgrund des mechanischen Aufbaus aber langsamer, was
die Schaltzeiten betrifft. Da die notwendigen Schaltzeiten vernachlässigbar lang sind, ist
dies kein Nachteil. Ein Transportwagen, um den Ansprüchen der Mobilität gerecht zu werden, kann von einer Hamburger Firma geliefert werden. Dieser ist variabel anpassbar und
besitzt Rollen die auf elektrostatische Entladung (ESD) geprüfte sind. Somit sind ausreichende Ablagefächer für die verwendeten Komponenten vorhanden.
Abbildung 3.1: Hauptkomponenten der VA Variante 1, links Stromversorgungsgerät; mitte
Laptop; rechts Interface
3 laut
Tabellenbuch[1] kann der Anlaufstrom von Asynchronmotoren 7 · IN betragen
Preis in e
17.182,00
Merkmale
3x1500VA/ 3x270VAC/11,1A
VLP-1405 PRO
201,11
3
Laptop
DELL
Vostro V1520
359,00
4
5
Interface
Trans-portwagen
QUANCOM USBOPTOREL8
TRESTON WTR 140 Universalwagen
Summe:4
2 Ausgänge 0-40 V/DC 0-5A 3-6V/DC max.
2A
Intel Celeron Processor 900 (2.20GHz,
800MHz FSB,1MB L2 cache), 1024 MB
Arbeitsspeicher mit 800 MHz DDR2,15,4Zoll-WXGA-LED-Display mit reflexionsarmer
Beschichtung, 160-GB-Serial ATA-Festplatte
(5.400 1/min),Integrierte GMA X4500 HDGrafikkarte
8 Eingängen und 8 Relais,12V-30V
TxBxH: 650 x 650 x 1415; 150 kg
308,21
999,99
19.050,31
Tabelle 3.1: Kostenaufstellung für VA Variante 1
Stand 06.05.2010
14
4 Preise:
KAPITEL 3. REALISIERUNGSVARIANTEN DES MOTORENPRÜFSTANDES
Hersteller
California
Instruments
Voltcraft
Typ
4500Ls-400
2
Gerät
Stromversorgungsgerät
Labornetzgerät
Lfd.-Nr.
1
KAPITEL 3. REALISIERUNGSVARIANTEN DES MOTORENPRÜFSTANDES
3.1.2
15
Vollautomatische Variante 2
Die Variante 2 ist günstiger als Variante 1. Dies liegt vor allem daran, dass das Stromversorgungsgerät eine geringere Leistung besitzt und somit einen geringeren Strom treiben kann.
Dieser liegt unter dem möglichen Anlaufstrom des leistungsstärksten Motors von 1kW.
Dies ist jedoch nicht problematisch, da das Stromversorgungsgerät für eine Sekunde, eine
erhöhte Stromabgabe von bis zu 15A ermöglicht5 . Das Festspannungsnetzgerät ist ebenso
leistungsschwächer. Statt einem fertigen Transportwagen, wird eine Eigenentwicklungung
aus Aluminiumprofilen verwendet. Damit ist die Konstruktion des Motorenprüfstandes flexibler und günstiger als der Fertigbau. Durch zusätzlichen Fertigungsaufwand würde die
Realisierung mehr Zeit in Anspruch nehmen. Unten folgt die Kostenaufstellung.
5 Angabe
aus dem Datenblatt
Typ
2253i/iX
Preis in e
11.069,00
Merkmale
2250VA/ 300V/3,25A
FSP 2410
98,71
24 - 29 V/DC Ausgangsstrom max. 10 A
DELL
Vostro V1520
359,00
4
5
Interface
Transportwagen
QUANCOM USBOPTOREL8
SMT
Eigenbau
Summe:6
Intel Celeron Processor 900 (2.20GHz,
800MHz FSB,1MB L2 cache), 1024 MB
Arbeitsspeicher mit 800 MHz DDR2,15,4Zoll-WXGA-LED-Display mit reflexionsarmer
Beschichtung, 160-GB-Serial ATA-Festplatte
(5.400 1/min),Integrierte GMA X4500 HDGrafikkarte
8 Eingängen und 8 Relais,12V-30V
siehe Anhang A4
2
308,21
419,29
12.254,21
Tabelle 3.2: Kostenaufstellung für VA Variante 2
Stand 06.05.2010
16
6 Preise:
KAPITEL 3. REALISIERUNGSVARIANTEN DES MOTORENPRÜFSTANDES
Hersteller
California
Instruments
Voltcraft
3
Gerät
Stromversorgungsgerät
Festspannungsnetzgerät
Laptop
Lfd.-Nr.
1
KAPITEL 3. REALISIERUNGSVARIANTEN DES MOTORENPRÜFSTANDES
3.1.3
17
Vollautomatische Variante 3
Die Variante 3 stellt ein völlig anderes Konzept dar. Als Stromversorgung wird ein Frequenzumrichter verwendet. Dieser kann auf die jeweilige Motorenspannung eingestellt
werden. Die Steuerung übernimmt nun nicht mehr der Laptop, sondern eine LOGO!. Die
LOGO! ist eine reduzierte Variante einer speicherprogrammierbaren Steuerung. Reduziert sind dabei der Hauptprozessor (CPU), der Speicher und die Ein- sowie Ausgänge.
Andere Hersteller bieten ähnliche Produkte an. Die Vorteile der LOGO! gegenüber dem
Laptop sind die schnellere Einsatzbereitschaft und ein zuverlässigerer Programmablauf.
Ein Laptop benötigt durch den Bootvorgang mehr Zeit, um Bereit für eine Prüfung zu
sein. Des Weiteren sind Betriebssysteme fehleranfällig und können abstürzen. Da nun die
Ströme nicht vom Stromversorgungsgerät gemessen werden können, sind Stromwächter
notwendig. Diese liefern einen analogen Messwert in Form von normierten Signalen.
Dies kann ein Strom von 4...20mA oder eine Spannung von 0...10V sein. Die Hersteller
unterscheiden sich nicht stark in Preis/Leistung. Ebenso gut kann auch ein Stromwächter
verwendet werden. Um die Ströme überwachen zu können, werden zusätzlich zu den zwei
digitalen Eingängen, drei analoge Eingänge benötigt. Dies ist mit der LOGO! möglich
da Standardmäßig von den acht Eingängen, vier als analoge verwendet werden können.
Die digitalen Eingänge können mit 5kHz abtasten was der Forderung nachkommt, das
Azimut-/Pulsersignal zu kontrollieren. Für den analogen Ausgang ist ein Erweiterungsmodul nötig, standardmäßig sind keine analogen Ausgänge vorhanden. Der analoge Ausgang
ist notwendig, um einen Steuersollwert für den Frequenzumrichter vorzugeben. Dadurch
kann die benötigte Motorenspannung eingestellt werden. Statt der LOGO! könnte auch
ebenso die Easy verwendet werden. Das Paket mit Software und LOGO! wird jedoch
günstiger angeboten.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass Klärungsbedarf besteht, ob der Frequenzumrichter jeweils mit einem dreiphasigen Motor und einem einphasigen Motor betrieben
werden kann. Wenn der Frequenzumrichter dies nicht kann, muss ein zweiter verbaut
werden, der nur für Einphasenmotoren verwendet wird. Viele Hersteller weisen in den
technischen Handbüchern darauf hin, dass ihre Frequenzumrichter keine stark ausgeprägte
unsymmetrische Belastungen der Phasen vertragen. Dies wäre der Fall, wenn nur eine
Phase am Ausgang des Frequenzumrichters angeschlossen wird, statt drei.
Abbildung 3.2: Hauptkomponenten der VA Variante 3, links Frequenzumrichter; mitte LOGO! mit Textdisplay; rechts Stromwächter
Typ
SD25309
Preis in e
500,00
FSP 2410
98,71
Merkmale
Volt:400 (3Ph); Amp.:9,0;
KW:4,0;mit Netzfilter
24 - 29 V/DC Ausgangsstrom max. 10 A
8 Eingänge davon 4 Analog; 4 Relaisausgänge
74,97
4 Eingänge; 4 Relaisausgänge
126,00
2 analoge Ausgänge
6
3 · 161, 00
7
Transportwagen
SMT
TD NEWS BOX
12/24V 0BA6 DE
digitale Erweiterung
analoge Erweiterung
WAZ1
CMA
1/5/10A ac
Eigenbau
Summe:7
296,31
Steuerungserweiterung
Steuerungserweiterung
Stromwächter
SIEMENS
LOGO!
SIEMENS
LOGO!
SIEMENS
LOGO!
Weidmüller
transformatorisch;Ie=0...10A AC;
Ausgang:0(4)...20 mA; =0...10 V
siehe Anhang A4
2
3
4
5
Gerät
Frequenzumrichter
Festspannungsnetzgerät
Steuerung
419,29
1998,28
Tabelle 3.3: Kostenaufstellung für VA Variante 3
Stand 06.05.2010
18
7 Preise:
KAPITEL 3. REALISIERUNGSVARIANTEN DES MOTORENPRÜFSTANDES
Hersteller
California
Instruments
Voltcraft
Lfd.-Nr.
1
KAPITEL 3. REALISIERUNGSVARIANTEN DES MOTORENPRÜFSTANDES
3.2
19
Halbautomatische Realisierungsvariante
Ein anderer Lösungsansatz stellt ein halbautomatischer Prüfablauf dar. Der wesentliche
Unterschied besteht in der Bereitstellung der Motorenspannung. Diese wird mit einem
Stelltransformator realisiert. Dafür muss die notwendige Spannung mit einem Handrad
eingestellt werden. Der Nachteil ist, die fehlende Einstellungsmöglichkeit einer Frequenz
von 60Hz für die Motoren. Dies könnte durch Umrechnung kompensiert werden.
Zum Beispiel:
440V
60Hz
=
366,67V
50Hz
(eine Erklärung folgt unten)
Eine halbautomatische Variante verringert den Automationsgrad und verlangt somit
für den Prüfvorgang zusätzliches Eingreifen von extern. Dadurch werden zusätzliche Fehlerquellen geschaffen. Aus diesen Gründen ist ein halbautomatischer Prüfablauf in vielen
Anwendungsfällen unerwünscht. An dieser Stelle wird er dennoch in die Betrachtung
miteinbezogen.
Für die Steuerung wird eine LOGO! mit zusätzlichem, vergrößertem Bedien- und Anzeigeelement verwendet. Die Steuerspannung von 24V, wird wie zuvor von einem Labornetzgerät oder Festspannungsnetzgerät geliefert. Alternativ kann zur LOGO! auch ein Laptop
mit dem Optokoppler Relaismodul benutzt werden. Die Nachteile sind aus Kapitel 3.3.3
bekannt.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass mögliche Bedienfehler vorhanden bleiben.
Zum Beispiel falsche Einstellung der Betriebsspannung der Motoren. Eine Auswahl des
Prüfprogramms ist mit der LOGO! nur bedingt möglich.
Ergänzung zum Beispiel von oben: Die prozentuale Spannungsdifferenz bei dem Beispiel
von oben beträgt 16, 67% gegenüber der eigentlichen Motorenspannung bei 60Hz. Diese
= 83, 33% und 100% − 83, 33% = 16, 67% erklärt
könnte einfacherweise durch 50·100%
60
werden. Besser hingegen ist, dass die Spannung bei einem 50Hz-Netz verringert werden
muss, wenn daran ein für 60Hz-Netze ausgelegter Motor betrieben wird. Der im Motor fließende Strom wird somit begrenzt, was notwendig ist um die Wicklungen des Motors nicht
zu überlasten. Folgende Formel erklärt den Zusammenhang der mechanischen Leistung.
M=
1000 · P
n
2π · 60
Weil f von 60Hz auf 50Hz sinkt, folgt bedingt durch n =
Formel 3.2 nach P umgestellt wird,
n
M · 2π · 60
P=
1000
(3.2)
f ·60
p
y n ↓ y M ↑ . Wenn die
(3.3)
ist folgender Zusammenhang ersichtlich. M ↑ y P ↑ . Aus P = U · I · cos(ϕ) folgt, wenn
P ↑ y I ↑ . Durch U = I · Z wird deutlich, wenn I ↑ muss U ↓ um den Strom zu begrenzen.
KAPITEL 3. REALISIERUNGSVARIANTEN DES MOTORENPRÜFSTANDES
3.2.1
20
Halbautomatische Variante 1
Für die Bereitstellung der Motorenspannung dient ein Stelltransformator. Dieser ist Wartungsarm und äußerst zuverlässig. Nachteil ist sein hohes Gewicht von zirka 85 kg bedingt
durch die Kupferwicklungen. Dies führt dazu, dass die gesamte Prüfvorrichtung sperrig
und schwerfällig zu transportieren ist. Als Steuerung kommt hier wie bei Variante VA 1
in Kapitel 3.3.1 erwähnt, ein Laptop zum Einsatz. Zusätzlich muss zur Spannungsbestimmung, ein Spannungsmessumformer verwendet werden, um die eingestellte Spannung des
Stelltransformators zu überprüfen. Eine Kostenaufstellung folgt in Tabelle 3.4.
Abbildung 3.3: Hauptkomponenten der HA Variante 1, links Stelltransformator; mitte Laptop; mitte oben Stromwächter; rechts Interface
3.2.2
Halbautomatische Variante 2
Die halbautomatische Variante 2 ist eine weitere Möglichkeit für einen halbautomatischen
Motorenprüfstand. Der Unterschied zur Variante 1 ist, dass anstatt des Laptops eine LOGO
als Steuerung eingesetzt wird. Vorteile und Nachteile der LOGO! sind in der Variante VA 3
in Kapitel 3.3.3 behandelt worden. Durch Verwendung der LOGO! fällt das Interface weg.
Des Weiteren wird ein anderes Labornetzgerät verbaut sowie der Transportwagen selbst
gefertigt. Dadurch wird die Anlage wesentlich günstiger. Die Kostenaufstellung folgt in
Tabelle 3.5.
3.2.3
Halbautomatische Variante 3
In der Variante 3 wird wie zuvor in Variante 1, das günstigere Netzgerät für die 24V Steuerspannung verwendet. Außerdem wird ein wesentlich leichterer Stelltransformator verbaut.
Dieser kann einen kleineren Strom von 12A liefern. Dadurch werden die Querschnitte der
Kupferleitungen kleiner und es kommt somit zu einer Gewichtsreduzierung. Der Strom
von 12A ist dennoch ausreichend für die Anlaufströme des stärksten Motors. Eine Kostenaufstellung folgt in Tabelle 3.6.
Typ
CMV20-E3 20A
Preis in e
1000,05
FSP 2410
98,71
DELL
Vostro V1520
359,00
4
5
Interface
Stromwächter
6
Transportwagen
7
Spannungsmessumformer
QUANCOM USBOPTOREL8 308,21
Weidmüller WAZ1
CMA 3 · 161, 00
1/5/10A ac
TRESTON WTR 140 Uni- 999,99
versalwagen
Phoenix
MCR-VAC-UI-0- 99,00
Ue=0-370VAC; Ausgang:0(4)...20mA; 0...10V
Contact
DC
Summe:8 3347,96
Tabelle 3.4: Kostenaufstellung für HA Variante 1
2
Stand 06.05.2010
Intel Celeron Processor 900 (2.20GHz,
800MHz FSB,1MB L2 cache), 1024 MB
Arbeitsspeicher mit 800 MHz DDR2,15,4Zoll-WXGA-LED-Display mit reflexionsarmer
Beschichtung, 160-GB-Serial ATA-Festplatte
(5.400 1/min),Integrierte GMA X4500 HDGrafikkarte
8 Eingängen und 8 Relais, 12V-30V
transformatorisch;Ie=0...10A AC;
Ausgang:0(4)...20mA; 0...10 V
TxBxH: 650 x 650 x 1415; 150 kg
21
8 Preise:
Merkmale
4800VA; Ue=400V; Ua=0-112%; Ia=20A;
Gewicht=85kg
24 - 29 V/DC Ausgangsstrom max. 10 A
KAPITEL 3. REALISIERUNGSVARIANTEN DES MOTORENPRÜFSTANDES
Hersteller
Caroroll &
Meynell
Voltcraft
3
Gerät
Stelltransformator
Festspannungsnetzgerät
Laptop
Lfd.-Nr.
1
2
3
4
5
6
7
Typ
TD NEWS BOX
12/24V 0BA6DE
Digitale Erweiterung
VLP-1405 PRO
Preis in e
296,31
Merkmale
8 Eingänge davon 4 analog; 4 Relaisausgänge
Steuerungserweiterung
Labornetzgerät
Hersteller
SIEMENS
LOGO!
SIEMENS
LOGO!
Voltcraft
74,97
4 Eingänge; 4 Relaisausgänge
201,11
Stelltransformator
Stromwächter
Caroroll &
Meynell
Weidmüller
CMV20-E3 20A
1000,05
3 · 161, 00
Transportwagen
Spannungsmessumformer
SMT
Phoenix
Contact
WAZ1
CMA
1/5/10A ac
Eigenbau
MCR-VAC-UI-0DC
Summe:9
2 Ausgänge 0-40 V/DC 0-5A 3-6V/DC max.
2A
4800VA; Ue=400V; Ua=0-112%; Ia=20A;
Gewicht=85kg
transformatorisch;Ie=0..10 A AC;
Ausgang:0(4)..20mA; 0...10V
siehe Anhang A4
Ue=0-370VAC; Ausgang:0(4)...20mA; 0...10V
Gerät
Steuerung
419,29
99,00
2573,73
Tabelle 3.5: Kostenaufstellung für HA Variante 2
Stand 06.05.2010
22
9 Preise:
KAPITEL 3. REALISIERUNGSVARIANTEN DES MOTORENPRÜFSTANDES
Lfd.-Nr.
1
2
3
4
5
6
7
Gerät
Steuerung
Steuerungserweiterung
Festspannungsnetzgerät
Stelltransformator
Stromwächter
Transportwagen
Spannungsmessumformer
Hersteller
SIEMENS
LOGO!
SIEMENS
LOGO!
Voltcraft
Typ
TD NEWS BOX
12/24V 0BA6DE
Digitale Erweiterung
FSP 2410
Preis in e
296,31
Merkmale
8 Eingänge davon 4 analog; 4 Relaisausgänge
74,97
4 Eingänge; 4 Relaisausgänge
98,71
24 - 29 V/DC Ausgangsstrom max. 10A
Tufassons
OITA 15
863,10
Weidmüller
WAZ1
CMA
1/5/10A ac
Eigenbau
MCR-VAC-UI-0DC
Summe:10
3 · 161, 00
Ue=400 VAC; Ua=0...450VAC; Ia=12A;
Gewicht=4kg
transformatorisch;Ie=0...10A AC;
Ausgang:0(4)...20mA; 0...10V
siehe Anhang A4
Ue=0-370VAC; Ausgang:0(4)...20mA; 0...10V
SMT
Phoenix
Contact
419,29
99,00
2334,38
Tabelle 3.6: Kostenaufstellung für HA Variante 3
Stand 06.05.2010
23
10 Preise:
KAPITEL 3. REALISIERUNGSVARIANTEN DES MOTORENPRÜFSTANDES
Lfd.-Nr.
1
Variante
VA 1
-
VA 2
-
VA 3
-
Vorteile
schnelle Inbetriebnahme des Motorenprüfstandes durch wenig
Konstruktions- und Programmieraufwand
universell und erweiterungsfähig durch die verwendeten Komponenten
geringes Gewicht
gute Visualisierung des Prüfablaufes mit Hilfe des Laptops möglich
sehr Leistungsfähige Einzelkomponenten
fehlerhafter Prüfvorgang durch automatischen Prüfablauf sehr unwahrscheinlich
Nachteile
späte Einsatzbereitschaft für eine Prüfung der Radaranlagen aufgrund des Bootvorgangs vom Laptop
- sehr hohe Kosten durch das Stromversorgungsgerät
- fehleranfällige Anlage aufgrund des Laptops
-
zügige Inbetriebnahme des Motorenprüfstandes durch leicht erhöhten
Konstruktions- und Programmieraufwand
universell und erweiterungsfähig durch die verwendeten Komponenten
geringes Gewicht
gute Visualisierung des Prüfablaufes mit Hilfe des Laptops möglich
leistungsfähige Einzelkomponenten
fehlerhafter Prüfvorgang durch automatischen Prüfablauf sehr unwahrscheinlich
-
späte Einsatzbereitschaft für eine Prüfung der Radaranlagen aufgrund des Bootvorgangs vom Laptop
- hohe Kosten durch das Stromversorgungsgerät
- fehleranfällige Anlage aufgrund des Laptops
schnell für eine Prüfung der Radaranlagen bereit
-
bedingt erweiterungsfähig aufgrund
der speziellen Komponenten
- längere
Inbetriebnahmezeit
durch
Konstruktions- und Programmieraufwand
fehlerhafter Prüfvorgang durch automatischen Prüfablauf unwahrscheinlich
- geringes Gewicht
- sehr geringe Kosten der Komponenten
Tabelle 3.7: Zusammenfassung von Vor- und Nachteilen der vollautomatischen Varianten
hohen
KAPITEL 3. REALISIERUNGSVARIANTEN DES MOTORENPRÜFSTANDES
In Tabelle 3.7 findet eine Zusammenfassung von Vor- und Nachteile der vollautomatischen Varianten statt. Die Tabelle 3.8 zeigt Vor- und
Nachteile der halbautomatischen Varianten.
