IEC IEC , 4. Ausgabe (geplant für ca. 2006) (Brasilien, Australien) Messung der Zusatzverluste

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1 Definition Getriebemotoren \ Industriegetriebe \ Antriebselektronik \ Antriebsautomatisierung \ Services 1 Einzelverlustmessung Input-Output-Messung P P P V c1 c2 = P fw = 3 I = s + P 2 1 fe1 R 1 + P c1 + P c2 ( 3 U 1 I 1 cosϕ Pc1 Pfe1) Pfw Pc1 Load test P V = P el P mech = 3 U 1 I 1 cosϕ Pv M n Load test Pc2 Pfe1 Pfw Pstray Load and No-load test No-load test No-load test?

2 Normungslage Getriebemotoren \ Industriegetriebe \ Antriebselektronik \ Antriebsautomatisierung \ Services 2 IEC , 3. Ausgabe (Europa, Asien) Bisher keine Messung der Zusatzverluste IEEE 112-B EPACT (USA/Kanada) Messung der Zusatzverluste schon seit Jahrzehnten IEC IEC , 4. Ausgabe (geplant für ca. 2006) (Brasilien, Australien) Messung der Zusatzverluste

3 Messen? Getriebemotoren \ Industriegetriebe \ Antriebselektronik \ Antriebsautomatisierung \ Services 3 Warum messen? Gesunder Wettbewerb braucht faire Vergleichbarkeit Kunden erwarten einigermaßen genaue Angaben zum Wirkungsgrad, z.b. für Amortisationsberechnungen Warum nicht messen? Vorhandene, lang eingeführte Motorenreihen müßten mit hohem Aufwand (= Kosten) neu gemessen werden (Lösung: lange Übergangsfristen?) Die Bestimmung der Zusatzverluste ist relativ kompliziert und ungenau. Kosten versus Nutzen? Nachprüfbarkeit im Streitfalle? Der tatsächliche, beim Betrieb der Maschine herrschende Wirkungsgrad unterliegt starken Schwankungen (Klemmenspannung, Belastung, Temperatur, Zusatzverluste durch Umrichterspeisung)

4 Zusatzverluste Klassifizierung nach dem Ort der Verluste 4 Stator Oberfläche der Statorinnenbohrung Statorzähne Leiter in der Statornut Statorwicklung Rotor Rotoroberfläche Rotorzähne Leiter in der Rotornut Rotorkäfig Mechanik Eisen im Stirnraum (Gehäuse, Lagerschilder) Rotorwelle und Lagerringe im Stirnraum

5 Zusatzverluste Klassifizierung nach der Art der Verluste 5 Eisenverluste Wirbelstromverluste durch Grundfelder Wirbelstromverluste durch Oberfelder Ummagnetisierungsverluste durch Grundfelder Ummagnetisierungsverluste durch Oberfelder Stromwärmeverluste durch Querströme Leiterverluste Wirbelstromverluste durch Grundfelder Wirbelstromverluste durch Oberfelder Stromwärmeverluste durch Oberwellenströme

6 Komponenten (aus [4] und [5]) Teil 1 Getriebemotoren \ Industriegetriebe \ Antriebselektronik \ Antriebsautomatisierung \ Services 6 Main flux variation (no-load) stray losses (näherungsweise ~U²) * Richter Bd. IV 1a+b) Surface losses (stator/rotor) Oberflächen-Reluktanzverluste (Eisenverluste): Permeance variations (harmonic flux); core losses Ursache: Einsattelungen der Feldkurve an den Stellen der Nutschlitze Ort: Oberfläche von Statorinnenbohrung und Rotoroberfläche Art: Oberfeld-Eisenverluste (hauptsächlich Wirbelstromverluste wg. hoher Ummagnetisierungsfrequenz) 2a+b) Tooth-pulsation losses (stator/rotor) Zahnpulsations-Reluktanzverluste (Eisenverluste): Permeance variations due to relative tooth positions; core losses Ursache: Schwankungen des Zahnflusses aufgrund wechselnder Lage der Stator- und Rotorzähne Ort: Stator- und Rotorzähne, teilweise auch im Joch Art: Eisenverluste (hauptsächlich Wirbelstromverluste, aber stark abhängig von der Zahnsättigung) M1c) M1d) 3b) Tooth-pulsation, squirrel-cage, circulating-current-losses (rotor) Käfig-Oberwellenverluste: M2c) Permeance variations due to relative tooth positions; rotor I²R losses Ursache: Schwankungen des Zahnflusses aufgrund wechselnder Lage der Stator- und Rotorzähne Ort: Rotorkäfig Art: Stromwärmeverluste durch Wirbelströme im Käfig * Diese Verluste werden beim klassischen No-Load-Test als Eisenverluste mit erfasst und daher üblicherweise nicht als Zusatzverluste ausgewiesen.

