This document acts as a guideline for engineers during the development of medium voltage drives. Designing and developing a highly complex medium voltage drive system is a very complicated task. The success is dependent on a well functioning team where each member supplies the required know-how. It is impossible for the following description to contain all the requirements that have to be met. However, it should give a short and simple overview on the main aspects of mechanical engineering.

Dieses Dokument dient dem Konstrukteur als Hilfe für die Belange seiner Entwicklungsarbeiten für Drive Converters. Die Entwicklung eines kompletten High Power Converter Systems ist eine sehr komplexe Tätigkeit und kann nur in einem gut funktionierendem Team erfolgen, in welchem alle dafür erforderlichen Know-how Träger beteiligt sind. Die nachfolgende Beschreibung kann niemals alle Anforderungen dazu enthalten. Es soll jedoch einen kurzen und einfachen Überblick der wesentlichsten Aspekte für das mechanical Engineering verschaffen.

2. Table of Figures

Figure 1 Example Modular Design. 2

Figure 2 Example EMC Concept 2

Figure 3 Example Isolation Coordination. 2

Figure 4 Example Control and Terminal Components. 2

Figure 5 Example of cable harness with plug connections. 2

Figure 6: Example Cabinet Enclosure. 2

Figure 7: Example Cabinet Structure. 2

Figure 8 Example Cupper Bus bar (Polarity change over) 2

Figure 9 Example Bush bar dimension table. 2

Figure 10 Example Cooling Design Guide. 2

Figure 11 Example of graphical overview on power losses. 2

Figure 12 Example Air Cooling System IP42. 2

Figure 13 Example Air Cooling System IP54. 2

Figure 14 Example of cable-set cost comparison. 2

Figure 15 Transportation. 2

Figure 16 Example Product Line Overview.. 2

Figure 17 Example Product Line Standard Features Options. 2

3. Design Basics for Power Electronics Converters

A well designed Product is characterized by the following properties:

1. Sells well and is successful on the market

2. Easy to produce, test, and maintain (good serviceability)

3. Features common look and feel

4. Generates high and sustained profit

5. Is built modular and compatible with other products

Ein gutes Produkt zeichnet sich im Wesentlichen durch folgende Eigenschaften aus:

1. Lässt sich gut verkaufen und ist im Markt erfolgreich

2. Ist einfach zu produzieren, zu testen und zu warten (servicefreundlich)

3. Besitzt common look and feel

4. Generiert hohen und nachhaltigen Gewinn

5. Ist modular aufgebaut und mit weiteren Produkten kompatibel

A Product Requirement Specification (PRS) has to be established in the beginning of the product development containing all the requirements and specifications of the new product.

Furthermore, the following main challenges are considered:

· Multifunctional design

· Minimize number of parts

· Design suitable to the annual need

· Easy producible parts with a minimized number of manufacturing steps

· Usage of standard-part assortments (screws, clamps, profiles, etc.)

· Robust and tolerance-insensitive (not over constraint) design

· Logical energy flow with short current-conduction paths

· If possible, all components are easily accessible and well replaceable

· Creation of testable pre-assembly units (optimization of production through-put time possible)

· The wiring-needs are thought through and incorporated into the structural mechanics (insert able wire-sets advantageous)

· Modular structure and assembly (building-block thinking, don’t only optimize in a single sub structure environment)

Um dieses Ziel zu erreichen, muss beim Start der Konstruktionstätigkeiten eine PRS (Product Requirement Specification) erstellt werden, in welcher alle Anforderungen und Ausprägungen des neu zu entwickelnden Produktes zu definieren sind.

Im Weiteren achten wir auf folgende hauptsächlichen Herausforderungen:

· Multifunktionales Design

· Möglichst kleine Anzahl verschiedener Teile

· Stückzahlgerechtes Design

· Einfach herstellbare Teile mit möglichst kleiner Anzahl Fertigungsschritten

· Verwendung von Standardteilesortimenten (Schrauben, Klemmen, Profile usw.)

