Messbericht zum Induktionsmotor REBO ME kw EFF1

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1 Messbericht zum Induktionsmotor REBO ME kw EFF / Stefan Kammermann S.A.L.T., ist ein Joint-Venture von S.A.F.E., Schaffhauserstrasse 34, 8006, Zürich, und HTW Chur, Ringstrasse/Pulvermühlestrasse 57, 7000 Chur, Auftraggeber: David Krähenbühl Jakob Müller AG Elektro Konstruktion, Entwicklung Frick (Switzerland) Abb.1: Prüfling auf Drehmomentmessplatz S.A.L.T. Messbericht zu Induktionsmotor ME kw 1/19

2 Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung Ausgangslage und Ziel Geräte und Methodik Prüfling ME kw, EFF Verwendete Messgeräte Durchführung der Messungen Messresultate Wicklungswiderstand Messung im kalten Zustand Messung im warmen Zustand Korrekturfaktor für Korrektur auf Bezugs-Kühlmitteltemperatur Wirkungsgradbestimmung % Belastung (Nennleistung 1.5 kw) Verschiedene Belastungen Verluste Gesamtverluste Konstante Verluste Lastabhängige Verluste Lastabhängige Zusatzverluste Belastungskurven Diskussion der Resultate Wirkungsgrad Verluste Anhang Prüfprotokolle bei Nennlast und Leerlauf bei U N Prüfprotokolle für verschiedene Lastpunkte Prüfprotokolle für die Bestimmung der konstanten Verluste S.A.L.T. Messbericht zu Induktionsmotor ME kw 2/19

3 Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit wird ein Induktionsmotor gemäss der Norm DIN EN (entsprechend IEC :2007) ausgemessen. Der geprüfte Induktionsmotor ist ein als EFF1 (Effizienzklasse) klassifizierter 4-poliger Motor der Firma REBO mit einer Nennleistung von 1,5 kw. Der Motor erfüllt mit einem Wirkungsgrad von η = 86,4 % bei Nennleistung die Voraussetzung für eine IE2-Klassierung ( 82,8 %). Nach unseren Messungen erfüllt der Motor sogar die Anforderungen für die IE3-Klassierung ( 85,3 %) S.A.L.T. Messbericht zu Induktionsmotor ME kw 3/19

4 1. Ausgangslage und Ziel In der Industrie sind sehr viele elektrische Maschinen kleiner Leistung installiert. Für den Energieverbrauch ist deshalb ein guter Wirkungsgrad von grosser Bedeutung. Ziel der vorliegenden Messungen ist es, den nach EFF1 klassierten Motor der Firma REBO mit einer Leistung von 1,5 kw möglichst genau gemäss der Norm DIN EN (entsprechend IEC :2007) auszumessen. Dabei geht es vor allem um die Bestimmung des Wirkungsgrades und der Verluste. 2. Geräte und Methodik 2.1 Prüfling REBO 1,5 kw EFF1 Der Prüfling der Firma REBO wurde zur Verfügung gestellt von David Krähenbühl Jakob Müller AG Elektro Konstruktion, Entwicklung Schulstrasse 14 CH-5070 Frick Typ ME100 EFF1, 1.5 kw, /min 230/400V, 50Hz, Iso.kl. F, IP54 Der Motor wurde unverändert wie geliefert gemessen S.A.L.T. Messbericht zu Induktionsmotor ME kw 4/19

5 2.2 Verwendete Messgeräte Norma Wide Band Power Analyzer D6100 Grundgenauigkeit ±0,035% Ströme und Spannungen: Maximaler Messfehler (45 Hz bis 65 Hz): 0,05% vom Messwert + 0,05% vom Messbereich Leistungen: Maximaler Messfehler (50 Hz, 3 A): ±0,21% Wirkungsgrad: Maximaler Messfehler: ±0,55% Drehmoment Mess-System, Firma Messtechnik Schaffhausen GmbH Drehmoment: Drehmomentaufnehmer DM 0160 von Staiger Mohilo Messfehler für das Drehmoment: ±0,2% (messwertbezogen) ab 20% Nennlast Anzeige Fehler: 0,1% vom Messwert + 0,05% vom Messbereich Digital Micro-Ohmmeter 4300 B, Firma Valhalla Scientific Widerstand: Messbereich: 2 mω - 20 kω Maximaler Messfehler: ±0,3% 2.3 Durchführung der Messungen Grundlage für die Messungen ist die Norm DIN EN :2007 (deutsche Fassung), Teil 2-1: Standardverfahren zur Bestimmung der Verluste und des Wirkungsgrades aus Prüfungen. Die Messungen erfolgten auf dem Motorenprüfstand der HTW Chur. Sie wurden durchgeführt am und von Stefan Kammermann. Der Motor wurde so gemessen wie er geliefert worden ist, d.h. mit installierter Magnetbremse. Es wurde stets darauf geachtet, dass die Messungen erst erfolgten, wenn ein thermisch eingeschwungener Zustand erreicht war S.A.L.T. Messbericht zu Induktionsmotor ME kw 5/19

