# EME-Übersicht URL: https://irs.systems/docs/e-motor-emulator/eme-overview ## EME-Übersicht Jeder einzelne EME deckt ein 3-Phasen-System ab. Zwei identische EME können optional kombiniert werden, um einen 6-Phasen-Motor zu simulieren, wobei ein System als Master und eines als Slave arbeitet. ## Leistungsteil Jede aktive Motorlast IRS EME enthält einen 3-phasigen Zweipunkt-Inverter, wobei unterschiedliche Technologien eingesetzt werden: - VARIS-Versionen: IGBT **(Standardgerät)** - SiC-Version: SiC-MOSFET **(in Entwicklung)** Für unterschiedliche Inverterarten sind verschiedene Varianten erhältlich: ### HV-Versionen, IGBT-basiert | Parameter/Typ | VARIS I | VARIS II | VARIS III | | --- | --- | --- | --- | | UDC [V] | 40...1000 | 40...1000 | 40...1000 | | Phasenstrom dauerhaft [A] @ 450 V @ 8 kHz PWM | 400 | 600 | 600 | | Phasenstrom 5 Sekunden [A] @ 450 V @ 8 kHz PWM | 600 | 650 | 650 | | Phasenstrom dauerhaft [A] @ 850 V @ 8 kHz PWM | 200 | 400 | 600 | | PWM-Frequenz [kHz] | 4…12 | 4…12 | 4…12 | Der maximale Strom hängt von der angelegten DC-Spannung und der Schaltfrequenz ab. Das folgende Diagramm veranschaulicht die Abhängigkeit am Beispiel des VARIS III: ![3D-Diagramm: maximaler AC-Strom des VARIS III in Abhängigkeit von Schaltfrequenz und DC-Spannung](/docs/assets/e-motor-emulator/images/eme-varis-iii-max-current.png) ## Positionssensor ### SIN/COS-Generator Standardmäßig ist der IRS EME mit einem 8-Kanal-SIN/COS-Signalgenerator zur Simulation von AMR/GMR-Positionssensoren ausgestattet. Die folgenden Bilder veranschaulichen die typischen Signalpegel in Abhängigkeit von der aktuellen Position in Grad. Zur besseren Übersicht sind pro Bild nur 4 Signale dargestellt. Das erste zeigt die nicht invertierten SIN- und COS-Signale für GMR und AMR (bitte beachten Sie, dass einige Inverter nur die GMR-Signale verwenden): ![Signalpegel von GMR_SINp, GMR_COSp, AMR_SINp und AMR_COSp über der Position](/docs/assets/e-motor-emulator/images/eme-sincos-gmr-amr.png) GMR-Signale synchron zur mechanischen Drehzahl: ![Signalpegel von GMR_SINp, GMR_SINn, GMR_COSp und GMR_COSn über der Position](/docs/assets/e-motor-emulator/images/eme-sincos-gmr.png) AMR-Signale synchron zur DOPPELTEN mechanischen Drehzahl: ![Signalpegel von AMR_SINp, AMR_SINn, AMR_COSp und AMR_COSn über der Position, doppelte Frequenz](/docs/assets/e-motor-emulator/images/eme-sincos-amr.png) ### Resolver-Simulation Optional kann ein zusätzliches Modul eingesteckt werden, um Resolver-Positionssensoren zu simulieren. ![Resolversignale R, S1 und S2 über dem Drehwinkel und Resolverprinzip mit Erregerwicklung R und Ausgangswicklungen S1 und S2](/docs/assets/e-motor-emulator/images/eme-resolver-signals.png) Alle Ein- und Ausgänge sind durch Transformatoren galvanisch getrennt, wie es auch bei realen Resolversensoren der Fall ist: - Eingang Erregersignal + und -: wird vom Prüfling erzeugt (typ. 10 kHz) - Ausgang SIN + und SIN –: vom Resolversimulator moduliert, wird an den Prüfling zurückgeführt - Ausgang COS + und COS –: vom Resolversimulator moduliert, wird an den Prüfling zurückgeführt ## EME-Komponenten und Standard-IP-Adressen der Geräte Es gibt im Wesentlichen zwei Komponenten der Messausrüstung, die über Ethernet angesprochen werden müssen. Diese sind: - EME-Steuerplatine - EME-Schalt- und Kühlsteuerung Grundsätzlich kann jede beliebige IP-Adresse konfiguriert werden, bei Auslieferung sind jedoch die folgenden Standard-IP-Adressen eingestellt: | Gerät | ID / IP-Adresse | Bemerkungen | | --- | --- | --- | | EME-Steuerplatine | `192.168.222.5` | Dieses Gerät enthält die zentrale Embedded-Software des EME | | EME Switch & Cool | `192.168.222.11` | Controller zur Steuerung von DC- und Entladerelais, Lüfter und Kühlpumpe | Wird der EME in einem System mit mehreren Prüflingen eingesetzt, werden die Zahlen in der IP-Adresse für jeden Prüfplatz hochgezählt. ## Messungen ### Spannungen, Ströme und Timing Die folgenden Messungen werden von der aktiven Motorlast EME durchgeführt: ![Messübersicht: Inverter (DUT), Kabelbaum und Tester mit EME-Leistungselektronik, HV-Versorgung, Ausgang Sicherheitsspannung 4...20 mA, Messpunkte für Strom (I) und Spannung (V) und optionaler Erreger für SSM](/docs/assets/e-motor-emulator/images/eme-measurements.png) Alle gelb markierten Messungen werden von der EME-Steuerplatine durchgeführt und können über die LabVIEW-Bibliothek per Ethernet ausgelesen werden. Diese Signale werden mit einer Abtastrate von 100 kS/s abgetastet: - 3x Phasenstrommessung (±1000 A) - 1x HV-DC-Spannungsmessung (0…1000 V) - 1x HV-Strommessung zum Prüfling (±600 A) - 1x HV-Strommessung vom HV-Netzteil (±200 A) - 1x Erregerstrommessung (optional) (±50 A) Die Spannungsmessung nach dem DC-Hauptrelais wird üblicherweise sowohl von der Sicherheitsschaltung ausgewertet, um zu erkennen, ob am Prüfling eine gefährliche Spannung anliegt, als auch von optionaler zusätzlicher Messausrüstung. Der EME enthält einen Spannungsmessumformer mit einstellbarem Ausgangssignal, grün markiert. Standardmäßig werden 4…20 mA ausgegeben, die der HV-Spannung am Prüfling von 0…1000 V entsprechen. Schließlich wird das PWM-Timing der Motorphasen U, V, W mit einer Auflösung von 50 ns überwacht. ### EME-interne Temperaturen Die folgenden internen Temperaturen werden mit einer Abtastrate von ca. 5 S/s überwacht. ![Temperatursensoren im EME-Schaltschrank: IGBTs, Drosseln, optionaler Erreger, Wärmetauscher mit Kühlwasserzulauf und -ablauf, Controller EME Switch & Cool](/docs/assets/e-motor-emulator/images/eme-internal-temperatures.png) Die Temperaturen müssen unter den folgenden Maximalwerten bleiben: | Gemessen von | Sensor | Beschreibung | Maximale Temperatur [°C] | | --- | --- | --- | --- | | EME-Steuerplatine | PT100 | Kühlkörper des Leistungsteils | 50 | | EME-Steuerplatine | IGBT_U | IGBT Phase U (nahe am Kühlkörper) | 65 | | EME-Steuerplatine | IGBT_V | IGBT Phase V (nahe am Kühlkörper) | 65 | | EME-Steuerplatine | IGBT_W | IGBT Phase W (nahe am Kühlkörper) | 65 | | EME-Steuerplatine | Choke_U | Koppelinduktivität Phase U | 80 | | EME-Steuerplatine | Choke_V | Koppelinduktivität Phase V | 80 | | EME-Steuerplatine | Choke_W | Koppelinduktivität Phase W | 80 | | EME-Steuerplatine | Exciter | Optionaler Erregerwiderstand für SSM | 70 | | EME-Steuerplatine | H2O_In | Kühlwasserzulauf | 40 | | EME-Steuerplatine | H2O_Out | Kühlwasserablauf | 60 | | Switch & cool | T VARIS 1 | Kühlkörper des Leistungsteils als Referenz für die Kühlungsregelung | 50 | | Switch & cool | T_VARIS 2 / T_Exciter | Bei vorhandenem Erreger -> Erregerwiderstand, alternativ zweiter T_VARIS | | ### EME-Kühl- und Schaltsteuerung Die folgenden Messungen und Steuerungen werden von der Schalt- und Kühleinheit des EME (Switch & Cool) durchgeführt. ![Controller EME Switch & Cool mit Relais, Temperatursensoren, Durchflusssensor, Lüfter und Kühlpumpe des Wärmetauschers](/docs/assets/e-motor-emulator/images/eme-switch-cool-controller.png) Abhängig von T_VARIS und T_Exciter wird die Kühlpumpe automatisch aktiviert und geregelt ## EME-Kommunikation ### Ethernet Gigabit-Ethernet ist die zentrale Kommunikationsschnittstelle, die über die mitgelieferte LabVIEW-Bibliothek zugänglich ist. ### CAN Physisch vorhanden, derzeit jedoch nicht in der Software implementiert. ## Synchronisation Im Normalbetrieb synchronisiert der EME seine Ausgangsstufe mit den Schaltparametern des Prüflings. Das folgende Kapitel beschreibt diesen Synchronisationsmechanismus. **Auto-Synchronisation!