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Einsatz der E-Maschinenemulation zur Optimierung der Traktionsumrichterprüfung Inverter Test by SET Power Systems Norbert Schmalhofer www.set-powersys.de [email protected] Tel. 07522 91687 640

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© SET Power Systems GmbH Seite 2

Inhalt

Die Herausforderung

Die Anwendungen Einsatzfelder / Vorteile gegenüber Dyno

Technologie / Modellierungsgenauigkeit

Typische Anlagen Konfiguration

Automatisierung

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© SET Power Systems GmbH Seite 3

Die Herausforderung

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• Kurze Entwicklungszeiten: Parallele Entwicklungsprozesse - nicht alle Komponenten verfügbar

• Möglichst breite Prüfabdeckung: Verfügbare Prüflinge decken die Fertigungstoleranzbänder nicht ab

• Begrenzte Kosten: Nur endlicher Prüfaufwand möglich

• Komplexe Eigenschaften: Optimierungsstrategie modellieren über erweitere Prüfmöglichkeiten

• Einhaltung von Standards

Antriebstrangentwicklung

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Der Begriff

• E-Maschinenemulation, ein virtueller Elektromotor:

Real Time Real Power Real Precision

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Das Werkzeug

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Invert

er

Power

Stage

Sensor

Interface

Prüfling

(UUT)

Lastmotor

Inverter

Lastregelung

Sch

nit

tste

lle

Originalmotor

derzeitige Lösung…

Von der Lastmaschine zum EME

Der Elektromotor Emulator (EME)

als ideales Testwerkzeug für die E-Motor-Schnittstelle

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Der Elektromotor Emulator (EME)

als ideales Testwerkzeug für die E-Motor-Schnittstelle

Power

Stage

Sensor

Interface

Prüfling

(UUT) Sch

nit

tste

lle

Elektromotor Emulator

Phase

Emulation

Sensor

Emulation

Motor Model

Last

Simulation

Von der Lastmaschine zum EME

Invert

er

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© SET Power Systems GmbH Seite 9

Funktionale Voraussetzungen

• 4-Quadranten-Betrieb

• potentialfrei

• R elektr. einstellbar

• L (Ld, Lq) elektr. einstellbar

• Nichtlinearitäten darstellbar

• Fehlerstimulation Phase

Emulation

Sensor

Emulation

Motor Model

• Emulierter Rotorlagesensor

(Vogt, Tamagawa, Hall, Encoder…)

• potentialfrei

• relative Position einstellbar

• Fehlerstimulation

Von der Lastmaschine zum EME

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Funktionale Voraussetzungen

Phase

Emulation

Sensor

Emulation

Motor Model

• Echtzeitmodelle

• versch. Maschinentypen

• Anbindung an FEM

(JMAG)

• Spezielle Funktionen

(z.B. Parameter Freeze)

• versch. Plattformen

(z.B. sbRIO, NI-PXI)

• Einfaches Interface

Von der Lastmaschine zum EME

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Ergebnis

Modellierung in

Echtzeit

Wirkkette mit

voller Leistung

Von der Lastmaschine zum EME

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Applikation A380 Outflow-Valve (2003):

4 x Outflow-Valve an der Rumpfunterseite zur

Regelung des Kabinendrucks

Erster E-Motor Emulator der SET

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E-Motorenprüfstand

Einsatzgebiet Optimiert für

E-Maschinen-Test

Flexibilität Umbau erforderlich

Genauigkeit der

Maschine

exemplarabhängig,

temperaturabhängig

Dynamik (Drehzahl,

Drehmoment)

schlecht

Fehlerstimulation kaum möglich

Sicherheitsaspekte rotierende Teile

Wartung mechanischer Verschleiß

Platzbedarf /

Betriebsumgebung

relativ hoch

Invest /

Betriebskosten

mittel /

hoch

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Inverterprüfstand

Einsatzgebiet Optimiert für Inverter-Test

Flexibilität neuer Motor per Knopfdruck

Genauigkeit der

Maschine

datenabhängig,

numerisch korrekt ohne Drift

Dynamik (Drehzahl,

Drehmoment)

sehr gut

Fehlerstimulation umfangreiche Möglichkeiten

Sicherheitsaspekte kein mechanisches

Gefährdungspotential

Wartung keine erforderlich

Platzbedarf /

Betriebsumgebung

geringe Ansprüche

Invest /

Betriebskosten

mittel /

gering

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Artemis - Rural

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Künstliche

Referenzwerte

Referenzwerte

realer

Fahrzyklen

Referenzdaten

aus dem

RT – Fahrzeug

Modell

Inverter

(UUT) E-Motoremulator

(EME)

