DE102022105721A1

DE102022105721A1 - Prüfstand für eine Umrichter-Motor-Kombination

Info

Publication number: DE102022105721A1
Application number: DE102022105721.6A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Schubert; Thomas Heinecke; Henrick Oertel
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2022-03-11
Filing date: 2022-03-11
Publication date: 2023-09-14

Abstract

Ein Prüfstand (1) für eine Umrichter-Motor-Kombination aus einem Elektromotor (2) und einem eingangsseitig an eine Stromversorgung (3) anschließbaren und ausgangsseitig an den Elektromotor anzuschließenden Umrichter (4) weist eine zwischen die Stromversorgung und den Umrichter zu schaltende erste Schalt- und Messeinrichtung (6), eine zwischen den Umrichter und den Elektromotor zu schaltende zweite Schalt- und Messeinrichtung (7) und eine Bremseinrichtung (8) zum kontrollierten Abbremsen des Elektromotors auf. Die Schalt- und Messeinrichtungen weisen zumindest für jede stromführende Leitung (12, 13) zwischen der Stromversorgung und dem Umrichter einerseits sowie dem Umrichter und dem Elektromotor andererseits einen Lastschalter zum Herbeiführen eines Schlusses der Leitung mit einer elektrischen Masse und Stromwandler (14, 22, 23) zum Erfassen von elektrischen Strömen durch die Leitungen auf. Die zweite Schalt- und Messeinrichtung weist zudem zumindest für jedes Paar der stromführenden Leitungen zwischen dem Umrichter und dem Elektromotor einen weiteren Lastschalter zum Herbeiführen eines Schlusses zwischen den Leitungen des Paars auf.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf einen Prüfstand für eine Umrichter-Motor-Kombination aus einem Elektromotor und einem eingangsseitig an eine Stromversorgung anschließbaren und ausgangsseitig an den Elektromotor anzuschließenden Umrichter.
Insbesondere kann es sich bei der Umrichter-Motor-Kombination um einen elektrischen Antrieb eines Fahrzeugs handeln, das die Stromquelle in Form einer Batterie mitführt, die Stromversorgung den Umrichter also mit einem Gleichstrom versorgt.
STAND DER TECHNIK
Elektrische Antriebe für Fahrzeuge gewinnen massiv an Bedeutung. Dies gilt nicht nur für Straßen- und Wasserfahrzeuge. Auch Luftfahrzeuge werden zukünftig vermehrt mit elektrischen Antrieben ausgestattet werden, um die bislang üblichen Brennkraftmaschinen zu ersetzen.
Schon bei Straßen- und Wasserfahrzeugen mit einem elektrischen Antrieb ist es wichtig, dass der elektrische Antrieb nicht ausfällt. Bei Luftfahrzeugen gilt dies in besonderem Maße. Außerdem ist es wichtig, dass ein elektrischer Antrieb nicht nur in seinem ordnungsgemäßen Betrieb, sondern auch bei auftretenden Störungen eine Bordelektronik des jeweiligen Fahrzeugs nicht stört. Die bei einem elektrischen Antrieb fließenden, vergleichsweise großen Ströme können bereits im Normalbetrieb zu leitungsgebundenen Emissionen und elektromagnetischen Abstrahlungen führen, die in der Lage sind, die Bordelektronik des jeweiligen Fahrzeugs massiv zu beeinflussen. Ein Störungsfall führt zumindest dazu, dass sich diese Beeinflussung ändert. Zudem kann sie stark anwachsen. Gerade bei einem Luftfahrzeug ist dafür Sorge zu tragen, dass eine Störung des elektrischen Antriebs weder zu dessen Ausfall noch zu einem durch die Störung induzierten Folgeausfall weiterer elektrischer und elektronischer Komponenten des jeweiligen Fahrzeugs kommt.
Für Brennkraftmaschinen sind Motorprüfstände bekannt, auf denen eine Brennkraftmaschine unterschiedlich belastet wird, um ihr Verhalten unter den unterschiedlichen Belastungszuständen zu erfassen.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Prüfstand für eine Umrichter-Motor-Kombination aus einem Elektromotor und einem eingangsseitig an eine Stromversorgung anschließbaren und ausgangsseitig an den Elektromotor anzuschließenden Umrichter aufzuzeigen, mit dem das Verhalten der Umrichter-Motor-Kombination beim Auftreten verschiedener Störungen und die damit verbundenen leitungsgebundenen Emissionen sowie elektromagnetischen Abstrahlungen erfasst und in der Folge optimiert bzw. minimiert werden können.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Prüfstand mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Prüfstands sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 18 definiert.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein erfindungsgemäßer Prüfstand für eine Umrichter-Motor-Kombination aus einem Elektromotor und einem eingangsseitig an eine Stromversorgung anschließbaren und ausgangsseitig an den Elektromotor anzuschließenden Umrichter weist eine zwischen der Stromversorgung und den Umrichter zu schaltende erste Schalt- und Messeinrichtung, eine zwischen den Umrichter und den Elektromotor zu schaltende zweite Schalt- und Messeinrichtung und eine Bremseinrichtung zum kontrollierten Abbremsen einer Abtriebswelle des Elektromotors auf. Die erste Schalt- und Messeinrichtung weist zumindest für jede stromführende erste Leitung und vorzugsweise für jede erste Leitung zwischen der Stromversorgung und dem Umrichter einen ersten Lastschalter zum Herbeiführen eines Schlusses der ersten Leitung mit einer ersten elektrischen Masse und erste Stromwandler zum Erfassen von elektrischen Strömen zumindest durch die stromführenden ersten Leitungen und vorzugsweise durch alle ersten Leitungen auf. Die zweite Schalt- und Messeinrichtung weist zumindest für jede stromführende zweite Leitung, vorzugsweise für jede zweite Leitung zwischen dem Umrichter und dem Elektromotor einen zweiten Lastschalter zum Herbeiführen eines Schlusses der zweiten Leitung mit der ersten oder einer zweiten elektrischen Masse auf. Zudem ist zumindest für jedes Paar der stromführenden zweiten Leitungen und vorzugsweise für jedes Paar der zweiten Leitungen ein dritter Lastschalter zum Herbeiführen eines Schlusses zwischen den zweiten Leitungen des Paars vorhanden. Darüber hinaus sind zweite Stromwandler zum Erfassen von elektrischen Strömen zumindest durch die stromführenden zweiten Leitungen und vorzugsweise durch alle zweiten Leitungen Teil der zweiten Schalt- und Messeinrichtung.