6 3. Messresultate 3.1 Wicklungswiderstand Messung im kalten Zustand Temperatur: Θ a = 21,2 C = Temperatur der Wicklungen Widerstände: R U1V1 = 5,11 Ω R U1W1 = 5,10 Ω R V1W1 = 5,10 Ω Arithmetisches Mittel: R = 5,10 Ω Messung im warmen Zustand Messung nach vier Betriebsstunden im Nennbetrieb Temperaturen: Θ a = 21,3 C = Umgebungstemperatur Θ w = 115 C = Wicklungstemperatur (nach DIN , e) Θ m = 43,6 C = Temperatur seitlich am Motorgehäuse zwischen den Kühlrippen Widerstände: R U1V1 = 5,70 Ω R U1W1 = 5,68 Ω R V1W1 = 5,69 Ω Arithmetisches Mittel: R = 5.69 Ω Korrekturfaktor für Korrektur auf Bezugs-Kühlmitteltemperatur Berechnung gemäss DIN , k 235 W W 21,3 1,0106 1, S.A.L.T. Messbericht zu Induktionsmotor ME kw 6/19

7 3.2 Wirkungsgradbestimmung Ermittlung aus direkter Messung (Drehmomentmesswelle) % Belastung (Nennleistung 1500 W) Die drei Messungen erfolgten nach vier Stunden Nennbetrieb in Minutenintervallen (Details siehe Ausdruck im Anhang 5.1) Messung Nr arithmet. Mittel U ph [V] U pp [V] 230,29 398,87 230,12 398,58 232,15 402,10 230,85 399,85 I [A] CosΦ P el [kw] n [krpm] T [Nm] Θ C [ C] P M [kw] η [%] 3,441 0,733 1, ,4560 9,870 22,5 1, ,41 3,440 0,739 1, ,4560 9,865 22,5 1, ,58 3,447 0,742 1, ,4569 9,865 22,5 1, ,51 3,443 0,738 1, ,4563 9,867 22,5 1, ,50 Tabelle 1: Messungen bei Nennlast Verschiedene Belastungen Die drei Messungen erfolgten nach vier Stunden Nennbetrieb in Minutenintervallen. Reihenfolge der Messungen: 100%-, 75%-, 50%-, 25%-, 125%- und 150%-Nennlast (Details siehe Ausdruck im Anhang 5.2) Nennlast [%] U ph [V] I [A] CosΦ P el [kw] n [krpm] T [Nm] Θ C [ C] P M [kw] ,03 3,428 0,743 1, ,4553 9,802 22,1 1, ,04 2,961 0,649 1, ,4671 7,327 22,1 1, , ,49 2,585 0,509 0, ,4786 4,857 22,1 0, , ,07 2,352 0,321 0, ,4888 2,410 22,1 0, , ,13 3,995 0,794 2, , ,385 22,1 1, , ,94 4,643 0,834 2, , ,052 22,1 2, ,91 Tabelle 2: Messungen bei verschiedenen Belastungen η [%] S.A.L.T. Messbericht zu Induktionsmotor ME kw 7/19