AVL InMotion™

Mechanical

Enviromental

Driving

Maneuvers

Powertrain

Model

Driver

Model

Virtual Vehicle

set values

set values

Simulierte Lasten am Antriebsstrang

Anwendungen

Fehlerstimulation

E-Maschine Optimierung

Antriebsregler

- Stromregler

- Moment/Drehzahl

- Wirkungsgrad

- Motorphasen

- Lagegeber

- Toleranzen

„Reale Welt“ „Virtuelle Welt“

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Produkte

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© SET Power Systems GmbH Seite 17

30

600

400

48 12 400 600 U [V]

I [A]

< 1 kW

> 300 kW

900

800

Gerätekategorieen

~ 10/15 kW

Micro Hybrid Mild Hybrid Full Hybrid

Plug-in Hybrid

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Elektrischer Antriebsstrang

Anwendungen HV

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Parkbremse, Servolenkung, Benzin-/Ölpumpe …

Anwendungen LV

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20

Entwicklung

• Hardware

• Software

Verifikation

• HW/SW Integration

• Systemtests

Produktion

• EOL

• QS

• Fehleranalyse

OEM … Tier 1 … Service Provider

Design

• Hardware

• Software

• Regelung

Verifikation

• HW/SW

Integration

• Systemtests

• Qualifizierung

Produktion

• EOL

• QS

• Reparatur

Anwendungsfelder

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Eigenschaften im Detail

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Transformiertes

Motormodell

Reibungs-

und

Lasteingabe

Eigenschaften im Detail

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Emulation sensorlose Synchronmaschine, 400V/95krpm/15kW

Rotor stellen

Unsynchronisiertes

Anfahren

Synchronisation

Stromreduktion

(Drehzahl erreicht)

Phasenstrom

Eigenschaften im Detail

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Emulation sensorlose Synchronmaschine, 400V/95krpm/15kW

- Darstellung interner Größen mittels Modellmonitor (Software-Oszi)

Rotorwinkel

Iq

Phasenstrom

Stromlimit

eingestellt

Eigenschaften im Detail

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1. Parametrierbare Grundmodelle

SET

Power Systems

Modelle

PMSM [d-q, Fluss…] FSM ASM

Basis Motormodell

Systemsteuerung

Spezifische

Modellparameter

DC

AC offlin

e

Testparameter

- Last

- Moment

- Reibung

- Trägheit

- …

Steuerinterface

DC

AC

E-Motor

Emulation

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2. Modell-Konvertierung

Motor Modell

aus Tool Chain

(FEM…)

Basis Motormodell

Systemsteuerung

Spezifische

Modellparameter

DC

AC offlin

e

Testparameter

- Last

- Moment

- Reibung

- Trägheit

- …

Steuerinterface

DC

AC

E-Motor

Emulation

offlin

e

Konvertierung der Tool Chain-Daten in ein

ladefähiges Motor Modell:

- Basis Motormodell

- Spezifische Modellparameter

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3. Zusätzliche Echtzeithardware

Modell-

Daten aus

Simulation

Basis Motormodell

Systemsteuerung

Spezifische

Modellparameter

DC

AC onlin

e

Testparameter

- Last

- Moment

- Reibung

- Trägheit

- …

Steuerinterface

DC

AC

E-Motor

Emulation

onlin

e

Konvertierung des Simulink Modells

in ein ladefähiges Motor Modell offline

Simulink

Daten Echtzeit-Hardware mit

High Speed Link

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Anwendungen

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Genauigkeit der Motor-Nachbildung

• Qualität des E-Motormodells: - Ld/Lq-Modell - Flussmodell - Transformierte Modelle

• Qualität der E-Motordaten

• Update-Rate (Rechengeschwindigkeit) Modell

• Schaltfrequenz der Leistungselektronik

• Qualität der internen Messtechnik

• Detailgenauigkeit des Hardware-Aufbaus

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Eigenschaften im Detail

Realisierung der Modellierungsgenauigkeit

• PMSM Ld/Lq Modell:

feste Ld/Lq-Werte, einfache Parametrierung, für Standardanwendungen

• Flussbasiertes Modell:

hochpräzise Maschinenabbildung, aufwendigere Parametrierung (Messung od. FEM)