24
Vorteile
- schnelle Inbetriebnahme des Motorenprüfstandes durch wenig Konstruktions- und Programmieraufwand
- geringe Kosten der Komponenten
- gute Visualisierung des Prüfablaufes mit Hilfe des Laptops
möglich
-
HA 2
-
schnell für eine Prüfung der Radaranlagen bereit
sehr geringe Kosten der Komponenten
zuverlässig
-
HA 3
-
schnell für eine Prüfung der Radaranlagen bereit
sehr geringe Kosten der Komponenten
zuverlässig
-
Nachteile
späte Einsatzbereitschaft für eine Prüfung der Radaranlagen aufgrund des Bootvorgangs vom Laptop
sehr hohes Gewicht und sehr sperrig aufgrund des Transformators
fehlerhafter Prüfvorgang aufgrund eines nicht automatisierten
Prüfablaufs wahrscheinlich
bedingt erweiterungsfähig aufgrund der speziellen Komponenten
fehleranfällige Anlage aufgrund des Laptops
sehr hohes Gewicht und sehr sperrig aufgrund des Transformators
schlecht erweiterungsfähig aufgrund der speziellen Komponenten
längere Inbetriebnahmezeit durch hohen Konstruktions- und Programmieraufwand
- fehlerhafter Prüfvorgang aufgrund eines nicht automatisierten
Prüfablaufs wahrscheinlich
hohes Gewicht und sperrig aufgrund des Transformators
schlecht erweiterungsfähig aufgrund der speziellen Komponenten
längere Inbetriebnahmezeit durch hohen Konstruktions- und Programmieraufwand
- fehlerhafter Prüfvorgang aufgrund eines nicht automatisierten
Prüfablaufs wahrscheinlich
Tabelle 3.8: Zusammenfassung von Vor- und Nachteilen der halbautomatischen Varianten
KAPITEL 3. REALISIERUNGSVARIANTEN DES MOTORENPRÜFSTANDES
Variante
HA 1
25
KAPITEL 3. REALISIERUNGSVARIANTEN DES MOTORENPRÜFSTANDES
3.3
26
Zusammenfassung der unterschiedlichen Varianten
Die Betriebs- und Wartungskosten liegen bei allen Varianten im gleichen Kostenbereich
und können daher als Entscheidungsfaktor vernachlässigt werden. Ebenso sind Kosten für
Leitungen, Kleinteile, Taster und Leitungsschutzschaltern bei allen Varianten nicht zu berücksichtigen. Die Kosten unterscheiden sich nur unwesentlich. Die angegebenen Preise,
sind Preisangaben die durch Nachfrage bei Lieferanten zustande kamen und dienen lediglich als Richtwert. Teilweise wurden auch Preisangaben auf Internetseiten der jeweiligen
Vertriebspartner ermittelt. Aus der Kostenaufstellung ist zu entnehmen, dass die Variante 3
im vollautomatischen Betrieb die Preiswerteste ist. Daher wird sie von den Entscheidungsträgern favorisiert.
3.4
Nutzwertanalyse der vorgestellten Varianten
Mit dem Instrument der Nutzwertanalyse wird die Entscheidungsfindung nachvollziehbar
ermöglicht. Dabei werden folgende Kriterien berücksichtigt:
• die Auswahl zwischen mehreren Alternativen durch eine Systematisierung der Einzelbewertungen zu erleichtern,
• unterschiedliche Kriterien in ihrer Komplexität zu strukturieren,
• gleichzeitige Berücksichtigung qualitativer und quantitativer Kriterien,
• teilweise subjektive Wertvorstellungen zu objektivieren,
• Bewertungen und Auswahlentscheidungen transparenter zu gestalten[15].
Die Methode der Nutzwertanalyse wird immer dann angewendet, wenn Investitionsentscheidungen zwischen mehreren Alternativen vorliegen, bei denen die objektiven wie subjektiven Kosten-Nutzen-Kriterien unterschiedlich gewichtet bzw. ausgeprägt sind. Wenn
zusätzlich mehrere Bewertungskriterien vorliegen, d.h. wenn zwischen komplex zusammengesetzten Entscheidungsalternativen die optimale Variante auszuwählen ist, ist die
Nutzwertanalyse das zu wählende Mittel. Die Anwendung dieser Methode erfolgt nicht
nur, wie hier bei der Auswahl und Bewertung mehrer Realisierungsalternativen, sondern
auch in der Bewertung von Kunden oder Lieferanten, aber auch in der Personalauswahl und
anderen vergleichbaren Bewertungs-/Entscheidungssituationen[10]. Zur Durchführung der
Nutzwertanalyse werden Entscheidungskriterien ermittelt und unter einem gegebenen Zielsystem entsprechend bewertet. Folgend ist die Vorgehensweise in Stichpunkten aufgeführt,
nach der die Nutzwertanalyse durchgeführt wird.
KAPITEL 3. REALISIERUNGSVARIANTEN DES MOTORENPRÜFSTANDES
27
Vorgehensweise:
1. Entscheidungsziel, Bewertungskriterien festlegen
2. Bestimmung der zu untersuchenden Alternativen
3. Gewichtungsfaktoren der Zielkriterien bestimmen
4. Nutzwert-(Punkte-) Skala mit Minimal-, Zwischen- und Maximalwerten festlegen
5. Teilnutzen je Alternative und Kriterium bestimmen
6. Teilnutzen je Alternative und Kriterium auf Punktwerte (Scores) übertragen
7. Gesamtnutzen der Alternativen durch Addition der Punktwerte ermitteln
8. Auswahl der optimalen (gesamtnutzenmaximale) Alternative[10]
Um die unterschiedlichen Varianten bewerten zu können, wird eine Nutzwertanalyse
durchgeführt. Anhand der Auswahlkriterien wird ein Gewichtungsgrad festgelegt. Automatisierungsgrad, Bediensicherheit und Kosten sind wichtige Entscheidungsfaktoren und
bekommen die höchste Gewichtung. Die Summe der Gewichtung muss eins sein. Der Zielertrag gibt Auskunft in wie weit die Vorgaben erfüllt sind. Die Zahl zehn stellt dabei die
maximale Erfüllung der Anforderung dar. Das aus der Nutzwertanalyse gewonnene Ergebnis entscheidet darüber, welche Variante zu favorisieren ist. Die endgültige Entscheidung
liegt allerdings beim Bereichsleiter. Die Ergebnisse der durchgeführten Nutzwertanalyse
folgen in Tabelle 3.9.
3.5
Auswertung der gewonnenen Ergebnisse aus der
durchgeführten Nutzwertanalyse
Aus der Nutzwertanalyse geht hervor, dass Variante 3 in der vollautomatischen Ausführung den größten Nutzwert besitzt. Die Nutzwerte der halbautomatischen Ausführungen
sind wesentlich geringer als die der Variante 3 VA. Dies liegt daran, dass der Grad der
Automatisierung zu gering ist und sich dadurch das Gesamtergebnis verschlechtert. Die
Varianten 1 VA und 2 VA sind zu kostspielig und verhindern somit ein besseres Gesamtergebnis. Als Realisierungsvorschlag gegenüber den Entscheidungsträgern wird daher die
Variante 3 VA vorgestellt. Um die endgültigen Kosten ermitteln zu können, werden erste
Konstruktionszeichnungen und Stromlaufpläne erstellt. Auf dieser Grundlage aufbauend
können die Kosten für alle Komponenten ermittelt werden. Anhand erster Zeichnungen
und Rücksprache mit Lieferanten wurde die nachfolgende Stückliste erstellt. Nach Rücksprache mit dem Hersteller des Frequenzumrichters für die dreiphasigen Motoren wurde
bestätigt, dass dieser keine unsymmetrische Belastung verträgt und sich abschaltet. Somit
wird ein zusätzlicher Frequenzumrichter zur Bereitstellung der Motorenspannung der einphasigen Motoren notwendig. In der Tabelle 3.10 werden die benötigten Komponenten des
Motorenprüfstandes aufgeführt.
Kriterien
Grad der Automatisierung
Zeit der Einsatzbereitschaft
Bedienfehlersicherheit
Zuverlässigkeit
Erweiterungsfähigkeit
Zeit für Umsetzung
Kosten
Gewichtung
0,3
0,1
0,2
0,1
0,05
0,05
0,2
VA Variante 1
Zielertrag Teilnutzen
10
3
3
0,3
9
1,8
5
0,5
9
0,45
4
0,2
2
0,4
6,65
VA Variante 2
Zielertrag Teilnutzen
10
3
3
0,3
9
1,8
5
0,5
8
0,4
4
0,2
3
0,6
6,8
VA Variante 3
Zielertrag Teilnutzen
8
2,4
7
0,7
7
1,4
8
0,8
6
0,3
7
0,35
8
1,6
7,55
Gewichtung
0,3
0,1
0,2
0,1
0,05
0,05
0,2
HA Variante 1
Zielertrag Teilnutzen
3
0,9
8
0,8
5
1
8
0,8
6
0,3
7
0,35
7
1,4
5,55
HA Variante 2
Zielertrag Teilnutzen
3
0,9
8
0,8
5
1
8
0,8
5
0,25
7
0,35
8
1,6
5,7
HA Variante 3
Zielertrag Teilnutzen
5
1,5
4
0,4
7
1,4
6
0,6
6
0,3
4
0,2
7
1,4
5,8
Tabelle 3.9: Nutzwertanalyse der möglichen Realisierungsformen
KAPITEL 3. REALISIERUNGSVARIANTEN DES MOTORENPRÜFSTANDES
Kriterien
Grad der Automatisierung
Zeit der Einsatzbereitschaft
Bedienfehlersicherheit
Zuverlässigkeit
Erweiterungsfähigkeit
Zeit für Umsetzung
Kosten
28
Menge
1St
Preis in e
500,00
ODE1-12075-DE
1St
250,00
LOGO! TD Starter
Box
6ED1
057-3BA10-0AA0
Digitale
Erweiterung DM8 12 /
24R
LOGO! AM2 AQ
1St
300,00
1St
75,00
4 Eingänge; 4 Relaisausgänge
1St
126,00
2 analoge Ausgänge
3St
161,00
Krauss Naimer
Krauss Naimer
WAZ1 CMA
1/5/10A ac
CG4 A220-600 E
CG4 A220-600 E
1St
1St
16,00
16,00
Umschalter
Krauss Naimer
CG4 A220-600 E
1St
16,00
10
Stufenschalter
Krauss Naimer
CG4 A230-600 E
1St
22,00
11
12
13
Ausschalter
Not Aus-Schalter
Ausschalter
Krauss Naimer
Krauss Naimer
Krauss Naimer
KG10A T202/04 E
P SN-PV-K01
CG4 A290-600 E
1St
1St
1St
26,00
22,00
16,00
transformatorisch;Ie=0..10A AC;
Ausgang:0(4)...20mA; 0...10V
Schalterstellung 1-2; Schild: 1P-3P
Schalterstellung 1-2; Schild: SBand/X-Band
Schalterstellung 1-2; Schild: 50Hz60Hz
Schalterstellung 1-2-3; Schild:
230V-400V-440V
3-polig
Rückstellung durch ziehen
Schalterstellung 0-1;
Schild: Steuerung AUS-EIN
weiter auf der nächsten Seite
Gerät
Frequenzumrichter
Frequenzumrichter
Steuerung
Hersteller
Power
Electronics
POPHOF
Antriebstechnik
SIEMENS
LOGO!
4
Steuerungserweiterung
SIEMENS
LOGO!
5
6
Steuerungserweiterung
Stromwächter
SIEMENS
LOGO!
Weidmüller
7
8
Umschalter
Umschalter
9
2
3
Merkmal
Volt:400 (3Ph); Amp.:9,0; KW:4,0;
mit Netzfilter
Volt:230 (1Ph);
Amp.:4,3; KW:0,37;
8 Eingänge davon 4 Analog; 4 Relaisausgänge; 200 Logikblöcke
29
Typ
SD25309
Pos.
1
KAPITEL 3. REALISIERUNGSVARIANTEN DES MOTORENPRÜFSTANDES
Resultierende Stückliste des Motorenprüfstandes
Preis in e
15,00
15,00
30,00
110,00
30,50
Merkmal
Ein-Taster grün
Aus-Taster rot
40A/30mA/4-polig
Türmasse:478 x 598
Art.Nr.
276845
Contactor,
5,5kW/400V, AC-operated
2St
130,00
12m
1,76
Art.Nr. 2811116;
±0...10V/0...20mA
8 schwarz, 2m
SMT
SMT
SMT
SMT
S208NSOS6
S208NSMS8
S208NSMS5
S208MV
10St
10St
10St
1St
0,25
0,24
0,24
1,24
8, ohne Steg, M6
8, mit Steg, M8
8, mit Steg, M5
8 PA
SMT
SMT
SMT
SMT
SMT
SMT
SMT
SMT
SMT
S208HG160PA
S208SCHPAR
S208GW
S208WAK40
S208L75A
S208LDF75A
S208HS830
S208HS816
S1084040L
1St
4St
2St
12St
2St
2St
30St
10St
12St
1St
2,25
1,62
2,59
0,37
12,32
14,82
0,25
0,20
9,48
136,00
8 PA 160
8 PA rechts
8 40x40
Gerät
Drucktaster flach
Drucktaster flach
RCD
Schaltkasten
Schütz
Hersteller
Krauss Naimer
Krauss Naimer
ABB
Lentz
Moeller
19
DC/DC-Wandler
Phoenix Contact
20
Abdeck- u. Einfassprofil
Nutenstein
Nutenstein
Nutenstein
Magnetverschluss
Handgriff
Scharnier
Gelenkwinkel
Abdeckkappe
Lenkrolle
Lenkrolle
Halbrundschraube
Halbrundschraube
Profil
Stromversorgung
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
D75 antistatisch
D75 Doppelfeststeller antistatisch
M8x30
M8x16
8 40x40 leicht
240VAC/24VDC/10
weiter auf der nächsten Seite
KAPITEL 3. REALISIERUNGSVARIANTEN DES MOTORENPRÜFSTANDES
Menge
1St
1St
1St
1St
1St
SMT
Typ
P SN-WD0001
P SN-WD0002
F204 A-40/0,03
GH60-210
DILM12-10
(400V50HZ,
440V60HZ)
MCR-VDC-UI-BDC
S208AEPSCHW
Pos.
14
15
16
17
18
30
36
37
38
Gerät
Hersteller
Leitungsschutzschalter
Leitungen, Hutschienen
und
Kabelkanal aus
fertigungsnaher
Lagerung
Relais
Sicherungsklemme
Typ
Menge
1St
Preis in e
14,00
1St
50,00
5St
8,11
5St
1,82
Summe: 2803,70
Tabelle 3.10: Stückliste des Motorenprüfstandes
Merkmal
FAZ; B16A;3 pol
24V AC/DC
20mm
KAPITEL 3. REALISIERUNGSVARIANTEN DES MOTORENPRÜFSTANDES
Pos.
35
31
Kapitel 4
Realisierung des Motorenprüfstandes
4.1
Technische Umsetzung
Nachdem die Form der Realisierung festgelegt und eine Stückliste erstellt wurde, kann die
Umsetzung des Motorenprüfstandes beginnen. Dafür werden endgültige Konstruktionszeichnungen in AutoCad 2006 erstellt1 . Mit deren Hilfe können Mitarbeiter der Fertigung
den Schaltkasten für den Motorenprüfstand bauen. Die Positionen der Durchbrüche und
die Positionen der Komponenten werden in einer weiteren Zeichnung festgelegt. Um die
elektrischen Komponenten miteinander zu verbinden, werden in Eplan 5.7 Stromlaufpläne
erstellt2 . Das Steuerungsprogramm wird in einer LOGO implementiert. Dafür existiert eine
eigene Software des Herstellers. In LOGO!Soft Comfort V6.1 wird die Steuerung erstellt3 .
Dies erfolgt mit Hilfe von Funktionsblöcken. Abschließend werden diverse Parameter an
den zwei Frequenzumrichtern, Stromwandlern und der Steuerung parametriert4 . Bevor mit
allen Arbeiten begonnen werden kann, wird eine Simulation zu den Einflüssen der Frequenzumrichter auf die Motoren durchgeführt. Es soll vermieden werden, dass der Motorenprüfstand, Motoren als defekt erkennt, welche jedoch keinen Defekt aufweisen. Auf
die entstehenden negativen Auswirkungen, während des Einsatzes von Frequenzumrichtern und die damit verbundene Problematik, wird im Anhang A3 näher eingegangen. Durch
den Einsatz von Frequenzumrichtern entstehen Netzrückwirkungen sowie damit verbundene EMV-Einflüsse[16]. An dieser Stelle wird davon ausgegangen, dass diese Problematik
bekannt ist. Aufgrund der im Anhang A3 aufgeführten Probleme, wie den Schaltvorgängen
und der Netzrückwirkung, werden Simulationen in Simplorer durchgeführt. Dies verdeutlicht die EMV-Auswirkungen auf die Motoren und das Spannungsnetz in der Produktion.
Zusätzlich werden die Harmonischen untersucht. Diese Untersuchung klärt, ob der Einsatz
eines Frequenzumrichters negative Auswirkungen auf den Motor haben könnte. Bedingt
durch Harmonische überlagern sich Frequenzspektren. Diese Überlagerung führt zu einem
Stromanstieg. Dieser erhöhte Strom führt allmählich zu Isolationsschäden, welche sich negativ auf die Lebensdauer der Motoren auswirken könnte, wenn der Motor nicht für diese
Ströme ausgelegt ist.
1 Konstruktionszeichnungen
im Anhang B3
im Anhang B2
3 Steuerung im Anhang B1
4 Liste der Parameter im Anhang B4
2 Stromlaufpläne
32
KAPITEL 4. REALISIERUNG DES MOTORENPRÜFSTANDES
4.2
33
Notwendigkeit der Simulation beim Einsatz eines Frequenzumrichters
Wie in Kapitel 4.1 erwähnt führen Netzrückwirkungen zu großen Problemen in den Energieversorgungsnetzen und den daran angeschlossenen Geräten. Die Auswirkungen auf Geräte und deren Komponenten sind vielfältig und können nicht allgemein betrachtet werden. Es kommt zu Abweichungen der Kenngrößen von Spannungsamplitude, Frequenz
sowie Spannungs- und Stromform. Aufgrund der unterschiedlichen Auswirkungen, sind
Lösungsmöglichkeiten auch immer separat zu betrachten. Maßnahmen um die Auswirkungen von Oberschwingungen innerhalb der Anlage zu reduzieren, müssen nicht unbedingt die im Netz verursachten Verzerrungen reduzieren. Es gibt mehrere verbreitete Probleme die durch Oberschwingungen verursacht werden. Einige sind hier stichpunktartig
aufgeführt[16].
Durch Oberschwingungsströme in Anlagen verursachte Probleme:
• Überlastung von Neutralleitern,
• Fehlauslösung von Leitungsschutzschaltern / Leistungsschaltern,
• Skineffekte,
• Überbeanspruchung von Kompensations-Kondensatoren,
• Verstärkung der Probleme mit magnetischen Wechselfeldern die durch nicht EMVgerechte Elektroinstallationen entstehen.
Durch Oberschwingungsspannungen verursachte Probleme:
• Spannungsverzerrungen,
• Überhitzung und Hochlaufschwierigkeiten von Drehfeldmotoren,
• Nulldurchgangsstörungen (bei elektronischen Betriebsmitteln, die sich an den Nulldurchgängen orientieren).
Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) beschreibt das Verhältnis zwischen der maximal auftretenden Störung und dem maximal tolerierbaren Störpegel zur Wahrung der
Funktion eines Gerätes. Im Bereich des Elektroenergienetzes werden Störgrößen bis zu
einer Frequenz von 2kHz nach VDE 0838 betrachtet. Einige der im EMVG92 geregelten
Einflussgrößen für die EMV sind hier stichpunktartig aufgeführt.
KAPITEL 4. REALISIERUNG DES MOTORENPRÜFSTANDES
34
Einige Einflussgrößen für die EMV:
• Netzrückwirkungen,
• Blitzeinwirkungen,
• Elektrische Felder,
• Korona-Entladungen,
• Magnetische Felder,
• Elektrostatische Entladung,
• Elektromagnetische Felder.
• Elektrische Korrosion.
Bei dem Motorenprüfstand treten bedingt durch den Frequenzumrichter und Asynchronmotor überwiegend Harmonische auf. Diese werden durch nichtlineare Verbraucher wie Induktivitäten hervorgerufen. Wenn das Signal periodisch ist, besteht es aus Sinusschwingungen, deren Frequenzen ganzzahlige Vielfache (n = 0, 1, 2, ...) der Grundfrequenz f1 sind.
Die Grundfrequenz hat die gleiche Periodendauer wie das Gesamtsignal (Abbildung 4.1).
Diese Komponenten bezeichnet man als Harmonische mit der Ordnungszahl n. Durch leistungselektronische Geräte wie Frequenzumrichter entstehen überwiegend Transiente. Dies
sind Störimpulse, die beim Abschalten von induktiven Lasten entstehen. Da sich Schaltkontakte von elektronischen Bauelementen, wie zum Beispiel IGBT’s, nur endlich schnell
öffnen können, erzeugt die induzierte Spannung in der Induktivität einen Funkenüberschlag
über dem geöffneten Schaltkontakt. Nachdem der Stromfluss durch Erlöschen des Funkens
zusammengebrochen ist, bildet sich über dem Kontakt wiederum eine Spannung, die erneut
zu einem Funkenüberschlag führt. Dieser Vorgang wiederholt sich solange, bis die Energie
der Induktivität nicht mehr ausreicht.
Durch Harmonische und Transiente treten Überströme auf, die zur Zerstörung von Kondensatoren im Frequenzumrichter führen können. Durch die Überlagerung von Grund- und
Oberschwingungen können Sicherungen und Schutzrelais, bedingt durch Überhitzung ausgelöst werden. Nach DIN VDE 0839 kann der Motorenprüfstand in die Umgebungsklasse 1
eingeordnet werden. Dazu zählen geschützte Versorgungen mit niedrigeren Pegeln wie im
öffentlichen Versorgungsnetz (Labore, Schutzeinrichtungen, Datenverarbeitung). Dies bedeutet das Spannungsschwankungen nicht größer als ±8% auftreten dürfen. Nach der VDE
0838 Teil 2 wird der Motorenprüfstand zusätzlich in die Geräteklasse A eingestuft, die für
symmetrische dreiphasige Betriebsmittel gilt. In der VDE 0838 Teil 2 ist festgelegt, wie
hoch die zulässigen Oberschwingungsströme in Niederspannungsnetzen für Betriebsmittel
mit einem Eingangsstrom ≤ 16A maximal sein dürfen. Die zulässigen Stromoberschwingungen sind in Tabelle 4.1 dargestellt. Des Weiteren ist die VDE 0839 Teil 2 wichtig.