8 3.3 Verluste Gesamtverluste Die Gesamtverluste setzen sich zusammen aus den konstanten und den lastabhängigen Verlusten sowie den lastabhängigen Zusatzverlusten. Die Gesamtverluste ergeben sich zu (DIN , 8.2.2): P T = P el P M = 1739,6 W 1504,7 W = 234,9 W Die Gesamtverluste bei Nennbetrieb betragen Watt bei einem Wirkungsgrad von 86.7 % Konstante Verluste Die konstanten Verluste setzen sich zusammen aus den Reibungs-, Lüftungs- und Eisenverlusten. Die Bestimmung der Verluste erfolgt gemäss DIN EN , Kapitel : P 0 = aufgenommene Leistung bei Leerlauf R ll,0 = mittlerer Widerstand zwischen den Aussenleitern I 0 = Leerlaufstrom P S = 1,5 I 0 2 R ll,0 Konstante Verluste: P k = P 0 P S Umgebungstemperatur: θ a = 22,6 C Temperatur Motorgehäuse am Ende der Messungen: 42,6 C Leerlaufverluste stabilisiert nach mehrstündigem Betrieb bei Nennlast. Messung des Widerstandes R ll,0 erfolgte unmittelbar nach den Ablesungen bei der niedrigsten Spannung. Der Wert R ll,0 wird für alle Spannungen verwendet. Bemessungsspannung [%] U 0 [V] I 0 [A] P 0 [W] R ll,0 *Ω+ P s [W] P k [W] ,06 4, ,6 5,60 167, , ,02 2, ,05 5,60 43,935 96, ,42 1, ,01 5,60 30,773 81, ,24 1,480 83,82 5,60 18,399 65, ,93 1,120 62,90 5,60 10,537 52, ,79 0,919 52,24 5,60 7,094 45, ,48 0,725 43,42 5,60 4,415 39, ,60 0,558 36,39 5,60 2,616 33, ,95 0,426 31,38 5,60 1,524 29,856 Tabelle 3: Konstante Verluste (Leerlauf) S.A.L.T. Messbericht zu Induktionsmotor ME kw 8/19

9 Bestimmung der Reibungs- und Lüftungsverluste: Abb. 2: Diagramm zur Ermittlung der Reibungs- und Lüftungsverluste Die Gerade (Trendlinie) wird zur Spannung Null extrapoliert. Der Schnittpunkt mit der Leistungsachse ergibt die Reibungs- und Lüftungsverluste P fw (DIN EN , Kapitel ). Aus dem Diagramm ergibt sich für die Reibungs- und Lüftungsverluste ein Wert von P fw = 25 Watt S.A.L.T. Messbericht zu Induktionsmotor ME kw 9/19

10 Bestimmung der Eisenverluste: Die Eisenverluste P fe ergeben sich aus der Gleichung P k = P fw + P fe : P fe = P k - P fw Abb. 3: Diagramm zur Ermittlung der Eisenverluste Die Eisenverluste betragen bei der Nennspannung von 400 Volt: P fe = 71 Watt. Die Kurve (Trendlinie) deckt sich mit dem Datenpunkt S.A.L.T. Messbericht zu Induktionsmotor ME kw 10/19

11 3.3.3 Lastabhängige Verluste Die lastabhängigen Verluste wurden bestimmt aus den Daten im Anhang 5.2. Die lastabhängigen Verluste sind im vorliegenden Fall gleich den Ständer-Wicklungsverlusten P s. Sie ergeben sich aus: P S = 1,5 I 2 R Für den Widerstand R wird der Wert im warmen Zustand verwendet, welcher in Kapitel ermittelt worden ist zu R = 5.69 Ω. Mit der Temperaturkorrektur k Θ wird die Temperatur des Kühlmittels berücksichtigt. Im vorliegenden Fall ist dies die Umgebungsluft. Der Korrekturfaktor beträgt k Θ = 1,01 (siehe Kapitel 3.1.3). P s,θ = P s. k θ Nennlast [%] I [A] I 2 [A 2 ] R [Ω] P s [W] k θ [ ] Θ C [ C] P s,θ [W] 100 3,428 11,751 5,69 100,30 1,01 22,1 101, ,961 8,768 5, ,01 22,1 75, ,585 6,682 5, ,01 22,1 57, ,352 5,532 5,69 47,22 1,01 22,1 47, ,995 15,960 5,69 136,22 1,01 22,1 137, ,643 21,558 5,69 184,00 1,01 22,1 185,84 Tabelle 4: Lastabhängige Verluste S.A.L.T. Messbericht zu Induktionsmotor ME kw 11/19