· Robustes und toleranzunempfindliches (nicht überbestimmtes) Design

· Logischer Energiefluss mit kurzen stromführenden Pfaden

· Möglichst alle Komponenten sind einfach zugänglich und gut austauschbar

· Bildung von prüfbaren Vormontageeinheiten (Optimierung der Fertigungsdurchlaufzeiten möglich)

· Die Verkabelungsbelange sind durchdacht und in der Strukturmechanik eingearbeitet (einlegbare Kabelsätze von Vorteil)

· Modulare Struktur und Aufbau (Baukastendenken, nicht Suboptimieren)

Figure 1 Example Modular Design

Many additional documents with detailed explanations exist to be able to realize the extensive aspects of a converter design. The mentioned directive describes the entire development process. The current document only gives a coarse overview of the construction issues. Core developments are usually implemented with a prototype fabrication where the possible alternatives can be tested and optimized. Further developments on existing products or systems often require a direct construction of a pilot unit, based only on simulation data (digital model). During the pilot-series, the production and test aspects are being optimized.

Damit die umfangreichen Aspekte eines Converter-Designs umgesetzt werden können, existieren dazu etliche weiterführende Dokumente, in denen detaillierte Angaben zu finden sind. In der dort vorhandenen Weisung wird auch der komplette Entwicklungsprozess beschrieben. Das vorliegende Dokument gibt dazu nur eine grobe Übersicht der Konstruktionsbelange. Basisentwicklungen werden üblicherweise mit Prototypenfertigungen realisiert, mit denen die möglichen Varianten getestet und optimiert werden können. Bei Weiterentwicklungen von bestehenden Produkten oder Anlagesystemen muss oft direkt ein Pilot gefertigt werden, wobei für die Auslegungen nur die Simulationsarbeiten (virtuelles Modell) zur Verfügung stehen. In der Nullseriephase werden die Produktions- und Test-Aspekte optimiert.

4. Electric and Magnetic Fields

Drive converter elements could be exposed to electromagnetic fields with strengths up to H=60’000A/m or B=0.08Tesla.

The needs for the electromagnetic compatibility of the components is regulated and controlled in an EMV-concept. Such an example is shown in Figure 2.

Die Belange der elektromagnetischen Verträglichkeit der zu plazierenden Komponenten wird in einem EMV-Konzept geregelt und kontrolliert. Ein Beispiel dazu ist in Figure 2 dargestellt.

Figure 2 Example EMC Concept

5. iNsulation

The insulation-requirements (electric strength) have to be maintained for safe and failure-free operation of electro-technical systems. On the one hand, these requirements are required by law and on the other hand there are extensive sets of standard specifications. The insulation requirements (creepage- and air-distance according to the insulation-coordination definitions) are compulsory and depending on the degree of contamination (site of operation). Insulation-material is grouped into different insulation-classes (CTI-value), whereby the geometrical insulation-distances have to be met.

Für den sicheren und störungsfreien Betrieb elektrotechnischer Systeme müssen die Isolationsanforderungen (Spannungsfestigkeit) eingehalten werden. Einerseits werden diese vom Gesetzgeber gefordert (z.B. Niederspannungsrichtlinien), anderseits existieren dazu auch umfangreiche Normenwerke. Die Isolationsanforderungen (Kriech- und Luftstrecken gemäss den Definitionen der Isolationskoordination) müssen zwingend eingehalten werden und sind auch vom Verschmutzungsgrad (Einsatzort) abhängig. Isolationsmaterialien sind in verschiedene Isolationsklassen eingeteilt (CTI-Wert), wodurch auch die geometrischen Isolationsstrecken entsprechend einzuhalten sind.

Figure 3 Example Isolation Coordination

6. Main Components in High power Converter Drive

6.1 Power Electronic Components

All electrical components that are not used for the controller or for the auxiliary circuit of the converter generally count as power electronic components. This includes the following elements:

Grundsätzlich zählen alle elektrischen Komponenten, welche nicht für die Steuerung und nicht für die Hilfsbetriebe des Converters verwendet werden, als 'Power Electronic Components'. Dabei finden sich folgende Elemente:

1. Semiconductors	Halbleiter
2. Capacitors	Kondensatore
3. Resistors	Widerstände
4. Chokes	Drosseln
5. Connectors (plug in contacts)	Verbindungsteile (Steckkontakte)
6. Breaker, Disconnectors, Switches	Lastschalter, Trenner, Schalter
7. Transformer	Transformatore, Wandler
8. Current- and Voltage-Sensors	Strom- und Spannungs-Sensoren

The insulation requirement needs for a failure free and secure operation of all the electrical components have to be defined within the insulation-coordination. Out of it follows the mechanical mounting-requirements (minimal insulation-distance). A few of those parts generate high power losses during operation, which have to be led away with a suitable cooling-system. Smaller systems are equipped with an air-cooling system whereas larger systems are supplied with a water-cooling system. An overview on the power loss of all the components has to be established in order to design the required cooling system. Magnetic (e.g. containing Fe) materials experience additional losses and warming due to electromagnetic fields from quickly returning switching operations.

Die Belange der Isolationsanforderungen für den störungsfreien und sicheren Betrieb der elektrischen Komponenten muss in einer Isolationskoordination definiert werden. Daraus ergeben sich die mechanischen Einbaubedingungen (einzuhaltende Isolationsstrecken). Einige dieser Teile erzeugen im Betrieb hohe Verlustleistungen, welche mit einem geeigneten Kühlsystem abgeführt werden müssen. Kleinere Systeme können dazu mit einer Luftkühlung, grössere mit einer Wasserkühlung versehen werden. Für das Design der dazu erforderlichen Kühlung muss eine Verlustleistungsübersicht aller Komponenten erstellt werden. Sehr schnelle wiederkehrende Schalthandlungen können starke elektromagnetische Felder erzeugen, welche bei magnetischen (z.B. Fe-haltig) Werkstoffen zusätzliche Verluste und Erwärmungen erzeugen können.

6.2 Control Components / Control Cabling

These elements control the power-electronic system and assure the signals to the superior and subsequent units. The auxiliary systems and the user interface are operated through those elements as well. During system operation, the components are usually accessible and equipped with “finger protection”.

Mit diesen Elementen steuern und regeln wir das powerelektronische System und stellen die Signale zu den übergeordneten und den nachfolgenden Einheiten sicher. Auch die Hilfsbetriebe werden damit bedient und das User Interface betrieben. Diese Komponenten sind normalerweise während dem Betrieb des Systems zugänglich und sind alle mit 'Finger Protection' ausgerüstet.

Figure 4 Example Control and Terminal Components

The components are connected to each other through a wiring where it’s necessary to have terminals (clamps, plugs). For this purpose, stranded copper wires and fiber optic cables are in use. Fiber optic cables must not be bended and have to be laid with a minimal curvature radius. A well-thought-out component placement is required for efficient mounting. Sufficient wiring-space is to be provided. Cable bushings requiring to feed- through a cable have to be avoided. Prefabricated cable-trees are advantageous due to the easy mounting.

Die Komponenten werden mit einer Verkabelung untereinander Verbunden. Dazu sind auch die 'Terminals' (Klemmen, Stecker) erforderlich. Dabei sind Kupferlitzenkabel und Lichtwellenleiter im Einsatz. Die Lichtwellenleiter dürfen nicht geknickt werden und müssen mit einem minimalen Biegeradius verlegt sein. Für die effiziente Montage dieser Materialien ist eine durchdachte Plazierung der Komponenten erforderlich. Genügend Verkabelungsraum ist zur Verfügung zu stellen. Kabeldurchführungen, die ein Einziehen der Leiter bedingen, müssen möglichst vermieden werden. Vorteilhaft sind vorkonfektionierte Kabelsätze, die sehr einfach eingelegt werden können.

Figure 5 Example of cable harness with plug connections

6.3 Auxiliary System Components

These components or units are used to maintain the system operation. The following list shows the main elements:

Diese Komponenten oder Einheiten werden für die Aufrechterhaltung des Systembetriebes benötigt. Dazu zählen im Wesentlichen folgende Elemente:

1. Power Supply Units · Transformators · Voltage- and Current Regulators · Advanced Power Distributions	Speisegeräte · Transformatore · Spannungs- und Stromregelungen · Intelligente Stromverteiler
2. Fans	Ventilatore
3. Pumps	Pumpen
4. Sensors	Sensoren

Depending on the product specification, these components are operated within a redundant configuration to guarantee high system availability. Moving parts are subjected to mechanical wear resulting in a reduced anticipated lifespan. Such components often have to be able to be changed with a little effort. In special cases, this has to be done even during continuous operation. An extensive labeling system and the precise registration within the ERP-Tool (Enterprise Resource Planning) build up the required possibilities.