Mit den ersten und zweiten Lastschaltern sind Erd- bzw. Masseschlüsse im Bereich der Stromversorgung, des Umrichters und auch des Elektromotors simulierbar. Mit den dritten Lastschaltern sind Phasenschlüsse simulierbar. Mit den ersten und zweiten Stromwandlern sind die resultierenden leitungsgebundenen Emissionen erfassbar.
Wenn im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung von stromführenden Leitungen die Rede ist, so sind damit solche Leitungen gemeint, über die im normalen Betrieb oder im gestörten Betrieb Leistungsströme fließen. Damit sind auch etwaige Neutralleiter stromführende Leitungen. Leitungen, die zum reinen Übertragen von Bezugspotenzialen dienen, aber grundsätzlich keine Leistungsströme führen, sind hingegen keine stromführenden Leitungen im Sinne dieser Definition. Aber auch in oder an solchen Leitungen können die genannten Lastschalter vorgesehen sein.
Bei dem erfindungsgemäßen Prüfstand kann jeder erste Lastschalter mit einem ersten Widerstandselement, das einen rein ohmschen oder komplexen elektrischen Widerstand aufweist, in Reihe geschaltet sein. Der elektrische Widerstand des ersten Widerstandselements ist dem eigentlichen Isolationswiderstand der jeweiligen ersten Leitung gegenüber der ersten elektrischen Masse parallel geschaltet und reduziert somit den effektiven Isolationswiderstand. In jedem ersten Widerstandselement, können mehrere ohmsche, kapazitive und/oder induktive Einzelelemente parallel und/oder in Reihe geschaltet sein. Mit den ohmschen, kapazitiven und/oder induktiven Einzelelemente kann die Form der elektrischen Ankopplung der ersten Leitung an die erste elektrische Masse moduliert werden.
Vorzugsweise ist jedes erste Widerstandselement auswechselbar und/oder der elektrische Widerstand des ersten Widerstandselements kontinuierlich oder in diskreten Schritte variabel, um die angesprochene Modulation der Ankopplung der ersten Leitung an die erste elektrische Masse an die reale Betriebsumgebung der jeweiligen Umrichter-Motor-Kombination abzustimmen. Alternativ kann jedem ersten Lastschalter ein weiterer erster Lastschalter mit einem in Reihe geschalteten weiteren ersten Widerstandselement parallel geschaltet sein, um die Variation bei der elektrischen Ankopplung der ersten Leitung an die erste elektrische Masse durch Schließen eines oder beider der beiden ersten Lastschalter vorzunehmen.
Jeder zweite Lastschalter kann mit einem zweiten Widerstandslement, das einen rein ohmschen oder komplexen elektrischen Widerstand Aufweis, in Reihe geschaltet sein, um die Ankopplung der jeweiligen zweiten Leitung beim durch Schließen des jeweiligen zweiten Lastschalters herbeigeführten Schluss der jeweiligen zweiten Leitung mit der ersten oder zweiten elektrischen Masse zu modulieren. In jedem zweiten Widerstandselement, können mehrere ohmsche, kapazitive und/oder induktive Einzelelemente parallel und/oder in Reihe geschaltet sein. Vorzugsweise ist auch jedes zweite Widerstandselement auswechselbar und/oder der elektrische Widerstand des jeweiligen zweiten Widerstandselements kontinuierlich oder in diskreten Schritten variabel, und/oder jedem zweiten Lastschalter ist ein weiterer zweiter Lastschalter mit einem in Reihe geschalteten weiteren zweiten Widerstandselement parallel geschaltet.
Ebenso kann jeder dritte Lastschalter mit einem dritten Widerstandselement, das einen rein ohmschen oder komplexen elektrischen Widerstand aufweist, in Reihe geschaltet sein, um die elektrische Kopplung zwischen den beiden zweiten Leitungen des jeweiligen Paars beim durch Schließen des jeweiligen dritten Lastschalters herbeigeführten Schluss zwischen diesen beiden zweiten Leitungen zu modulieren. In jedem dritten Widerstandselement, können mehrere ohmsche, kapazitive und/oder induktive Einzelelemente parallel und/oder in Reihe geschaltet sein.
Vorzugsweise ist auch jedes dritte Widerstandselement auswechselbar und/oder der elektrische Widerstand des jeweiligen dritten Widerstandselements kontinuierlich oder in diskreten Schritten variabel, und/oder jedem dritten Lastschalter ist ein weiterer dritter Lastschalter mit einem in Reihe geschalteten weiteren dritten Widerstandselement parallel geschaltet.