12 3.3.4 Lastabhängige Zusatzverluste Die Bestimmung der lastabhängigen Zusatzverluste P LL erfolgt gemäss DIN EN , Kapitel : P T = P k + P S,θ + P r + P LL P T = Gesamtverluste; Werte aus Tabelle 2: Load Test, P T = P el P M P k = konstante Verluste; Wert aus Tabelle 3 bei Bemessungsspannung 100% P S,θ = Ständerwicklungsverluste bezogen auf 25 C; Werte aus Tabelle 4 P r = Läuferwicklungsverluste (nicht berücksichtigt, da Prüfling ohne Läuferwicklung) P LL = P T P k P s,θ Nennlast [%] P T [W] P el [kw] P M [kw] P k [W] P s,θ [W] P LL [W] ,70 1, , , ,30 37, ,66 1, , ,115 75,59 16, ,09 0, , ,115 57,60 3, ,04 0, , ,115 47,69 0, ,67 2, , , ,58 65, ,00 2, , , ,84 118,045 Tabelle 5: Lastabhängige Zusatzverluste S.A.L.T. Messbericht zu Induktionsmotor ME kw 12/19

13 3.4 Belastungskurven Abb 4: Drehmoment-Drehzahlkurve Abb 5: Wirkungsgrad in Funktion des Drehmoments S.A.L.T. Messbericht zu Induktionsmotor ME kw 13/19

14 Abb 6: Wirkungsgrad in Funktion der Drehzahl Bemerkungen: Die drei Belastungskurven wurden aufgenommen nach mehr als vier Stunden Betrieb unter Nennlast. Sie sind nicht Teil der DIN Norm und dienen lediglich dazu, eine Übersicht über das Betriebsverhalten des Prüflings zu liefern S.A.L.T. Messbericht zu Induktionsmotor ME kw 14/19

15 4. Diskussion der Resultate 4.1 Wirkungsgrad Nach IEC wird die Effizienzklasse EFF1 (High Efficiency, EFF Code) der IEC Energieklasse IE2 (High Efficiency, IEC Code) gleichgestellt. Gemäss dem Standard IEC Ed.1 soll der Wirkungsgrad eines 4-poligen High Efficiency (IE2) Motors der Leistung 1,5 kw bei Nennleistung und 50 Hz, η = 82,8 % betragen. Der Motor wird mit der angeflanschten Magnetbremse gemessen. Erfreulicherweise liegen die gemessenen Wirkungsgrade mit 86,42 % (Tabelle 2) und dem Mittelwert aus drei Messungen mit 86,5 % (Tabelle 1) deutlich über dem gemäss Norm erforderlichen Wert. 4.2 Verluste Leerlauf: Im Leerlauf betragen die gemessenen Verluste bei Nennspannung (Bemessungsspannung 100%) W. Lastabhängige Verluste: Aus den Verlauf der Kurven Abb. 5 (Wirkungsgrad in Funktion der Drehmoments) und Abb. 6 (Wirkungsgrad in Funktion der Drehzahl) ist ersichtlich, dass der Wirkungsgrad des Motors optimal ist im Bereich des Nennbetriebes. Bei der Bestimmung der Verluste, insbesondere der lastabhängigen Verluste, wäre eine Messung der Wicklungstemperatur wünschenswert gewesen. Da sich der Wicklungswiderstand zwischen dem kalten Zustand (R ll = 5,10 Ω) und dem warmen Zustand (R ll = 5,69 Ω nach 4-stündigem Nennbetrieb) relativ stark ändert, ist man auf Annahmen angewiesen S.A.L.T. Messbericht zu Induktionsmotor ME kw 15/19

16 5. Anhang 5.1 Prüfprotokolle bei Nennlast und Leerlauf bei U N S.A.L.T. Messbericht zu Induktionsmotor ME kw 16/19

17 5.2 Prüfprotokolle für verschiedene Lastpunkte S.A.L.T. Messbericht zu Induktionsmotor ME kw 17/19

18 5.3 Prüfprotokolle für die Bestimmung der konstanten Verluste S.A.L.T. Messbericht zu Induktionsmotor ME kw 18/19

19 S.A.L.T. Messbericht zu Induktionsmotor ME kw 19/19

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