Für die hohe Verfügbarkeit eines Systems, werden diese Komponenten, je nach Produktspezifikation, in einer redundanten Konfiguration Betrieben. Bewegte Teile sind einem gewissen Verschleiss unterlegen, wodurch eine zu erwartende Lebensdauer resultiert. Oft müssen solche Komponenten mit wenig Aufwand ausgetauscht werden können. In speziellen Fällen muss dies sogar während dem laufenden Betrieb durchführbar sein. Ein umfangreiches Beschriftungssystem und die präzise Erfassung im ERP-Tool (Enterprise Resource Planning) bilden die dazu erforderlichen Möglichkeiten.

6.4 Cabinet / Structure

If possible, converter systems are offered and delivered as products and closed units. A cabinet system is therefore required where the mechanical structure and the requested IP-protection class can be realized. The IP-protection class ranges typically between IP21 and IP54 rating, guaranteeing dust and contact protection (personal security, prevention of contamination) as well as moisture-protection (entering of water).

Convertersysteme werden möglichst als Produkte und als geschlossene Einheiten angeboten und geliefert. Dazu ist ein Schranksystem erforderlich, mit welchem der mechanische Aufbau, mit der geforderten Schutzart für elektrische Betriebsmittel, realisiert werden kann. Der Bereich der Schutzklassen bewegt sich typischerweise zwischen IP21 und IP54 mit welchem der Staub- und der Berührungsschutz (Personenschutz, Verhinderung der Verschmutzung) und des Feuchtigkeitsschutzes (Eindringen von Wasser) garantiert werden kann.

The maximum allowable dimensions and weights are defined within the PRS, the mounting-requirements (max. crane hook weight of indoor crane means of transportation), the testing-requirements and the transportation-requirements (delivery to the customer). Lifting elements have to be present for handling. Larger assemblies have to be split for transportation. Hereby, a steel-floor-frame is often used. For smooth mounting at the site of installation, a tolerance-insensitive design is necessary. Unevenness of the ground floor at the customer’s site of installation can negatively influence the elastic cabinet system structure, lead to failure of moving parts (e.g. doors, locking devices), or exert high forces on the components. These incidents should be prevented by choosing a suitable design or feature (e.g. leveling screws).

Die maximal erlaubten Dimensionen und Gewichte ergeben sich aus der PRS, der Montageanforderungen (max. Kranhakengewichte Hallenkran, Transportmittel), den Testanforderungen und den Transportanforderungen (Lieferung zum Kunden). Für das Handling müssen die erforderlichen Hebeelemente vorhanden sein. Grössere Systeme müssen getrennt werden können (Cabinet Splitting for Transportation). Oft wird dazu mit einem Stahlbaubodenrahmen gearbeitet. Damit die Montage am Aufstellungsort reibungslos funktioniert, ist ein toleranzunempfindliches Design an den Schnittstellen erforderlich. Bodenunebenheiten beim Kunden können die elastische Struktur des Schranksystems negativ beeinflussen und zu Störungen an beweglichen Teilen führen (z.B. Türen, Verriegelungen) oder unzulässig hohe Kräfte auf Komponenten ausüben. Diese Störungen sind mit einem geeigneten Design oder Features (z.B. Nivellierschrauben) möglichst zu verhindern.

Figure 6: Example Cabinet Enclosure

The system has to withstand the vibrational loads during the whole life-time, depending on the system installation site (industry standard e.g. fan-drive, industry heavy e.g. metals, marine, traction). We therefore yield a rugged design, avoid structures in the candle form design, and place heavy components, if possible, in the base of the cabinets.

Sometimes, even damping-mats are placed between the floor frame and the cabinet system to reduce the vibrational loads. FEM-calculations or shake-table tests can be used to verify the required stability.