Die zweite Schalt- und Messeinrichtung kann zusätzlich zumindest in jeder der stromführenden zweiten Leitungen, vorzugsweise in jeder der zweiten Leitungen einen vierten Lastschalter aufweisen, mit dem die jeweilige zweite Leitung unterbrochen werden kann. Jedem der vierten Lastschalter kann dabei in der jeweiligen zweiten Leitung ein weiterer vierter Lastschalter mit einem in Reihe geschalteten vierten Widerstandselement mit rein ohmschen oder komplexen elektrischen Widerstand parallel geschaltet sein, um die Unterbrechung der jeweiligen zweiten Leitung durch Öffnen des jeweiligen vierten Lastschalters zu modulieren oder um eine längere zweite Leitung zwischen dem Umrichter und dem Elektromotor zu simulieren. Dabei kann jedes vierte Widerstandselement auswechselbar sein, und/oder der elektrische Widerstand des jeweiligen vierten Widerstandselements kontinuierlich oder in diskreten Schritten variabel sein. Alternativ oder zusätzlich kann jedem weiteren vierten Lastschalter noch ein weiterer vierter Lastschalter mit einem in Reihe geschalteten weiteren vierten Widerstandselement parallel geschaltet sein, um die Unterbrechung der jeweiligen zweiten Leitung bzw. die Auswirkungen einer längeren zweiten Leitung zu modulieren.
Der jeweilige vierte Lastschalter kann von dem Umrichter aus gesehen vor Leitungsabzweigungen zu dem jeweiligen zweiten Lastschalter und dritten Lastschalter in der jeweiligen zweiten Leitung angeordnet sein. Damit können durch selektives Öffnen und Schließen von zweiten, dritten und vierten Lastschaltern verschiedene Störungen in Form von elektrischen Schlüssen im Bereich des Elektromotors simuliert werden.
Weiterhin kann die zweite Schalt- und Messeinrichtung für jede der an eine Motorwicklung des Elektromotors anzuschließenden stromführenden zweiten Leitungen einen parallel zu der jeweiligen Motorwicklung geschalteten fünften Lastschalter aufweisen. Mit den fünften Lastschaltern sind Windungsschlüsse, d.h. Überbrückung von mehreren Kupferwindungen um einen einzelnen Spulkörper des Elektromotors, simulierbar.
Jeder fünfte Lastschalter kann mit einem fünften Widerstandselement in Reihe geschaltet sein, und/oder jedem fünften Lastschalter kann eine Reihenschaltung aus einem weiteren fünften Lastschalter und einem fünften Widerstandselement parallelgeschaltet sein, wobei jedes fünfte Widerstandselement einen rein ohmschen oder komplexen elektrischen Widerstand aufweist. Jedes der fünften Widerstandselemente kann wie jedes der ersten bis vierten Widerstandselemente mehrere ohmsche, kapazitive und/oder induktive Einzelelemente aufweisen, die parallel und/oder in Reihe geschaltet sind. Zudem kann auch jedes fünfte Widerstandselement austauschbar sein und/oder einen kontinuierlich oder in diskreten Schritten einstellbaren Widerstand aufweisen. Damit kann der durch Schließen des jeweiligen fünften Lastschalters bewirkte Windungsschluss in weiten Grenzen moduliert werden.
Die erste elektrische Masse kann eine elektrische Erde sein oder resistiv und/oder kapazitiv und/oder induktiv an eine solche elektrische Erde gekoppelt sein. Es kann sich auch um eine gegenüber elektrischer Erde getrennte elektrische Masse handeln, um beispielsweise die elektrische Masse eines in der Luft befindlichen Luftfahrzeugs zu simulieren. Wenn vorhanden kann die zweite elektrische Masse resistiv und/oder kapazitiv und/oder induktiv an die erste elektrische Masse gekoppelt sein oder von der ersten elektrischen Masse elektrisch getrennt sein.
Bei dem erfindungsgemäßen Prüfstand kann jeder Lastschalter ein mechanischer Schalter mit Motorantrieb oder ein elektronischer Schalter sein, so dass die mit dem erfindungsgemäßen Prüfstand simulierbaren Störungszustände automatisch angesteuert werden können.
Die ersten Stromwandler können konkret einen ersten Summenstromwandler zum Erfassen einer Stromsumme der elektrischen Ströme zumindest durch alle der stromführenden ersten Leitungen und vorzugsweise durch alle ersten Leitungen und mindestens einen ersten Stromwandler aufweisen, der nur den Strom durch eine der ersten Leitungen erfasst. Grundsätzlich kann neben dem Summenstromwandler auch für jede der ersten Leitungen ein erster Stromwandler vorgesehen sein. Auch dann ist es aber nicht unbedingt sinnvoll, auf den Summenstromwandler zu verzichten und stattdessen die Stromsumme aus den Signalen der den einzelnen ersten Leitungen zugeordneten ersten Stromwandlern zu bestimmen, weil ein Summenstromwandler eine Stromsumme einfacher und genauer bestimmt.
Entsprechend können die zweiten Stromwandler einen zweiten Summenstromwandler zum Erfassen einer Stromsumme der elektrischen Ströme zumindest durch alle der stromführenden zweiten Leitung, vorzugsweise durch alle zweiten Leitungen, und mehrere zweite Stromwandler aufweisen, die jeweils nur den Strom durch eine der zweiten Leitungen erfassen. Auch hier kann für jede zweite Leitung ein zweiter Stromwandler zusätzlich zu dem Summenstromwandler vorgesehen sein.
Die erste Schalt- und Messeinrichtung kann zusätzlich erste Spannungsmesser zum Erfassen von Spannungen zwischen den ersten Leitungen der elektrischen Masse aufweisen. Entsprechend kann die zweite Schalt- und Messeinrichtung zweite Spannungsmesser zum Erfassen von Spannungen zwischen den zweiten Leitungen und der ersten oder zweiten elektrischen Masse aufweisen. Die Spannungsmesser können Tastköpfe aufweisen, die über sogenannte Break Out-Boxen an den ersten und/oder zweiten Leitungen angreifen.
