Schnelligkeit, valide Ergebnisse und Prüfstände, die stets State-of-the-Art sind – dies sind die wesentlichen Eckpfeiler beim sogenannten ‚Drivetrain Testing‘, sprich bei der Prüfung und Messung der Leistung eines Antriebsstrangs im Gesamtsystem. Ein Unternehmen, das sich seit 30 Jahren mit diesem Thema beschäftigt und weltweit mittlerweile rund 130 Antriebsstrangprüfstände betreibt, ist Atesteo (vormals bekannt als GIF – Gesellschaft für Industrieforschung) mit Hauptsitz im nordrhein-westfälischen Alsdorf.

Das gesamte System ist modular aufgebaut. Alle sechs Umrichtereinheiten verfügen über ein eigenes Bedienpanel. Es ist abgesetzt in die Schaltschranktür eingelassen und erlaubt einen schnellen Status-Check selbst im laufenden Betrieb.

© Danfoss

Um für jede Aufgabe die passenden Messungen und Tests anbieten zu können, setzt Atesteo unter anderem einen großen Pool an Maschinen mit bis zu 8000 Umdrehungen und 3000 Nm Moment ein, die sich je nach Aufgabe individuell kombinieren lassen. In der vorliegenden Anwendung bestand die Aufgabe konkret im Test eines Allrad-Getriebes. Das Verteilgetriebe erhält seine Drehzahl und sein Drehmoment direkt aus einem Elektromotor, der eine Sonderanfertigung für hohe Drehzahlen mit hohen Momenten ist. Da es sich um ein Verteilgetriebe für ein Allradfahrzeug handelt, gibt es je eine Abtriebswelle für den Front- sowie den Heckantrieb. Beide Abtriebsmaschinen fahren drehmomentgeregelt und simulieren so die Drehzahl der Räder sowie das resultierende Moment, das auf das Verteilgetriebe wirkt.

Das Steuersystem, welches die original im Vorfeld aufgezeichneten und leicht geglätteten Fahrdaten von der einzusetzenden Prüfstrecke ins Steuerprogramm einliest, gibt anschließend dem im Prüfstand verwendeten Frequenzumrichter vom Typ ‚Vacon NXP‘ die Drehzahl und das gewünschte Moment vor. Nur die Steuereinheit ist schnell genug, alle notwendigen Daten rechtzeitig zu berechnen beziehungsweise das Drehmoment nahezu im Sekundentakt zu regeln. Dabei fahren die Frequenzumrichter im Bereich von 0 bis 200 Hz, was enorme Anforderungen auch an ihre Leistungsfähigkeit mit sich bringt. Zudem müssen Drehzahl und Drehmoment im Einklang mit dem Original-Fahrzeug sein, ansonsten hätte man eine leichte Verschiebung der Signale.

Doch nicht nur leistungstechnisch sind die eingesetzten Vacon-Umrichter enorm gefordert; auch die Verkabelung zwischen Motor und Frequenzumrichter galt es schnell und einfach zu realisieren. Atesteo geht hier einen neuen Weg, indem alle Umrichter beziehungsweise die einzelnen Module des Systems in einem Übersee-Container verbaut sind.

Frequenzumrichter im ­Container

Originaldaten von Prüfstrecken dienen zum Test. Nur die Steuereinheit kann die Daten rechtzeitig berechnen und dann dem Frequenzumrichter Drehzahl und das gewünschte Moment vorgeben.

© Danfoss

Der Vorteil dieser Lösung: Der Container, der in Finnland von einem auf solche Container spezialisierten Partnerunternehmen von Danfoss Drives gebaut wurde, kommt komplett konzipiert, aufgebaut und getestet zum Einsatzort. Dort müssen dann die Spezialisten nur noch Versorgung, Motor- und Steuerleitungen sowie den Kühlkreislauf verlegen und anschließen. Nicht zuletzt bietet diese Lösung einen robusten Schutz auch vor Kälte und Nässe.

Der Container nimmt das gesamte System der Vacon-NXP-Systemumrichter auf, welches aus einer Active-Front-End-Einheit besteht. Diese speist zum einen die notwendige Energie in den Zwischenkreis ein – auch DC-Bus genannt –, der als Versorgung für die Umrichter-Einheiten dient. Zum anderen schiebt sie aber auch beim Bremsen generatorisch erzeugte Energie wieder ins Netz zurück. Insgesamt arbeiten vier ‚kleine‘ Umrichtereinheiten mit je 730 A und zwei große Umrichter mit je 1640 A im Container.

Atesteo entschied sich für diesen Aufbau, weil sich damit je nach Leistung des angeschlossenen Motors die kleinen Umrichter einzeln (Master-Follower-Modus) oder zwei Umrichter parallel schalten lassen. Im hier beschriebenen Testaufbau treibt einer der leistungsstärkeren Umrichter einen weiteren Motor. Der zweite 1640-A-Umrichter ist noch frei, und lässt sich beispielsweise für einen anderen Aufbau verplanen. Die in einem doppelten Boden des Containers verlaufenden Verbindungen sind recht einfach vom Container zum Prüfstand herstellbar. Insgesamt erlaubt dieser Systemaufbau eine äußerst flexible Nutzung und einfache Anpassung an die jeweils gestellte Aufgabe – bei kurzen Umbauzeiten und damit kurzen Reaktionszeiten.

Um die Installation im Container zu ermöglichen, war zudem eine kompakte Kühllösung gefordert, weshalb sich Atesteo diesbezüglich für die so genannte ‚Liquid Cooled Serie‘ von Danfoss Drives entschied. Für die Wasserkühlung sprach außerdem, dass am Standort Aachen ein eigener Kühlturm zur Verfügung steht. Danfoss entwickelte die Module von Grund auf neu für diese Art der Kühlung. Diese geben nur 0,1 % bis 0,15 % ihrer Wärmeverluste an die Luft ab (Beispiel für einen flüssigkeitsgekühlten Frequenzumrichter mit 400 kW, 690 V(AC).

Die Ansteuerung der Umrichter vom Leitsystem des Prüfstandes geschieht schließlich über eine Ethercat-Anbindung, während die Parametrierung und das Monitoring der Frequenzumrichter über einen eigenen CAN-Bus beziehungsweise das CANopen-Protokoll ebenfalls vom Leitrechner des Teststands aus erfolgen. Und über die fünf eingebauten Erweiterungssteckplätze kann Atesteo die Geräte bei Bedarf mit zusätzlichen E/A-, Feldbus- und Funktionssicherheitskarten an die Teststände anpassen.

Autor:
Ulrich Mauel arbeitet bei Vacon in Essen, einem Mitglied der Danfoss-Gruppe.