"2 Megawatt auf 1 ‰ genau messen"

"DMS Signale unter elektromagnetischen Störungen auf 1 µV genau messen"

(PresseBox) (Ludwigsburg, ) Bei vielen Bahnen in aller Welt werden zur Kraftübertragung vom Dieselmotor zur Achse insgesamt weit über 25.000 Voith-Turbogetriebe eingesetzt. Dieses Vertrauen begründet sich auf einem einfachen robusten Prinzip, hohem Qualitätsstandard in der Fertigung und nicht zuletzt einer sorgfältigen Endprüfung. Dieser Beitrag zeigt beispielhaft, wie durch die EMV-Härtung die Präzision und Qualität der Produkte weiter erhöht werden konnte.

Für die Endprüfung werden eine Reihe Prüfstände mit Prüfleistungen von bis zu 2 Megawatt betrieben. Ziel der Prüfung ist, außer dem Nachweis der Funktion und Dichtheit, das Überprüfen von Öldrucken, Öltemperaturen, Ölströmen und vor allen Dingen eine genaue Messung des Getriebe-Wirkungsgrades. Der Wirkungsgrad wird aus den 4 Messwerten, Antriebsdrehzahl, Antriebsdrehmoment, Abtriebsdrehzahl und Abtriebsdrehmoment errechnet.

Hierbei wird eine Gesamtgenauigkeit von 3 ‰ erreicht. Diese Genauigkeit muss auch unter elektromagnetischer Belastung erreicht werden.

In Bild 1 ist ein Leistungsprüfstand zur Erfassung rotierender Energien skizziert. Herzstück eines jeden Leistungsprüfstandes ist die Drehmoment- und Drehzahlmesswelle. Die Messwelle besteht aus einem Stator und einem Rotor.

Der mit Dehnungsmessstreifen (DMS) bestückte Messkörper bildet mit dem Messflansch eine Einheit. Der Messkörper ist kraftschlüssig, das heißt spielfrei mit dem Antriebsflansch verbunden. Damit ist der Kraftfluss frei von verschleißgefährdeten Elementen. Die Elektronik ist in dem als Hohlwelle ausgebildeten Messkörper untergebracht. Die Versorgungspannung wird induktiv das Messsignal frequenzmoduliert und schleifringlos zwischen dem drehenden und dem stationären Teil der Messwelle übertragen.

EMV Analyse der Gesamtanlage Leistungsprüfstand

Die in Bild 1 dargestellten elektrischen Versorgungsbedingungen des Antriebs erschweren die Sicherstellung der Elektromagnetischen Verträglichkeit der Gesamtanlage (Prüfstand) erheblich.

Im Bereich der Lastantriebsregelungen kommen Spannungen bis zu 15 kV und Ströme bis zu 2 kA zur Anwendung. Entsprechend hohe transiente Überspannungen, hervorgerufen durch Schalthandlungen, sowie elektrische und magnetische Felder im gesamten Bereich des Prüfstandes sind zu berücksichtigen.

Wegen der Größe des Prüfstandes kommen Leitungslängen von mindestens 10 bis 20 Metern zustande. Diese relativ langen Leitungen wirken als sehr gute Antennen für alle möglichen Störsignale, sowohl als Sender als auch Empfänger.

Eine EMV-Analyse der Gesamtanlage, mit der Messwellen und der Auswerteelektronik, zeigt ganz deutlich, dass das Hauptaugenmerk bei den EMV-Arbeiten auf die Störfestigkeit der DMS- Applikation in der Messwelle zu legen ist. Die Anlage muss die EMV-Norm EN 61000-6-2 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), Fachgrundnorm Störfestigkeit, Teil 6-2: Industriebereich, erfüllen.

Das Nutzsignal am Eingang des DMS- Messverstärkers beträgt 0-15 mV. Als maximal zulässige Abweichung, hervorgerufen durch EM- Belastung, wurde 1 ‰ von 1 Millivolt Nutzsignal, entsprechend 1 Mikrovolt, über den gesamten Messbereich spezifiert.

