Motorenprüfstand / Lastsimulation

Hallo,

Zuerst einmal muss ich sagen, dass dieses Forum und die enthaltenen Beiträge und Tipps meist sehr sinnvoll und nützlich sind. Deswegen erhoffe ich mir hier auch Hilfe bei meinem Problem ;-)

Zur Zeit schreibe ich meine Bachelorarbeit und erstelle in dieser einen Prüfstand für ein bestimmtes Produkt. Das Produkt kann vereinfacht betrachtet werden als Eingangswelle, Drehstrommotor mit Getriebe (der das Eingangssignal der Welle unterstützt/verstärkt) und eine Abtriebswelle am Getriebe.

Nun habe ich verschieden Prüfverfahren gefunden um alle relevanten Bauteile zu überprüfen, ausser dem Elektromotor. Hierfür habe ich mir 3 Möglichkeiten überlegt

1. Durch eine regelbare Bremse oder einen weiteren Elektromotor an der Abtriebswelle im Generatorbetrieb kann die dynamische Kennlinie des Motors überprüft werden. Hierbei wird über die ECU, die den Motor steuert Motordrehzahl und Stromaunhame ausgelesen, zusätzlich sollte noch ein Drehmomentsensor an der Welle zwischengeschalten werden, um das Drehmoment zu messen. Ausserdem kann noch eine Akustikmessung über Körperschallaufnehmer gemacht werden. (Dies ist sicherlich die beste aber leider auch teuerste Methode, weswegen ich nach einer möglichst billigen Alternative suche)

2. Bremsen der Abtriebswelle um an dem Motor eine konstante Last zu simulieren. Hierbei würde ich die Stromaufnahme und den Körperschall messen, um auf den Zustand des Motors schließen zu können. (In vorherigen Messungen wird das Leerdurchdrehmoment des Motors und in einer weiteren das maximale Moment bereits statisch überprüft.
Leider weiß ich im Moment nicht, wie ich die Abtriebswelle bremsen soll, da sich an Ihr mehrere Hall Sensoren befinden, die sich von leichten Magnetfeldern bereits stören lassen. Deswegen habe ich nach einer mechanischen Bremsmöglichkeit gesucht, leider beginnen Bremstrommeln erst bei ~ 100 Nm Bremskraft (Mein Motor hat eine leistung von 1KW und schafft mit dem Getriebe bis zu 100 Nm). Ich möchte jedoch ein Bremsmoment von 20 - 50 Nm. bisher habe ich eine pneumatische Lösung gefunden, aufgrund der relativ hohen Kosten von ~ 2500 € möchte ich aber noch andere Alternativen finden.
Wesentlich eleganter und auch günstiger Wäre zum Beispiel eine Magnetpulverbremse (Leider weiß ich nicht ob deren Magnetfeld stark genug ist um Auswirkungen auf den circa 20 cm entfernten Hall Sensor zu haben) Aus dem selben Grund stehe ich hysteresebremsen skeptisch gegenüber. Wirbelstrombremsen fallen ebenfalls weg, da diese meiner Meinung nach bei sehr geringen Drehzahlen von 0 - 200 1/min auch nicht funktionieren. Vom Bremsen mit einem Gleichstrommotor oder Asynchronmotor im generatorbetrieb habe ich leider wenig Ahnung, wie man diese Auslegt bzw. was diese mit FU kosten und was diese für ein Magnetfeld an die Umwelt abgeben.

3. Habe ich noch eine Möglichkeit entdeckt eine Lastsimulation am El. Motor durch das Parameteridentifikationsverfahren ohne Last durchzuführen. Dies ist sicherlich wenn überhaupt nur für einen Serienprüfstand nützlich, trotzdem würde mich das Funktionsprinzip interessieren, falls jemand Erfahrung mit diesem Thema hat. (Details : http://www.imc-berlin.de/fileadmin/Public/Products/Brochures/deutsch/imc_E-Motorenbroschuere_de_2013_05_dp.pdf Seite 5 PI verfahren )



So viel zum ersten Überblick ;-)
Wäre super wenn jemand dieses Chaos verstehen und mir einen weiteren Denkanstoß geben könnte :-)

Gruß Fabi
 

derschwarzepeter

Mitarbeiter
Ui, Fabi, jede Menge Holz ...
lass mich versuchen, ein bissl Licht ins Dunkel zu bringen.
Zunächst mal:
  • Was genau willst du auf deinem Prüfstand prüfen?
  • Den Motor?
  • Dessen Moment bei einer bestimmten Drehzahl?
  • Seine Momenten/Drehzahlkennlinie?
  • Willst du nur die Bremse realisieren?
  • Wie lange soll gebremst werden?
  • Soll das ein Prüfstand sein, auf dem nacheinander mehrere (alle) Motoren "drankommen"
  • oder geht´s im wesentlichen um EINE Messung?

