Pictures of the Future    Frühjahr 2006

Härtetest für Großantriebe

Ob für Loks, Schiffe oder Förderanlagen – im Systemprüfhaus in Nürnberg testen Experten von Siemens große elektrische Antriebe vor der Auslieferung auf Herz und Nieren. Sogar die Motoren für die Yacht von Bill Gates bestanden in der weltweit einmaligen Einrichtung ihre Feuertaufe.

Rote Warnlampen leuchten. Blaue Zäune halten Besucher fern. Schilder schirmen den Prüfstand ab, der voller Messgeräte und Monitore ist. Die Vorsicht ist gerechtfertigt – hinter der Absperrung lauern Spannungen von mehreren tausend Volt. Zurzeit wird hier im Systemprüfhaus für elektrische Großantriebe von Siemens Automation and Drives (A&D) in Nürnberg ein Umrichter getestet, der in einer Güterzug-Doppellokomotive nach China geliefert werden soll. "Der Test läuft drei Tage", sagt Leiter Robert Aust. Das Aggregat hat eine Nennleistung von 4,8 MW; etwa die Leistung von 80 Mittelklasse-Pkw.

Das Systemprüfhaus ist, gemessen an seiner Größe und Ausstattung, eine weltweit einmalige Einrichtung. Es wurde im Januar 2003 eingeweiht und kostete 17 Mio. €. Etwa 30 Personen sind hier beschäftigt. "Hier arbeiten sowohl Ingenieure und Techniker als auch Elektriker und Schlosser", sagt Aust. Zwei große Abteilungen – Systemprüfung Bahnen und System- und Maschinenprüfung für Industrieantriebe – sind auf 4 000 m² in fünf Prüffeldern untergebracht. In der Systemprüfung Bahnen können bis zu sechs Tests parallel aufgebaut werden. "Dann allerdings im Zweischichtbetrieb", sagt Aust.

In einem der Prüffelder testen Austs Mitarbeiter zeitgleich mit dem Umrichter das Antriebssystem einer der chinesischen Lokomotiven. In allen Details simulieren sie Fahrten: Der virtuelle Zug saust über Steigungen, Gefällstrecken und durch enge Kurven. Eine Lastmaschine simuliert das Gewicht, das der Antrieb mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit ziehen muss. Auch die aerodynamischen Eigenschaften des Zugs und den Fahrtwind berücksichtigen die Tester.

In einer Nasszelle daneben steht die Antriebseinheit einer U-Bahn, die demnächst unter dem Pflaster von Manhattan rollen soll. Das Aggregat wird von allen Seiten jeweils zehn Minuten lang mit Wasser besprüht. Das simuliert schwere Regenfälle, bei denen Wind die Nässe unter die Waggons des Zugs treibt.

Im Systemprüfhaus werden große Elektroantriebe so umfassend und wirklichkeitsnah wie möglich getestet – nicht nur Motoren und Frequenzumrichter für Lokomotiven, Triebwagen und Straßenbahnzüge. Die Techniker nehmen auch Motoren unter die Lupe, die in Chemie- und Stahlwerken, bei der Öl- und Gasförderung oder auf Schiffen eingesetzt werden. Sie untersuchen zudem Prototypen aus Forschungs- und Entwicklungsabteilungen, wie den weltweit ersten supraleitenden Schiffsgenerator.

Die späteren Anwender sehen sich die Tests oft persönlich an. Bei Schiffsantrieben ist es sogar die Regel, dass ein Inspektor des Reeders vorbeischaut. Auch Microsoft-Gründer Bill Gates schickte einen Mitarbeiter, um die beiden Motoren abzunehmen, die er für seine Yacht bei Siemens bestellt hatte. Kunden äußern sich vor allem positiv über die Darstellung der Testergebnisse. "Ich bin wirklich beeindruckt von der Qualität der Dokumentation", sagt Jeff Saldivar, Ingenieur beim amerikanischen Chemie-Unternehmen Dow Chemical, der die Abnahme eines Extruder-Antriebs miterlebte.

Auch Software wird getestet. Teilweise sind die Tests gesetzlich vorgeschrieben. Je nach Einsatzort gibt es Grenzwerte für Übertemperaturen, Schallpegel oder Schwingungen, die die Motoren einhalten müssen. Außerdem wollen viele Anwender, dass ihre bestellten Aggregate eingehend untersucht werden. "Die Kunden wollen vor allem bei kritischen Anwendungen ganz sichergehen", erklärt Aust. Die Prüfung umfasst auch die Software – das ist vor allem wichtig für Umrichter und die Steuerung bei Bahnantrieben, da sich nahezu jedes Bahnprojekt bei der Software in wesentlichen Details von seinen Vorgängern unterscheidet.