Darin enthalten sind in Tabelle 4.2 die zulässigen relativen Grenzwerte für Spannungsoberschwingungen in Niederspannungsnetzen.
KAPITEL 4. REALISIERUNG DES MOTORENPRÜFSTANDES
Ordnung n Max
Ungerade
3
5
7
9
11
13
15...39
35
Oberschwingungsstrom in A
Klasse A
2,3
1,14
0,77
0,40
0,33
0,21
0,15· 15/n
Gerade
Klasse A
2
1,08
4
0,43
6
0,3
8..40.
0,23· 8/n
Tabelle 4.1: Verträglichkeitspegel für Oberschwingungen der Geräteklasse A, bei einem
Eingangsstrom < 16A nach VDE 0838 Teil 2
Ordnungszahl n
Verträglichkeitspegel in %
ungeradzahlige, nicht durch 3 teilbare Werte von n
5
6,0
7
5,0
11
3,5
13
3,0
17 ≤ n ≤ 49
2, 27 · (17/n) − 0, 27
ungeradzahlige, durch 3 teilbare Werte von n
3
5,0
9
1,5
15
0,4
21
0,3
21 < n ≤ 45
0,2
geradzahlige Werte von n
2
2,0
4
1,0
6
0,5
8
0,5
10
0,5
10 < n < 50
0, 25 · (10/n) + 0, 25
Gesamtverzerrung der Spannung
THD(%)
8
Tabelle 4.2: Verträglichkeitspegel für Oberschwingungen der Spannung in Niederspannungsnetzen nach VDE 0839 Teil 2
KAPITEL 4. REALISIERUNG DES MOTORENPRÜFSTANDES
36
Abbildung 4.1: Grundschwingung und die dazugehörigen Harmonischen
4.3
Simulation der Auswirkungen des Frequenzumrichters auf die Motoren
In der Simulation mit dem Programm Simplorer 5.0 wird ein Frequenzumrichtermodell
aufgebaut. Das Modell kann variabel an den jeweiligen Frequenzumrichter angepasst
werden. Weiterhin besteht das Modell aus einem Versorgungsnetz in dem die Impedanzen
und Spannungen angepasst werden können sowie eine veränderbare ohmsche-induktive
Last. Auf Grund fehlender Parameter der verwendeten Motoren wie Statorwiderstand,
Rotorwiderstand, Statorstreuinduktivität, Rotorstreuinduktivität und Trägheitsmoment
kann kein Model einer Asynchronmaschine verwendet werden, welches realitätsnäher ist
als die ohmsche-induktive Last. Aus dem Datenblatt des Frequenzumrichters (SD250)
ist bekannt, dass die Pulsweitenmodulation (PWM) mit einer Pulsfrequenz von 3kHz
getaktet wird. Das Signal wird mittels Sinus-Dreieck-Vergleich erzeugt. Dabei hat der
Sinus die Netzfrequenz von 50Hz und das Dreiecksignal die Pulsfrequenz. Je höher diese
Pulsfrequenz ist, umso geringer wird der Einfluss der Unsymmetrie, welche bedingt durch
die Gegentaktung der Wechselrichterzweige auftritt. Ab einer Frequenz von 2kHz ist diese
praktisch nicht mehr nachweisbar [16]. Die Ansteuerung des Gates der IGBT’s erfolgt
mit Hilfe von Petrinetzen. Der Frequenzumrichter an sich ist aus einer ungesteuerten
B6-Gleichrichterbrückenschaltung, einem Zwischenkreis mit Glättungskondensator sowie
einem selbstgeführten Stromrichter aufgebaut. Ob der Stromrichter aus den hier verwendeten IGBT’s besteht ist nicht bekannt. Dies ist für eine Simulation nicht relevant, da sich
MOSFET’s, GTO’s oder IGBT’s nur in der Schaltzeit und der Mindestpausenzeit, bevor
die Bauteile wieder schalten dürfen, unterscheiden. Dies kann mit einer Pausenzeit in
den Petrinetzen berücksichtigt werden. Die Halbleiterbauelemente könnten mit Hilfe von
Exponentialkennlinien an die realen Bauteile angepasst werden, wenn die Charakteristik
der Bauteile bekannt ist. Für die Nachbildung aller relevanten elektrischen Größen wird
KAPITEL 4. REALISIERUNG DES MOTORENPRÜFSTANDES
37
in der Simulation ein 3x400V/50Hz-Motor mit einer Leistung von 180W verwendet.
Dieser wird ebenso in den späteren Messungen und der Fast-Fourier-Transform-Analyse
(FFT-Analyse) verwendet.
Nach VDE 0838 Teil 3, EN61000-3-3, dürfen Impedanzen im Stromversorgungsnetz
Werte in L1,L2 und L3 von 0, 16Ω/0, 318mH nicht überschreiten. Im N-Leiter sind es
0, 24Ω/0, 478mH. Auf dieser Grundlage werden die Netzimpedanzen wie in Abbildung
4.2 gewählt. Die ohmschen und induktiven Werte der Last werden am Motor gemessen und
dann errechnet. Mit dem Multimeter Fluke 177 (SAM Prüfnummer: 1808605216) wird
ein Gesamtwiderstand von 165Ω ermittelt. Aufgrund der Dreieckschaltung beträgt der
Strangwiderstand 247, 5Ω5 . Dieser ist an allen drei Strängen gleich. Daraus resultierend
wird unter Angaben des Herstellers die Induktivität der Motorwicklungen bestimmt. Der
Motor nimmt einen Strom von 0,32A bei 400V in ROT1 auf. Dies sind Aufgrund von
ILL
=
IStr = √
3
XL durch
0,32A
√
3
= 0, 185A pro Phase. Da Z =
U
IStr
=
400V
0,185A
= 2162, 2Ω ergibt, kann
p
Z = R2 + (XL − XC )2 ermittelt werden. XC ist bedingt durch die Wicklungen beim
Motor gegenüber XL vernachlässigbar klein. Somit kann der Einfachheit halber
XL durch XL =
p
√
Z 2 − R2 = 2162, 22 Ω − 247, 52 Ω = 2148Ω bestimmt werden.
Die Induktivität kann durch L =
XL
2π f
=
2148Ω
2π·50Hz
= 6, 837H ermittelt werden.
In der folgenden Abbildung 4.2 ist das Netzwerk in Simplorer zu sehen, mit dem der Frequenzumrichter nachgebildet wird. Alle eingestellten Parameter sind an den jeweiligen
Symbolen zu sehen. Die Spannungsquellen weisen eine Phasenverschiebung von jeweils
120◦ auf. Diese Spannung wird mit der B6-Brücke gleichgerichtet und mit einem Kondensator geglättet. Je größer diese Kapazität ist, desto geringer wird die Welligkeit der
erzeugten Gleichspannung. Dadurch würde sich jedoch die Mittelkreisspannung erhöhen
und langsamer auf den Wert von 563V absinken. Mit den Volt- und Amperemetern werden
die wichtigsten Größen überprüft. Der Stromrichter wird durch das Petrinetz gesteuert.
Die Weiterschaltbedingungen werden an den Transitionen dargestellt. Der Modulationsgrad aus dem Dreieck- und Sinussignal bestimmt die Höhe der Ausgangsspannung des
Stromrichters. Je größer der Modulationsgrad, umso größer wird Spannung an der Last.
Auf das Verfahren der PWM mittels Sinus-Dreieckvergleich wird nicht näher eingegangen, da dies detailliert in diversen Fachbüchern und Artikeln nachzulesen ist[5]. Wichtig
bei der Erzeugung der PWM ist, dass die Sinusträgersignale eine Phasenverschiebung von
120◦ aufweisen müssen.
In Abbildung 4.3 ist das Ergebnis der Simulation zu sehen. Dargestellt sind die Amplituden. Angegeben sind die Effektivwerte. Die Zwischenkreisspannung (VG_Kreis.V) mit
563V, die Spannung an der Last (VL_L1L2.V) zwischen den Phasen L1 und L2 wo deutlich das PWM-Muster zu erkennen ist, die Spannung eingangsseitig (VN_L1.V) an L1 mit
230V, der relativ sinusförmige Laststrom (AL_L1.I) an L1 mit 294mA und der Strom eingangsseitig (AN_L1.I) an L1 von 60mA der Transiente aufweist. in Kapitel 4.4 werden die
Signale detailliert ausgewertet.
5 Berechnung
siehe Anhang A2
KAPITEL 4. REALISIERUNG DES MOTORENPRÜFSTANDES
Abbildung 4.2: Simplorermodell für einen Frequenzumrichter
38
KAPITEL 4. REALISIERUNG DES MOTORENPRÜFSTANDES
Abbildung 4.3: Simplorersimulationsergebnisse des Frequenzumrichters
39
KAPITEL 4. REALISIERUNG DES MOTORENPRÜFSTANDES
4.4
40
Auswertung der Simulationssrgebnisse
Die Simulation wurde im DAY Post Prozessor näher untersucht. In Abbildung 4.4 sind fünf
Signale abgebildet. Die Zwischenkreisspannung VG_Kreis.V weist eine leichte Welligkeit
auf. Diese entsteht durch die B6-Brücke. Dadurch sind pro Periode sechs Wellen zu sehen.
Der Spannungswert von 563,4V kommt durch
uˆ =
√
√
6 ·UStr = 6 · 230V = 563, 4V zustande.
Die Netzspannung VN_L1.V beträgt u = uˆ = 324, 8V . Dies ist eine der drei Phasenspannungen von 229,67V, welche sich durch √uˆ2 = 229, 67V ergibt.
Auf der Lastseite ist das Signal VL_L1L2.V abgebildet. Deutlich ist das PWMSpannungssignal zu erkennen, dessen Maximalwert den der Zwischenkreisspannung
entspricht.
Der zugehörige Strom an der Last ist AL_L1.I und hat einen Wert von iˆ = 416mA. Der
ˆ
Effektivwert wird durch i = √i2 = 294mA bestimmt. Zu sehen ist ein nahe zu sinusför√
miger Strom. Dadurch kann der Effektivwert mit 2 berechnet werden. Je höher die
PWM-Frequenz ist, umso sinusförmiger wird das Signal. Zur besseren Darstellung ist das
Signal skaliert um einen Faktor von 1000.
Das zweite Stromsignal ist der Eingangsstrom AN_L1.I und ebenfalls um 1000 skaliert.
Deutlich zu sehen sind die Transienten, die durch abschalten von Induktivitäten entstehen.
Das Signal hat einen Effektivwert von 60mA. Der Wert wird in Simplorer bestimmt, da die
Ermittlung des Effektivwertes schwieriger als zuvor ist. Zu sehen sind einige Stromspitzen
mit Werten bis zu 981mA. Diese Spitzen sind die Transienten und treten periodisch auf,
bedingt durch das Abschalten der induktiven Lasten durch die IGBT’s. Je größer der Kondensator im Zwischenkreis dimensioniert ist, desto geringer werden diese Stromspitzen.
Dies liegt an der größer werdenden Zeitkonstante und der größeren Kapazität, die Energie
der Induktivitäten speichert.
In Abbildung 4.5 sind der Übersicht halber alle Spannungen nochmals dargestellt. Zusätzlich ist nun der Effektivwert von Um_PWM dargestellt. Dieser berechnet sich durch
ma V G_Kreis.V
·
= 228, 9V .
Um_PW M = √
2
2
Die zugehörige Amplitude ist in um_PWM dargestellt und hat einen Wert von uˆ = 338V .
Dieses Signal wird mit Hilfe von
um_PW M = ma · V G_Kreis.V
· sin(2π · f · t) gebildet, wobei
2
ma der Modulationsgrad ma =
uˆsin
uˆ4
=
1
0,87
= 1, 15 ist.
KAPITEL 4. REALISIERUNG DES MOTORENPRÜFSTANDES
41
Abbildung 4.4: Signale aus der Simulation des Frequenzumrichters
Abbildung 4.5: Effektivwert und Amplitude vom PWM-Signal des Frequenzumrichters
KAPITEL 4. REALISIERUNG DES MOTORENPRÜFSTANDES
42
In Abbildung 4.6 ist eine FFT-Analyse des Stromes auf der Netzeingangsseite AN_L1.I
durchgeführt. Zu sehen sind die Oberschwingungsanteile der Amplitude. Bedingt durch
die Transienten sind die Anteile der 5., 7., 11., 13., 17. und 19. stark ausgebildet. Die
Berechnung des THD in Simplorer ergab einen Wert von 2,4%. Dieser ist hoch, jedoch im
Rahmen der erlaubten Toleranz nach Tabelle 4.2. Verbessert werden könnte dieser Wert
mit einem größeren Glättungskondensator im Zwischenkreis. Was die Messung in der
Realität ergibt, wird sich in Kapitel 6.2 zeigen.
Der Gesamte harmonische Verzerrung (THD-Wert) gibt Auskunft darüber wie hoch die
nichtlinearen Anteile in einem Signal sind. Also die Verzerrungen eines elektrischen Signals. Dies hat Ähnlichkeit mit dem üblichen Klirrfaktor. Der THD definiert sich wie folgt:
T HD(%) =
q
x22 + x32 + x42 + ... · 100%
x1
(4.1)
Dabei ist x durch das jeweilige Signal zu ersetzen. Zum Beispiel, wenn das Spannungssignal untersucht werden soll, wird x durch U ersetzt. Nach VDE 0838 wird die Berechnung
bis zur 40. Ordnung durchgeführt, wie in der Formel 4.2 dargestellt.
s
40
∑ ·Un2
T HDU (%) =
n=2
U1
· 100%
(4.2)
In Abbildung 4.7 ist eine FFT-Analyse der Ausgangsspannung VL_L1L2.V durchgeführt.
Diese ergab einen THD von 0,0106%, was einen sehr guten Wert darstellt und auf sehr
wenige Oberschwingungsanteile hindeutet. Das das PWM-Signal mit einer Trägerfrequenz von 3kHz erzeugt wird, ist gut zu erkennen. Bei jeweils 2,9kHz und 3,1kHz treten
Störsignale auf. Diese Wiederholen sich mit kleiner werdenden Amplitude bei 5,9kHz und
6,1kHz. Bedingt durch die Modulation, wie das PWM-Signal erzeugt wird, treten diese
Störungen bei den markanten Frequenzen auf. Der THD ist so gut, weil er bis zu einer
Frequenz von 2kHz errechnet wird. Bis zu dieser Frequenz sind fast keine Oberschwingungsanteile zu finden.
Die anderen Signale sind für die FFT-Analyse weniger wichtig.
KAPITEL 4. REALISIERUNG DES MOTORENPRÜFSTANDES
Abbildung 4.6: FFT-Analyse des Eingangsstromes
Abbildung 4.7: FFT-Analyse der Lastspannung
43
KAPITEL 4. REALISIERUNG DES MOTORENPRÜFSTANDES
4.5
44
Schlussfolgerung
Die Analyse der Signale ergab, dass keine Verletzung der Vorschriften und Normen vorliegt. Der Motorenprüfstand kann bedenkenlos zur Prüfung der Motoren gefertigt werden
und für die spätere Prüfung der Motoren verwendet werden. Was jedoch die anschließende
Inbetriebnahme für Ergebnisse liefert, ist an dieser Stelle noch unklar.
4.6
Erstellung der technischen Unterlagen
Entwurf der Steuerung
Nachdem die Form der Realisierung feststeht, kann mit dem Steuerungsentwurf begonnen
werden. Um den Entwurf zu vereinfachen wird ein Flussdiagramm6 erstellt, welches
den ungefähren späteren Prüfablauf wiedergibt. Aufbauend auf dem Flussdiagramm wird
eine Entwicklungsmethodik für die Steuerung ausgewählt. Neben Ablaufsteuerungen und
Automaten wie Mealy und Moore, ist aufgrund von praktischer Erfahrung, die Entscheidung für “Steuerungstechnisch interpretierte Petrinetze” (SIPN) gefallen. Diese sind aus
der Vorlesung Steuerungstechnik bekannt und eignen sich gut, um daraus späteren Code
zu generieren. Aus der Analyse der Anforderungen in Kapitel 2, sind die notwendigen
Programminhalte bekannt. Darauf hin kann mit der Erstellung des SIPN’s begonnen
werden. In jeder Steuerung ist ein Programmkopf notwendig, in dem die Initialisierung
sowie sicherheitsrelevante Funktionen wie Not-Aus untergebracht sind. Danach erfolgt
die Auswahl des zu prüfenden Motors. Ist dies geschehen, kann die Prüfung der Motoren
beginnen. Aus Kapitel 2.2 sind die Anforderungen bekannt und es wird nach folgendem
Ablauf die Prüfung durchgeführt,
1. der Anlaufstrom ist in Ordnung,
2. der Betriebsstrom bei ROT1 ist in Ordnung,
3. das Headmarkersignal und Azimut-/Pulsersignal ist in Ordnung,
4. der Betriebsstrom bei ROT2 ist in Ordnung.
Nach Erfüllung der Testbedingungen wird die Prüfung beendet und alle Ergebnisse werden
auf dem Display ausgegeben7 . Auf den kommenden Seiten folgen zwei Flussdiagramme.
In der Abbildung 4.8 ist der Prüfablauf dargestellt und in Abbildung 4.9 die Motorenauswahl. Danach folgt in Abbildung 4.10 das SIPN der Logosteuerung.
6 siehe
7 siehe
Abbildung 4.8
Abbildung 6.2 und 6.3
KAPITEL 4. REALISIERUNG DES MOTORENPRÜFSTANDES
45
Start
Anlage
Einschalten
Hauptschalter einschalten
Steuerung
Einschalten
24V Steuerspannung einschalten
Motorart
auswählen
per Stufenschalter
Prüfung
starten
Taster für Prüfung
Prüfergebnisse
anzeigen
Prüfung
erfolgreich?
Ja
Auf dem Textdisplay
Nein
Fehlermeldung
Auf dem Textdisplay
Ende
Abbildung 4.8: Flussdiagramm des Prüfablaufs
3Ph
50Hz
3Ph 230V
satz laden
60Hz
1Ph 230V
50Hz
1Ph 230V
Abbildung 4.9: Flussdiagramm der Motorenauswahl
3Ph
3Ph
3Ph 400V
60Hz
satz laden
Parameter-
3Ph
3Ph 440V
60Hz
satz laden
Parameter-
440V/60Hz
1Ph
1Ph 230V
50Hz
satz laden
Parameter-
230V/50Hz
1Ph
1Ph 230V
60Hz
satz laden
Parameter-
230V/60Hz
3Ph
Ja
Betriebsstrom
i.O.?
ROT2
Ja
24 u/min
i.O.?
Ja
Betriebsstrom
i.O.?
Ja
Anlaufstrom
i.O.?
ROT1
3Ph 230V
50Hz
satz laden
Parameter-
230V/50Hz
Ende
*bei X-Band 60Hz
3Ph
400V/60Hz
S-Band
Ende
Fehlermeldung
Fehlermeldung
Fehlermeldung
Fehlermeldung
3Ph 400V
50Hz
satz laden
Parameter-
400V/50Hz
Radarart
Prüfung erfolgreich
Nein
Nein
Nein
Nein
3Ph 230V
60Hz
satz laden
Parameter-
230V/60Hz
X-Band
Start
Prüfung erfolgreich
Ja
Betriebsstrom
i.O.?
ROT2
Ja
24/29* u/min
i.O.?
Ja
Betriebsstrom
i.O.?
Ja
Anlaufstrom
i.O.?
ROT1
satz laden
Parameter-
Parameter-
satz laden
230V/50Hz
Parameter-
1Ph
230V/60Hz
230V/50Hz
1Ph
Flussdiagramm Motorenauswahl
3Ph
Nein
Nein
Nein
Nein
3Ph
3Ph 400V
50Hz
satz laden
Parameter-
400V/50Hz
Fehlermeldung
Fehlermeldung
Fehlermeldung
Fehlermeldung
3Ph 230V
60Hz
satz laden
Parameter-
230V/60Hz
3Ph
3Ph 400V
60Hz
satz laden
Parameter-
400V/60Hz
3Ph
3Ph 440V
60Hz
satz laden
Parameter-
440V/60Hz
KAPITEL 4. REALISIERUNG DES MOTORENPRÜFSTANDES
46
KAPITEL 4. REALISIERUNG DES MOTORENPRÜFSTANDES
47
0.0
MB1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
T0
0.3
0.1
T2
Steuerung Ein
≥1
T1
NotAus
Stopp
0.2
1.0
T3
1.1
1.2
S-Band
X-Band
T4
weiter auf S.2
T5
weiter auf S.4
S. 6.1
1
Abbildung 4.10: SIPN der Logosteuerung
KAPITEL 4. REALISIERUNG DES MOTORENPRÜFSTANDES
48
S-Band
2.0
1Phase
3Phasen
T6
T12
2.7
2.1
230V
230V
T13
T14
T15
weiter auf der nächsten Seite
2.2
50Hz
60Hz
T8
2.3
T9
2.5
Start
Start
T10
Prüfung
beginnt
SV1
440V
400V
T7
2.4
T11
2.6
Prüfung
beginnt
SV2
2
KAPITEL 4. REALISIERUNG DES MOTORENPRÜFSTANDES
49
2.7
230V
440V
400V
T13
3.0
3.5
50Hz
60Hz
T16
3.1
50Hz
T20
3.3
3.6
Start
T18
3.2
60Hz
T17
Start
Prüfung
beginnt
SV3
T15
T14
4.0
Start
Start
T19
3.4
T21
Prüfung Prüfung
beginnt beginnt
SV4
SV5
T22
3.7
T23
4.1
Prüfung
beginnt
SV6
60Hz
T24
4.2
Start
T25
Prüfung
beginnt
SV7
4.3
3
KAPITEL 4. REALISIERUNG DES MOTORENPRÜFSTANDES
50
X-Band
5.0
1Phase
3Phasen
T26
T32
5.7
5.1
230V
230V
440V
400V
T27
T33
T34
T35
weiter auf der nächsten Seite
5.2
50Hz
60Hz
T28
5.3
T29
5.5
Start
Start
T30
Prüfung
beginnt
XV1
5.4
T31
5.6
Prüfung
beginnt
XV2
4
KAPITEL 4. REALISIERUNG DES MOTORENPRÜFSTANDES
51
5.7
230V
440V
400V
T33
6.0
6.5
50Hz
60Hz
T36
6.1
50Hz
T40
6.3
6.6
Start
T37
6.2
60Hz
T38
Start
Prüfung
beginnt
XV3
T35
T34
7.0
Start
Start
T39
6.4
T42
Prüfung Prüfung
beginnt beginnt
XV4
XV5
T41
6.7
T43
7.1
Prüfung
beginnt
XV6
60Hz
T44
7.2
Start
T45
Prüfung
beginnt
XV7
7.3
5
KAPITEL 4. REALISIERUNG DES MOTORENPRÜFSTANDES
52
Start
Prüfablauf exemplarisch
für X-Bandradaranlage
Variante 1 (XV1),
ist für jede der 14
Auswahlmöglichkeiten
gleich. Unterschiedlich
sind die Parameter.