Darüber hinaus kann die erste Schalt- und Messeinrichtung einen Isolationswächter mit einem Prüfsignalgenerator aufweisen, um den Isolationswiderstand der ersten Leitungen in grundsätzlich bekannter Weise zu messen.
Weiterhin kann eine separate Messeinrichtung für elektromagnetische Abstrahlung Teil des Prüfstands sein.
Auch die Stromversorgung kann Teil des Prüfstands sein, oder sie kann zusammen mit der Umrichter-Motor-Kombination auf dem Prüfstand getestet werden. Wenn die Stromversorgung Teil des Prüfstands ist, kann sie eine Batterie aufweisen oder wie eine Batterie einen Gleichstrom ausgeben. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Stromversorgung eine einstellbare Kennlinie, d. h. insbesondere einen einstellbaren Innenwiderstand aufweist, um mit der Stromversorgung, die Teil des Prüfstands ist, die Batterie möglichst genau zu simulieren, aus der die Umrichter-Motor-Kombination in ihrem normalen Betrieb versorgt wird.
Die Bremseinrichtung des erfindungsgemäßen Prüfstands weist typischerweise einen Generator auf, dessen Antriebswelle über eine elektrisch isolierende Kupplung an die Antriebswelle des Elektromotors ankuppelbar ist und der über einen Wandler so angesteuert wird, dass der Elektromotor definiert in gewünschter Weise belastet wird. Die elektrisch isolierende Kupplung verhindert eine Übertragung von leitungsgebundenen elektromagnetischen Emissionen von dem Generator der Bremseinrichtung auf die zu untersuchende Umrichter-Motor-Kombination. Die elektrisch isolierende Kupplung kann eine einfache Steckkupplung aus Kunststoff sein, die einen integrierten Überlastschutz aufweisen kann, indem sie im Falle einer auftretenden Überlast nachgibt.
Bei dem erfindungsgemäßen Prüfstand können die erste Schalt- und Messeinrichtung, die zweite Schalt- und Messeinrichtung und die Bremseinrichtung über mit Netzwerkisolatoren ausgerüstete Netzwerkschnittstellen des Prüfstands an ein Datennetzwerk angeschlossen oder anschließbar sein. Über dieses Datennetzwerk können dann Steuerbefehle an den Prüfstand übertragen und Messwerte von dem Prüfstand erhalten werden. Die Netzwerkisolatoren stellen dabei sicher, dass provozierte leitungsgebundene Emission das Datennetzwerk nicht erreicht.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen.
Hinsichtlich des Offenbarungsgehalts - nicht des Schutzbereichs - der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents gilt Folgendes: Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen, was aber nicht für die unabhängigen Patentansprüche des erteilten Patents gilt.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale können durch weitere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die der Gegenstand des jeweiligen Patentanspruchs aufweist.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

1 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Prüfstands für eine Umrichter-Motor-Kombination.
2 zeigt eine Anordnung von ersten Lastschaltern einer ersten Schalt- und Messeinrichtung des Prüfstands gemäß 1; und
3 zeigt eine Anordnung von zweiten, dritten, vierten und fünften Lastschaltern einer zweiten Schalt- und Messeinrichtung des Prüfstands gemäß 1.

FIGURENBESCHREIBUNG
Der in 1 in Form eines Blockdiagramms dargestellte Prüfstand 1 ist für eine Umrichter-Motor-Kombination aus einem Elektromotor 2 und einem eingangsseitig an eine Stromversorgung 3 anschließbaren und ausgangsseitig an den Elektromotor 2 angeschlossenen Umrichter 4. Der Prüfstand 1 weist zwischen der Stromversorgung 3, die hier als DC-Stromversorgung 5 ausgeführt ist, eine erste Schalt- und Messeinrichtung 6 und zwischen dem Umrichter 4 und dem Elektromotor 2 eine zweite Schalt- und Messeinrichtung 7 auf. Weiterhin umfasst der Prüfstand 1 eine Bremseinrichtung 8 zum kontrollierten Abbremsen einer Abtriebswelle 45 des Elektromotors 2. Die erste Schalt- und Messeinrichtung 6 weist ein Schaltmodul 9 auf, das unter Bezugnahme auf 2 näher erläutert werden wird. Weiterhin umfasst die erste Schalt- und Messeinrichtung 6 Messmodule 10 und 46. In dem Messmodul 10 ist ein Summenstromwandler 11 vorhanden, der eine Stromsumme von elektrischen Strömen durch zwei erste Leitungen 12 und 13 erfasst, die an den Pluspol + und Minuspol - der Stromversorgung 3 angeschlossen sind und den Gleichstrom von der Stromversorgung 3 zu dem Umrichter 4 führen. Darüber