7 Komponenten (aus [4] und [5]) Teil 2 Getriebemotoren \ Industriegetriebe \ Antriebselektronik \ Antriebsautomatisierung \ Services 7 Leakage flux (load) stray losses (näherungsweise ~I²) 4a+b) Surface losses (stator/rotor) Oberflächen-Treppenverluste (Eisenverluste): Gap leakage (harmonic) flux; core losses Ursache: Unstete, nicht-sinusförmige Verteilung des Strombelags (Treppen der Felderregerkurve) Ort: Oberfläche von Statorinnenbohrung und Rotoroberfläche Art: Oberfeld-Eisenverluste 5a+b) Tooth-pulsation losses (stator/rotor) Zahnpulsations-Treppenverluste (Eisenverluste): Gap leakage (harmonic) flux; core losses Ursache: Unstete, nicht-sinusförmige Verteilung des Strombelags (Treppen der Felderregerkurve) Ort: Stator- und Rotorzähne, teilweise auch im Joch Art: Oberfeld-Eisenverluste (stark abhängig von Zahnsättigung) Richter Bd. IV 6b) Tooth-pulsation, squirrel-cage, circulating current losses (rotor) Käfig-Oberwellenverluste: M2c) Gap leakage (harmonic) flux; rotor I²R losses Ursache: Flußpulsationen im Läuferzahn (aufgrund wechselnder Lage der Stator-/Rotorzähne und wegen unsteter, nicht-sinusförmiger Verteilung des Strombelags (Treppen der Felderregerkurve)) Ort: Rotorkäfig Art: Stromwärmeverluste durch Oberwellenströme 7b) Stator-harmonic, squirrel-cage, circulating current losses (rotor) Käfig-Oberwellenverluste: M2b) Gap leakage (harmonic) flux; rotor I²R losses Ursache: Im Läufer induzierte Oberwellenströme aufgrund Statoroberfeldern Ort: Rotorkäfig Art: Stromwärmeverluste durch Oberwellenströme M1e) M1f)

8 Komponenten (aus [4] und [5]) Teil 3 Getriebemotoren \ Industriegetriebe \ Antriebselektronik \ Antriebsautomatisierung \ Services 8 Leakage flux (load) stray losses (näherungsweise ~I²) 8a) Stator-slot eddy-current losses (stator) Nutstreufeld-Wirbelstromverluste: Slot leakage flux; stator I²R losses Ursache: Nutenstreufeld der Statorwicklung Ort: Leiter in der Statornut Art: Grundfeld-Stromwärmeverluste durch Wirbelströme in der Wicklung (nur bei dicken Drähten) 8b) Rotor-slot eddy-current losses (rotor) Nutstreufeld-Wirbelstromverluste : Slot leakage flux; rotor I²R losses (at high slip/starting only) Ursache: Nutenstreufeld des Rotorkäfig Ort: Leiter in der Rotornut Art: Grundfeld-Stromwärmeverluste durch Wirbelströme im Käfig (nur für große Frequenzen, d.h. s ~ 1) 9a) Stator-overhang eddy-current losses (stator) Stirnraum-Eisenverluste: Overhang leakage flux; structural eddy-current losses Ursache: Feld der beiden Wickelköpfe Ort: Eisen im A- und B-seitigen Stirnraum (hauptsächlich Gehäuse und Lagerschilder) Art: Grundfeld-Stromwärmeverluste durch Wirbelströme 9b) Rotor-overhang eddy-current losses (rotor) Stirnraum-Eisenverluste: Overhang leakage flux; structural eddy-current losses (at high slip/starting only) Ursache: Feld der beiden Kurzschlußringe Ort: Welle im A- und B-seitigen Stirnraum, ggfs. Lagerringe Art: Grundfeld-Stromwärmeverluste durch Wirbelströme (nur für große Frequenzen, d.h. s ~ 1)

9 Weitere Komponenten (aus [2] und [15]) 9 Leakage flux (load) stray losses (näherungsweise ~I²) 10b) Cross-bar harmonic currents (rotor) Rotoreisen-Querstromverluste: Ursache: Ungenügende Isolation der Käfigstäbe gegenüber dem Eisenpaket Ort: Rotorzähne Art: Oberfeld-Stromwärmeverluste durch Querströme von Stab zu Stab 11a) Tooth-pulsation, skewed squirrel cage losses (stator) Zahnpulsations-Schrägungsverluste (Eisenverluste): Skew leakage flux; stator core losses Ursache: Phasenverschiebung der Grundfelder von Stator und Rotor in den Endbereichen aufgrund Schrägung Ort: Statorzähne Art: Grundfeld-Eisenverluste (stark abhängig von Zahnsättigung) 12a) Stator-harmonic losses (stator) Stator-Oberstromverluste: Ursache: In der Statorwicklung induzierte Oberströme durch Ankerrückwirkung - nur bei parallelen Zweigen und/oder Dreiecksschaltung Ort: Statorwicklung Art: Stromwärmeverluste durch Oberwellenströme