T46
Prüfung beginnt XV1
(für jede Auswahl gleich)
5.4
ROT1 eingeschaltet
T47
ROT 1
Anlaufstrom Anzeigen
8.0
Anlaufstrom O.K.
n.i.O
T48
T54
Betriebsstrom
anzeigen
8.1
Betriebsstrom OK
T49
8.6
Fehlermeldung
quittieren
T55
Drehzahl
anzeigen
8.2
Drehzahl O.K.
T50
8.3
ROT 2
ROT2 eingeschaltet
T51
8.4
Betriebsstrom
anzeigen
Betriebsstrom O.K.
S. 1.1
T52
8.5
Prüfung
beendet
quittieren
T53
6
KAPITEL 4. REALISIERUNG DES MOTORENPRÜFSTANDES
53
Nach Fertigstellung der Flussdiagramme und des Petrinetzes wird mit der Programmierung
begonnen. Für die LOGO! existiert eine eigene Software mit der das Steuerungsprogramm
erstellt werden kann. Die Bedienung ist intuitiv gehalten und somit selbsterklärend. Das negative an der LOGO! sind die begrenzten Ressourcen. Dadurch ist eine strikte Optimierung
notwendig sowie ein Umdenken während des Steuerungsentwurfes. Es stehen in der Steuerung 200 Funktionsblöcke, 27 Merker zur Verfügung und jedes logische Gatter besitzt vier
Eingänge. Damit sind die Programmressourcen schnell erschöpft. Die Auswahl des jeweiligen Motors und somit die Parameterfestlegung wird mit Und- sowie Oder-Gattern realisiert. In Differenzschwellwertschaltern können die jeweiligen Werte für die Anlaufströme
sowie den Betriebsströmen bei ROT1 und ROT2 abgelegt werden. Wenn die Messwerte
der Stromwächter in den zuvor abgelegtem Wertebereich der Differenzschwellwertschaltern liegen, schalten diese Funktionsblöcke und können weiter ausgewertet werden. Die
Messwerte liefern Stromwächter, welche an den Analogeingängen der Steuerung I1, I7
und I8 liegen. Die Frequenzumrichter werden mit jeweils einem Analogausgang angesteuert. Als Signal dient dabei ein Spannungspegel von 0V...10V. Darauf hin stellt sich am
Frequenzumrichter die gewünschte Motorenspannung ein. Die Ansteuerung der jeweiligen
analogen Ausgänge erfolgt mit einem Multiplexer, welche zuvor durch Und- und OderGattern den jeweiligen Wert für die Motorenspannung laden. Die internen Steuerungswerte
von 1000 entsprechen dabei einer Ausgangsspannung von 10V.
Die Überprüfung des Azimut-/Pulsersignals bzw. HM-Signal erfolgt mit Zählern. Diese
zählen während eines bestimmten Zeitfensters von 2,5 sec. die Pulse und vergleichen diese mit den Vorgaben aus der GR3040PA und GR3041PA. Die Zeit von 2,5 sec. wurde
gewählt, weil dies genau einer Umdrehung der Antenne bei ROT1 entspricht. Die Prüfung
des Anlaufstromes erweist sich mit der LOGO! als schwierig. Dafür wurde ein Schaltungsaufbau aus Multiplexern, Komparatoren sowie Zählern gewählt, deren Funktionsweise im
Zusammenspiel nicht sofort zu erkennen ist. Die momentanen Ströme werden mit einem
Komparator überprüft. Dieser entscheidet, ob der Aktualwert größer oder kleiner ist, als der
zuvor ermittelte Wert. Ein Zähler wird so lange erhöht, bis der Aktualwert mit dem Zählerwert übereinstimmt. Ist der momentane Wert hingegen kleiner als der Zählerwert, behält
der Zähler diesen Wert. Somit ist in dem Zähler der maximale Wert dauerhaft hinterlegt.
Dieser Wert entspricht gleichzeitig dem maximalen Strom, welcher mit dem Anlaufstrom
gleich zu setzen ist. Bei Betätigung des Austasters werden alle Zähler gelöscht. Ist das
Programm der Steuerung bereit, wird der Programmmerker M8 gesetzt und ausgewertet.
Danach wird ein Meldetext (“Motorenprüfstand bereit AUS drücken”) an das Display übertragen und die Prüfung der Motoren kann beginnen.
Alle anderen Werte werden für den Bediener mit Hilfe eines Meldetextes auf einem Textdisplay angezeigt8 . Erst nachdem die jeweilige Prüfung bestanden ist, wird mit der nächsten Prüfung begonnen. Der Bediener muss die jeweiligen Messwerte auf dem Bedienerpanel quittieren, bevor mit einer erneuten Prüfung begonnen werden kann. Dies soll sicherstellen, dass die ermittelten Werte zur Kenntnis genommen wurden. In Abbildung 4.11
folgt eine grobe Teilübersicht der gesamten Steuerung.
8 siehe
Abbildung 6.2 und 6.3
KAPITEL 4. REALISIERUNG DES MOTORENPRÜFSTANDES
M10
B186
>1
M16
B028
Q
ROT2
B029
M3
RS
M
R
B141/1
B187
I
>1
B023/R
Q3 (24V TCU)
R
RS
Q
5/B163/2
Rem = off
&
M13
Par
B051
Trg
Ax
Par
B046/R
B191/4
5/B163/4
ROT1
I2 (EIN)
B108/4
Q4 (FU1 Starten)
B057/4
B188
I
Q5 (FU2 Starten)
1
Q
Par
R
B032
M4
RS
M
M13
>1
Gain=1.0
Offset=0
On=50
Delta=15
Point0 Ax B025
M16
Auswahl des jeweiligen Motors
B016
&
A
B190/2
Par
B197/3
I9 (S-Band/X-Band)
M
P
Par
Prio = 125
Quit = on
Text1: ISO8859_1
Text2: disabled
A
Par
I6 (1P/3P)
B033/1
En
T
Rem = off
08:00s+
I6
B009
Ax
B186/1
M
P
Q1 (ROT1)
Q
M10
En
nach zu langer Prüfung, Fehlermeldung
B057
Betriebsstrom ROT1 1P n.I.O
B052
&
Trg
B059
M14
Par
Rem = off
B033
M10
B058
>1
Par
Prio = 117
Quit = on
Text1: ISO8859_1
Text2: disabled
B063/3
B184 S/X_HM/R
B185 S_AZI/R
Betriebsstrom ROT1 1P OK
B011
&
S
B195 X_AZI/R
Q
5/B102/4
I
B015
Gain=1.0
Offset=0
On=30
Delta=15
Point0
B065/2
B150/Trg
B065/4
A
A
V1=B22+
V2=0
V3=0
V4=0
Point=2
((B22+0)+0)+0
5/B096/3
B143/1
B056
T
Rem = off
06:00s+
5/B102/2
B038/R
Rem = off
Strom prüfen ob Sollwert erreicht wird
B054 AI6
En
5/B157/3
5/M18
S
Analogwert der Phase 1 auswerten
B053
S
B030
Par
Betriebsstrom für einphasige Motoren überprüfen
Dauer der Stromprüfung
Q2 (ROT2)
&
M7
I5 (AUS)
Eingeschaltet
54
B001 XV1
I
Gain=1.0
Offset=0
On=290
Delta=20
Point0 Ax B055
B103/1
&
B113/3
B031
&
A
Par
B146/1
B002 XV2
I10 (50Hz/60Hz)
Gain=1.0
Offset=0
On=290
Delta=20
Point0
&
I
B114/3
B097/1
&
5/B098/3
B003 XV3
B070/2
&
I11 (230V)
B060
Anlaufstrom für einphasige Motoren überprüfen
5/B159/3
I
5/B121/2
B198/1
B004 XV4
B105
B097/2
Trg
B106 AI6
En
5/B164/3
Ax
Rem = off
03:00s+
B071/2
Par
B142/1
B148/1
B074/2
B149/1
B006 XV6
&
A
V1=B23+
V2=0
V3=0
V4=0
Point=2
((B23+0)+0)+0
5/B166/3
&
I
B111
T
5/B123/3
B199/1
B005 XV5
I12 (400V)
B085
&
&
A
Par
Gain=1.0
Offset=0
On=120
Delta=60
Point0
Anlaufstrom ROT1 1P OK
B115
&
B109
>1
B108
Trg
B110
M15
En
T
5/B126/3
I6
&
B008 XV7
B057/3
Anlaufstrom ROT1 1P n.I.O
B086
&
B078/2
B076/2
B192/1
M
P
5/B168/3
B007
M13
En
Par
Prio = 119
Quit = on
Text1: ISO8859_1
Text2: disabled
5/B125/3
B142/2
Ax
B114
Gain=1.0
Offset=0
On=260
Delta=70
B117
Point0 Ax
B103/4
&
B116/3
B002 XV2
M
Par
Prio = 127
Quit = on
Text1: ISO8859_1
Text2: disabled
A
Par
B140/1
P
Rem = off
05:00s+
B112
5/B169/3
&
B010 SV1
B053/3
B113
B001 XV1
&
A
Par
B012 SV2
B116
Gain=1.0
Offset=0
On=500
Delta=200
B118
Point0
Ax
B146/4
&
B119/3
B010 SV1
&
A
B013 SV3
B097/3
5/B128/3
B080/2
&
5/B171/3
B014 SV4
B198/4
5/B131/3
5/B174/3
B082/2
B199/4
B012 SV2
&
Betriebsstrom für dreiphasige Motoren überprüfen ROT1
Analogwerte der 3 Phasen auswerten
5/B175/3
5/B132/3
B084/2
B063
B149/4
B142/3
M4
B018 SV6
B119
B097/4
&
B017 SV5
&
Par
Gain=1.0
Offset=0
On=500
Delta=200
Point0
B148/4
5/B135/3
5/M11
5/B178/3
&
B142/4
B087/2
B019
B089/2
&
&
B061
Trg
B064 AI6
En
B068
T
Par
Rem = off
V1=B22+
06:00s+
V2=B37
V3=B45
V4=3
Point=2
((B22+B37)+B45)/3
Ax
A
A
Par
Gain=1.0
Offset=0
On=30
Delta=15
Point0
B070
B003 XV3
Betriebsstrom ROT1 3P OK
B072
&
B066
>1
5/B180/3
&
M4
B140/4
B065
&
B067
M
P
Rem = off
08:00s+
Par
Prio = 124
Quit = on
Text1: ISO8859_1
Text2: disabled
A
Par
Gain=1.0
Offset=0
On=40
Delta=15
Point0
M17
En
T
I6
B033/4
5/B163/3
Betriebsstrom ROT1 3P n.I.O
B062
Trg
5/M11
B069
Ax
B186/3
M
P
5/B137/3
B020 SV7
5/B157/4
M16
En
Par
Prio = 118
Quit = on
Text1: ISO8859_1
Text2: disabled
B071
B004 XV4
&
Analogwertvorgabe der jeweiligen FU´s
B198
B003 XV3
B073
Ax
>1
B189
V1 =0+
V2=500
V3=575
V4=0
Point =2
>1
B140
B008 XV7
B144
En
>1
S2
>1
B017 SV5
Ax
AQ1 (Sollwert FU1)
AQ
A
Par
V1 =B189+
V2=B151
V3=925
V4=0
B005 XV5
Point =2
B142
B151
AM2
En
S2
B149
>1
B018 SV6
B003 XV3
B187
A
B093
&
>1
B008 XV7
&
B079
A
Par
V1 =0+
V2=850
V3=1000
V4=0
Point =2
Gain=1.0
Offset=0 B013 SV3
On=200
Delta=25
Point0
B081
Ax
&
B080
&
A
Par
Gain=1.0
Offset=0
On=220
Delta=30
Point0
>1
B103
B001 XV1
B076
B078
Ax
Par
B143
B097
B013 SV3
Gain=1.0
Offset=0
On=20
Delta=8
Point0
AM
S1
B004 XV4
Par
Gain=1.0
Offset=0 B006 XV6
On=20
Delta=8
B077
Point0 Ax
Par
B148
B017 SV5
B006 XV6
&
A
A
>1
B018 SV6
B074
B075
S1
B020 SV7
A
Par
B199
B004 XV4
B014 SV4
B005 XV5
AM
S1
S2
B006 XV6
Gain=1.0
Offset=0 B005 XV5
On=20
Delta=5
Point0
AM1
En
B141
&
A
Par
B013 SV3
B187
B014 SV4
>1
B010 SV1
B082
B014 SV4
&
B094
>1
B083
B145
B002 XV2
Ax
AQ2 (Sollwert FU2)
En
B146
AQ
S1
>1
S2
A
Par
Gain=1.0
Offset=0
On=125
Delta=15
Point0
Par
B012 SV2
A
V1 =0+
V2=870
V3=1000
V4=0
Point =2
B084
B017 SV5
&
Motorenprüfplatz bereit
B039
Gain=1.0
Offset=0
On=130
Delta=25
Point0
HM und Azimutsignal überprüfen
I
I2
&
Maximalen Stromwert ermitteln, dieser
tritt in der Regel im Anlauf auf
R
En
Dir
P
Par
Par
Prio = 115
Quit = on
Text1: ISO8859_1
Text2: disabled
B034
Trg
&
M8 (Anlaufmerker)
M
Ax
B193
Cnt
B087
B018 SV6
B090
Headmaker-Signal OK
B184 S/X_HM
Rem = off
On=1+
Off=3
Start=0
M20
Par
M
Gain=1.0
Offset=0
On=10
Delta=5
Point0
AI1 (Strom Phase 1)
B089
B020 SV7
Ax
High
Ay
B024
En
A
S2
I
MAX-Wert 1
B107
I2 B185 S_AZI
R
I9
B047
&
B194
Cnt
Trg
B197
P
Par
Prio = 114
Quit = on
Text1: ISO8859_1
Text2: disabled
&
M
Azimut-Signal X-Band OK
I2 B195 X_AZI
B196
Cnt
ständige Prüfung mit der
Zykluszeit der Logo
B026
P
Par
Prio = 113
Quit = on
Text1: ISO8859_1
Text2: disabled
M
&
B037
AI
M
Ax
High
hi
M6
B042
A
Ax
Par
Ay
Gain =1.0+
Offset=0
Point =2
B041 Ref.B038
En
A
S2
A
MAX-Wert 2
Par
On =0
Off =0
Gain =1.0+
Offset =0
Point=0
B035
B152
M7
Trg
Rem = off
02:00s+
01:00s
M
S
Anzeigen der Phasenströme
B036
hi
&
R
Par
RS
RS
Rem = off
5/M18
En
P
&
Prio = 121
Quit = on
Text1: ISO8859_1
Text2: disabled
B050
A
Ax
Par
X1
X
Par
High
hi
Ay
Gain =1.0+
Offset=0
Point =2
B049 Ref.B046
En
S1
S2
A
M9
A
MAX-Wert 3
Par
On =0
Off =0
Gain =1.0+
Offset =0
Point=0
B044
&
Ersteller:
Erstellt/Geändert:
B046
I5
M9
R
Cnt
M
B048/4
Dir
Par
Rem = on
On=B45+
Off=0
Start=0
Par
V1 =B46+
V2=0
V3=0
V4=0
Point =1
Matthias Lübbe
Projekt:
Motorprüfgerät
Kunde:
29.04.10 09:17/03.08.10 11:02
Anlage:
Datei:
Steuerrung_final_auf_LOGO.lsc
Zeichen-Nr.:
Seite:
Geprüft:
B040/4
B048
B045
Ax
Phasenströme
B147
M
Dir
Par
AI3 (Strom Phase 3)
AI
High
B028/3
M6
R
Cnt
Rem = on
On=B37+
Off=0
Start=0
V1 =B38+
V2=0
V3=0
V4=0
Point =1
1xlang wenn ohne ROT2
B150
Par
B038
I5
&
Par
Trg
B027/4
M1
1
S1
I2
M
Dir
Par
AI2 (Strom Phase 2)
M22
En
Dir
Par
Rem = off
On=10+
Off=75
Start=0
Auswahl ob Prüfung mit ROT1 und ROT2 statfinden soll oder
nur ROT1; notwendig wenn Motor ohne Getriebe gestestet wird
M2
R
Cnt
Rem = on
On=B22+
Off=0
Start=0
B040
R
I9
M21
En
Dir
Par
Rem = off
On=100+
Off=420
Start=0
T
B023
I5
&
Par
Rem = off
03:60s+
Max-Wert zurücksetzen
On =0
Off =0
Gain =1.0+
Offset =0
Point=0
V1 =B23+
V2=0
V3=0
V4=0
Point =1
Azimut-Signal S-Band OK
&
M2
A
Par
S1
B190
&
M4
B021
A
I4 (Azimut)
B191
>1
Ax
Par
Gain =1.0+
Offset=0
Point =2
hi
B192
M13
5/M11
B022
AI
&
B027
aktuellen Wert mit vorherigen
Wert auf maximum vergleichen
A
T
Rem = off
03:00s+
M
P
A
Par
I3 (Head-Maker)
B043
M23
En
Par
Prio = 123
Quit = off
Text1: ISO8859_1
Text2: disabled
B088
Ax
1 / 16
Abbildung 4.11: grobe Übersicht eines Teils der Logosteuerung, detailiertere Zeichnungen
sind im Anhang B1
KAPITEL 4. REALISIERUNG DES MOTORENPRÜFSTANDES
55
Entwurf der Stromlaufpläne
Das Zeichnen der Stromlaufpläne erfolgt mit Eplan 5.7. Dies ist ein gängiges Tool,
um unter Einhaltung von DIN-Normen Schaltpläne zu erstellen. DIN 40712 für Allgemeine Schaltzeichen, DIN 40719 für Beschriftung von Betriebsmittel oder DIN 40717 für
Schaltzeichen für Installationspläne sind nur einige Beispiele. Das Programm beinhaltet
vorgefertigte Bauteilbibliotheken und Symbole. Somit sind die gefertigten Unterlagen entsprechend der Norm und können von jeder Fachkraft umgesetzt werden. Die Reihenfolge
und Anordnung der Bauteile der benötigten Komponenten werden nach Herstellerangaben, IEC 364-4-1 (Schutzeinrichtung und Abschaltbedingungen) und weiteren Vorschriften
durchgeführt. Dabei sind Leitungsquerschnitte, Selektivität und Sicherheitsvorschriften zu
beachten. Die Werte der Sicherungselemente sind vom jeweiligen Hersteller und der Norm
vorgeschrieben[3]. Unten folgen in Abbildung 4.12 die Stromlaufpläne.
Entwurf der Konstruktionszeichnungen
Konstruktionszeichnungen werden mit dem Programm AutoCad 2008 angefertigt. Dieses
Programm unterstützt den Konstrukteur bei der Zeichenarbeit und erleichtert ihm die Einhaltung der nötigen DIN-Normen, die für technische Zeichnungen gelten. Einige Normen
wie die DIN 406 für Maßeintragungen, DIN 1356 für Darstellung von Linien und Schraffuren in Bauzeichnungen oder DIN 6771 für Zeichenblattformate seien hier exemplarisch
erwähnt. Bauteile können aus vorhandenen Bauteilbibliotheken genommen werden und in
der Zeichnung abgelegt werden. Durch variable Anordnung der Bauteile kann die Größe
des Schaltkastens bestimmt werden und der Bauteilplatz optimal ausgenutzt werden. In
Abbildung 4.13 folgen die Konstruktionszeichnungen.
KAPITEL 4. REALISIERUNG DES MOTORENPRÜFSTANDES
1
2
3
4
5
1
3
5
2
4
6
1
3
5
2
4
6
R
S
6
7
8
9
26.07.10
CAD
56
1F2
16A
1A0
EMV-Filter
U
V
W
L1
L2
L3
1K1
OBSERVE COPYRIGHT DIN ISO 16016
.3
1F1
A-40/0,03
T1
T2
T3
L1
L2
L3
1
1S1
2
T
1T1
Schutzvermerk DIN ISO 16016 beachten
U
V
W
3
4
PE
L2
L3
N
PE
A
12.07.10
Žnderung
Datum
Name
Luebbe
Gepr.
Luebbe
1B3
6
7
8
9
V
W
L1
N
Urspr.
Ers.f.
M
14
L+
M
4.0
4.0
=
Frequenzumrichter
Hauptverteilung
Norm
N
2
L+
11
Stromw„chter
1B2
1K9
4.4
U
24.03.10
Bearb.
V
14
5
SPANNUNG
400V/50Hz
LuebbeDatum
1T3
24V Netzteil
U
11
SPANNUNG
2
L1
Stromw„chter
1B1
1
EINSPEISUNG
X1
Stromw„chter
A2
L1
FU2+ /4.6
FU2- /4.7
1
FU2
MOTOR 3P
A1
1K1
N
1T2
1K8
4.2
PE
L1
FU1+ /4.6
FU1- /4.6
3
FU1
26.07.10
NOT AUS
MOTOR 1P
1S0
+
Bl.
271.xxx xxx.STR
Ers.d.