hinaus umfasst das Messmodul 10 mindestens einen ersten Stromwandler 14, der nur den durch die Leitung 13 fließenden Strom erfasst. Das Messmodul 46, das mit einer als sogenannte Break Out-Box 23 ausgebildet ist, dient zum Erfassen von Spannungen zwischen den ersten Leitungen 12 und 13 und gegenüber einer Bezugsspannung mit hier nicht separat dargestellten Spannungsmessern. Ein weiterer Teil der Schalt- und Messeinrichtung 6 ist ein Isolationswächter 15, der einen hier nicht separat dargestellten Prüfsignalgenerator aufweist und in grundsätzlich bekannter Weise dazu dient, die Isolationswiderstände der ersten Leitungen 12 und 13 zu erfassen. Die zweite Schalt- und Messeinrichtung 7 umfasst ein Schaltmodul 16, das näher anhand von 3 erläutert werden wird, und Messmodule 17 und 47. Das Messmodul 17 umfasst einen Summenstromwandler 18, der eine Stromsumme von elektrischen Strömen durch zweite Leitungen 19, 20, 21 erfasst, die drei Phasen L1, L2 und L3 eines Wechselstroms von dem Umrichter 4 zu dem Elektromotor 2 führen. Darüber hinaus weist das Messmodul 17 mehrere zweite Stromwandler 22 für die Ströme durch die Leitungen 19 bis 21 auf. Das ebenfalls mit einer Break Out-Box 23 ausgebildete Messmodul 47, dient zum Erfassen von Spannungen zwischen den zweiten Leitungen 19 bis 21 und zwischen jeder der zweiten Leitungen 19 bis 21 und einem Bezugspotenzial mit hier ebenfalls nicht separat dargestellten Spannungsmessern. Die Bremseinrichtung 8 weist einen Generator 24 auf, dessen Antriebswelle 25 über eine Kupplung 26 auf Kunststoff an die Abtriebswelle 45 des Elektromotors 2 angekuppelt ist. Der Generator 24 ist über einen Wandler 27 und einen weiteren Isolationswächter 28 an eine nicht dargestellte Stromsenke angeschlossen. Diese Stromsenke kann ein Stromnetz sein, an das die Stromversorgung 3 eingangsseitig angeschlossen sein kann. Die Schaltmodule 6 und 16 sowie die Messmodule 15 und 17 sind über eine Netzwerkschnittstelle 29 an ein Datennetzwerk 30 angeschlossen. Über eine weitere Netzwerkschnittstelle 31 sind der Wandler 27 und der Isolationswächter 28 der Bremseinrichtung 8 an das Datennetzwerk 30 angeschlossen. Das Datennetzwerk 30 verbindet den Prüfstand 1 mit einer Rechnereinheit 32, die die Schalt- und Messeinrichtung 6 und 7 sowie die Bremseinrichtung 8 des Prüfstands 1 ansteuert und die als Reaktion auf diese Ansteuerung von den Messmodulen 10 und 17 und dem Isolationswächter 15 erfasste Messwerte empfängt. Zusätzlich ist ein Oszilloskop 33 zur direkten Visualisierung der Messwerte der Messmodule 10 und 17 Teil des Prüfstands 1. Alternativ oder zusätzlich zu dem Oszilloskop 33 kann der Prüfstand einen EMV-Messempfänger zur direkten Messung der elektromagnetischen Verträglichkeit der Umrichter-Motor-Kombination auf dem Prüfstand 1 vorhanden sein. Mit den Messmodulen 10 und 17 und/oder dem EMV-Messempfänger werden leitungsgebundene Emissionen der Umrichter-Motor-Kombination erfasst. Wenn der EMV-Messempfänger an eine Antenne angeschlossen wird, erfasst der EMV-Messempfänger elektromagnetische Strahlung, die von der Umrichter-Motor-Kombination ausgeht. Dabei ist es sinnvoll den Prüfstand in einer EMV-Kammer anzuordnen, damit nur die tatsächlich von der Umrichter-Motor-Kombination abgestrahlten Emissionen aufgenommen werden. Sowohl durch die leitungsgebundenen Emissionen als auch durch die elektromagnetische Strahlung können andere elektrische und insbesondere elektronische Einrichtungen, die beispielsweise zusammen mit der Umrichter-Motor-Kombination in einem Luftfahrzeug vorhanden sind, gestört werden.
2 zeigt das Schaltmodul 9 der Schalt- und Messeinrichtung 6. Die von der DC-Stromversorgung 5 kommenden Leitungen 12 und 13 sind über erste Lastschalter 34, die hier als Lasttrennschalter (LTS) ausgeführt sind, einzeln mit einer ersten elektrischen Masse 35 verbindbar, um willentlich einen Masseschluss der einzelnen Leitungen 12 und 13 herbeizuführen. Dabei sind die Lastschalter 34 mit Widerstandselementen 36 mit komplexen elektrischen Widerständen Z in Reihe geschaltet. Diese Widerstandselemente 36 können austauschbar oder beispielsweise mit Potentiometern ausgeführt und damit bzgl. ihres elektrischen Widerstands Z variabel sein, um unterschiedliche Isolationen bzw. Kurzschlüsse der Leitungen 12 und 13 zu der ersten elektrischen Masse 35 zu simulieren.