10 Alternative Darstellung: Komponenten nach Jordan [3] 10 Pulsationsverluste in den Zähnen und Jochen des Ständers und Läufers V p (2a+b, 5a+b) Oberflächenverluste im Ständer und Läufer V 0 (1a+b, 4a+b) Zusatzverluste im Läuferkäfig V zcu2 (3b, 6b, 7b) Zusatzverluste im Stirnraum V sti (9a+b) Zusatzverluste durch Schrägung bei nicht isoliertem Läuferkäfig V zcu2 (10b) Zusatzverluste durch den Schrägungsstreufluß V zs (11a) {Zusatzverluste in der Läuferwicklung infolge Stromverdrängung V zcu2 (8b)} Zusatzverluste in der Ständerwicklung durch nicht-netzfrequente Ströme V zcu1 (12a) Zusatzverluste in der Ständerwicklung infolge Stromverdrängung V zcu1 (8a) (Auflistung etwa in Reihenfolge der Bedeutung der einzelnen Anteile. Pulsationsverluste treten ganz überwiegend in den Statorzähnen 5a auf, geringer im Statorjoch und fast gar nicht im Läufer 5b, aufgrund der Abdämpfung der Ständeroberfelder durch den Käfig (schrägungsabhängig))

11 Bestimmung der Zusatzverluste Kalorimetrisch Getriebemotoren \ Industriegetriebe \ Antriebselektronik \ Antriebsautomatisierung \ Services IEC A Wärmekammer Messung unter Volllast 11 Gold -Standard mit genauesten Resultaten Extrem aufwendige Messung nicht geeignet für Industriepraxis Direkt (Input/Output) IEC Messung unter Volllast Einfacher Messaufbau, schnelle Resultate Nur geeignet für niedrige Wirkungsgrade wegen Differenzbildung der Meßwerte. Direkt (Trennung der Verluste) IEEE 112-B Messung unter Volllast Viele Einzelmessungen, hoher Zeitaufwand Nur geeignet für Maschinen bis einige hundert kw, aber auch mit hohen Wirkungsgraden. Sorgfältige Durchführung sehr wichtig. Genaue Resultate. Dual-supply Back-to-Back IEC IEEE 112-C Zwei identische Maschinen und Volllastspeisung mit Frequenz <> 50 Hz benötigt. Einfache und schnelle Messung, falls Labor entsprechend gerüstet. Mittelwertbildung zweier Maschinen. Einfluß der Versorgung unsicher. Single-supply Back-to-Back IEC Zwei identische Maschinen und Getriebe kleiner Untersetzung benötigt. Einfache und schnelle Messung, falls Labor entsprechend gerüstet. Mittelwertbildung zweier Maschinen. Einfluß des Getriebes unsicher. Rotor Removed + Reverse Rotation IEEE 112-E/F (5.4.2) Rotor muß ausgebaut werden. Einfache Messung. Trennung von Stator- / Rotorzusatzverlusten. Messung erfasst nicht die tatsächlichen Betriebsbedingungen. Single phase Eh-Test Jordan/ Richter/ Röder 14 Meßwiderstand in Größe der Kurzschlußreaktanz benötigt. Sehr einfache und schnelle Messung im unsymmetrischen Leerlauf. Messung erfasst nicht die tatsächlichen Betriebsbedingungen. Rotor Removed + DC/AC Short-Circuit Linkh, H.E. 16 Rotor muß ausgebaut werden. Einfache Messung. Trennung von Stator- / Rotorzusatzverlusten. Messung erfasst nicht die tatsächlichen Betriebsbedingungen. Assigned Values IEC IEC61972-M2 - Perfekte Wiederholgenauigkeit, keinerlei Aufwand Kein fairer Vergleich.