32 Transformatoren, die zwei Stockwerke hoch an der gesamten Längsseite des Gebäudes installiert sind, sowie weitere Trafos im Keller versorgen das Testcenter mit elektrischer Energie in allen erforderlichen Spannungen. In der Systemprüfung Bahnen ist durch die Lastantriebe eine Dauerbelastung einzelner Maschinen bis 1,6 MW möglich. Die maximale Drehzahl beträgt 6 000 min^-1, die verfügbare Spannung reicht von 400 V bis 30 kV Wechselstrom. In der Nachbarabteilung für Industrieantriebe beträgt die maximale Leistung sogar 5 MW; das entspricht 6 800 PS.

Von der Maschine am Prüfstand 2 geht ein scharfes Sirren aus. Dem jungen Techniker, der aufmerksam die Monitore und den Messschrank beobachtet, scheint der Geräuschpegel nicht viel auszumachen. Lässig hat er seinen orangefarbenen Gehörschutz von den Ohren geschoben. Am Prüfstand kann er alle wesentlichen Daten der Maschinen ermitteln: Leistung, Spannung, Drehmoment und Drehzahl sowie Schwingungsverhalten, Temperatur und Schallpegel. Dies genügt meist, um die Funktionstüchtigkeit eines Antriebs festzustellen – jedenfalls für unsere gemäßigten Breitengrade und den Einsatz in umbauten Industrie-Anlagen. Für extremere Bedingungen verfügt das Systemprüfhaus über eine Klimakammer. Darin lassen sich Temperaturen von -55 °C bis +85 °C sowie eine Luftfeuchtigkeit von 98 % erreichen – die Systeme können arktischer Kälte ebenso ausgesetzt werden wie tropischer Schwüle.

Die harten Einsatzbedingungen, unter denen Siemens-Antriebe arbeiten müssen, sind heute oft mit Computerhilfe gut berechenbar. Bei den Härtetests gibt es daher nur selten wirkliche Überraschungen. "Die Abweichungen von den Berechnungsdaten sind mittlerweile sehr gering geworden", stellt Aust fest. Hin und wieder kommt es vor, dass ein Motor etwas lauter ist, als er sein sollte, wärmer wird als berechnet oder stärker schwingt als zulässig. Dann geht die beanstandete Maschine zur Nacharbeit in die Fertigung zurück. Zusätzlich werten Fachleute aus Entwicklung und Konstruktion die Messergebnisse aus, um die Computermodelle anpassen zu können.

Austs Mitarbeiter prüfen auf Kundenwunsch pro Jahr etwa 600 Industrie-Motoren. Das entspricht gut 5 % der Fertigung im Nürnberger Siemens-Werk für Großantriebe. Neben diesen speziellen Prüfungen wird natürlich jedes Produkt, das das Werk verlässt, auf seine Einsatzfähigkeit geprüft – jeweils direkt im Anschluss an die Endmontage. Außer den 600 zu prüfenden Maschinen und zahlreichen Entwicklungsprojekten werden im Systemprüfhaus auch jährlich sieben bis acht komplexe Antriebssysteme für Bahnkunden aus aller Welt getestet.

Bei Industriemotoren dauert eine einfache Stückprüfung einen halben Tag; eine Systemprüfung unter Lastnahme auch mal vier Wochen, je nach Anforderungen. Bei der Bahntechnik nimmt eine Prüfung hingegen mehrere Monate in Anspruch, zuweilen sogar ein ganzes Jahr. Die Entwicklung der Software für den Einsatz im Fahrzeug ist sehr zeitaufwändig. Zudem verschlingt auch der Versuchsaufbau viel Zeit. Für einen realitätsnahen Test muss das Antriebsaggregat genauso installiert sein, wie es später in der Praxis arbeiten soll. "Wir führen hier eine vollständige Inbetriebnahme durch wie später beim Kunden", sagt Aust.

Aufwand und Sorgfalt sind unbedingt erforderlich – Elektroantriebe unterliegen besonders hohen Belastungen. "Ein Auto ist in einem Jahr im Mittel vielleicht 250 Stunden im Betrieb, ein Elektromotor aber oft mehr als 8 000 Stunden", sagt Aust. "Unsere Maschinen arbeiten in vielen Industrien 24 Stunden am Tag, sieben Tage die Woche und 52 Wochen im Jahr."
                                                                                                     Günter Heismann