** ## Sicherheitsschnittstelle > **WARNUNG!** > **Für die funktionale Sicherheit MUSS dieses Kapitel konsequent beachtet werden!** Der EME wird für Anwendungen mit Spannungen über 60 V eingesetzt, die lebensgefährlich sind. Da die DC-Versorgungsspannung üblicherweise gegen Erdpotential isoliert ist, MUSS ein Isolationswächter eingesetzt werden, der die DC-Spannungsquelle bei einer hoch- oder niederohmigen Erdverbindung abschaltet. Der Anwender MUSS sicherstellen, dass spannungsführende Komponenten nicht berührt werden können. D. h.: Lassen Sie alle Türen während des Betriebs geschlossen. Einige Türen verfügen über einen Türkontakt, der von einer Sicherheitssteuerung ausgewertet werden muss, die die HV-Versorgung sofort abschaltet, sobald einer der Türkontakte geöffnet wird. Darüber hinaus müssen Übertemperaturschalter von der Sicherheitssteuerung überwacht werden. Schließlich enthält der EME eine Entladeschaltung, die extern aktiviert und deaktiviert werden muss ### Standardschnittstelle mit externer Sicherheitssteuerung Die folgende Abbildung veranschaulicht die Sicherheitsschnittstelle: ![Sicherheitsschnittstelle des EME: Türkontakte, Übertemperaturschalter der Entladung, Rückmeldung der Entladung, interne und externe Entladesteuerung mit Entladewiderstand zwischen HV+ und HV-](/docs/assets/e-motor-emulator/images/eme-safety-interface.png) Eine externe Sicherheitssteuerung MUSS die folgenden Funktionen umsetzen: - **Sie MUSS die externe -Versorgung sofort abschalten** bei - EME-Tür offen - EME-Übertemperatur der Entladung - EME-Entladung aktiv - Die EME-**Entladung MUSS DEAKTIVIERT werden**, wenn: - die HV-Versorgung eine Spannung > 20 V anlegt - Die EME-**Entladung MUSS aktiviert werden** bei - jedem Fehler - ABER nur, wenn die HV-Versorgung abgeschaltet ist. Die folgende Tabelle veranschaulicht die verschiedenen Situationen, wobei das **Steuersignal der Entladung invertiert ist**: | Die externe Sicherheitssteuerung MUSS setzen | HV-Versorgung | Externes Steuersignal der Entladung | | --- | --- | --- | | Im Fall des folgenden Status | | | | EME-Tür offen | **AUS** | **AUS** | | EME-Übertemperatur der Entladung | **AUS** | **AUS** | | Interne EME-Entladung aktiv (angezeigt durch das Signal „Discharge feedback“) | **AUS** | **EIN** oder **AUS**; Entladung bereits durch den EME aktiviert | | Externe Entladesteuerung aktiv | **AUS** | **EIN** (keine Entladung) | | HV-Spannung > 20 V angelegt | **EIN** | **EIN** (keine Entladung) | | Isolationsfehler (unabhängige Überwachung, nicht im EME integriert) | **AUS** | **AUS** | Gängige Sicherheitssteuerungen arbeiten mit 24 VDC. Das externe Steuersignal der Entladung sollte mit 24 VDC angesteuert werden. Siehe die folgenden Kapitel zu den elektrischen Parametern und zur Pinbelegung der Steckverbinder. ![Spannungswandler zwischen HV DC+ und HV DC- des Inverters (DUT) mit Analogausgang 4...20 mA zur Sicherheitssteuerung](/docs/assets/e-motor-emulator/images/eme-voltage-converter.png) Darüber hinaus ist ein Spannungswandler integriert, den die Sicherheitssteuerung zur