Das in 3 dargestellte Schaltmodul 16 der zweiten Schalt- und Messeinrichtung 7 weist mehrere, hier ebenfalls als Lasttrennschalter (LTS) ausgeführte zweite, dritte, vierte und fünfte Lastschalter 37 bis 39 bzw. 48 auf. Am weitesten entfernt von dem Umrichter 4 sind die fünften Lastschalter 48 vorgesehen, mit denen an die zweiten Leitungen 19-21 angeschlossene Motorwicklungen 50 des Elektromotors 2 überbrückt werden können. Den fünften Lastschaltern 48 ist jeweils ein Widerstandselement 49 mit einem komplexen elektrischen Widerstand Z in Reihe geschaltet, das austauschbar oder bezüglich des elektrischen Widerstands Z variabel sein kann, um unterschiedliche Windungsschlüsse zu simulieren. Den zweitgrößten Abstand zu dem Umrichter 4 weisen die zweiten Lastschalter 37 auf, mit denen die zweiten Leitungen 19 bis 21 selektiv mit einer elektrischen Masse 40 verbindbar sind, bei der es sich um die erste elektrische Masse 35 oder davon abweichende zweite elektrische Masse handeln kann. Den zweiten Lastschaltern 37 ist jeweils ein Widerstandselement 41 mit einem komplexen elektrischen Widerstand Z in Reihe geschaltet, das austauschbar oder bezüglich des elektrischen Widerstands Z variabel sein kann, um unterschiedliche Isolationen bzw. Kurzschlüsse zu simulieren. Die dritten Lastschalter 38 sind jeweils zwischen einem Paar der zweiten Leitungen 19 bis 21 angeordnet, um selektiv zwischen den beiden Leitungen des jeweiligen Paars einen Schluss herbeizuführen. Der dabei wirksame Kurzschlusswiderstand wird durch ein mit dem jeweiligen dritten Lastschalter 38 in Reihe geschalteten drittes Widerstandselement 42 mit einem komplexen Widerstand Z bestimmt. Auch die dritten Widerstandselemente 42 können austauschbar oder bezüglich ihres elektrischen Widerstands variabel sein. Die vierten Lastschalter 39 sind in den einzelnen Leitungen 19 bis 21 vorgesehen und dienen dazu, diese Leitungen zu unterbrechen. Dabei ist den vierten Lastschaltern 39 jeweils ein weiterer vierter Lastschalter 43 mit einem in Reihe geschalteten vierten Widerstandselement 44 mit einem komplexen elektrischen Widerstand Z parallel geschaltet. Mit dem elektrischen Widerstand Z jedes vierten Widerstandselements 44 kann beispielsweise eine größere Länge der jeweiligen zweiten Leitung 19 bis 21 zwischen dem Umrichter 4 und dem Elektromotor 2 simuliert werden. Durch nicht separat dargestellte ohmsche, induktive und/oder kapazitive Einzelelemente der Widerstandselemente 44 können sowohl ohmsche Leitungswiderständen als auch Leitungskapazitäten und -induktivitäten simuliert werden. Sinnvolle konkrete Werte der komplexen elektrischen Widerstände Z der einzelnen Widerstandselemente 36, 41, 42, 44 und 49 hängen von der jeweils auf dem Prüfstand befindlichen Umrichter-Motor-Kombination und deren vorgesehener elektrischer Einsatzumgebung ab. Dabei versteht es sich, dass die konkreten Werte der komplexen elektrischen Widerstände Z der einzelnen Widerstandselemente 36, 41, 42, 44 und 49 nicht gleich sein müssen und in der Regel auch nicht gleich sein werden.
Mit Hilfe der in den 2 und 3 dargestellten Schaltmodule 9 und 16 der Schalt- und Messeinrichtungen 6 und 7 kann eine Vielzahl von Störungen simuliert werden, die im Betrieb der Umrichter-Motor-Kombination auftreten können. Erdschlüsse am Eingang des Umrichters 4 können mit den ersten Lastschaltern 34 des Schaltmoduls 9 simuliert werden. Erdschlüsse an jeder Phase können mit den zweiten Lastschaltern 37 des Schaltmoduls 16 simuliert werden. Zwei- oder Dreiphasenschlüsse können mit den dritten Lastschaltern 38 des Schaltmoduls 16 simuliert werden. Offene Phasen können mit den vierten Lastschaltern 39 des Schaltmoduls 16 simuliert werden. Windungsschlüsse, d.h. Überbrückung von mehreren Kupferwindungen um einen einzelnen Spulkörper des Elektromotors 2, sind mit den fünften Lastschaltern 48 simulierbar.

Die nachstehende Tabelle gibt eine Übersicht über verschiedene Simulationen von Störungen, die auf dem Prüfstand 1 simulierbar sind. Für einen normalen Betrieb der Umrichter-Motor-Kombination auf dem Prüfstand 1 sind alle Lastschalter bis auf die vierten Lastschalter 39 in den zweiten Leitungen 19 bis 21 geöffnet. Tabelle

Störung	Auslösung
Erdschluss einer der ersten Leitungen 12 und 13	Schließen des ersten Lastschalters 34 von der ersten Leitung 12 oder 13 zu der elektrischen Masse 35. Zur Sicherheit wird mit einem komplexen elektrischen Widerstand Z des zugehörigen Widerstandselements 36 eine Art Schieflast im Umrichter 4 erzeugt, bevor ein kompletter Erdschluss ohne den komplexen elektrischen Widerstand Z herbeigeführt wird.
Erdschluss einer der zweiten Leitungen 19 bis 21	Schließen des zweiten Lastschalters 37 von der zweiten Leitung 19, 20 oder 21 zu der elektrischen Masse 40. Zur Sicherheit wird mit einem komplexen elektrischen Widerstand Z des zugehörigen Widerstandselements 41 eine Art Schieflast im Umrichter 4 erzeugt, bevor ein kompletter Erdschluss ohne den komplexen elektrischen Widerstand Z herbeigeführt wird.
Phasenschluss zwischen zwei der zweiten Leitungen 19 bis 21	Schließen des dritten Lastschalters 38 zwischen den beiden zweiten Leitungen 19 und 20, 20 und 21 oder 19 und 21. Zur Sicherheit wird mit einem komplexen elektrischen Widerstand Z des zugehörigen Widerstandselements 42 eine Art Schieflast im Umrichter 4 erzeugt, bevor ein kompletter Phasenschluss ohne den komplexen elektrischen Widerstand Z herbeigeführt wird.
Phasenschluss zwischen allen zweiten Leitungen 19 bis 21 Windungsschluss einer der zweiten Leitungen 19 bis 21	Schließen von mindestens zwei der dritten Lastschalter 38 zwischen den zweiten Leitungen 19 bis 21. Zur Sicherheit wird mit komplexen elektrischen Widerständen Z der zugehörigen Widerstandselemente 42 eine Art Schieflast im Umrichter 4 erzeugt, bevor ein kompletter Phasenschluss ohne die komplexen elektrischen Widerstände Z herbeigeführt wird. Schließen des parallel zu der Motorwicklung 50 geschalteten fünften Lastschalters 48 mit einem in Reihe geschalteten komplexen elektrischen Widerstand Z des zugehörigen Widerstandselements 49.