4
3
Bl.
(a) Energieverteilung9
CAD
1
2
3
4
5
6
7
9
8
26.07.10
24V DC
M
1
3
1
1
1
4
2
2
2
I7
I8
1S6
50Hz/60Hz
3
1
1K5
.1
1A2
I1
I2
I3
I4
I5
I6
M
Q2
M
Q3
M
Q4
M
I9
Q5
M
1
1F5
1F6
1F7
1F8
1F9
0,5A
0,5A
0,5A
0,5A
0,5A
I10
Q6
2
1
I11
Q7
2
1
I12
DMS 12/24R
L+
M
Q8
A1
A1
12
A1
1K6
A2
1K7
A2
2
1
2
V1+
1B4
A1
A1
1K8
A2
L+
7
M1
8
V2+
.8
A
11
14
13
14
12.07.10
Žnderung
Datum
.8
.8
11
14
13
14
LuebbeDatum
Name
.8
.8
3.5
11
1B5
L+
7
8
DC
M L+
M
A2
Luebbe
Gepr.
Luebbe
Norm
11
14
3.7
11
3.5
FU2 FU2
+
3.7
15
16
17
18
19
20
HMA
SYNA
ROT1
ROT2
24V
TCU
24V
GND
14
Hauptverteilung
Urspr.
Ers.f.
Ers.d.
(b) Logosteuerung
Abbildung 4.12: Stromlaufpläne
9 detailiertere
14
3.7
14
24.03.10
Bearb.
14
1K9
A2
3.5
.8
11
M2
HM/AZIMUT-
M
3.9
1K7
.2
DC
DC
FU1 FU1
+
L+
14
M
13
3.9
11
AM2 AQ
DC
1K5
1K6
.1
1A3
L+
LOGO
Q1
14
Zeichnungen sind im Anhang B2
LOGO STEUERUNG
26.07.10
M
11
ROT1/ROT2
L+
SIGNAL
1S2
230V/400V/440V
1B3
1S5
1S4
1B2
1A1
Steu. EIN
OBSERVE COPYRIGHT DIN ISO 16016
1B1
S-Band/X-Band
1S3
AUS
2A
Schutzvermerk DIN ISO 16016 beachten
4
1S8
2
EIN
1P/3P
1S7
1F10
=
+
271.xxx xxx.STR
Bl.
4
4
Bl.
KAPITEL 4. REALISIERUNG DES MOTORENPRÜFSTANDES
(a) Zeichnung der Bauteilanordnug10
(b) Zeichnung der Durchbrüche
Abbildung 4.13: AutoCad-Zeichnungen
10 detailiertere
Zeichnungen sind im Anhang B3
57
Kapitel 5
Funktionsprüfung des
Motorenprüfstandes
Nach dem der Motorenprüfstand fertig gestellt wurde, erfolgt wie bei jeder anderen elektrischen Anlage eine Funktionsprüfung. Diese soll klären, ob alle geforderten Funktionen
gegeben sind und alle Geräte einwandfrei funktionieren. Um dies sicher zu stellen wird
eine Inbetriebnahme sowie Erstprüfung nach DIN VDE 0100-600 durchgeführt. Anschließend erfolgt ein exemplarischer Test des Motorenprüfstandes mit einer geprüften Radaranlage aus der Fertigung. Danach werden die Auswirkungen des Motorenprüfstandes auf die
Motoren sowie Messergebnisse untersucht.
Abbildung 5.1: Neu entwickelter Motorenprüfstand
58
KAPITEL 5. FUNKTIONSPRÜFUNG DES MOTORENPRÜFSTANDES
5.1
59
Inbetriebnahme des Aufbaus
Die Inbetriebnahme des Aufbaus dient zur Sicherstellung, dass der Motorenprüfstand
ordnungsgemäß funktioniert und den gängigen Sicherheitsvorschriften entspricht. Diese
soll Verdrahtungsfehler und fehlerhafte Bauteile erkennen. Besonders wichtig ist hierbei, dass der Motorenprüfstand alle elektrotechnischen Sicherheitsanforderungen, wie zum
Beispiel Fehlerspannung und Berührungsspannung, Potentialausgleich, Schutzleiter, Leitungsschutzschalter erfüllt. Dabei wird sich nach der DIN VDE 0100-600 gerichtet, welche
für die Erstprüfung von elektrischen Anlagen gilt. Diese ist in drei Punkte unterteilt:
• Besichtigung,
• Erprobung und Messung,
• Funktionsprüfung.
Weitere Details sind in der Norm nachzulesen. Hier seien nur wesentliche Punkte erwähnt.
Abbildung 5.2: Schaltkasten des neu entwickelten Motorenprüfstandes
KAPITEL 5. FUNKTIONSPRÜFUNG DES MOTORENPRÜFSTANDES
5.1.1
60
Besichtigung
Bei der Besichtigung der Anlage wird darauf geachtet, dass diese bei abgeschalteter Anlage durchgeführt wird. Dies sollte besonders sorgfältig erfolgen. Dabei sind zu überprüfen
dass:
• alle fest angeschlossenen Betriebsmittel den Sicherheitsanforderungen entsprechend
ausgewählt wurden (Dimensionierung von Leitungsschutzschaltern passen zu den
Leitungsquerschnitten) und entsprechend installiert wurden (Niederspannung getrennt von Steuerspannung, Abstand der Bauteile untereinander),
• Betriebsmittel ohne erkennbare Schäden (geplatzte Gehäuse in Folge zu fest angezogener Schrauben) sind,
• der Schutz gegen elektrischen Schlag erfüllt ist,
• wärmeerzeugende Betriebsmittel nicht stören,
• Schutz gegen direktes Berühren gegeben ist,
• Schutzisolierung vorhanden ist,
• Zielbezeichnung der Leitungen im Verteiler sowie Leitungsverlegung in Ordnung ist,
• Hauptpotentialausgleich vorhanden ist.
Nach DIN VDE 0100-410 muss eine Schutzeinrichtung immer aus zwei unabhängigen
Schutzvorkehrungen bestehen. Diese sollte einen Basisschutz und einen Fehlerschutz beinhalten. Zu dem Basisschutz gehören Isolierungen, Abdeckungen und Umhüllungen, die das
Berühren aktiver Teile verhindern. Deshalb sind Isolierungen nicht zu beschädigen (kein
Anschneiden der Aderisolation), abisolierte Adern sind so weit in die Klemmen einzuführen, dass kein Leitermaterial berührt werden kann und Abdeckungen oder Umhüllungen
müssen fest angebracht sein, so dass diese nur mit Werkzeug geöffnet oder entfernt werden
können.
Da bei der Netzform des TN-Systemes (Sternpunkt des speisenden Transformators ist geerdet) die gefährliche Berührungsspannung schon direkt gegen Erde entsteht, ist bei diesen
Systemen ein Schutzpotentialausgleich Voraussetzung für ein Funktionieren der Abschaltung im Fehlerfall. Beim Besichtigen muss vorab die Sicherheit durch Abschaltung überprüft werden. Dabei kommt es auf die Zuordnung der Abschaltorgane, Leitungsquerschnitte, Leitungslängen, Potentialausgleich und so weiter an[9]. Zu dem Fehlerschutz zählt eine
Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen mit einem Bemessungsdifferenzstrom ≤ 30mA. Diese ist
durch Betätigen des Testtasters zu überprüfen. Zusätzlich gehören zum Fehlerschutz auch
Überstromschutzeinrichtungen, welche in der DIN VDE 0100-430 festgelegt sind. Darin
enthalten sind Kabel und Leitungen mit Überstromschutzeinrichtungen, die gegen zu hohe
Erwärmung geschützt werden müssen, die sowohl durch betriebsmäßige Überlast als auch
bei vollkommenem Kurzschluss auftreten können. Jeder Stromkreis ist mit einer eigenen
Sicherung am Anfang des Stromkreises abzusichern. Die Größe der Sicherung richtet sich
nach der Belastung des Stromkreises, dem Leiterquerschnitt, der Verlegeart der Leitung
und der Häufung. Bei der Besichtigung ist zu überprüfen, ob die Überstromschutzeinrichtungen vorhanden und richtig dimensioniert bzw. eingestellt sind.
KAPITEL 5. FUNKTIONSPRÜFUNG DES MOTORENPRÜFSTANDES
5.1.2
61
Erprobung und Messung
Nach DIN VDE 0100-600 ist das Erproben und Messen vorzugsweise in nachfolgender
Reihenfolge durch zu führen. Dies erfolgt nun bei eingeschalteter Anlage und somit ist
besondere Sorgfalt gefordert,
• Durchgängigkeit der Schutzleiter und der Verbindungen des Hauptpotentialausgleichs,
• Isolationswiderstand der elektrischen Anlage,
• Schutz durch sichere Trennung der Stromkreise bei SELV, PELV und Schutztrennung,
• Schutz durch automatische Abschaltung der Stromversorgung (Leitungsschutzschalter),
• zusätzlicher Schutz (RCD, NOT-AUS),
• Spannungspolarität,
• Spannungsfestigkeit,
• Phasenfolge der Außenleiter (beeinflusst Drehrichtung des Motors).
Im Falle eines festgestellten Fehlers sind Erprobungen und Messungen, die durch diesen
Fehler möglicherweise beeinflusst wurden, nachdem dieser Fehler behoben wurde, zu wiederholen. Die einzelnen Messmethoden seien nicht näher erläutert. Durchgeführt wurden
die Messungen mit dem Metratester 5+ (SAM Prüfnummer: 271189465).
5.1.3
Funktionsprüfung
In der Funktionsprüfung wird nun die Anlage eingeschaltet und auf alle Funktionen hin
überprüft. Dazu muss mit dem Einstellen der Knebelschalter, auch die richtige Auswahl
des Motorentypes durch die Steuerung erfolgen und sich daraufhin die benötigte Motorenspannung am Ausgang des jeweiligen Frequenzumrichters einstellen. Es wird überprüft,
ob die Steuersignale korrekt an die Radaranlage von ROT1, ROT2 sowie der 24V für TCU
übergeben werden und ob die Signale vom HM und Azimut/Pulser bei der Steuerung ankommen. Die Signale und Spannungen werden mit dem Multimeter Fluke 177 überprüft.
Ob die Steuerung korrekt arbeitet wird mit Hilfe eines Laptops kontrolliert, welcher an
die LOGO! mit einem Kabel angeschlossen ist und die momentanen Betriebszustände der
Funktionsblöcke, den Zustand von Merkern, Eingängen und Ausgängen wiedergibt. Nach
dem alle Prüfungen erfolgreich bestanden und einige Verdrahtungsfehler beseitigt wurden,
erfolgt ein exemplarischer Test einer Radaranlage.
Kapitel 6
Exemplarischer Test einer Radaranlage
Für den Funktionstest des Motorenprüfstandes wurde eine aus der laufenden Produktion stammende Radaranlage gewählt. Die Motordaten der X-Bandradaranlage sind
3x400V/50Hz. Nach der Prüfanweisung GR3040PA werden die Steckverbinder im ausgeschalteten Zustand des Motorenprüfstandes angeschlossen. Der Motorentyp wird mit Hilfe
der Knebelschalter eingestellt und die Prüfung mit dem Starttaster begonnen. Nachstehend
folgen Abbildungen des Prüfablaufes mit den gemessenen Werten.
Abbildung 6.1: X-Bandradaranlage ohne Antenne
62
KAPITEL 6. EXEMPLARISCHER TEST EINER RADARANLAGE
6.1
63
Testergebnisse der X-Bandradaranlage
(a) Startbild nach Einschalten
(b) Anzeige der Phasenströme
(c) Anzeige des Anlaufstromes
(d) Anzeige des Betriebsstromes bei ROT1
Abbildung 6.2: Prüfergebnisse der X-Bandradaranlage Teil A
Nach dem Einschalten des Hauptschalters sowie der Steuerspannung, laufen die Steuerung sowie die Frequenzumrichter hoch. Danach ist die Steuerung betriebsbereit und es
wird eine Textmeldung auf dem Display ausgegeben, dass mit der Prüfung begonnen werden kann (Abbildung 6.2a). Nachdem diese Meldung mit “OK” quittiert ist, werden die
Phasenströme dauerhaft angezeigt (Abbildung 6.2b) so dass eine Schifflast des Motors
erkennbar wird. Nach Testbeginn wird während den ersten drei Sekunden der maximale
Strom ermittelt und als Anlaufstrom ausgegeben (Abbildung 6.2c). Ist dieser nicht in Ordnung, erfolgt nach weiteren zwei Sekunden eine Fehlermeldung. Ist der Anlaufstrom in
Ordnung, wird innerhalb von sechs Sekunden der Betriebsstrom ermittelt und gleichzeitig erfolgt die Überprüfung des Azimut-/Pulsersignals sowie des HM-Impuls. Nach diesen
sechs Sekunden erfolgt die Ausgabe des Betriebsstromes (Abbildung 6.2d). Ist dieser nicht
in Ordnung, wird nach weiteren zwei Sekunden eine Fehlermeldung ausgegeben. Ist jedoch
die Messung erfolgreich, wird auf ROT2 umgeschaltet und es beginnt die gleiche Messung
wie bei ROT1. Dies ist in Abbildung 6.3 zu sehen.
KAPITEL 6. EXEMPLARISCHER TEST EINER RADARANLAGE
(a) Anzeige des Betriebsstromes bei ROT2
64
(b) Anzeige des Azimut-/Pulserimpulse pro Umdrehung
(c) Anzeige des HM
Abbildung 6.3: Prüfergebnisse der X-Bandradaranlage Teil B
Innerhalb von drei Sekunden wird der Betriebsstrom für ROT2 ermittelt (Abbildung 6.3a).
Ist dieser Wert OK, wird die Prüfung beendet, die Radaranlage wird abgeschaltet und es erfolgt die Ausgabe der ermittelten Werte auf dem Textdisplay. Ist die Messung nicht in Ordnung, erfolgt nach weiteren zwei Sekunden eine Fehlermeldung. Somit dauert der gesamte
Messvorgang maximal zwölf Sekunden, wenn die Radaranlage keinen Fehler aufweist.
Die Anzahl der Azimut-/Pulsersignale (Abbildung 6.3b) kann sich mit Betätigung der Cursortasten “nach unten” angezeigt werden. Ebenso kann so sich das HM-Signal angezeigt
werden lassen (Abbildung 6.3c). Folgend wird eine Fehlerbetrachtung der gewonnen Messergebnisse betrieben.
KAPITEL 6. EXEMPLARISCHER TEST EINER RADARANLAGE
6.2
65
Auswirkungen des Frequenzumrichters auf die Messergebnisse
In diesem Abschnitt werden die Auswirkungen des Frequenzumrichters auf die Messergebnisse untersucht. Dafür werden Messwerte mit dem alten Prüfgerät, dem neuen Motorenprüfstand, einem Oszilloskop und einem Multimeter aufgenommen. Die aufgenommenen
Messwerte werden diskutiert und auf Abweichungen hin untersucht. Dafür wird die gleiche
Radaranlage benutzt, welche auch im exemplarischen Test verwendet wurde.
Die Phasenströme werden mit dem Multimeter Fluke 177 gemessen. Dieses Messgerät
besitzt die True RMS-Fähigkeit (Effektivwertmessung). Mit dem Oszilloskop TDS 3032
von Tektronix (SAM Prüfnummer: 271189406) und einer Stromzange 1146A AC/DC Current Probe von Agilent (SAM Prüfnummer: 271189647) wird das Stromsignal dargestellt.
Die Stromzange eignet sich besonders gut zur Messung von Oberschwingungen, da sie
einen linearen Frequenzverlauf von 0Hz bis 2kHz bei einer Verstärkung von 100mV/A
aufweist[19]. Dies ist wie in Kapitel 4.2 erwähnt das Frequenzband, welches nach der DIN
VDE 0847 Teil 4-7 auf Harmonische hin untersucht werden muss.
Der Messfehler der Stromzange beträgt ±3% vom Messwert[19].
Vom Oszilloskop beträgt der Messfehler bei Mittelwertbildung, welche für das alte
Prüfgerät verwendet wird[20]
±0, 023 · Messwert + 0, 1division.
Bei normaler Samplinganwendung, welche für den Motorenprüfstand verwendet wird,
beträgt der Messfehler[20]
±0, 023 · Messwert + 0, 15division + 1, 2mV .
Alle Messwerte wurden am Außenleiter L1 aufgenommen.
Fehler der Stromzange bei Betriebsstrom ROT1
±3% · 608mA = ±18, 24mA
±3% · 620mA = ±18, 6mA
altes Prüfgerät
neues Prüfgerät
Fehler des Oszilloskops bei Betriebsstrom ROT1
±0, 023 · 608mA(±18, 24mA) + 0, 1 · 200mA = ±20mA
±0, 023 · 620mA(±18, 6mA) + 0, 15 · 200mA + 12mA = ±42mA
altes Prüfgerät
neues Prüfgerät
Fehler der Stromzange beim Anlaufstrom
±3% · 3500mA = ±105mA
±3% · 3200mA = ±96mA
altes Prüfgerät
neues Prüfgerät
Fehler des Oszilloskops beim Analufstrom
±0, 023 · 3500mA(±105mA) + 0, 1 · 500mA = ±50mA
±0, 023 · 3200mA(±96mA) + 0, 15 · 500mA + 12mA = ±87mA
altes Prüfgerät
neues Prüfgerät
KAPITEL 6. EXEMPLARISCHER TEST EINER RADARANLAGE
66
Das Multimeter kann einen Effektivwechselstrom im Bereich von 45Hz bis 1kHz messen.
Dabei beträgt der Messfehler ±1, 5% + 3 vom Messwert.
Fehler des Multimeters beim Betriebsstrom ROT1
±1, 5% · 218mA + 3 = ±6, 27mA
±1, 5% · 209mA + 3 = ±6, 14mA
altes Prüfgerät
neues Prüfgerät
In folgender Tabelle 6.1 werden die gemessenen Werte der Prüfvorrichtungen, mit den
Messergebnissen des Oszilloskops gegenüber gestellt. Es wird ersichtlich, dass die Mesgemessene Werte vom Messwerte des Oszilloskops vom
alten
neuen
alten
neuen
Prüfgerät
Motoren- Prüfgerät
Motorenprüfstand
prüfstand
Anlaufstrom
nicht
0,42A
1,24A±0,05A 1,15A-±0,09A
bestimmbar
Betriebsstrom bei ROT1
0,23A
0,20A
0,21A±0,02A 0,22A±0,04A
Betriebsstrom bei ROT2
0,16A
0,14A
nicht erforderlich
Tabelle 6.1: Stromwerte für den X-Bandradarmotor dreiphasig 400V/50Hz
sung der Phasenströme mit beiden Prüfvorrichtungen ausreichend genau ist. Beide weisen
zwar eine Differenz von 30mA auf, diese liegt jedoch im Bereich der Messungenauigkeit.
Der Hersteller der Motoren schreibt eine Abweichung von ±10% bei einem Nennstrom
von 0,32A vor[14]. Da die Prüfung bei Leerlauf statt findet, kann dieser Wert nicht erreicht
werden. Als bester Referenzwert für die Strommessung bei ROT1, dient der Stromwert des
Multimeters. Dies ist durch die True RMS-Fähigkeit am genauesten. Die Messergebnisse
sind:
218mA ± 6, 27mA für das altes Prüfgerät und 209mA ± 6, 14mA für das neues Prüfgerät.
Die Bestimmung des Anlaufstromes bei dem neuen Motorenprüfstand ist ungenau und
stimmt nicht mit den Angaben des Herstellers überein (0,8A...1,2A). Hauptgrund für die
Messungenauigkeit ist die langsame Datenerfassung. Die Analogwerte der LOGO! sowie
der Stromwächter sind nicht für die Bestimmung kurzer Stromspitzen wie Anlaufströme
ausgelegt. Nach der Definition ist der Anlaufstrom der höchste Stromwert der während
einer Periode ermittelt werden kann. Der Stromverlauf ist in Abbildung 6.4 dargestellt.
In den Abbildungen 6.5a und 6.7a ist die Stromverzerrung, hervorgerufen durch die Leistungselektronik des Frequenzumrichters, deutlich zu sehen. Eine Messung der Harmonischen hat ergeben, dass die Stromverzerrungen keine negativen Einflüsse auf den Motor
haben und zu keiner nennenswerten zusätzlichen Belastung der Wicklungen führen. Die
Messdaten liegen in der Toleranz nach DIN VDE 0838 Teil 2. Die Stromwerte aus Tabelle 4.1 werden zu keiner Zeit überschritten. Wenn die Messung mit einem größeren
S-Bandmotor durchgeführt worden wäre, kann die prozentuale Abweichung der 5.Ober1,14
16A
= 4,81%
. Danach wäre
schwingung zur Grundschwingung errechnet werden durch 100%
der Anteil der 5.Oberschwingung mit 1,74% von der Grundschwingung (Abbildung 6.5d)
innerhalb der Norm. Im direkten Vergleich zwischen alten Prüfgerät und neuen Motorenprüfstand wird ebenfalls ersichtlich, dass die Anteile der Oberschwingung mit dem Einsatz des Frequenzumrichters zunehmen (Abbildung 6.5a und 6.9a), jedoch nicht viel größer werden als beim direkten Betrieb am Netz (Abbildung 6.5d mit 35,2dB und 6.9 mit
KAPITEL 6. EXEMPLARISCHER TEST EINER RADARANLAGE
(a) Anlaufstrom des neuen Motorenprüfstandes
67
(b) Anlaufstrom der alten Prüfvorrichtung
Abbildung 6.4: Anlaufströme der X-Bandradaranlage
37,8dB). Wesentlich kritischer zu betrachten ist die mangelnde Kühlung des Motors durch
den Lüfter in der Radaranlage. Die Radaranlage ist luftdicht verschlossen und verhindert
somit Frischluftzufuhr. Diese Auswirkungen können nicht betrachtet werden, wirken sich
an warmen Sommertagen gravierend auf die Erwärmung der Motorenwicklungen aus.