Je nach Einsatzort der Systeme (Industrie Standard z.B. Fan-Drive, Industrie schwer z.B. Metals, Marine, Traktion) muss das System den Vibrationsbeanspruchungen während der ganzen Lebensdauer gewachsen sein. Wir achten somit auf ein stabiles Design und vermeiden kerzenartige Gebilde und plazieren schwere Komponenten möglichst im Basisbereich der Struktur.

Teilweise werden sogar Dämpfungsmatten zwischen den Bodenrahmen und dem Schranksystem eingefügt, um eine teilweise Schwingungsisolierung erreichen zu können. Für den Nachweis der geforderten Festigkeiten können FEM-Berechnungen durchgeführt werden, oder mit entsprechenden Prüfprogrammen mit einem Shaker (Vibrationslabor) gearbeitet werden.

Figure 7: Example Cabinet Structure

6.5 Busbars / Power Cabling

The power electronic components have to be electrically connected in an appropriate manner according to a scheme. Also the grounding system has to be equipped with suitable conductors. This is typically done with bus bars made out of copper or aluminum, with stranded wires or insulated stranded wire connectors. The “Switchgear Manual” describes the dimensioning of such conductors. Firm bars are preferably used for straight connections and high currents. Cable connectors are better suited for complex spatial current-paths where firm busbars would require too many screwed connections.

Die 'Power Electronic Components' müssen elektrisch in geeigneter Art und Weise gemäss Schema verbunden werden. Auch für das Erdungssystem sind geeignete Leiter im System zu führen. Dies kann typischerweise mit Stromschienen aus Kupfer oder Aluminium, oder mit Litzenkabeln oder mit nicht isolierten Litzenverbindungen erfolgen. Die Dimensionierung dieser Leiter ist im Handbuch für Schaltanlagen geregelt. Feste Schienen werden für gerade Verbindungen und für hohe Ströme bevorzugt eingesetzt. Kabelverbindungen eignen sich eher für komplexe räumliche Strompfade, welche für feste Schienenverbindungen zu viele Verschraubungen erfordern würden.

The conductors have to be attached well enough to be able to cope with the occurring short-circuit current forces in case of a failure. Electromagnetic fields are produced by conductors operating on alternating current. This can lead to short-circuit currents within closed or circular mechanical attachments as well as warming of mechanical-assembly beyond the allowed temperatures. We avoid the creation of power losses (e.g. iron loss) and warming by carrying out reviews and protection-tests as well as adequate calculations.

Die Leiter müssen mechanisch genügend stark befestigt sein, damit die auftretenden Kurzschlussstromkräfte in einem Fehlerfall möglichst schadlos überstanden werden können. Leiter mit Wechselstrombeanspruchungen erzeugen elektromagnetische Felder, die bei geschlossenen ringähnlichen Mechanikbefestigungen zu Kurzschlussströmen und unzulässigen Erwärmungen im Mechanikaufbau führen können. Wir verhindern solche Verlustleistungserzeugungen (z.B. Eisenverluste) und Erwärmungen mit der Durchführung von Reviews und Absicherungstests oder mit geeigneten Berechnungen.

Figure 8 Example Cupper Bus bar (Polarity change over | + / - | )

Figure 9 Example Bush bar dimension table

Cable-insulations often don’t fulfill our requirements. Additional mounting insulation is necessary to guarantee the electric current strength if standard-cables are to be used. It has to be assured that conductors don’t fall below their minimal requirements at any location (distance to metallic structures, ground-potential). In general, cables have to be mounted in sufficient small distances to ensure vibration-resistance.

Oft genügen die Kabelisolationen unseren Anforderungen nicht. Damit solche Standardkabel trotzdem verwendet werden dürfen, müssen diese zusätzlich isoliert befestigt sein, damit die Spannungsdurchschlagfestigkeit gewährleistet ist. Hierbei muss sicher gestellt sein, dass solche Leiter auf ihrem gesamten Pfad an keiner Stelle die minimalen Anforderungen unterschreiten (Abstand zu metallischen Strukturteilen, Massenpotential). Generell müssen die Kabelverbindungen in genügend kleinen Abständen (ca. 8-mal Aussendurchmesser) für eine vibrationsfeste Verankerung befestigt werden, oder in geeigneten Kanälen geführt werden.