Überwachung der Spannung am Prüfling nutzen kann, um Türen zu verriegeln, wenn Spannungen > 50 V anliegen. Standardmäßig gibt der Spannungswandler 4…20 mA aus, was 0…1000 V am Ausgang zum Prüfling entspricht. ### Isolationswächter Ein Isolationswächter (z. B. Bender ISO-685) ist notwendig, um die Isolation von HV+ und HV- gegen Erde zu überwachen, da für die Inverterprüfung üblicherweise ein IT-Netz aufgebaut wird. In der Standardkonfiguration sind HV-Versorgung und Isolationswächter nicht in den Emulator integriert. Ist die HV-Versorgung jedoch in den Emulatorschrank integriert, ist die Isolationsüberwachung Teil des IRS-Systems und muss von einer integrierten Sicherheitssteuerung geprüft werden. ### Integrierte Sicherheitssteuerung Eine Sicherheitssteuerung kann je nach Kundenanforderungen integriert werden. Dies wird üblicherweise umgesetzt, wenn die HV-Versorgung in den Emulatorschrank integriert ist. Es gibt verschiedene Optionen für Sicherheitssteuerungen: - PILZ PNOZ Multi II - Sicherheitsmodule Siemens ET200 mit externer CPU - Sicherheitssteuerung von Wieland. - … Verschiedene Optionen können individuell besprochen und integriert werden. Beispiele finden Sie in den folgenden Bildern: ### Beispiel: Sicherheitssteuerung von PILZ oder Wieland Tritt eines der Sicherheitsereignisse ein, wird die HV-Versorgung sofort sicher abgeschaltet und die Taste „Reset“ auf der linken Seite blinkt blau. Ein einzelnes Ereignis bleibt gespeichert, bis der Anwender es durch Drücken der Taste „Reset“ quittiert. Das System verbleibt im sicheren Zustand, bis der Anwender die Taste „Reset“ drückt. Liegt das Sicherheitsereignis nicht mehr an, wird die HV-Versorgung nach dem Quittieren mit der Taste „Reset“ wieder freigegeben. An den Anzeigen der Sicherheitssteuerung kann der Anwender den aktuellen Status der Sicherheitssteuerung ablesen; die Eingänge bedeuten Folgendes: ![Beschriftung der Eingänge I1 bis I16 der Sicherheitssteuerung: Rückmeldung Regatron, Isolationsüberwachung, Türschalter, EME-Interlock, Temperaturschalter, Not-Halt, Reset, Rückmeldung Logo und Hilfseingänge](/docs/assets/e-motor-emulator/images/eme-safety-controller-inputs.jpg) Am Emulatorschrank kann eine Signalleuchte montiert werden, die folgende Situationen anzeigt: - Grün: kein Fehler, keine HV-Spannung -> der Prüfling kann gefahrlos gehandhabt werden - Rot: kein Fehler, HV-Spannung > 20 V -> Prüfling NICHT berühren - Orange: Fehler (z. B. Not-Halt, Isolationsfehler, Tür offen, …) Eine übergeordnete Sicherheitssteuerung kann verwendet werden, um bei anliegender Spannung die Türen zu verriegeln. Diese Funktion kann bei Bedarf von IRS integriert werden. ![EME-Schaltschrank mit HV-Signalleuchte, integrierter Sicherheitssteuerung und integrierter HV-Versorgung](/docs/assets/e-motor-emulator/images/eme-cabinet-integrated-safety.jpg) ### Beispiel: Sicherheitstechnik Siemens ET200 #### Integrierte ET200 Bei ET200 muss eine externe Siemens-SPS-CPU zur Umsetzung des Sicherheitsprogramms verwendet werden. IRS stellt einen Beispielcode zur Verfügung, der für die Integration in die SPS-CPU verwendet werden kann. #### Integrierte HV-Versorgung Bitte beachten Sie, dass bei dieser Version der Integrator der SPS-Software für die Sicherheit des Systems verantwortlich ist. D. h., die sichere Abschaltung in jeder Fehlersituation muss vom Integrator umgesetzt werden. ![Geöffneter EME-Schaltschrank mit integrierter ET 200 und integrierter HV-Versorgung](/docs/assets/e-motor-emulator/images/eme-integrated-et200.jpg)