1 kW ist nicht die Welt - das muss man nicht ins Netz rückspeisen, kann man noch prima verbraten.
Nachdem du ohnehin das Moment an der Welle messen willst, müsste die Last ja nur beeinflussbar sein.

1.) Sicher kann man einen (fremderregten) Gleichstromgenerator an Lastwiderständen verwenden,
aber eine günstige Lösung ist das nicht unbedingt (außer du kannst díe Maschine billig abstauben).
Durch Messen der generierten Leistung kann sehr gut auf die Bremsleistung geschlossen werden.
2.) Wunderbar bremsen kann man mit einer billigen Asynchronmaschine, deren Wicklung man mit DC beaufschlagt;
die Bremswirkung ist über die DC-Spannung beinflussbar, elektrisch messen lässt sich da wenig Sinnvolles.
3.) Ganz wunderbar bremsen kann man mit einer Asynchronmaschine, die als Generator am Netz hängt,
allerdings nur mit EINER Drehzahl, außer sie ist polumschaltbar (2) oder hängt an einem varierbaren Getriebe.
4.) Diese geringe Leistung lässt sich auch noch sehr leicht mittels Scheiben- oder Backenbremse abführen.
Damit ließe sich auch sehr einfach eine exakte Momentenmessung über einen Bremszaum realisieren!
5.) Sicher ist die Wirkung einer Wirbelstrombremse drehzahlabhängig, aber warum soll die bei 200 U/min nicht laufen?
Das ist nur eine Frage der Auslegung! Fraglich ist jedoch, ob das eine wirklich günstige Lösung ist.
6.) Magnetpulverbremsen können die Leistung auch sehr gut und wegen dem Feld machert ich mir keine Sorgen;
das gibt´s fixfertig von der Stange, aber billig ist das nicht.
7.) Während sich sonst die Frage nach dem Wohin mit der Bremsleistung aufdrängt,
löst das eine Wasserwirbelbremse elegant - sie macht Warmwasser. Regelbar ist die einfach über den Wasserstand.
8.) Die mit unschlagbarem Abstand billigste und absolut verschleissfeste Bremse ist ... KEINE Bremse!
Lass den Murl gegen das Trägheitsmoment einer bekannten Schwungmasse anlaufen
und miss gut aufgelöst die Drehzahl und das Momentum des Drehmomentanstieges.
Daraus lässt sich alles Gewüschte leicht errechnen! (=> Beschleunigungsprüfstand)
 
Hallo Peter,

vielen Dank für die schnelle Antwort.

Vielleicht wird das Problem klarer, wenn ich alle Prüfungen erkläre. Bei der ersten Prüfung wird die Sensorkennlinie des Drehmomentsensors überprüft, indem mit einem bestimmten Moment an der Antriebsseite gedreht wird und der Wert des Sensors aus dem Steuergerät ausgelesen wird. Danach wird das Leerdurchdrehmoment des gesamten Systems gemessen. Anschließend wird die Abtriebsseite der Welle blockiert und die Ausgangskennlinie gemessen. (Dies könnte ziemlich einfach durch einen statischen Drehmomentsensor realsiert werden.)

Diese Prüfungen könnte man auch als Prüfung auf Prüfstufe 1 „Minimalprüfung“ bezeichnen, da sie eine Funktionsprüfung ermöglichen und kostengünstig umzusetzen sind.

Jedoch soll es auch eine Prüfstufe 2 geben. (Nach Möglichkeit sollte der Prüfstand von PS1 auf 2 erweiterbar sein.) In PS2 wird zurzeit zusätzlich eine Akustikmessung über Körperschall während der Hochlaufprüfung des Motors gemacht. (also die dynamische Kennlinie aufgeschrieben. Wie reagiert der Motor bei höheren Drehzahlen und konstanter Belastung.