6.6 Cooling

Depending on the load, all electrical operated components produce losses that have to be led away in a suitable manner. This can be achieved with an air- or a water-cooling system as well as with a combination of both. Low power systems are usually equipped with an air-cooling system due to the lower cost. For higher efficiency and power density, high current systems make use of water cooling. Direct water-cooling of semiconductor-elements has to be done with de-ionized water to prevent a short-circuit of the water-pipes between the current conducting parts and the ground (cabinet-structures, ground potential). The electric potential of different voltage-levels are shown in a table or directly presented within a single line scheme.

Alle elektrisch betriebenen Komponenten erzeugen, je nach Belastung, entsprechende Verluste, die in geeigneter Art und Weise abgeführt werden müssen. Dies kann sowohl mit einem Luftkühlsystem, wie auch mit einem Wasserkühlsystem, oder einer Kombination der beiden erfolgen. Systeme mit kleineren Leistungen werden typischerweise mit einer reinen Luftkühlung ausgerüstet, da sie kostengünstiger realisierbar sind. High Current Systeme werden mit einer Wasserkühlung versehen, da eine höhere Effizienz und eine grössere Leistungsdichte erzielt werden kann. Bei der direkten Wasserkühlung von Halbleiter-Elementen, muss mit einer Isolationswasserkühlung (De-ionized Water) gearbeitet werden, damit die Wasserleitungen keinen Kurschluss zwischen den Spannung führenden Teilen im Schaltkreis und der Masse (Schrankstruktur, Erdpotential) verursachen. Die elektrischen Potentiale der verschiedenen Spannungsniveaus werden in einer Tabelle oder direkt in einem Single Line Schema dargestellt.

Figure 10 Example Cooling Design Guide

Additionally, the cooling system of the unit depends on the requested IP-rating (protection-class). A cabinet system having IP21 to IP42 rating can be equipped with ventilation-vents without any problem. Given an IP54-rating, the most appropriate setup would include a water-cooling system and/or a heat exchanger to minimize the air-exchange between the inner cabinet air and the ambient air at the site of installation (prevention of blockages from filter-mat material or massive contamination of electrical components). The insulation-coordination defines the needs for dust- and moisture protection and the insulation requirements for failure-free and secure operation of electrical components.

Das Kühlsystem ist auch von der geforderten Schutzklasse (IP-Class) der Einheit abhängig. Ein Schranksystem mit der Schutzklasse IP21 bis IP42 kann problemlos mit geeigneten Lüftungsöffnungen versehen werden. Für eine IP54-Konfiguration, ist sinnvollerweise mit einer Wasserkühlung und/oder mit Wärmetauschern zu arbeiten, damit möglichst kein Luftaustausch zwischen der Schrankinnenluft und der Raumluft am Aufstellungsort erfolgen muss (Verhinderung von möglichen Verstopfungen von Filtermatten, oder unzulässiger Verschmutzung von elektrischen Komponenten). Die Belange des Staub- und des Feuchtigkeitsschutzes und der Isolationsanforderungen, für den störungsfreien und sicheren Betrieb der elektrischen Komponenten, ist in einer Isolationskoordination definiert.

Figure 11 Example of graphical overview on power losses

An insulated water cooling system has to be used in case the power electronic components are not insulated and electronically connected with the cooling water.

Wenn die powerelektrischen Komponenten unisoliert mit dem Kühlwasser elektrisch verbunden sind, muss mit einer Isolationswasserkühlung gearbeitet werden.

The used materials have to be tested for resistance to corrosion. Thus, a condensate-water collection pan does corrode within the converter being built out of a senzimir-galvanized sheet metal and not out of a stainless steel.

Auch müssen die eingesetzten Materialien auf ihre Korrosionsfestigkeit überprüft werden. So korrodiert z.B. eine Kondensatwasserwanne in einem Converter, wenn sie aus senzimierverzinkten Blech und nicht aus rostfreiem Stahlblech gefertigt ist.