12 Messungen 4-poliger Motoren nach IEEE 112-B 12 4,00 3,50 3,00 Lab A Lab B IEC IEC Stray Load Losses [%] 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0, Rated Output Power [kw] 100 (Lab A und B = Prüffelder deutscher Elektromotorenhersteller (4-polige Motoren, 50 Hz ))

13 Messungen 4-poliger Motoren nach IEEE 112-B 13 Stray Load Losses [%] 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 Lab A Lab B Lab C IEC IEC ,50 0, Rated Output Power [kw] 100 (Lab C = Kanadische Studie aus (2-, 4- und 6-polige Motoren, 60 Hz))

14 Rotor-removed and Reverse Rotation Test 14 Leerlauftest mit ausgebautem Rotor (bei Bemessungsstrom) Wirbelstromverluste im Stator (nur Grundfelder) Wirbelstromverluste in Gehäuse und Lagerschildern (nur Grundfelder) Reversierbetrieb (bei Nenndrehzahl mit Bemessungsstrom und leerlaufend) Oberfeld-Eisenverluste in Stator und Rotor Probleme Die Verteilung der Streufelder im Rotor bei Reversierbetrieb unterscheidet sich deutlich von der bei Nennbetrieb (ebenso die Ankerrückwirkung) Streuflüsse werden sehr von der Sättigung des Eisens durch das Hauptfeld beeinflußt aber in beiden Tests (Leerlauf und Reversieren) ist das Hauptfeld völlig anders als im Nennbetrieb Die Rotoroberströme sind im Reversierbetrieb deutlich anders

15 15 Eh-Test 14 Zu ermitteln sind: Reibungsverluste Eisenverluste Ständerstromwärmeverluste Differenz der Luftspaltleistung von Mit- und Gegenfeldmaschine... alle Messungen im Leerlauf!

16 Vergleich verschiedener Testverfahren am DV160M4 / 11 KW / 50 Hz / 4-polig Vzus [W] 750 IEC IEEE 112-B IEC Eh-Test RR - gesamt RR - rotor removed RR - s= ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 (I/IN)²

17 Vergleich verschiedener Testverfahren am DV160M4 / 11 KW / 50 Hz / 4-polig Eta [%] 90 IEC direkt IEEE 112-B IEC Eh-Test RR - gesamt (P/PN) 150

18 Literatur Getriebemotoren \ Industriegetriebe \ Antriebselektronik \ Antriebsautomatisierung \ Services 1. Jimoh, A.A. and Findlay, R.D. and Poloujadoff, M., Stray losses in induction machines: Part I and Part II, IEEE Trans. on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-104, No. 6, June 1985, pp Oberretl, K., 13 Regeln für minimale Zusatzverluste, Bulletin Oerlikon, Nr. 389/390, pp Jordan, H. and Taegen, F., Experimetelle Untersuchungen der lastabhängigen Zusatzverluste von Käfigläufermotoren im reverse rotation test, E und M, Jahrgang 85, 1967, Heft 1, pp Schwarz, K.K., Survey of basic stray losses in squirrel-cage induction motors, Proc. IEE, Vol. III, No. 9, September 1964, pp Ong, R. and Dymond, J.H. and Findlay, R., Stray load loss test methods in induction machine: Challenges to manufacturers, ICEM Taegen, F. and Walczak, R., Experimental verification of stray losses in cage induction motors under no-load, full-load and reverse rotation test conditions, Archiv für Elektrotechnik 70 (1987), pp Rogowski, W. and Vieweg, Y., Zusätzliche Verluste in kleinen Drehstrommotoren, Archiv für Elektrotechnik 14 (1925), pp Richter, R., Die Induktionsmaschine, Vol. 4 Springer, 1936, pp IEEE Std Standard Test Procedure for Polyphase Induction Motors and Generators 10. IEC , Third Edition, 1972 Methods for determining losses and efficiency of rotating electrical machinery from tests (excluding machines for traction vehicles) 11. IEC A, First Edition, 1974 Measurement of losses by the calorimetric method 12. IEC 61972, First Edition, Method for determining losses and efficiency of three-phase cage induction motors 13. IEC 2/1270/CD Ed. 4: Rotating electrical machines Part 2: Methods for determining losses and efficiency from tests (excluding machines for traction vehicles), Jordan, H., Richter, E., Röder, G., Ein einfaches Verfahren zur Messung der, ETZ-A Bd. 88 (1967) H.23, pp Chalmers, B.J., Williamson, A.C., Stray losses in squirrel-cage induction motors. Validity of the Reverse Rotation Test Method, Proc. Inst. Elec. Eng., Bd. 110 (1963), S Linkh, H.E. Ein Beitrag zur Bestimmung der Zusatzverluste in Drehstromasynchronmotoren, ibid, 1929, 23, p Koch, C.J. Measurement of stray load loss in polyphase induction motors, Trans. Amer. Inst. Elect. Engrs., 1932, 51, p Report Canadian Coordinated Utilities Approach Motor Efficiency Verification Testing Summary, Demand Side Energy Consultants Inc., Canada, April