Umschaltung

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Einfache Eingabe von L-Werten:

- Abbildung nichtlinearer Verläufe

möglich

Eigenschaften im Detail

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© SET Power Systems GmbH Seite 32

High Dynamik High

Precision

High Speed

Highlights

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© SET Power Systems GmbH Seite 33

High Dynamik High

Precision

High Speed

Standardmodell, Flußmodell,

Nichtlinearitäten und Harmonische

Testen von Kompensationsalgorithmen

für mechanische Schwingungen bis

hin zur Kompensation von akustischen

Emissionen

Exakte Emulation bis

über 5kHz Grundwelle (Id/Iq), Feldschwächung

Highlights

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© SET Power Systems GmbH Seite 34

Entwicklung von Reglern

zur Kompensation von Schwingungen im Antriebsstrang

Beispiel

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© SET Power Systems GmbH Seite 35

Entwicklung von Reglern

zum einprägen spezifischer Eigenschaften

Beispiel

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© SET Power Systems GmbH Seite 36

Entwicklung von Reglern

Optimierung von Regelstrategieen (z.B. für den Wirkungsgrad)

Beispiel

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

1 3 5 7 911

13

15

17

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21

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29

31

33

35

37

39

41

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47

49

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53

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69

71

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75

77

79

81

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87

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91

93

95

97

99

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© SET Power Systems GmbH Seite 37

Beispiel Fehlerstimulation

• Unwucht-Simulation

• Phasenschäden

• Lagerschäden

• Drehzahlgrenzen

• Lagesensorfehler

• Antriebsstrangverhalten, Momentenmodulation

• Lebensdauerverhalten

• Temperatursensor

• …

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© SET Power Systems GmbH Seite 38

Messtechnischer Vergleich EME gegenüber Lastmaschine

Abbildungs-

Genauigkeit

?

UUT EME UUT Motor Dynamo Regler

Motordaten Motor

Dynamometer EME

Vergleichsuntersuchung

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© SET Power Systems GmbH Seite 39

Performance - Messungen

Vergleichsuntersuchung

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© SET Power Systems GmbH Seite 40

• Wissenschaftliche Arbeit:

Vergleichsuntersuchung

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© SET Power Systems GmbH Seite 41

Prüfstand

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© SET Power Systems GmbH Seite 42

E-Motor Emulator

(EME)

Batterie-

Emulator

EME

E-Motor

Emulator

Batterie-

Emulator

InverterInverter

(UUT)

Rotorposition,

Temperatur

Motor

phasen

e-Motor Model Betriebszustände,

Design, Temperatur, Alter,

Fehler etc.

Gesamtprüfstand

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© SET Power Systems GmbH Seite 43

PSU II [Battery Emulation]

AC-Contactor DC-Contactor

Lo

op

No

tHa

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Aktiv

ExtN

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alt

PSU I [Power Supply - EME]

EM

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DC

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DC

_E

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ündung

EME [E-Machine Emulator]

PSU_EME_FernEin

PSU_UUT_FernEin

EME_FernEin

EME Control

Emergency Stop

Emergency Loop

System

Automation

[option]

CAN Interface

TCP/IP Interface

Insulation

monitoring

UU

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DCU_DC_EME

EME

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Seite:

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Relevant Safety

Components

DCU_DC_UUT

Voltage indicator

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UUT

Mode of operation

EME-PA

Türkontakt

Türk

onta

kt

EME_PD_Aktiv

NotHalt_Start

Emergency Shut Down

(Safety Relay)

Safety Control System

(SCS)

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Aktiv

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AC

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CAN

TCP/IP

CAN

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DC-Contactor

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Converter

U

Voltage indicator

Emergency Shut Down

(Safety Relay)

NotHalt_Start

Insulation

monitoring

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Aktiv

17.08.2012/NS

U

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Gesamtprüfstand Übersicht N

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Prüflings-Inverter (UUT)

Specimen Fixture (SUF)

Sicherheits- und Überwachungssystem

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E-Maschinen-Emulator(EME)

Kühlmediums-Konditionierung

Batterie-Emulation

DC

AC

Level 1..3Batt.Emul.