In Tabelle 1 ist die maximal zulässige Abweichung von 1 Mikrovolt den Störgrößen aus EN 61000-6-2, Störfestigkeit Industriebereich, gegenübergestellt. Die Pegeldifferenz zwischen der maximal zulässigen Messunsicherheit von 1 Mikrovolt und den kontinuierlich anstehenden Störfeldern von 10 V/m, bzw. Störspannungen von 10 V, beträgt 140 dB. Bei transienten Spannungsspitzen ist der Pegelunterschied noch größer.

Derartig hohe EMV Anforderungen sind durch die Verwendung von geschirmten Kabeln allein nicht mehr zu bewältigen. Gute Kabelschirme (industrieüblich, ohne definierten Wellenwiderstand), beidseitig mit den Gehäusen rundum kontaktiert, haben bei den gegebenen Leitungslängen eine Schirmdämpfung von ca. 30 dB.

Der elektrische Kontakt zwischen Rotor und Stator findet über die Kugellager statt und ist somit hochfrequent relativ hochohmig, was die Schirmwirkung des Stators reduziert. Die Einkopplung von Störungen in das Messsystem der Welle ist über den mechanischen Spalt zwischen Rotor und Stator möglich. Für die Elektronik in der Messwelle wurde deshalb ein mehrstufiges Schirm-, Filter- und Massekonzept entwickelt. Die EMV Maßnahmen an der DMS-Applikation dürfen dabei die Nutzsignale und die Messgenauigkeit nicht negativ beeinflussen. Sie werden hier im Detail nicht wiedergegeben. Sie sind sehr anwendungsspezifisch und stellen zum Teil Firmen-Knowhow dar.

Bei den nachfolgenden Verifikationsmessungen der Störfestigkeit nach EN 61000-6-2, Industriestandard, konnte die maximale Messungenauigkeit von Messwelle und Verstärker mit weniger als 1 Mikrovolt nachgewiesen werden.

Um für den weltweiten Einsatz der Messwellen eine ausreichende Störsicherheitsreserve zu haben, wurde die Störfestigkeit gegen transiente Überspannungen auf die doppelten Pegel angehoben, als in EN 61000-6-2 vorgegeben.

Auf die Prüfung der Störaussendungen, Funkstörspannung und Funkstörfeldstärke, wird hier nicht näher eingegangen. Die Anforderungen hierzu stellen bei diesen Geräten kein Problem dar. Sie erfüllen Grenzwertklasse B der EN 55022 / EN 55011.

Messwelle und Auswerteelektronik erfüllen damit die EMV-Richtlinie 2004/108/EG.

Kabel-, Schirm- und Massekonzept für den Einsatz der Messwellen in Prüfständen

Die Messwellen - und Auswerteelektroniken werden bei Voith in Heidenheim und bei Kunden in aller Welt in große Prüfstände eingebaut. Die hohe Messgenauigkeit und der störungsfreie Betrieb müssen auch im Verbund mit den Prüfständen gewährleistet sein. Integration und Einbau in die Prüfstände muss problemlos möglich sein.

Prüfstände sind im Sinne der EMV-Richtlinie 2004/108/EG, bzw. des deutschen EMV-Gesetzes, als ortsfeste Anlagen zu betrachten und müssen die Schutzanforderung gemäß Artikel 5 und Anhang 1 der EMV-Richtlinie, bzw. § 4 des EMVG, erfüllen. Das Einhalten der Schutzanforderungen wird vermutet, wenn die Einzelgeräte den Schutzanforderungen entsprechen, bzw. die Angaben zur vorgesehenen Verwendung der Komponenten berücksichtigt werden. Die Anlage muss am Betriebsort, durch auf dem Gebiet der elektromagnetischen Verträglichkeit fachkundigem Personal, nach den anerkannten Regeln der Technik, montiert werden. Die nach der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG erforderliche CE-Kennzeichnung der kompletten Maschine stellt sicher, dass diese die für sie geltenden grundlegenden Sicherheits- und Gesundheitsschutzanforderungen erfüllt.

Damit der einwandfreie Betrieb der gesamten Anlage gewährleistet ist, sind die von den Herstellern der Geräte, Systeme und Bauteile vorgegebenen Installations- und Montagevorschriften zu beachten. Um diese Kriterien zu erfüllen, wurde im Hause Voith Heidenheim, zusammen mit der Firma Mooser Consulting, Labor für Elektromagnetische Verträglichkeit, ein Kabel-, Schirm- und Massekonzept entwickelt. Dieses Konzept hat sich im Hause Voith bestens bewährt und steht den Kunden in aller Welt als Montagerichtlinie zur Verfügung.