Figure 12 Example Air Cooling System IP42

Figure 13 Example Air Cooling System IP54

7. Sourcing

All the components have to be provided by qualified suppliers. The necessary evaluations, negotiations, and recommendations are conducted by the SCM-Team (Supply Chain Management). Collaboration with the SCM-Team has to start at an early project stage to have the possibility to include the supplier into a development project already in the beginning. There should be at least two suppliers available for the same component to be able to react to a supply bottleneck. For new components, at least three suppliers have to be requested. It makes sense to create part-packages for order/requests from the same supplier. In order to achieve the best possible conditions on the delivery volume, the supplier shall be involved in the variability of the part packages.

Alle einzusetzenden Komponenten müssen bei qualifizierten Lieferanten beschafft werden. Die dazu erforderlichen Evaluationen, Verhandlungen und Empfehlungen werden vom SCM (Supply Chain Management)-Team durchgeführt. Die Zusammenarbeit mit dem SCM-Team muss in einem sehr frühen Zeitpunkt der Projektarbeiten erfolgen, damit für das Entwicklungsprojekt gleich zu Beginn mit den optimal geeigneten Lieferanten entwickelt wird. Grundsätzlich sollen für jede Komponente mindestens zwei Lieferanten zur Verfügung stehen, um bei Lieferschwierigkeiten den Fabrikationsprozess nicht unnötigen belasten zu müssen. Neu einzuführende Teile müssen bei mindestens drei Lieferanten angefragt werden. Sinnvoll ist die Bildung von Teilesätzen, die beim Lieferanten als Paket plaziert werden können. Er soll in die Variabilität der Teilesätze involviert werden, um möglichst gute Konditionen auf ein Liefervolumen bieten zu können.

Figure 14 Example of cable-set cost comparison

8. Production / Assembling

The core competences will be primarily in the field of development, final assembly, testing and service. The single component- or assembly-fabrication is covered by the standard suppliers who should deliver pre-assembled and tested mounting units to the factory. The production peoples carry out the final assembly with service-technicians and deliver the units to the test-crew. Self-monitoring guarantees the compliance of all relevant mounting-manuals as noted in the assembly drawings and the general directives (e.g. screw torques). For this, a concentrated extract of the insulation-coordinates is built as a checklist to be able to keep up and control all the required insulation-distances.

Die Kernkompetenz soll primär im Bereich Entwicklung, Endmontage, Test und Service vorhanden sein. Somit wird die Einzelteile- oder Baugruppen-Fertigung durch die Standardlieferanten abgedeckt, welche möglichst vorgefertigte und geprüfte Montageeinheiten an die Fabrik anliefern sollen. Die Produktion führt die Endmontage mit Mechanikmonteuren durch und liefert die Einheiten an die Testmannschaft. Die Eigenkontrolle garantiert die Einhaltung aller relevanten Montageanweisungen, wie sie in den Montagezeichnungen und den allgemeinen Weisungen (z.B. Schraubenanzugsdrehmomente) vorgegeben sind. Hierzu ist auch ein konzentriertes Extrakt der Isolationskoordination als Checkliste zu erstellen, damit jederzeit alle erforderlichen Isolationsstrecken jederzeit eingehalten und kontrolliert werden.

9. Testing

The testing team checks the tightness of the water-cooled systems and conducts a routine test according to the manual or to an automated procedure with a routine-test. Depending on the order and customer, FAT’s (factory acceptance tests) or heat run tests have to be run. A hazard analysis has to be conducted at least once (also after functional design-changes) to guarantee the system security and to eliminate personal-hazards. The corresponding low-voltage- and machine-guidelines have to be used for this purpose.

Die Testgruppe kontrolliert die Dichtigkeit von wassergekühlten Systemen und führt den Routinentest gemäss Anleitung oder nach einem automatisierten Testablauf mit einem Testsystem durch. Je nach Auftrag und Kunde müssen auch FATs (Factory Acceptance Test) oder 'Heat Run Tests' durchgeführt werden. Für die Sicherheit der Systeme muss mindestens einmalig (auch nach funktionellen Designänderungen) eine Gefahrenanalyse durchgeführt werden, die eine Personengefährdung durch den Betrieb dieser Einheiten, ausschliessen kann. Dazu sind die einschlägigen Niederspannungs- und Maschinen-Richtlinien zu verwenden.