Automatisierung und Auswertung

Switch Rack (SR) [Option]

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© SET Power Systems GmbH Seite 44

PSU II [Battery Emulation]

AC-Contactor DC-Contactor

Lo

op

No

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Aktiv

ExtN

otH

alt

PSU I [Power Supply - EME]

EM

E_Ü

bers

pannung

DC

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DC

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ME

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ündung

EME [E-Machine Emulator]

PSU_EME_FernEin

PSU_UUT_FernEin

EME_FernEin

EME Control

Emergency Stop

Emergency Loop

System

Automation

[option]

CAN Interface

TCP/IP Interface

Insulation

monitoring

UU

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Übers

pannung

DC

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UU

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ündung

DCU_DC_EME

EME

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Relevant Safety

Components

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Voltage indicator

U

AC-KBDC-KB

UUT

Mode of operation

EME-PA

Türkontakt

Türk

onta

kt

EME_PD_Aktiv

NotHalt_Start

Emergency Shut Down

(Safety Relay)

Safety Control System

(SCS)

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Aktiv

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SUF [Specimen Fixture]

CAN

TCP/IP

CAN

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17.08.2012/NS

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Prüflings-Inverter (UUT)

Specimen Fixture (SUF)

Sicherheits- und Überwachungssystem

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E-Maschinen-Emulator(EME)

Kühlmediums-Konditionierung

Batterie-Emulation

DC

AC

Level 1..3Batt.Emul.

Automatisierung und Auswertung

Switch Rack (SR) [Option]

M

Pv

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© SET Power Systems GmbH Seite 45

PSU II [Battery Emulation]

AC-Contactor DC-Contactor

Lo

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PSU I [Power Supply - EME]

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ündung

EME [E-Machine Emulator]

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PSU_UUT_FernEin

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EME Control

Emergency Stop

Emergency Loop

System

Automation

[option]

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Insulation

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Mode of operation

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Türk

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EME_PD_Aktiv

NotHalt_Start

Emergency Shut Down

(Safety Relay)

Safety Control System

(SCS)

Panel_

Aktiv

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AC

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Panel

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S

SUF [Specimen Fixture]

CAN

TCP/IP

CAN

mains rectifier

Buck

Converter

Voltage indicator

U

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DC-Contactor

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Buck

Converter

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Voltage indicator

Emergency Shut Down

(Safety Relay)

NotHalt_Start

Insulation

monitoring

ExtN

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No

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Aktiv

17.08.2012/NS

U

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Gesamtprüfstand Energiebilanz N

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DC

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Prüflings-Inverter (UUT)

Specimen Fixture (SUF)

Sicherheits- und Überwachungssystem

hlm

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E-Maschinen-Emulator(EME)

Kühlmediums-Konditionierung

Batterie-Emulation

DC

AC

Level 1..3Batt.Emul.

Automatisierung und Auswertung

Switch Rack (SR) [Option]

G

Pv

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© SET Power Systems GmbH Seite 46

Gesamtprüfstand 48 V PowerTrain

• Systemleistung bis zu 32 kW

• Motoremulation bis zu 450 ARMS

• Batterieemulation integriert

• Kompakter Aufbau

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© SET Power Systems GmbH Seite 47

Gesamtprüfstand HV

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© SET Power Systems GmbH Seite 48

Prüfstands-Automatisierung

• Automatisierte Prüfläufe mit Datenerfassung

• Numerische / graphische Auswertungen und Vergleiche

• Laden von Modellen und Parametern

• Integration in die Fahrzeugwelt

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© SET Power Systems GmbH Seite 49

Hil Integration

• Einfache Schnittstellen

• Real Time Real Power Real Precision

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© SET Power Systems GmbH Seite 50

Inverter-Prüfsysteme

• Für Hersteller und Anwender

• Hohe Testqualität gesichert

• Flexibel durch die virtuelle Maschine

• Absolut reales Verhalten

• Ohne jegliche mechanische Begrenzung

• Exakte Maschinen-Nachbildung, sogar „originaler“ als der reale E-Motor.

Game Changer!

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© SET Power Systems GmbH Seite 51

Real Time Real Power Real Precision Inverter Test by SET Power Systems

Danke für Ihr Interesse …