Ausgewertet wird:
Drehmoment an der Abtriebswelle in Abhängigkeit der Drehzahl
Stromaufnahme in Abhängigkeit der Drehzahl
Hochlaufzeit

Dies ist die aktuell gültige Prüfung des Motors, die ich möglichst günstig umsetzen muss. Ebenfalls möglich wäre es eine andere Prüfung mit ähnlicher Aussagekraft zu definieren.(Eventuell kannst du hier mit deiner Erfahrung auch eine entscheidende Idee einbringen)
Nun zu den einzelnen Unterpunkten:

Momentan dauert die Hochlaufprüfung 5 s also muss so lange gebremst werden.

Der Prüfstand ist für den Service bestimmt und kommt später auf eine Auslastung von 1-5 Prüfungen pro Tag!

2) Diesen Ansatz hatte ich auch und dass die Bremswirkung über die Spannung regelbar ist ist auch super, jedoch hängt das Bremsmoment in diesem Fall doch auch von der Drehzahl ab oder? Um den Prüfstand über verschieden Versuche freizufahren sollte das Bremsmoment konstant sein.

3) Variante 3 fällt somit weg, da keine Variable Drehzahl möglich ist, jedoch ist es bei einer so geringen Bremsleistung bei so wenigen Bremsungen nicht nötig ins Netz zurückzuspeisen. (ein Getriebe für diesen Fall wird wohl ebenfalls sehr teuer sein und schließt diese Lösung aus).

4) Zum Thema Mechanische Bremse habe ich auch schon viele Informationen gesammelt. Bei einer Trommelbremse lässt sich das Bremsmoment einstellen, jedoch können diese so geringe Bremsmomente nicht umsetzen. Scheiben bzw. Backenbremse weiß ich nicht, wie ich ein definiertes Bremsmoment erzeugen soll (Außer das Pneumatische Anpressen der Bremsbacken aus dem oberen Beitrag). Und einen Bremszaum kenne ich noch aus der Schule, ich muss den Prüfstand aber freigeben lassen und es sollen mehr als 10 gebaut werden, deswegen eignet sich dieser wohl auch nur bedingt, da ein Bremszaum auch nicht genormt gekauft und sich auf feste Toleranzen berufen werden kann.
5) Konnte bisher leider keine Wirbelstrombremse finden, die einen zulässigen Arbeitsbereich von unter 100 U/min hatte. Zusätzlich wäre hier noch eine Regelung nötig, um das Drehmoment konstant zu halten.

6)Die Magnetpulverbremse war bisher mein Favorit, habe hier auch ein passendes Modell für 700 € gefunden, bekomme leider wenn ich bei den Herstellern wegen dem Magnetfeld nachfrage nur die Antwort, dass diese Bremsen für diese Anwendung leider nicht verwendbar sind.

7) Eine Wasserwirbelbremse wäre von der Funktion her optimal, leider habe ich keine Möglichkeit gefunden eine zu kaufen, bzw kann nicht einmal sagen ob solche Bremsen noch hergestellt werden und vor allem für so niedrige Bremsleistungen.
8 )Diese Variante klingt sehr interessant, wird aber sicherlich starke Auswirkungen auf die Baugröße des Prüfstands haben. Werde mich aber näher mit diesem Thema beschäftigen und sehen ob es umsetzungsfähig ist.
 
Ergänzung zu Punkt 8 ) Momentan ist geplant , dass die beiden Wellen senkrecht im Prüfstand stehen, was die Variante mit der Schwungmasse weiter erschwert, da beispielsweise bei einem Zylinder mit einem Durchmesser von 80cm immer noch eine Masse von 250Kg nötig wäre um ein Trägheitsmoment von nur 20 Nm zu erreichen
 
Guten Tag, liebe Forummitglieder

Ich hoffe, es macht nichts, wenn ich einen alten Thread wiederbelebe, jedoch befinde ich momentan in einer ähnlichen Situation wie der OP. Auch bei mir geht es um einen Motorenprüfstand und um einen "Lastsimulator" (eigentlich eine Gleichstrommaschine mit Fremderregung). Der Unterschied jedoch ist es, dass in meinem Fall im Prinzip alles schon vorhanden ist. Es geht nun darum, alles in Betrieb zu nehmen. Im Moment macht mir die Gleichstrommaschine besonders zu schaffen. Ich habe seit Beginn des Studiums ein paar Module in Elektrotechnik abgeschlossen. Dennoch fehlt mir das Wissen über die verschiedensten Arten von Gleichstrommaschinen und deren Verhalten.