10. Transportation

The maximum weights and the maximum allowable dimensions have to be included within the mechanical concepts for later transportation of the units. These characteristics result from the chosen modularity, the requirements and possibilities from the site of installation (overhead crane) as well as from the issues at the site of installation (customer installation). The outer packaging dimensions also influence the transportation cost.

The systems come into operation all over the world. The packaging standards are therefore specified in detail (truck, airplane, ship).

Für den Transport der Einheiten sind die maximalen Gewichte und die maximal zulässigen Dimensionen in den mechanischen Konzepten zu berücksichtigen. Einerseits ergeben sich diese zum Teil aus der gewählten Modularität, anderseits müssen auch die Bedürfnisse und Möglichkeiten der Montageorte (Hallenkran), sowie die Belange am Aufstellungsort (Kundeninstallation) festgelegt werden. Die Aussenabmessungen der Verpackungsdimensionen sind auch bei den Transportkosten von Bedeutung.

Die Systeme kommen weltweit zum Einsatz. Dazu sind die Verpackungs-Standards detailliert festgelegt (LKW-, Luft-, See-Transport).

Figure 15 Transportation

11. Customer Installation

The units are installed at the customer’s location by service specialists or trained partners. The required material (e.g. spread bolt screw) has to be present on the BOM of a customer contract and to be delivered as loose material (separately packaged). All required customer-plugs are connected and the system is tested for initial operation by the service specialist. A stepwise initial operation is carried out according to a defined procedure depending on the application.

Spezialisten der Service-Organisation, oder geschulte Partner, installieren die Einheiten beim Kunden. Alle dazu erforderlichen Materialien (z.B. Spreizankerschrauben) müssen in der Stückliste eines Kundenauftrages vorhanden sein und mit der Auftragslieferung als loses Material (separat verpackt) mitgeliefert werden. Sie verbinden alle erforderlichen Kundenanschlüsse und prüfen das System für die Inbetriebsetzung. Je nach Applikation wird eine stufenweise Inbetriebnahme gemäss definierter Prozedere vorgenommen.

12. Service / Maintenance

Converter systems are industrial goods and intended to last for 20 – 30 years (related to the product requirement specifications). Therefore, all the components have to fulfill those life span requirements or be included within a service-plan on the basis of which maintenance work can be planned and executed. The specified MTTR (Mean Time to Repair) times to execute the component replacement work process must be realized with an accurate corresponding design.

Convertersysteme sind Industriegüter und für einen langen Lebenseinsatz von 20 bis 30 Jahren (je nach Produkt Spezifikationen) vorgesehen. Somit müssen alle gewählten Komponenten diesen Lebensdaueransprüchen genügen, oder in einem Serviceplan enthalten sein, mit welchem die Unterhaltsarbeiten geplant und ausgeführt werden können. Die vorgegebenen MTTR- (Mean Time to Repair) Zeiten der zu reparierenden Komponenten oder zu den Austauscharbeitsprozessen muss mit einem geeigneten Design eingehalten werden.

13. Documentation

All development steps have to be documented in a suitable manner to guarantee the availability of design-guidelines for later product maintenance and possible further developments.

All documents relevant to construction have to be written in English and SAP-wise correctly administrated within the ERP-system. The drafting of mechanical drawings needs to include the English drawing-frame and drawing-head. Also the text has to be included in German and English.

Sämtliche Entwicklungsschritte müssen fortlaufend in einer geeigneten Art und Weise dokumentiert werden, damit in der späteren Produktpflege und bei möglichen Weiterentwicklungsarbeiten die Designgrundlagen zur Verfügung stehen.

Alle fertigungsrelevanten Dokumente müssen in englischer Sprache erstellt und im ERP-System SAP korrekt verwaltet werden. Für die mechanischen Zeichnungen muss die Ausführung des englischen Zeichnungsrahmens und Zeichnungskopfes verwendet werden und die Textanweisungen müssen in Englischer und in Deutscher Sprache enthalten sein.

Figure 16 Example Product Line Overview

Figure 17 Example Product Line Standard Features Options

Created 21.01.2010 MK