Wegen der hohen elektrischen Leistungen treten hohe Störspannungen, Stör- und Fehlströme auf. Um diese zu reduzieren, werden alle Metallteile der Anlage elektrisch leitend miteinander verbunden. Alle Kabel werden in Kategorien eingeteilt und dann konsequent getrennt voneinander verlegt. Bewährt hat sich hierzu die Dreiteilung in Leitungs-, Steuer- und Messleitungen. Dort wo es möglich ist, werden auch die Maschinenständer in die EMV-Planung mit einbezogen. Kabel werden innerhalb der Ständerstruktur gut abgeschirmt verlegt. Die EMV-Kabelschirme werden prinzipiell beidseitig an den zugehörenden Gehäusen rundum kontaktiert aufgelegt. Eine Kontaktierung über sogenannte "Zöpfe" oder "Pigtails" ist nicht zulässig.

Kabelschirme, die über Beidrähte kontaktiert werden, sind hochfrequent wirkungslos und liefern lediglich einen Beitrag zur mechanischen Stabilität des Kabels.

Das oft gebrachte Argument, beidseitig aufgelegte Kabelschirme würden Brummschleifen erzeugen, stimmt nicht. Das stimmt deshalb nicht, weil Kabelschirme nie als Signalleitung oder Signalrückführung verwendet werden dürfen. Sie sind am Gehäuse aufzulegen und nicht auf 0 V Bezugspotential.

An Klemmstellen werden die Schirme nicht über Zöpfe durchkontaktiert, sondern am Gehäuse des Klemmkastens wiederum rundum kontaktiert aufgelegt. Der Klemmkasten selbst wird flächig leitend mit der Stuktur verbunden. Werden die Schirme öfter an solchen Klemmstellen mit der großflächigen Struktur verbunden, so verkürzen sich die "effektiven Antennenlängen" der Leitungen und die Wirkung der Schirme steigt.

Das Massekonzept sieht eine klassische, sternförmige Verteilung des 0 V Bezugspotentials vor.

0 V ist nur einmal, in der Auswerteelektronik, mit Gehäuse Masse verbunden. Diese Masseverbindung ist HFmäßig ausgelegt und führt direkt auf das Gehäuse.

Hervorgerufen durch die für die hohen Leistungen benötigten Ströme treten auch starke 50 Hz Magnetfelder auf. Die Kabelschirme sind gegen die Einstrahlung von niederfrequenten Magnetfeldern wirkungslos. Die entsprechenden Messleitungen sind deshalb verdrillt ausgeführt.

Zusammenfassung

Durch die EMV-Härtung der Prüfstände, Messwellen und Messverstärker ist die Präzision und die Qualität der Voith Produkte weiter erhöht worden.

In diesem Artikel konnten nicht alle Aspekte der komplexen Anlagenoptimierung behandelt werden. Für Fragen stehen die Autoren gerne zur Verfügung.

Abkürzungen

AM Amplitudenmodulation
CE Communautés Européennes (Europäische Gemeinschaften)
CE Conformité Européenne (Übereinstimmung mit EG-Richtlinien)
dB Dezibel (logarithmische Verhältnis-Masseinheit)
DMS Dehnungsmessstreifen
EG Europäische Gemeinschaft
EMC Electromagnetic Compatibility
EMV Elektromagnetische Verträglichkeit
EN Europäische Norm
HF Hochfrequenz
PM Pulsmodulation

Diese Pressemitteilungen könnten Sie auch interessieren

News abonnieren

Mit dem Aboservice der PresseBox, erhalten Sie tagesaktuell und zu einer gewünschten Zeit, relevante Presseinformationen aus Themengebieten, die für Sie interessant sind. Für die Zusendung der gewünschten Pressemeldungen, geben Sie bitte Ihre E-Mail-Adresse ein.

Es ist ein Fehler aufgetreten!

Vielen Dank! Sie erhalten in Kürze eine Bestätigungsemail.


Ich möchte die kostenlose Pressemail abonnieren und habe die Bedingungen hierzu gelesen und akzeptiert.