Wicklungsschluss	Simuliert wird mit den zweiten, dritten und fünften Lastschaltern 37, 38 und 48 und den in Reihe geschalteten zweiten, dritten und fünften Widerstandselementen 42, 42 und 49 mit komplexen elektrischen Widerständen Z, da drei Fehlerarten bei einem Wicklungsschluss auftreten können:
	- ein Erdschluss, der durch den Kontakt einer Spule mit dem Motorgehäuse zustande kommt, dazu wird der zugehörige zweite Lastschalter 37 geschlossen, - ein Phasenschluss, der durch einen elektrischen Kontakt zweier unterschiedlicher Motorwicklungen 50 zweier Phasen zustande kommt, dazu wird der zugehörige dritte Lastschalter 38 geschlossen, und - ein Windungsschluss, der durch einen elektrischen Kontakt zweier Motorwicklungen 50 derselben Phase zustande kommt, dazu wird der zugehörige fünfte Lastschalter 48 geschlossen.
Eine offene zweite Leitung 19 bis 21 Zwei offene zweite Leitungen 19 bis 21	Öffnen des vierten Lastschalters 39 in der zweiten Leitung 19, 20 oder 21. Öffnen der vierten Lastschalter 39 in den beiden zweiten Leitungen 19 und 20, 20 und 21 oder 19 und 21.
Schieflast einer der zweiten Leitungen 19 bis 21	Öffnen des vierten Lastschalters 39 und Schließen des weiteren vierten Lastschalters 43 mit dem in Reihe geschalteten vierten Widerstandselement 44 mit dem komplexen elektrischen Widerstand Z in der zweiten Leitung 19, 20 oder 21.

Weitere Komponenten des Prüfstands 1, die in den Figuren nicht dargestellt sind, sind Sicherungen, RCDs, Interlocks und Not-Aus. Dabei handelt es sich um Sicherheitseinrichtungen, die in den Prüfstand 1 eingebaut werden, um die Personen- und Gerätesicherheit sicherzustellen. Ein Not-Aus wird zum Stoppen des gesamten Prüfstands 1 benötigt. Die Sicherungen und RCDs (Residual Current Devices) dienen zum Schutz der Stromwandler und der Messgeräte vor zu großen Strömen bei den simulierten Fehlerfällen. Die Interlocks dienen der Personensicherheit, indem die Stromversorgung 3 nur dann Strom erhält, wenn z.B. eine Tür eines Sicherheitszauns oder eines Käfigs um den Prüfstand 1 geschlossen ist.
BEZUGSZEICHENLISTE

1: Prüfstand
2: Motor
3: Stromversorgung
4: Umrichter
5: DC-Stromversorgung
6: (erste) Schalt- und Messeinrichtung
7: (zweite) Schalt- und Messeinrichtung
8: Bremseinrichtung
9: Schaltmodul
10: Messmodul
11: Summenstromwandler
12: (erste) Leitung
13: (erste) Leitung
14: Stromwandler
15: Isolationswächter
16: Schaltmodul
17: Messmodul
18: Summenstromwandler
19: (zweite) Leitung
20: (zweite) Leitung
21: (zweite) Leitung
22: Stromwandler
23: Break Out-Box
24: Generator
25: Antriebswelle
26: Kupplung
27: Wandler
28: Isolationswächter
29: Netzwerkschnittstelle
30: Datennetzwerk
31: Netzwerkschnittstelle
32: Rechner
33: Oszilloskop
34: (erster) Lastschalter
35: (erste) elektrische Masse
36: (erstes) Widerstandselement
37: (zweiter) Lastschalter
38: (dritter) Lastschalter
39: (vierter) Lastschalter
40: elektrische Masse
41: (zweites) Widerstandselement
42: (drittes) Widerstandselement
43: weiterer vierter Lastschalter
44: (viertes) Widerstandselement
45: Abtriebswelle
46: Messmodul
47: Messmodul
48: (fünfter) Lastschalter
49: (fünftes) Widerstandselement
50: Motorwicklung

Claims

Prüfstand (1) für eine Umrichter-Motor-Kombination aus einem Elektromotor (2) und einem eingangsseitig an eine Stromversorgung (3) anschließbaren und ausgangsseitig an den Elektromotor (2) anzuschließenden Umrichter (4), wobei der Prüfstand (1) - eine zwischen die Stromversorgung (3) und den Umrichter (4) zu schaltende erste Schalt- und Messeinrichtung (6), - eine zwischen den Umrichter (4) und den Elektromotor (2) zu schaltende zweite Schalt- und Messeinrichtung (7) und - eine Bremseinrichtung (8) zum kontrollierten Abbremsen einer Abtriebswelle (45) des Elektromotors (2) aufweist, - wobei die erste Schalt- und Messeinrichtung (6) - zumindest für jede stromführende erste Leitung (12, 13) zwischen der Stromversorgung (3) und dem Umrichter (4) einen ersten Lastschalter (34) zum Herbeiführen eines Schlusses der ersten Leitung (12, 13) mit einer ersten elektrischen Masse (35) und - erste Stromwandler (11, 14) zum Erfassen von elektrischen Strömen zumindest durch die stromführenden ersten Leitungen (12, 13) aufweist und - wobei die zweite Schalt- und Messeinrichtung (7) - zumindest für jede stromführende zweite Leitung (19-21) zwischen dem Umrichter (4) und dem Elektromotor (2) einen zweiten Lastschalter (37) zum Herbeiführen eines Schlusses der zweiten Leitung (19-21) mit der ersten oder einer zweiten elektrischen Masse (40), - zumindest für jedes Paar der stromführenden zweiten Leitungen (19-21) einen dritten Lastschalter (38) zum Herbeiführen eines Schlusses zwischen den zweiten Leitungen (19-21) des Paars und - zweite Stromwandler (18, 22, 23) zum Erfassen von elektrischen Strömen zumindest durch die stromführenden zweiten Leitungen (19-21) aufweist.