Die folgenden Oszilloskopabbildungen werden mit einem Tektronix Oszilloskop TDS
3032, einer Stromzange 1146A AC/DC Current Probe von Agilent mit einem Teilerverhältnis von 100mV/A und einem Tastkopf von TESTEC TT-HV 250 mit der Teilung 1:100
aufgenommen. Der Tastkopf wurde vor der Messung abgeglichen. Für die FFT-Analyse
wird ein Erweiterungsmodul für das TDS 3032 verwendet. Die Einstellungen dafür sind,
• ein Signalerfassungsmodus Normal für einen niedrigen Rauschuntergrund und eine
bessere Frequenzauflösung als Signale im Fast Triggermodus,
• eine AC-Kopplung um DC-Anteile, die zu einer falschen Betragsdarstellung der Signale führen können, zu unterdrücken,
• eine Mittelung mit 32 Abtastwerten um unkorreliertes Rauschen und Aliaskomponenten zu unterdrücken,
• ein Blackman-Harries-Fenster, da die Auflösung der Beträge sehr gut ist und die
Frequenzen schwächer dargestellt werden. Die Frequenzen sind weniger relevant.
Diese Darstellung eignet sich jedoch sehr gut um Oberwellen zu untersuchen1 .
1 Empfehlungen
aus der Bedienungsanleitung des FFT-Moduls
KAPITEL 6. EXEMPLARISCHER TEST EINER RADARANLAGE
(a) Strom durch L1 bei ROT1 mit FFT bis 25kHz
(b) Strom durch L1 bei ROT1 mit FFT bis 5kHz
(c) FFT in logarithmischer Darstellung bis 1,25kHz
(d) FFT in linearer Darstellung bis 12,5kHz
68
Abbildung 6.5: Strom am Motor des Motorenprüfstandes
In Abbildung 6.5a ist die Stromamplitude und die dazugehörige FFT-Analyse abgebildet.
Zu sehen ist an der Amplitude deutlich die Stromverzerrung, hervorgerufen durch die Leistungselektronik des Frequenzumrichters. Durch die FFT-Analyse wird deutlich, dass die
Störungen über einen großen Frequenzbereich von 25kHz auftreten. Eine größere Auflösung bis 5kHz ist in Abbildung 6.5b zu sehen. Für die Bestimmung der Oberschwingungsanteile bis zu einem Frequenzbereich von 2kHz ist die Abbildung 6.5c hilfreich. Die 3.,
5., 11. und 13. Oberschwingung sowie die 17. und 19. sind auffällig groß. Der Wert der
17. und 19. Oberschwingung beträgt 1,74%. Dies entspricht 5,4mA und ist sehr klein. Die
Abbildung 6.5d zeigt eine lineare Darstellung der FFT-Analyse. Diese stellt das “wahre”
Verhältnis besser dar.
KAPITEL 6. EXEMPLARISCHER TEST EINER RADARANLAGE
69
(a) Spannung an L1 und N bei ROT1 mit FFT bis (b) FFT in logarithmischer Darstellung bis 12,5kHz
25kHz
(c) FFT in logarithmischer Darstellung bis 5kHz
(d) FFT in linearer Darstellung bis 12,5kHz
Abbildung 6.6: Spannung am Motor des Motorenprüfstandes
Die Abbildung 6.6a zeigt die Spannungsamplitude an der Motorseite. Diese weist die Charakteristika eines PWM-Modellierten Signals auf. Zusätzlich ist eine FFT-Analyse bis zu
einer Frequenz von 25kHz abgebildet. Auffällig sind die vielen und starken Spannungsverzerrungen. Eine bessere Darstellung der FFT-Analyse ist in Abbildung 6.6b zu sehen. Deutlich erkennbar sind die durch die Modulation hervorgerufen Störungen bei 3kHz, 6kHz,
9kHz und so weiter. Die Beträge der Werte nehmen kontinuierlich ab. Die Störungen sind
sehr stark und bei der Simulation in Abbildung 4.7 schon aufgefallen. Wichtig für die Bestimmung des THD ist das Frequenzband bis 2kHz. Bis zu dieser Frequenz treten keine
nennenswerten Störungen auf. Bei 3kHz beträgt der Oberschwingungsanteil 35,48% von
der Grundschwingung. Die lineare Darstellung in Abbildung 6.6d der FFT-Analyse macht
dies deutlich.
KAPITEL 6. EXEMPLARISCHER TEST EINER RADARANLAGE
70
(a) Strom durch L1 bei ROT1 mit FFT bis 25kHz
(b) FFT in logarithmischer Darstellung bis 12,5kHz
(c) FFT in logarithmischer Darstellung bis 2,5kHz
(d) FFT in linearer Darstellung bis 5kHz
Abbildung 6.7: Strom Netzseitig des Motorenprüfstandes
Durch den Frequenzumrichter treten Netzrückwirkungen auf. Diese sind in Abbildung 6.7a
zu erkennen. Markant sind die Transienten des Stroms. Zusätzlich ist eine FFT-Analyse bis
25kHz des Eingangsstromes dargestellt. Diese stellt die hohen Oberschwingungsanteile
dar, was aus der linearen Darstellung in Abbildung 6.7d deutlich wird. Dort ist das “wahre”
Verhältnis dargestellt. Bis 1kHz sind starke Störungen erkennbar. Diese gehen allmählich
zurück. In Bild 6.7c sind die Anteile der 3., 5., 7., bis hin zur 31. Oberschwingung sehr
deutlich zu erkennen. Die 7. Oberschwingung hat von der Grundschwingung den größten
Anteil mit 42,66%. Dies entspricht einem Strom von 117,64mA und liegt noch weit unter dem zulässigen Strom von 770mA nach Tabelle 4.1. An dieser Stelle besteht jedoch
Handlungsbedarf und eine Netzdrossel ist notwendig um die Oberschwingungsanteile zu
reduzieren. Deutlich werden die Auswirkungen einer nicht EMV-Gerechten Verdrahtung
des Frequenzumrichters. Leitungen der Eingangsseite und der Ausgangsseite des Frequenzumrichters liegen nebeneinander. Dies verzerrt zusätzlich den netzeingangseitigen Strom.
Bei der Prüfung der Motoren muss unbedingt der Schutzleiter vom Motorenprüfstand mit
der der Radaranlage verbunden werden. Auch dies verringert die Stromoberschwingungen.
KAPITEL 6. EXEMPLARISCHER TEST EINER RADARANLAGE
71
(a) Spannung an L1 und N bei ROT1 mit FFT bis (b) FFT in logarithmischer Darstellung bis 2,5kHz
12,5kHz
(c) FFT in linearer Darstellung bis 2,5kHz
Abbildung 6.8: Spannung Netzseitig des Motorenprüfstandes
Die Spannung wird von dem Frequenzumrichter sehr wenig verzerrt. Die Amplitude ist
nahezu sinusförmig. In der Abbildung 6.8a ist dies zu erkennen. Zusätzlich ist eine FFTAnalyse bis 12,5kHz durchgeführt. Diese ist in Abbildung 6.8b besser dargestellt und zeigt
eine markante 5. Oberschwingung von 1,95%. Dies liegt in der Toleranz nach Tabelle 4.2.
Abbildung 6.8c zeigt eine lineare Darstellung der FFT-Analyse.
KAPITEL 6. EXEMPLARISCHER TEST EINER RADARANLAGE
(a) Strom durch L1 bei ROT1 mit FFT bis 25kHz
72
(b) FFT in logarithmischer Darstellung bis 1,25kHz
(c) FFT in linearer Darstellung bis 1,25kHz
Abbildung 6.9: Strom am Motor der alten Prüfvorrichtung
In Abbildung 6.9a ist der Strom der alten Prüfvorrichtung dargestellt. Dieser hat einen
sinusförmigen Verlauf und ist frei von Störungen. Die 5.Oberschwingung weist einen Anteil von 1,29% der Grundschwingung auf. Dies entspricht 3,92mA und die dazugehörige
FFT-Analyse bis 1,25kHz ist in Abbildung 6.9b dargestellt. Abbildung 6.9d zeigt eine lineare Darstellung der FFT-Analyse. Interessant ist der Vergleich der Abbildungen 6.9a und
6.5a. Das Signal in Abbildung 6.9a weist nahezu keine Verzerrungen auf. Hingegen sind
die Verzerrungen in Abbildung 6.5a deutlich zu sehen. Die Stromverzerrung der 5.Oberschwingung beträgt bei beiden unter 2%. Daraus folgt die Schlussfolgerung, dass der Frequenzumrichter den Motor nicht zusätzlich belastet. Lediglich das Versorgungsnetz wird
durch den Einsatz des Frequenzumrichters mit zusätzlichen Oberschwingungen belastet.
KAPITEL 6. EXEMPLARISCHER TEST EINER RADARANLAGE
73
(a) Spannung an L1 und N bei ROT1 mit FFT bis
50kHz
(b) FFT in logarithmischer Darstellung bis 5kHz
(c) FFT in logarithmischer Darstellung bis 1,25kHz
(d) FFT in linearer Darstellung bis 2,5kHz
Abbildung 6.10: Spannung am Motor der alten Prüfvorrichtung
Die Spannung an der alten Prüfvorrichtung ist in Abbildung 6.10a dargestellt. Eine leichte
Verzerrung der Spannungsamplitude ist zu erkennen. Zusätzlich ist eine FFT-Analyse bis
50kHz dargestellt. Diese zeigt bei der 5., 7. und 17. Spannungsoberschwingungen wie in
Abbildung 6.10c dargestellt. Abbildung 6.10b zeigt eine FFT-Analyse bis 5kHz mit allen
markanten Oberschwingungen. Abbildung 6.10d zeigt die lineare Darstellung der FFTAnalyse bis 2,5kHz. Auffällig ist die 5. Oberschwingung mit 1,86%, die 7. Oberschwingung mit 1,23% und die 17. Oberschwingung mit 0,45% der Grundschwingung. Alle Werte
liegen nach Tabelle 4.2 in der Toleranz. Ein Vergleich der Versorgungsspannung vom alten
Prüfgerät und neuen Motorenprüfstand in den Abbildungen 6.10a und 6.8a zeigt keine markanten Unterschiede. Die 3. und 9. Oberschwingung in Abbildung 6.8b fallen leicht auf,
da diese in Abbildung 6.10c nicht vorhanden sind. Daraus resultiert die Schlussfolgerung,
dass die Netzspannung nicht vom Frequenzumrichter beeinflusst wird und keine weiteren
Maßnahmen ergriffen werden müssen das Spannungssignal zu verbessern.
Kapitel 7
Verbesserungsvorschlag zum Radar
1100
Während der Entwicklung und der Realisierung des Motorenprüfstandes, wurde nach einer
Möglichkeit gesucht, die Prüfung der Radaranlagen zu vereinfachen. So wie das “Radar
1100” von der SAM momentan angeboten wird, gibt es keine Möglichkeit die Prüfung
zu vereinfachen. Die Prüfung wäre einfacher, wenn von den 14 Motoren einige Motoren eingespart werden könnten. Es wäre möglich, für die 230V-Variante nur einen Motor
zu verwenden, statt den acht verschiedenen wie es Momentan der Fall ist. Die zur Verfügung stehende Versorgungsspannung an Bord des Schiffes wäre für die Radaranlagen
unwichtig. Es kann eine Spannungsversorgung von einphasig oder dreiphasig, 50Hz oder
60Hz, vorhanden sein. Die benötigte Motorenspannung wird von einem Frequenzumrichter angepasst. Für die 400V-Variante wird dasselbe Konzept verwendet. Statt den sechs
unterschiedlichen Motoren, wird einer verwendet. So wird ein Frequenzumrichter für den
unteren Spannungsbereich von 230V und einer für den oberen Spannungsbereich von 400V
des Bordnetzes verwendet. Die notwendigen Motoren werden auf zwei reduziert. Dies können die bisher verwendeten Motoren für dreiphasig 230V/50Hz und dreiphasig 400V/50Hz
sein. Dafür kommen die leistungsstärkeren S-Bandmotoren in Frage. Diese sind in beiden
Radarvarianten verwendbar. Bevor dieser Verbesserungsvorschlag weiter betrachtet werden kann, müssen zuvor einige Fragen geklärt werden.
• Sind die Umgebungsbedingungen für Frequenzumrichter nach IEC 60945 zu widrig?
• Lassen sich die größeren S-Bandmotoren in die kleineren X-Bandgehäuse einbauen?
• Ist der Umbau kosteneffizient?
74
KAPITEL 7. VERBESSERUNGSVORSCHLAG ZUM RADAR 1100
7.1
75
Ausarbeitung des Verbesserungsvorschlages
Die Vorteile dieses Konzeptes sind vielfältig. Es werden Lagerkosten eingespart, da zwei
Motoren verwendet werden statt 14 Motoren. Damit schnell auf Kundennachfrage reagiert
werden kann, sind einige Motoren laufend im Lager. Wird die Anzahl der verwendeten
Motoren reduziert, müssen weniger Motoren bevorratet werden. Die Stückzahlen sind pro
Typ größer. Dies hat zur Folge, dass zusätzliche Rabatte ausgehandelt werden können.
Das Risiko einer fehlerhaften Lieferung wird vermindert, da der Kunde zwei Motoren zur
Auswahl hat. Es kommt häufiger vor, dass der Kunde eine Radaranlage bestellt und die
falschen Motordaten angibt1 . An Bord des Schiffes kann dadurch die Radaranlage nicht
in Betrieb genommen werden und somit keine Abnahme der Klassifizierungsgesellschaft
erfolgen.
Abschließend werden die Vorteile zusammengefasst:
• Einsparung von Lagerkosten der Motoren;
• höhere Rabatte bei den Motoren durch größere Mengenabnahme;
• flexibler in der Lieferung der Radaranlagen durch Universalität;
• servicefreundlicherer Austausch defekter Motoren durch Minimierung der auszutauschenden Elemente;
Damit die in Kapitel 7 erwähnten Fragen beantwortet werden können, wird eine Berechnung der erforderlichen Motorenleistung durchgeführt. Dies soll klären, welche Leistung
der Motor abgeben muss, um eine S-Bandradaranlage anzutreiben. Es werden Hersteller
gesucht, die passende Frequenzumrichter anbieten die der IEC 60945 entsprechen. Der
Frequenzumrichter benötigt zusätzlichen Platz im Radargehäuse. Unter Umständen reicht
der vorhandene Freiraum nicht aus und es wird ein größeres Gehäuse benötigt. Notwendige
Änderungen des Gehäuses werden dahin gehend bewertet.
1 bekannt
aus Reklamationsberichten
KAPITEL 7. VERBESSERUNGSVORSCHLAG ZUM RADAR 1100
7.2
76
Motorendimensionierung
In diesem Abschnitt wird die elektrische Leistung berechnet, die benötigt wird, so dass die
Antenne unter Windlast noch andreht. Diese muss ausreichend sein, um die Antenne mit
der vorgegebenen Umdrehungszahl von bis zu 48U/min bei einer Windgeschwindigkeit
von 100kn anzudrehen. Die Vorgabe der Windgeschwindigkeit, bei der die Radaranlage
noch andrehen muss, ist in der IEC 60936 Radar Performance Standard zu finden[11].
Die Umdrehungszahl von 48U/min ist eine Vorgabe der SAM Electronics GmbH für ihr
Produkt[13]. Erforderliche Berechnungen werden mit dem Tool MathCad durchgeführt.
In den Berechnungen besteht die Schwierigkeit daran, den Widerstandsbeiwert der Antennenfläche realistisch abzuschätzen und den Anteil der Verwirbelungen um die Antenne mit
einzubeziehen. Des Weiteren ändert sich die Windlast in Abhängigkeit des Winkels, in der
die Antenne sich zum Wind befindet. Die Form der Antenne ist nicht gleich. Somit ist das
Strahlerprofil der Antennenfront aerodynamisch ungünstig. Das Profil der Antennenrückfläche hingegen ist strömungstechnisch günstiger. Dies verdeutlichen die Abbildungen 7.1
und 7.2.
(a) Strömung an einer S-Bandradaranlage
(b) Strömung an einer X-Bandradaranlage
Abbildung 7.1: horizontale Windströmung
KAPITEL 7. VERBESSERUNGSVORSCHLAG ZUM RADAR 1100
77
Abbildung 7.2: vertikale Windströmung
Die folgenden Berechnungen werden unter der Annahme getätigt, dass die Strömung des
Windes laminar ist. Verwirbelungen und Strömungsabrisse werden nicht berücksichtigt.
Diese könnten dazu führen, dass die benötigte Motorenleistung größer werden muss, um
die Antenne noch anzudrehen. Dieses Risiko wird mit einem Sicherheitsfaktor berücksichtigt.
7.3
Berechnungen zur Motorendimensionierung
Alle Berechnungen wurden in Mathcad 14.0 durchgeführt und sind am Beispiel der SBandradaranlage dargestellt. Diese besitzt die größere Antenne und den leistungsstärkeren
Motor. Die technischen Daten sind:
R = 2, 11m
H = 0, 36m
T = 0, 51m
m = 70kg
n=
48
60
· 1s
ω = 2·π ·n
t=
1
n
Cws1 = 0, 75
Cws2 = 0, 60
Cws3 = 1, 1
2 CW-Werte
halbe Antennenlänge
Höhe der Antennenfläche
Tiefe der Antennenfläche
Masse der Antenne[13]
Antennendrehzahl
Winkeldrehgeschwindigkeit der Antenne
Umdrehung pro Sekunde
Widerstandsbeiwert für die Strahlerfläche2
Widerstandsbeiwert für die Strahlerrückfläche
Widerstandsbeiwert für die Antennenendfläche
sind eine Abschätzung aus der Zusammensetzung von Grundkörpern[7]
KAPITEL 7. VERBESSERUNGSVORSCHLAG ZUM RADAR 1100
ρ = 1, 29 · mkg3
Luftdichte bei 0◦ C
vw = 50 · ms
Windgeschwindigkeit[11]
η = 0, 90
I = 62, 5
Wirkungsgrad des Getriebes3
Übersetzungsverhältnis des Getriebes
78
Zur Berechnung der Kraft, die auf die Antenne wirkt, wird
F = m · ω2 · R
(7.1)
berechnet. Daraus lässt sich die Motorenleistung berechnen, die im Leerlauf benötigt wird.
P0 = F ·
ω ·R
I
(7.2)
Der Laufindex No dient zur Wertepaarberechnung und hilft die Graphen in Abbildung 7.3,
7.4 und 7.5 zu zeichnen.
ϕ(k) = 360
No = 99
k = 0...No
α(k) = 2 · Nπo · k
No · k
In Abhängigkeit der Stellung der Antenne im Winkel zum Wind ändert sich die Windkraft. So werden zwei Formeln verwendet. Eine für die Antennenfront und eine für den
Antennenrücken. Für die Antennenfront gilt somit
dF2(r, k) = [r · ω +Vw · cos(α(k))] · [r · ω +Vw · cos(α(k))]
(7.3)
und für den Antennenrücken gilt.
dF2(r, k) = [r · ω −Vw · cos(α(k))] · [r · ω −Vw · cos(α(k))]
(7.4)
Um das Drehmoment zu bestimmen, müssen alle Momente der Antennenfläche integriert
werden.
Z R
Z R
Cws1
Cws2
·H ·
·H ·
Ms (k) = ρ ·
r · (dF1(r, k))dr + ρ ·
r · (dF2(r, k))dr (7.5)
2
2
0m
0m
Das Drehmoment an der Antennenendfläche ergibt sich dann wie folgt:
M f (k) = R · cos(α(k)) · (Vw + R · ω · cos(α(k)))2 · ρ ·
Cws3
· H · T · sin(α(k))
2
(7.6)
Die Summe beider Drehmomente ist (siehe Abbildung 7.3).
Mw (k) = Ms (k) + M f (k)
3 Abschätzung
aus Erfahrungswerten für Zahnriemenantriebe
(7.7)
KAPITEL 7. VERBESSERUNGSVORSCHLAG ZUM RADAR 1100
79
Das Nenndrehmoment an der Motorachse lässt sich somit wie folgt berechnen (siehe Abbildung 7.4).
Mw (k)
(7.8)
Mn (k) =
I ·η
Entscheidender für die Auswahl des notwendigen Motors ist jedoch die momentane Motorabtriebsleistung (siehe Abbildung 7.5).
Pe (k) = Po + ω · Mn (k)
(7.9)
Um die Dauerbelastung zu kennen, wird die mittlere Motorabtriebsleistung wie folgt berechnet.
No
1
Pav =
· ∑ Pe (k)
(7.10)
No + 1 k=0
Aufgetragen ist das Drehmoment an der Antennenachse. Dieses ist notwendig, um die
mechanischen Komponenten für die Radaranlage zu dimensionieren.
Abbildung 7.3: Drehmoment[Nm] an der Antennenachse über den Antennenwinkel α
KAPITEL 7. VERBESSERUNGSVORSCHLAG ZUM RADAR 1100
80
Wichtig für die Festlegung des Motors, ist das benötigte abgegebene Drehmoment um die
Antenne bei maximaler Windlast von 50 ms anzudrehen. Aufgetragen ist das Drehmoment
in Abhängigkeit der Antenne zum Wind.
Abbildung 7.4: Nenndrehmoment[Nm] an der Motorachse über den Antennenwinkel α
Weiterhin von Bedeutung, ist die Höhe der elektrischen Leistung, um die Antenne anzudrehen. Aufgetragen ist die Motorenleistung in Abhängigkeit der Antennenstellung zum
Wind. Zusätzlich ist die mittlere benötigte Leistung dargestellt.
Abbildung 7.5: Motorantriebsleistung Pe[Watt] über den Antennenwinkel α
KAPITEL 7. VERBESSERUNGSVORSCHLAG ZUM RADAR 1100
7.4
81
Auswertung der Berechnungen
Die Berechnungen haben ergeben, dass der bisher verwendete Motor weiterhin verbaut
werden kann. Der Sicherheitsfaktor bezüglich der Leistung beträgt 1,39. Dieser ergibt sich
aus der vom Motor abgegebenen Leistung von 1000W und der benötigten mittleren Leistung von 720W. Der Sicherheitsfaktor von 1,39 hat sich als ausreichend erwiesen.