Ausgangslage:
Für einen Motorenprüfstand (für Verbrennungsmotoren) haben wir als Motorenbremse eine Gleichstrommaschine mit Fremderregung. Daten zu diesem Motor:


Schutzart IP23

Drehzahl 4000 RPM

Leistung 54 KW (max)

Betriebsspannung 420/190 (+-10%) V

Duty Factor 100%

Maximal Strom 14.3/3.33 A

Motortyp (Firmenspezifisch) CPV 160 S

Insulation Class F

Motor Gleichstrom (DC)



Fragen

- Wie generiert die Gleichstrommaschine eine Last für den Verbrennungsmotor?

o Wirkt die Gleichstrommaschine selbst dabei dann als Motor oder als Generator?

o Falls Strom induziert werden muss, damit die Gleichstrommaschine eine Bremswirkung hat: Wodurch fliesst dann der generierte Strom von der Gleichstrommaschine?

o Wie würde das Ganze auf einem Ersatzschaltbild aussehen?

- Ist die Fremderregung bei solch einer Gleichstrommaschine normalerweise am Stator oder am Rotor? Oder geht vielleicht beides?

- Muss der generierte Strom abgeführt werden?

o Falls ja, kann den der generierte Strom über einen Wechselrichter wieder ins Stromnetz gespeist werden?

o Gibt es Wechselrichter, die die Phase des Stromnetzes kennen und die Einspeisung so entsprechend anpassen?



Meine Vermutungen:

Da die Gleichstrommaschine fremderregt wird, wirkt sie als Last, sobald die Fremderregung stattfindet. Je höher der Strom, welches die Erregung erzeugt, desto höher ist die Lorentzkraft, und deshalb ist die Last für den Verbrennungsmotor umso höher. Die Gleichstrommaschine selbst generiert dabei Strom. Sie ist also ein Generator. Angenommen der Stator wird fremderregt: Dann fliesst der generierte Strom über den Rotor durch die Bürsten zu den Ausgangsklemmen.

Der generierte Strom muss zwingend abgeführt werden. Womöglich existieren Wechselrichter, welches hohe Spannungen/Ströme umwandelt. Diese können dann, mit Beachtung der Phase, wieder ins Stromnetz eingespeist werden.


Tut mir Leid für den langen Post! Ich danke allen jetzt schon für eine Antwort!

mfg
 

derschwarzepeter

Mitarbeiter
- Wie generiert die Gleichstrommaschine eine Last für den Verbrennungsmotor?

Indem die Gleichstrommaschine selbst dabei als Generator wirkt.
(In der Regel ist die Erregung von Gleichstrommaschinen im Stator.)
Damit die Gleichstrommaschine eine Bremswirkung hat, muss der der generierte Strom abfließen.
Der kann "verbraucht" werden, d.h. an einem Widerstand verbraten (Ui!)
oder über einen Wechselrichter ins Netz gespeist werden.
solche gibt es (Frag mal bei Fa. Gustav Klein!),
aber zig kW pumpt man nicht so mir-nichts-dir-nichts ins Netz!

Ersatzschaltbild: zu prüfender Motor => Generator => wo die elektrische Energie hin soll
 
Hallo!

Vielen Dank für deine rasche Antwort! Ja, also ich denke auch, dass das mit der Netzeinspeisung wohl noch einige Abklärungen bedürfen....

Wie sieht das mit der Regulierung der Bremswirkung aus? Wird das über die Erregung reguliert?

mfg
 

derschwarzepeter

Mitarbeiter
- Wie generiert die Gleichstrommaschine eine Last für den Verbrennungsmotor?

Indem die Gleichstrommaschine selbst dabei als Generator wirkt.
(In der Regel ist die Erregung von Gleichstrommaschinen im Stator.)
Damit die Gleichstrommaschine eine Bremswirkung hat, muss der der generierte Strom abfließen.
Der kann "verbraucht" werden, d.h. an einem Widerstand verbraten (Ui!)
oder über einen Wechselrichter ins Netz gespeist werden.
solche gibt es, aber zig kW pumpt man nicht so mir-nichts-dir-nichts ins Netz!

Ersatzschaltbild: zu prüfender Motor => Generator => wo die elektrische Energie hin soll
 

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