Prüfstand (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - dass jeder erste Lastschalter (34) mit einem ersten Widerstandselement (36) in Reihe geschaltet ist und/oder jedem ersten Lastschalter (34) eine Reihenschaltung aus einem weiteren ersten Lastschalter und einem ersten Widerstandselement (36) parallelgeschaltet ist, - wobei jedes erste Widerstandselement einen ohmschen oder komplexen elektrischen Widerstand (Z) aufweist.
Prüfstand (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass jeder zweite Lastschalter (37) mit einem zweiten Widerstandselement (41) in Reihe geschaltet ist und/oder jedem zweiten Lastschalter (37) eine Reihenschaltung aus einem weiteren zweiten Lastschalter und einem zweiten Widerstandselement (41) parallelgeschaltet ist, - wobei jedes zweite Widerstandselement (41) einen ohmschen oder komplexen elektrischen Widerstand (Z) aufweist.
Prüfstand (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass jeder dritte Lastschalter (38) mit einem dritten Widerstandselement (42) in Reihe geschaltet ist und/oder jedem dritten Lastschalter (38) eine Reihenschaltung aus einem weiteren dritten Lastschalter und einem dritten Widerstandselement (42) parallelgeschaltet ist, - wobei jedes dritte Widerstandselement (42) einen ohmschen oder komplexen elektrischen Widerstand (Z) aufweist.
Prüfstand (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schalt- und Messeinrichtung (7) zumindest in jeder der stromführenden zweiten Leitungen (19-21) einen vierten Lastschalter (39) aufweist.
Prüfstand (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedem vierten Lastschalter (39) eine Reihenschaltung aus einem weiteren vierten Lastschalter (43) und einem vierten Widerstandselement (44) mit einem ohmschen oder komplexen elektrischen Widerstand (Z) parallel geschaltet ist.
Prüfstand (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige vierte Lastschalter (39), von dem Umrichter aus gesehen vor Leitungsabzweigungen zu dem jeweiligen zweiten Lastschalter (37) und dritten Lastschalter (38) in der jeweiligen zweiten Leitung (19-21) angeordnet ist.
Prüfstand (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schalt- und Messeinrichtung (7) für jede der an eine Motorwicklung (50) des Elektromotors (2) anzuschließende stromführende zweiten Leitungen (19-21) einen parallel zu der Motorwicklung (50 geschalteten fünften Lastschalter (48) aufweist.
Prüfstand (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, - dass jeder fünfte Lastschalter (48) mit einem fünften Widerstandselement (49) in Reihe geschaltet ist und/oder jedem fünften Lastschalter (48) eine Reihenschaltung aus einem weiteren fünften Lastschalter und einem fünften Widerstandselement (49) parallelgeschaltet ist, - wobei jedes fünfte Widerstandselement (49) einen ohmschen oder komplexen elektrischen Widerstand (Z) aufweist.
Prüfstand (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Masse (35) eine elektrische Erde ist oder resistiv und/oder kapazitiv und/oder induktiv an eine elektrische Erde gekoppelt ist oder eine von elektrisch Erde getrennte elektrische Masse ist, wobei, optional, die zweite elektrische Masse resistiv und/oder kapazitiv und/oder induktiv an die erste elektrische Masse gekoppelt ist oder von der ersten elektrischen Masse getrennt ist.
Prüfstand (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Lastschalter (34, 37-29, 43) ein mechanischer Schalter mit Motorantrieb oder ein elektronischer Schalter ist.
Prüfstand (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Stromwandler einen ersten Summenstromwandler (11) zum Erfassen einer Stromsumme der elektrischen Ströme zumindest durch alle der stromführenden ersten Leitungen (12, 13) und mindestens einen ersten Stromwandler (14) aufweisen, der nur den Strom durch eine der ersten Leitungen (13) erfasst.
Prüfstand (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Stromwandler einen zweiten Summenstromwandler (18) zum Erfassen einer Stromsumme der elektrischen Ströme zumindest durch alle der stromführenden zweiten Leitungen (19-21) und mehrere zweite Stromwandler (22, 23) aufweisen, die jeweils nur den Strom durch eine der zweiten Leitungen (20, 21) erfassen.
Prüfstand (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schalt- und Messeinrichtung (6) erste Spannungsmesser zum Erfassen von Spannungen zwischen den ersten Leitungen und der ersten elektrischen Masse und die zweite Schalt- und Messeinrichtung (7) zweite Spannungsmesser zum Erfassen von Spannungen zwischen den zweiten Leitungen und der ersten oder zweiten elektrischen Masse aufweist.
Prüfstand (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schalt- und Messeinrichtung (6) einen Isolationswächter (15) mit einem Prüfsignalgenerator aufweist.
Prüfstand (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgung Teil des Prüfstands (1) ist, einen Gleichstrom ausgibt und eine einstellbare Kennlinie aufweist.
Prüfstand (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bremseinrichtung (8) einen Generator (24) aufweist, dessen Antriebswelle (25) über eine elektrisch isolierende Kupplung (26) an die Abtriebswelle (45) des Elektromotors (2) ankuppelbar ist.
Prüfstand (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schalt- und Messeinrichtung (6), die zweite Schalt- und Messeinrichtung (7) und die Bremseinrichtung (8) über mit Netzwerkisolatoren ausgerüstete Netzwerkschnittstellen 29, 31) des Prüfstands (1) an ein Datennetzwerk (30) angeschlossen oder anschließbar sind, über das Steuerbefehle an den Prüfstand (1) übertragbar und Messwerte von dem Prüfstand (1) erhältlich sind.