7.5
Klärung der Randbedingungen
Aus den Berechnungen geht hervor, dass der zu verwendende Frequenzumrichter eine
maximale Leistung von 1000W liefern muss, um den verwendeten Motor zu versorgen.
Daraufhin werden Hersteller ausfindig gemacht, die den Anforderungen nach IEC 60945
genügen und diese Leistung erbringen können. In der IEC 60945 sind die Prüfvorschriften der Umweltprüfung festgelegt. Diese besagen, dass Geräte im geschützten Einbau
bei einer Temperatur von -15◦ C bis 55◦ C funktionsfähig sein müssen. Diese Anforderungen werden von diversen Herstellern und Geräten erfüllt. Die Modelle Micromaster,
ACS55, L200 oder SD100 sind nur einige Beispiele. Die Abmaße aller Frequenzumrichter sind klein genug, damit diese zusammen mit dem Motor in das Radargehäuse der
größeren S-Bandradaranlage passen. Für die X-Bandradaranlage müssen statt den bisher
verwendeten X-Bandradargehäusen, die der S-Bandradaranlage verwendet werden. Das
X-Bandradargehäuse ist für die 1kW Motoren und den Frequenzumrichter zu klein. Das
Gewicht des Gehäuses beträgt statt 11kg nun 31,5kg[13]. Dies bedeutet eine Gewichtserhöhung von 20,5kg. Damit ergibt sich ein Kompletgewicht der X-Bandradaranlage von
63,5kg. Dies ist eine Gewichtserhöhung von 47,7%. Nach dieser Gewichtserhöhung müssen eventuell die X-Bandradarmasten stärker ausgelegt werden.
neue X-Bandradaranlage mit Gehäuse
63,5kg
alte X-Bandradaranlage mit Gehäuse
43kg
Tabelle 7.1: Gewichtsänderung der X-Bandradaranlage
KAPITEL 7. VERBESSERUNGSVORSCHLAG ZUM RADAR 1100
7.6
82
Betrachtung der Kosteneffizienz des Umbaus
Wenn dieser Verbesserungsvorschlag umgesetzt werden würde, werden nun statt den 14
verschiedenen Motoren und der drei Schütze für die Dahlanderumschaltung folgende Komponenten benötigt:
• 2 Frequenzumrichter mit 1kW Ausgangsleistung vom Typ
Hitachi L200-011 NFE (230V) 186,00e
Hitachi L200-015 HFE (400V) 290,00e
• 2 Motoren mit 1kW Leistung vom Typ
Leroy Somer 4PD2923050 (3x230V/50Hz) 198e
Leroy Somer 4PD2940050 (3x400V/50Hz) 156e
Ein verwendetes Schütz kostet zirka 8e. Die würde eine Kosteneinsparung von 24e bedeuten. Dem gegenüber stehen zusätzliche Kosten von 186,00e und 290,00e. Diese würden
durch Aushandlungen von Rabatten um zirka 30% sinken auf 130,20e und 203,00e für die
Frequenzumrichter. Die angebotenen Motoren würden bis zu 25% günstiger werden und
148,50e sowie 117e kosten. Wie groß die Einsparungen an Lagerkosten wären, kann nicht
genau bestimmt werden. Diese sind geringfügig im Vergleich zu den Preisnachlassen. Viel
entscheidender wären die Einsparungen von unnötigen Lieferungen und Serviceeinsätzen
auf Grund von falschen Bestellungen. Diese Kosten sind subjektiv zu bewerten. Zum einen
liegt dies an den mangelnden Zahlen, wie viele Lieferungen und Serviceeinsätze unnötig
waren sowie was für zusätzliche Kosten dadurch entstanden sind.
In folgender Tabelle 7.2 sind die Kosten der bisherigen Variante und der neuen Variante
gegenüber gestellt.
230V
400V
Variante
230V
400V
neue Variante für alle Radaranlagen
Motor
Frequenzumrichter Gesamtsumme
148,50e 130e
278,50e
117e
203e
320e
Motor
147e
117e
bisherige X-Bandradaranlage
Schütze
Gesamtsumme
24e
171e
24e
141e
bisherige S-Bandradaranlage
Motor Schütze Gesamtsumme
198e 24e
222e
156e 24e
180e
Tabelle 7.2: Kostenaufstellung des Verbesserungsvorschlages
KAPITEL 7. VERBESSERUNGSVORSCHLAG ZUM RADAR 1100
83
Das Einsparpotential wird in Tabelle 7.3 dargestellt.
230V
400V
Gewinn
X-Bandradaranlage S-Bandradaranlage
-107,50e
-56,50e
-179e
-140e
Tabelle 7.3: Gewinn des Verbesserungsvorschlages
Zu erkennen ist das keine Materialkosteneingespart werden können. Die Radaranlagen
sind nun fehleranfälliger durch zusätzliche Elektronik. Schütze mit dem passenden Motor
sind Wartungsärmer und robuster als Leistungselektronik bei schwierigen Umweltbedingungen.
Als abschließendes Fazit steht fest, dass dieser Verbesserungsvorschlag zu keiner Kosteneinsparung führen würde. Es kommt zur Verringerung von Produktionszeiten für die
Radaranlagen. Dies verringert die Grenzkosten und erhöht den Gewinn, aufgrund von
Reduzierung der Variantenvielfalt. Des Weiteren werden Serviceeinsätze verringert. Die
Mitarbeiter stünden ohne diese unnötigen Einsätze für andere Aufträge zur Verfügung und
könnten gewinnbringendere Einsätze durchführen. Es ist von dem neuen Konzept aus den
genannten Gründen abzuraten und das bisherige Konzept beizubehalten.
Kapitel 8
Zusammenfassung
Aufgabe der Bachelorthesis war die Neuentwicklung eines automatisierten Motorenprüfstandes zur Endprüfung der Asynchronmotoren in Radargeräten. Dafür wurden auf Grundlage der vorhandenen Prüfanweisung GR3040PA und GR3041PA diverse Anforderungen
an den zu entwerfenden Motorenprüfstand gestellt. Auf dieser Grundlage sind unterschiedliche Realisierungsvarianten erarbeitet worden und einer Nutzwertanalyse unterzogen worden. Die Variante mit dem besten Nutzwert wurde für die Realisierung des Motorenprüfstandes umgesetzt. Für die Realisierung sind technische Zeichnungen erstellt und notwendige Programme für die Steuerung entwickelt worden. Nach der Fertigstellung des Motorenprüfstandes wurde ein exemplarischer Test durchgeführt. In diesem wurde eine XBandradaranlage einer Prüfung unterzogen und die Parameter sowie die Stromwerte abschließend angepasst. Es folgte eine Untersuchung, ob die erhaltenen Messergebnisse und
der Motorenprüfstand für die Endprüfung verwendbar sind. Zusätzlich wurde ein Verbesserungsvorschlag erarbeitet, wie die Prüfung der Radaranlagen zukünftig vereinfacht werden
kann.
Zusammenfassend ist die Arbeit sehr erfolgreich verlaufen und der Motorenprüfstand kann
für die Endprüfung der Radaranlagen verwendet werden. Es sind drei Radaranlagen sowie
die dazugehörigen einzelnen Motoren erfolgreich geprüft worden. Nach der Inbetriebnahme des Motorenprüfstandes, ist der Frequenzumrichter für die einphasigen Motoren ausgefallen und es konnten keine einphasigen Radaranlagen einer Prüfung unterzogen werden.
Bis jetzt hat der Hersteller des Frequenzumrichters nicht mitgeteilt, was den defekt verursacht hat. Es sprechen jedoch keine Gründe gegen eine spätere erfolgreiche Prüfung der
einphasigen Radaranlagen. Eine Prüfung aller Radarvarianten wurde aufgrund des Ausfalls
des Frequenzumrichters nicht durchgeführt. Des Weiteren sind bis zu diesem Zeitpunkt
nicht alle Radarvarianten produziert und somit nicht einem Test unterzogen worden.
8.1
Ausblick
Aufgrund der knappen Ressourcen des Motorenprüfstandes besteht wenig Raum für eine
spätere Weiterentwicklung oder Verbesserung, wenn sich die Anforderungen an eine Prüfung der Radaranlagen ändern. Bis zu diesem Zeitpunkt sind keine Fehler oder Probleme
aufgetreten. Die Verdrahtung sollte geändert werden damit sich die Netzrückwirkungen
reduzieren. Abschließend kann der entwickelte Motorenprüfstand für die Endprüfung der
Radaranlagen verwendet werden und benötigt keine technischen Änderungen.
84
Literaturverzeichnis
[1] B RÖDEL, Anton: Tabellenbuch Mechatronik. Verlag Gehlen, 2004. – ISBN 3–441–
92120–8
[2] http://www.meteo.physik.uni-muenchen.de/~crewell/vorles/radarmet/
radarmet_ss04_einfuehrung.pdf
[3] http://www.moeller.net/binary/schabu/f0200-004de.pdf
[4] FARTSCHI, Ali: Elektromaschinen in Theorie und Praxis. VDE Verlag, 2001. – ISBN
3–8007–2563–0
[5] http://www.pe.tu-berlin.de/lehrbetrieb/simulationsverfahren/pdf/
le_sim_script_v2.1.pdf
[6] H ÄBERLE, Gregor D. ; H ÄBERLE, Heinz O. ; S CHONARD, Armin: Elektrische Antriebe und Energieverteilung. Verlag Europa-Lehrmittel, 2006
[7] J IRKA, Gerhard H.: Einführung in die Hydromechanik. Universitätsverlag Karlsruhe,
2007. – ISBN 978–3–8664–158–3
[8] L UDOLFF, A.: Praxiswissen Radar und Radarsignalverarbeitung. Vieweg+Teubner,
2008. – ISBN 978–3–8348–0597–3
[9] http://www.gossenmetrawatt.com/resources/marcom/merkbuch/2009_
merkbuch1_12.pdf
[10] M ÖRIKE, M. ; T EUFEL, S.: Kosten & Nutzen von IT-Sicherheit. Dpunkt.Verlag, 2006.
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[11] N ORMEN, IEC: Maritime navigation and radiocommunication equipment and systems -Radar-, 1998-10
[12] PALOTAS, Prof. Dr.-Ing. Dr. Techn. L.: Elektronik für Ingenieure. Vieweg Verlag,
2003. – ISBN 3–528–03915–9
[13] SAM, Electronics: Radar1000 Manual 10-2004. Behringstr. 120, 22763 Hamburg,
2004
[14] SAM, Electronics: GR3040 PA. Behringstr. 120, 22763 Hamburg, 2010-03
[15] S CHOPPE, R.: Die Nutzwertanalyse als Entscheidungshilfe im Beschaffungsmanagement, HAW Hamburg, Diplomarbeit, 2004
[16] S CHULZ, Dr.-Ing. D.: Netzrückwirkung - Theorie, Simulation, Messung und Bewertung. VDE Verlag GmbH, 2004. – ISBN 3–8007–2757–9
[17] S ENDLINGER, Dr. A.: Universal Grosswörterbuch Englisch-Deutsch/DeutschEnglisch. Compact Verlag München, 2006. – ISBN 3–8174–7637–X
85
LITERATURVERZEICHNIS
86
[18] SOLAS:
SOLAS Carriage Requirements, 2004-05.
http://www.
theradarreflectorsite.org/StandardsAndRequirements.htm
[19] T ECHNOLOGIES, Agilent: User’s Guide, 2005-05.
agilent.com/litweb/pdf/01146-92003.pdf
http://cp.literature.
[20] T EKTRONIX: Serie TDS3000C Benutzerhandbuch, 2009-01. http://www2.tek.
com/cmswpt/madetails.lotr?ct=MA&cs=mur&ci=15579&lc=DEf
[21] T KOTZ, Klaus: Fachkunde Elektrotechnik. Verlag Europa-Lehrmitte, 1999. – ISBN
3–8085–3162–2
Anhang A
Zusätzliche Informationen
87
ANHANG A. ZUSÄTZLICHE INFORMATIONEN
A.1
88
Informationen zu S-Band und X-Band
λ=
Typ
S-Band
X-Band
Frequenzband nach ITU
2 − 4GHz
8 − 12GHz
c
f
Frequenzbereich f von SAM
3, 05GHz ± 10MHz
9, 375GHz ± 30MHz
(A.1)
Wellenlänge λ
9, 836cm ± 0, 0641cm
3, 2cm ± 0, 0205cm
Tabelle A.1: Frequenzbänder von S- und X-Band
Die S-Bandradaranlage wird auch als “Schlecht-Wetter-Radar” bezeichnet[8]. Durch die
größere Wellenlänge, gegenüber der X-Bandradaranlage, kann das Radarkeul durch Wolken dringen und ermöglicht auch bei bedecktem Himmel das Erkennen von Objekten durch
Wolkenschichten. Nachteil gegenüber der X-Bandradaranlage ist die geringere Auflösung
der erfassten Objekte. Die X-Bandradaranlage kann durch die kürze Wellenlänge eine bessere Auflösung liefern. So können zum Beispiel Küstenumrisse und die Größe, der sich
auf dem Gewässer befindlichen Objekte, wesentlich besser bestimmt werden. Eine größere
Wellenlänge, bedeutet einen größeren Hohlleiter. Aufgrund der mechanischen Ausmaße
muss auch die Mechanik stabiler und somit schwerer ausfallen. Die logische Schlussfolgerung ist, dass der Antriebsmotor der S-Bandradaranlage leistungsstärker ausfallen muss,
als bei der X-Bandradaranlage.
Abbildung A.1: Prinzipaufbau einer Radaranlage[2]
ANHANG A. ZUSÄTZLICHE INFORMATIONEN
A.2
89
Informationen zu Dahlandermotoren
Abbildung A.2: Polumschaltbarer Motor mit Dahlanderwicklung[21]
Nach ihrem Erfinder benannt, ist bei der Dahlanderschaltung jeder Strang der Ständerwicklung in zwei Wicklungsteile unterteilt. Durch Umschalten aus der Reihenschaltung in
die Parallelschaltung wird die Polzahl halbiert und somit die Drehfelddrehzahl verdoppelt.
Das Klemmbrett dieser Motoren besitzt für jede Polzahl drei Klemmen, weil die Wicklungsteile meist in der Ständerwicklung zusammengeschaltet sind. Damit kann der Motor
nur an einer Netzspannung betrieben werden. Die Klemmen 1U, 1V, 1W werden für die
niedrige Drehzahl gekennzeichnet. 2U, 2V, 2W hingegen steht für die hohe Drehzahl.
Übliche Ausführungen sind 4 / .
Die Strangwiderstände können durch die Zusammenschaltung der Wicklungen nicht
direkt gemessen werden, sondern müssen sich aus dem Messwert errechnet werden. Dazu
wird zwischen den Strängen 1U und 1V der Widerstand der gesamten Motorenwicklungen gemessen. Durch die vorhandene Parallelschaltung kann der Strangwiderstand nach
Formel A.4 berechnet werden, vorausgesetzt der Widerstand aller Wicklungen ist gleich.
1
1
1
= +
Rges R R + R
(A.2)
Nach der Erweiterung mit R ergibt sich
R
1
= 1+
Rges
2
(A.3)
Die Umstellung nach R führt zu folgender Formel
R=
3
· Rges
2
(A.4)
ANHANG A. ZUSÄTZLICHE INFORMATIONEN
90
A.3
Entstehende Problematik beim Einsatz von Frequenzumrichtern
A.3.1
Allgemeine Problematik des Frequenzumrichters
Frequenzumrichter werden insbesondere an Drehstrommotoren eingesetzt, um deren
Anlauf- und Drehzahlverhalten zu verbessern[6]. Der Frequenzumrichter generiert aus einem Wechsel- oder Drehstrom, mit einer bestimmten Spannung und Frequenz, eine in Amplitude und Frequenz veränderbare Spannung. Mit dieser umgerichteten Spannung wird
dann die Maschine betrieben. Frequenzumrichter bestehen aus einem Gleichrichter, der
einen Gleichstrom- oder Gleichspannungszwischenkreis speist und aus einem Wechselrichter. Die Gleichrichter werden dabei als ungesteuerte, wie auch gesteuerte B6-Brücken,
ausgeführt. Nach Stand der heutigen Technik besitzen Wechselrichter einen Gleichspannungszwischenkreis mit einer Induktivität und einem Kondensator zur Entstörung und
Glättung.
Der Wechselrichter arbeitet ausschließlich mit leistungselektronischen Schaltern. Üblich
sind je nach benötigter Ausgangsleistung MOSFET’s oder IGBT’s. Letztere kommen zum
Einsatz, wenn hohe Leistungen im Bereich von mehreren 100KW benötigt werden. Dabei
geht allerdings die Entwicklung ständig weiter. Mit einer Pulsweitenmodulation erzeugt
der Wechselrichter eine veränderliche Spannung. Die Höhe der resultierenden Ausgangsspannung und deren Frequenz können in weiten Bereichen eingestellt werden. Frequenzumrichter erzeugen durch ihre Elektronik starke elektrische Störsignale. Diese treten sowohl auf der Motorzuleitung, wie auch auf der Netzzuleitung auf. Diese Störungen können
nicht nur andere Verbraucher stören, sondern auch im Motor zu einer erhöhten Isolierstoffbelastung führen[4]. Die Motorzuleitung muss zur Vermeidung von Störabstrahlungen
geschirmt werden. Dafür werden Sinusfilter zwischen Umrichter und Motor eingesetzt.
ANHANG A. ZUSÄTZLICHE INFORMATIONEN
A.3.2
91
EMV-Problematik
Bedingt durch die hohen Wirkungsgrade arbeiten Frequenzumrichter mit steilen Schaltflanken. Dadurch wird die Verlustleistung minimiert und die hohen Wirkungsgrade von
98% erzielt1 . Durch das schnelle Umschalten der IGBTs in einer Größenordnung von
wenigen 100ns kommt es, bedingt durch den Kapazitätsbelag der Motorzuleitung, zu
Umladeströmen[12]. Diese summieren sich bei langen Motorleitungen und erreichen mehre Ampere. Umladeströme treten auch bei Frequenzumrichtern mit geringen Leistungen
auf und belasten den Frequenzumrichter erheblich.
Wie in Kapitel A3.1 erwähnt besteht ein Frequenzumrichter netzseitig aus einem ungesteuerten Gleichrichter und einem Gleichspannungs-Zwischenkreis mit Elektrolytkondensatoren als Energiespeicher und zur Glättung der Zwischenkreisspannung. Bedingt durch den
Gleichrichter werden das Spannungsnetz und der Zwischenkreis aufeinander geschaltet.
Dies führt zu impulsartigen Ladeströmen, die das Netz stark belasten können. Die Ladeströme hängen von der Leistung des Frequenzumrichters ab. Durch das Vorschalten von
Netzdrosseln lassen sich Netzrückwirkungen verringern. Wird der Frequenzumrichter direkt an das Netz angeschlossen, führt dies zu einer starken Belastung von Netz und Zwischenkreis und reduziert somit die Lebensdauer des Frequenzumrichters[21]. Die zulässigen Netzrückwirkungen für Frequenzumrichter sind in EN61000-3-2 festgelegt.
1 Herstellerangabe
aus dem Manual vom Frequenzumrichter SD250 der Firma Power Electronics
ANHANG A. ZUSÄTZLICHE INFORMATIONEN
A.4
92
Eigenkonstruktion eines Transportwagens
Es besteht auch die Möglichkeit einen selbst konstruierten Transportwagen zu fertigen.
Dies hat eine längere Fertigungszeit zur Folge, ermöglicht aber eine Anpassung an die
Bedürfnisse des Motorenprüfstandes. Der Transportwagen wird zum einem günstiger und
zum anderen ist er an die notwendigen Bedürfnisse angepasst. Darunter fallen die optimale
Anbringung der Bedien- und Steuerelemente für den Prüfer und die Vermeidung einer
eventuellen Kopflastigkeit der Konstruktion. Um einen Transportwagen zu fertigen, werden
folgende Komponenten benötigt:
Lfd.-Nr.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Menge
Preis in e Merkmale
14m
1,76
8 schwarz, 2m
2
4m
47,35
Stärke 6mm farblos
10St
0,25
8, ohne Steg, M6
10St
0,24
8, mit Steg, M8
1St
1,24
8 PA
1St
2,25
8 PA 160
2St
1,62
8 PA rechts
2St
2,59
8
6St
0,37
8 40x40
4St
11,50
D75 Doppelfeststeller
30St
0,25
M8x30
14m
9,48
8 40x40 leicht
Summe: 419,29
Tabelle A.2: Stückliste für die Fertigung des Transportwagens
Gerät
Abdeck- u. Einfassprofil
Acrylglas XT
Nutenstein
Nutenstein
Magnetverschluss
Handgriff
Scharnier
Gelenkwinkel
Abdeckkappe
Lenkrolle
Halbrundschraube
Profil
Anhang B
Zeichnungen
Alle Anhänge befinden sich auf der beigelegten CD unter CD:/Anhang.
93
,
ANHANG B. ZEICHNUNGEN
B.1
94
LOGO!-Steuerung
B186
2/M10
>1
7/M16
B028
Q2 (ROT2)
&
Q
ROT2
11/M7
B029
M3
RS
M
S
R
I5 (AUS)
6/B141/1
Eingeschaltet
B187
S
R
RS
B030
I
Q3 (24V TCU)
>1
12/B023/R
17/B163/2
Par
Rem = off
17/B157/3
17/M18
Q
16/B102/2
12/B038/R
Par
16/B096/3
Rem = off
12/B046/R
6/B143/1
11/B191/4
17/B163/4
ROT1
I2 (EIN)
2/B108/4
2/B057/4
7/B065/2
11/B150/Trg
7/B065/4
I
Q4 (FU1 Starten)
Q
16/B102/4
B188
1
B032
M4
RS
M
S
R
11/B195 X_AZI/R
Q5 (FU2 Starten)
Par
Rem = off
11/B184 S/X_HM/R
Q
11/B185 S_AZI/R
Q1 (ROT1)
Q
2/M10
B033
>1
7/M16
I6 (1P/3P)
I
Auswahl des jeweiligen Motors
11/B190/2
I9 (S-Band/X-Band)
11/B197/3
B001 XV1
I
6/B103/1
&
2/B113/3
B002 XV2
I10 (50Hz/60Hz)
6/B146/1
&
I
2/B114/3
6/B097/1
B003 XV3
16/B098/3
7/B070/2
&
I11 (230V)
17/B159/3
I
B004 XV4
16/B121/2 6/B097/2
6/B198/1
&
17/B164/3
7/B071/2
B005 XV5
16/B123/3
6/B199/1
17/B166/3
&
I12 (400V)
6/B142/1 6/B148/1
I
B006 XV6
&
7/B074/2
6/B149/1
16/B125/3
6/B142/2
17/B168/3
7/B078/2
7/B076/2
B007
16/B126/3
&
B008 XV7
17/B169/3
&
6/B140/1
B010 SV1
6/B103/4
&
2/B116/3
Ersteller:
Geprüft:
Erstellt/Geändert:
Matthias Lübbe
29.04.10 09:17/18.08.10 22:05
7/B063/3
Projekt:
Anlage:
Datei:
Motorprüfgerät
Steuerrung_final_auf_LOGO_A3.lsc
Kunde:
Zeichen-Nr.:
Seite:
1 / 35
ANHANG B. ZEICHNUNGEN
95
Betriebsstrom für einphasige Motoren überprüfen
Dauer der Stromprüfung
Analogwert der Phase 1 auswerten
B053
B051
&
Trg
M13
T
Strom prüfen ob Sollwert erreicht wird
B054 AI6
Rem = off
06:00s+
En
B056
Ax
A
A
Par
V1=B22+
V2=0
V3=0
V4=0
Point=2
((B22+0)+0)+0
Par
B015
Gain=1.0
Offset=0
On=30
Delta=15
Point0
Betriebsstrom ROT1 1P OK
B011
&
B058
>1
M10
En
1/B186/1
M
P
Par
Prio = 117
Quit = on
Text1: ISO8859_1
Text2: disabled
1/B033/1
nach zu langer Prüfung erfolgt Fehlermeldung
B057
&
Betriebsstrom ROT1 1P n.I.O
B052
Trg
M13
B059
M14
En
B009
Ax
A
T
1/I6
Rem = off
08:00s+
Par
Gain=1.0
Offset=0
On=50
Delta=15
B025
Point0 Ax
M
P
Par
Prio = 125
Quit = on
Text1: ISO8859_1
Text2: disabled
B016
&
A
Par
Gain=1.0
Offset=0
On=290
Delta=20
B055
Point0 Ax
B031
&
A
B060
Par
Gain=1.0
Offset=0
On=290
Delta=20
Point0
&
Anlaufstrom für einphasige Motoren überprüfen
B105
&
B085
Trg
B111
Ax
B106 AI6
En
T
Rem = off
03:00s+
A
B053/3
B113
Par
Par
A
Gain=1.0
Offset=0
On=120
Delta=60
Point0
V1=B23+
V2=0
V3=0
V4=0
Point=2
((B23+0)+0)+0
B115
&
1/B001 XV1
Anlaufstrom ROT1 1P OK
B109
>1
Par
Prio = 119
Quit = on
Text1: ISO8859_1
Text2: disabled
B086
&
A
T
1/I6
Par
Gain=1.0
Offset=0
On=260
Delta=70
B117
Point0 Ax
B114
1/B002 XV2
M15
En
Rem = off
05:00s+
M
P
Par
Prio = 127
Quit = on
Text1: ISO8859_1
Text2: disabled
&
A
Par
Gain=1.0
Offset=0
On=500
Delta=200
B118
Point0
Ax
B116
1/B010 SV1
&
A
Par
Gain=1.0
Offset=0
On=500
Delta=200
Point0
B119
6/B012 SV2
&
Ersteller:
Geprüft:
Matthias Lübbe
Projekt:
Anlage:
Motorprüfgerät
Kunde:
Zeichen-Nr.:
Erstellt/Geändert:
29.04.10 09:17/18.08.10 22:05
Datei:
Steuerrung_final_auf_LOGO_A3.lsc
Seite:
11/B192/1
B057/3
Anlaufstrom ROT1 1P n.I.O
Trg
B110
Ax
M
P
B108
B112
M13
En
2 / 35
ANHANG B. ZEICHNUNGEN
96
B012 SV2
B146/4
&
2/B119/3
B013 SV3
16/B128/3 B097/3
7/B080/2
&
17/B171/3 B198/4
B014 SV4
16/B131/3 B097/4
17/B174/3
&
7/B082/2
B199/4
B017 SV5
17/B175/3
16/B132/3
7/B084/2
&
B149/4
B142/3
B018 SV6
B148/4
16/B135/3
17/B178/3
&
B142/4
B019
7/B087/2
7/B089/2
&
B020 SV7
&
16/B137/3
17/B180/3
B140/4
1/B003 XV3 B198
Analogwertvorgabe der jeweiligen FU´s
>1
B013 SV3
B189
1/B187
S1
A
S2
&
V1 =0+
V2=500
V3=575
V4=0
Point =2
>1
B140
1/B008 XV7
B144
En
>1
1/B006 XV6
B017 SV5
AQ1 (Sollwert FU1)
AQ
S1
S2
B020 SV7
AM
Par
1/B004 XV4 B199
B014 SV4
1/B005 XV5
AM1
En
B141
A
Par
V1 =B189+
V2=B151
V3=925
V4=0
1/B005 XV5 B148
Point =2
B142
>1
>1
B018 SV6
B017 SV5
B151
AM2
En
S1
S2
1/B006 XV6 B149
1/B003 XV3
>1
1/B004 XV4
B013 SV3
1/B187
B143
B018 SV6
&
B097
>1
1/B001 XV1 B103
A
Par
V1 =0+
V2=850
V3=1000
V4=0
Point =2
B014 SV4
>1
1/B010 SV1
B145
1/B002 XV2
AQ2 (Sollwert FU2)
En
B146
AQ
S1
>1
S2
A
Par
B012 SV2
V1 =0+
V2=870
V3=1000
V4=0
Point =2
Ersteller:
Geprüft:
Matthias Lübbe
Projekt:
Anlage:
Motorprüfgerät
Kunde:
Zeichen-Nr.:
Erstellt/Geändert:
29.04.10 09:17/18.08.10 22:05
Datei:
Steuerrung_final_auf_LOGO_A3.lsc
Seite:
6 / 35
AM
ANHANG B. ZEICHNUNGEN
97
Betriebsstrom für dreiphasige Motoren überprüfen
Analogwerte der 3 Phasen auswerten
B063
1/M4
16/M11
&
B061
B064 AI6
Trg
En
T
Par
Rem
V1=B22+
= off
06:00s+
V2=B37
V3=B45
V4=3
Point=2
((B22+B37)+B45)/3
1/B186/3
B068
Ax
A
A
Betriebsstrom ROT1 3P OK
Par
Gain=1.0
Offset=0
On=30
Delta=15
Point0
B070
1/B003 XV3
B066
&
P
>1
B065
1/M4
B062
&
1/B033/4
17/B163/3
Betriebsstrom ROT1 3P n.I.O
Trg
B067
M17
En
T
1/I6
M
P
Rem = off
08:00s+
B069
Par
Prio = 124
Quit = on
Text1: ISO8859_1
Text2: disabled
A
Par
Gain=1.0
Offset=0 1/B004 XV4
On=40
Delta=15 B073
Ax
A
Point0
M
Par
Prio = 118
Quit = on
Text1: ISO8859_1
Text2: disabled
16/M11
Ax
B071
&
Par
Gain=1.0
Offset=0 1/B005 XV5
On=20
Delta=5
B075
Point0 Ax
B074
&
A
Par
Gain=1.0
Offset=0 1/B006 XV6
On=20
Delta=8
B077
Point0 Ax
B076
B093
&
>1
A
Par
Gain=1.0
Offset=0
On=20
Delta=8
Point0
B078
1/B008 XV7
&
B079
Ax
A
Par
Gain=1.0
Offset=0 6/B013 SV3
On=200
Delta=25 B081
Ax
A
Point0
B080
&
Par
Gain=1.0
Offset=0 6/B014 SV4
On=220
Delta=30
B083
Point0 Ax
B082
&
B094
>1
A
Par
Gain=1.0
Offset=0 6/B017 SV5
On=125
Delta=15
B088
Point0 Ax
B084
&
A
Par
Gain=1.0
Offset=0 6/B018 SV6
On=130
Delta=25
B090
Point0 Ax
B087
&
A
Par
Gain=1.0
Offset=0 6/B020 SV7
On=10
Delta=5
Point0
17/B157/4
M16
En
B072
B089
&
Ersteller:
Geprüft:
Matthias Lübbe
Projekt:
Anlage:
Motorprüfgerät
Kunde:
Zeichen-Nr.:
Erstellt/Geändert:
29.04.10 09:17/18.08.10 22:05
Datei:
Steuerrung_final_auf_LOGO_A3.lsc
Seite:
7 / 35
ANHANG B. ZEICHNUNGEN
98
HM und Azimutsignal überprüfen
I3 (Head-Maker)
B043
I
1/I2
B184 S/X_HM
B034
B193
Cnt
En
Dir
P
Par
Par
Prio = 115
Quit = on
Text1: ISO8859_1
Text2: disabled
Rem = off
On=1+
Off=3
Start=0
Trg
Headmaker-Signal OK
R
&
M20
M
T
Rem = off
03:00s+
I4 (Azimut)
I
B192
2/M13
B190
B191
>1
&
16/M11
1/I2 B185 S_AZI
&
En
Dir
P
Par
Par
Prio = 114
Quit = on
Text1: ISO8859_1
Text2: disabled
Rem = off
On=100+
Off=420
Start=0
T
Rem = off
03:60s+
B197
B194
Cnt
Trg
1/M4
Azimut-Signal S-Band OK
R
1/I9
B047
1/I2 B195 X_AZI
B196
Cnt
Rem = off
On=10+
Off=75
Start=0
M
P
Prio = 113
Quit = on
Text1: ISO8859_1
Text2: disabled
Par
Auswahl ob Prüfung mit ROT1 und ROT2 stattfinden soll oder
nur ROT1; notwendig wenn Motor ohne Getriebe getestet wird
1/I2
1xlang wenn Prüfung ohne ROT2
B150
Trg
B152
M7
Trg
Par
Rem = off
02:00s+
01:00s
1/B028/3
M
S
R
Par
RS
RS
Rem = off
Anzeigen der Phasenströme
High
B036
hi
&
17/M18
Phasenströme
B147
X1
En
X
P
M22
En
Dir
Par
M
Azimut-Signal X-Band OK
R
&
1/I9
M21
Par
Prio = 121
Quit = on
Text1: ISO8859_1
Text2: disabled
Ersteller:
Geprüft:
Matthias Lübbe
Projekt:
Anlage:
Motorprüfgerät
Kunde:
Zeichen-Nr.:
Erstellt/Geändert:
29.04.10 09:17/18.08.10 22:05
Datei:
Steuerrung_final_auf_LOGO_A3.lsc
Seite:
11 / 35
ANHANG B. ZEICHNUNGEN
99
Motorenprüfplatz bereit
B039
M23
En
M
P
Par
Prio = 123
Quit = on
Text1: ISO8859_1
Text2: disabled
Maximalen Stromwert ermitteln, dieser
tritt in der Regel im Anlauf auf
M8 (Anlaufmerker)
M
aktuellen Wert mit vorherigen
Wert auf Maximum vergleichen
AI1 (Strom Phase 1)
B022
AI
Ax
B021
A
Ax
Par
High
Ay
Gain =1.0+
Offset=0
Point =2
&
M2
Max-Wert zurücksetzen
A
MAX-Wert 1
Par
B024
hi
B027
En
S1
A
S2
On =0
Off =0
Gain =1.0+
Offset =0
Point=0
B107
B023
1/I5
&
M2
R
M
Cnt
B027/4
Dir
Par
Par
Rem = on
On=B22+
Off=0
Start=0
ständige Prüfung mit der
Zykluszeit der Logo
V1 =B23+
V2=0
V3=0
V4=0
Point =1
B026
M1
1
M
B040
&
AI2 (Strom Phase 2)
B037
AI
Ax
A
Ax
Par
High
hi
Ay
Gain =1.0+
Offset=0
Point =2
B041 Ref.B038
En
S1
A
S2
M6
B042
A
MAX-Wert 2
Par
On =0
Off =0
Gain =1.0+
Offset =0
Point=0
B035
&
M
Cnt
B040/4
Dir
Rem = on
On=B37+
Off=0
Start=0
V1 =B38+
V2=0
V3=0
V4=0
Point =1
B048
&
AI3 (Strom Phase 3)
B045
AI
Ax
B050
A
Ax
Par
hi
M6
R
Par
Par
High
B038
1/I5
Ay
Gain =1.0+
Offset=0
Point =2
B049 Ref.B046
En
S1
S2
A
M9
A
MAX-Wert 3
Par
On =0
Off =0
Gain =1.0+
Offset =0
Point=0
B044
&
B046
1/I5
M9
R
M
Cnt
Dir
Par
Rem = on
On=B45+
Off=0
Start=0
Par
V1 =B46+
V2=0
V3=0
V4=0
Point =1
Ersteller:
Geprüft:
Matthias Lübbe
Projekt:
Anlage:
Motorprüfgerät
Kunde:
Zeichen-Nr.:
Erstellt/Geändert:
29.04.10 09:17/18.08.10 22:05
Datei:
Steuerrung_final_auf_LOGO_A3.lsc
Seite:
12 / 35
B048/4
ANHANG B. ZEICHNUNGEN
100
Anlaufstrom für dreiphasige Motoren überprüfen
B096
&
B101
Trg
B092 AI6
En
1/M4
Ax
Rem = off
V1=B23+
03:00s+
V2=B38
V3=B46
V4=3
Point=2
((B23+B38)+B46)/3
Par
7/B063/4
B099
T
A
A
Par
11/B192/4
B098
Gain=1.0
Offset=0
On=170
Delta=60
Point0
1/B003 XV3
B104
&
>1
B100
B102
A
1/M4
&
B095
Trg
Anlaufstrom 3P n.I.O
T
Rem = off
05:00s+
B121
Par
Prio = 120
Quit = on
Text1: ISO8859_1
Text2: disabled
M12
1/I6
&
B122
Ax
M
P
Par
Gain=1.0
Offset=0
On=270
1/B004 XV4
Delta=60
Point0
B091
En
P
Par
Prio = 126
Quit = on
Text1: ISO8859_1
Text2: disabled
A
Par
Gain=1.0
Offset=0
1/B005 XV5
On=40
Delta=7
Point2 Ax B124
B123
&
A
Par
Gain=1.0
1/B006 XV6
Offset=0
On=25
Delta=10
Point0 Ax B127
B125
B138
&
>1
A
Par
Gain=1.0
Offset=0
On=70
Delta=60
Point0
B126
1/B008 XV7
&
B129
Ax
A
Par
Gain=1.0
6/B013 SV3
Offset=0
On=500
Delta=200 B130
Ax
A
Point0
Par
Gain=1.0
Offset=0
6/B014 SV4
On=500
Delta=200
B133
Point0
Ax
B128
&
B131
&
B139
>1
A
Par
Gain=1.0
6/B017 SV5
Offset=0
On=128
Delta=15
Point0 Ax B134
B132
&
A
Par
Gain=1.0
6/B018 SV6
Offset=0
On=500
Delta=200 B136
Ax
A
Point0
B135
&
Par
Gain=1.0
Offset=0
On=500
Delta=200
Point0
B137
6/B020 SV7
M11
En
B120
Ax
Anlaufstrom 3P OK
&
Ersteller:
Geprüft:
Matthias Lübbe
Projekt:
Anlage:
Motorprüfgerät
Kunde:
Zeichen-Nr.:
Erstellt/Geändert:
29.04.10 09:17/18.08.10 22:05
Datei:
Steuerrung_final_auf_LOGO_A3.lsc
Seite:
16 / 35
M
7/B065/3
ANHANG B. ZEICHNUNGEN
101
Betriebsstrom für ROT2 überprüfen
B157
&
1/M3
7/M16
B162
11/B036/4
Trg
T
Rem = off
03:00s+
B155 AI6
En
1/B030/4
B160
Ax
Par
A
V1=B22+
V2=B37
V3=B45
V4=3
Point=2
((B22+B37)+B45)/3
A
Par
Gain=1.0
Offset=0 1/B003 XV3
On=28
Delta=4
Point0
1/M3
B163
7/M16
Betriebsstrom ROT2 OK
B159
B183
&
Betriebsstrom ROT2 n.I.O
Trg
B154
T
P
M
Par
Prio = 122
Quit = on
Text1: ISO8859_1
Text2: disabled
A
B164
1/B004 XV4
M19
En
Rem = off
05:00s+
Par
Gain=1.0
Offset=0
On=38
Delta=4
Point0
M
Par
Prio = 116
Quit = on
Text1: ISO8859_1
Text2: disabled
B156
&
B158
M18
En
P
1/I6
Ax
B161
>1
&
B165
Ax
A
Par
Gain=1.0
1/B005 XV5
Offset=0
On=11
Delta=4
B167
Point0 Ax
B166
&
A
Par
Gain=1.0
1/B006 XV6
Offset=0
On=18
Delta=4
B170
Point0 Ax
B168
B181
&
>1
A
Par
Gain=1.0
Offset=0
On=18
Delta=4
Point0
B169
1/B008 XV7
&
B172
Ax
A
Par
Gain=1.0
6/B013 SV3
Offset=0
On=260
Delta=30 B173
Ax
A
Point0
Par
Gain=1.0
6/B014 SV4
Offset=0
On=290
Delta=20
B176
Point0 Ax
B171
&
B174
B182
&
>1
A
Par
Gain=1.0
6/B017 SV5
Offset=0
On=140
Delta=12 B177
Ax
A
Point0
Par
Gain=1.0
6/B018 SV6
Offset=0
On=90
Delta=20 B179
Ax
A
Point0
B175
&
B178
&
Par
Gain=1.0
Offset=0
On=17
Delta=2
Point0
B180
6/B020 SV7
&
Ersteller:
Geprüft:
Matthias Lübbe
Projekt:
Anlage:
Motorprüfgerät
Kunde:
Zeichen-Nr.:
Erstellt/Geändert:
29.04.10 09:17/18.08.10 22:05
Datei:
Steuerrung_final_auf_LOGO_A3.lsc
Seite:
17 / 35
'DWXP
1DPH
.XQGH
/XHEEH
/XHEEH
'DWXP
%HDUE
*HSU
1RUP
8UVSU
(UVI
9
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(3/$1
.ODVVLILNDWLRQ
(UVG
HUVWHOOWZRUGHQ
9HUELQGXQJ]XU
6WHXHUOHLWXQJ
'HFNEODWW
6WHXHUVSDQQXQJ 9'&
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(OHNWULVFKH'DWHQ
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3URMHNW1DPH
3IDG
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6WURPODXISODQ
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3URMHNWGDWHQ
6FKLHQH
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+DXSWYHUWHLOXQJ
%O
%O
ANHANG B. ZEICHNUNGEN
pQGHUXQJ
6FKXW]YHUPHUN',1,62EHDFKWHQ2%6(59(&23<5,*+7',1,62
B.2
&$'
,
102
Stromlaufpläne
$/7(5
6FKXW]YHUPHUN',1,62EHDFKWHQ2%6(59(&23<5,*+7',1,62
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1$0(
/XHEEH
67'5'
/XHEEH
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25,*,1
5(3/)25
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+DXSWYHUWHLOXQJ
$/XHEEH
$/XHEEH
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6+
6+
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ANHANG B. ZEICHNUNGEN
103
6
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7
/
7
9
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8
pQGHUXQJ
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1
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1RUP
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*HSU
3(
3(
3(
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ANHANG B. ZEICHNUNGEN
105
,
ANHANG B. ZEICHNUNGEN
B.3
Konstruktionszeichnungen
106
ANHANG B. ZEICHNUNGEN
107
ANHANG B. ZEICHNUNGEN
B.4
108
Liste der eingestellten Parametern
Folgend ist eine Tabelle mit allen veränderten Parametern aufgeführt. Nicht genannte Parameter sind entsprechend der Werkseinstellungen unverändert.
einphasiger FU:
P-03
P-04
P-11
P-15
dreiphasiger FU:
F21
F24
F25
F26
Frq
H31
H72
H73
I50
Beschleunigungsrampenzeit
Bremsrampenzeit
Startspannung
Motorenspannung
0 für 0 sec.
Maximalfrequenz
Auswahl Minimal- und
Maximalfrequenz
oberes Frequenzlimit
unteres Frequenzlimit
Sollwertquelle
Anzahl der Polpaare
Anzeige beim Einschalten
60 für 60Hz
1 um Parameter F25 und
F26 zu aktivieren
60 für 60Hz
0 für 0Hz
3 für Analog 0...10V
2
11 für Benutzeranzeige
des Parameter H73
0 für Ausgangsspannung
Auswahl der Monitoranzeige
Modus Analogausgang
2 für 2 sec.
0 für 0%
230 für 230V
2 für Ausgangsspannung
Messumformer:
Jumper J2/J3 auf 1 für 0...10V am Ausgang
Stromwächter:
Dippschalter
SW1 SW2 SW3
SW4 SW5 SW6 SW7 SW8
1
0
0
1
0
1
1
1
für Messbereich 10A AC
für Ausgangssignal 0...10V
Tabelle B.1: veränderte Parameter
Versicherung über die Selbstständigkeit
Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit im Sinne der Prüfungsordnung nach
§16(5) ohne fremde Hilfe selbstständig verfasst und nur die angegebenen Hilfsmittel benutzt habe. Wörtlich oder dem Sinn nach aus anderen Werken entnommene Stellen habe
ich unter Angabe der Quellen kenntlich gemacht.
Hamburg, 25. August 2010
Ort, Datum
Unterschrift
109