Aktuelle Entwicklungen bei Normen für Wirkungsgrade

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1 Aktuelle Entwicklungen bei Normen für Wirkungsgrade Convenor IEC TC2 WG31 Karlsruhe Institute of Technology (KIT) Institute of Electrical Engineering (ETI) Hybrid Electrical Vehicles (HEV)

2 Normungspyramide International IEC international Regional National VDE Deutschland DKE Deutschland ZVEI Deutschland CENELEC Europa BSI England VIK Deutschland ANSI USA IEE England COPANT Panamerika CSA Kanada NEMA USA... JIS Japan IEEE USA... UL USA... Öffentlich Verbände 2

3 EU Verordnung 640/2009 2, 4, 6 polig 3 phasige ASM Keine Sondermotoren (Ex, Bremse,...) S1 Dauerbetrieb 0, kw 16. Juni 2011 Mindestens IE2 1. Januar 2015 Mindestens IE3 oder Umrichterbetrieb (nur 7, kw) 1. Januar 2017 Mindestens IE3 oder Umrichterbetrieb 3

4 EU Verordnung 640/2009 Neuer Entwurf vom Januar 2018 Alle Motoren von kw: Mindestens IE2 Käfigläufermotoren von kw: Mindestens IE3 oder IE2+FU (Ausgenommen Verschiebeankermotoren, EEx e Motoren) Alle Motoren von kw: Mindestens IE3 Alle Umrichter: Mindestens IE1 1. Januar 2020 Alle Motoren von kw: Mindestens IE3 Generell gilt dies alles nur: Bis m Aufstellhöhe, Temperaturen C, 50/60 Hz, Niederspannung bis 1000 V, Polzahlen 2, 4, 6, 8, S1 Dauerbetrieb Ausdrücklich ausgenommen: Motoren in Handarbeitsgeräten, Motoren in batteriebetriebenen Geräten, Motoren mit mechanischem Kommutator (DC, Universal Motoren), EEX e 4

5 Weiterentwicklung von EN nach IEC x Motoren (netzgespeist) Motoren (am Umrichter) Messung des Wirkungsgrades Wirkungsgradklassen IE Code IEC IEC IE Code IEC IEC Umrichter IE Code IEC Antriebssystem IES Code (EN ) IEC (EN ) 5

6 Aktueller Stand IEC Normen (Herbst 2014) Messung des Wirkungsgrades Standard Working Group Status IEC IEC/TS IEC Wirkungsgradklassen IEC TC2 WG 28 (Axel Möhle) IEC TC2 WG 28 (Axel Möhle) IEC SC22G WG18 (Tim Schumann) ed 2.0 veröffentlicht ( ) ed 1.0 veröffentlicht ( ) NWIP angenommen 22G/277/NP ( ) Standard Working Group Status IEC IEC IEC IEC TC2 WG 31 () IEC TC2 WG 31 () IEC SC22G WG18 (Tim Schumann) ed 1.0 veröffentlicht ( ) 2CD in Vorbereitung (Q1 2015) NWIP angenommen 22G/277/NP ( ) 6

7 IEC ed. 2.0 ( ) Wirkungsgradmessung Netzmotoren Dokumentenstruktur wurde vereinfacht: Chapter 3: Terms and definitions Chapter 4: Symbols and abbreviated terms Chapter 5: Basic requirements Chapter 6: Test methods induction machines Chapter 7: Test methods synchronous machines Chapter 8: Test methods DC machines Flussdiagramme zur genauen Definition des Messablaufs Bevorzugte Testmethoden und weitere Testmethoden sind nun mit eindeutiger Bezeichnung referenziert Einige Anforderungen an die Genauigkeit der Messgeräte wurden präzisiert bzw. leicht erhöht 7

8 IEC/TS ed. 1.0 ( ) Wirkungsgradmessung Umrichtermotoren Ermittlung von Verlusten und Wirkungsgraden von umrichtergespeisten AC Induktionsmotoren Der Motor ist damit Teil eines Power Drives Systems (PDS), siehe IEC x Ziel: Vergleichsmöglichkeit für die zusätzlichen Verluste beim Betrieb am Umrichter schaffen Die Messungen erfolgen unter standardisierten Bedingungen an einem standardisierten Normumrichter (2 / 4 khz Sinus Dreieck PWM Taktung, keine Übermodulation) Die gemessenen Verluste repräsentieren nicht die Verluste im späteren Betrieb in der Applikation 8

9 IEC x Wirkungsgradklassen Motoren (IE Code) IEC ed. 1.0 ( ) Three phase AC induction IEC ed. 1.0 ( ) Grid fed (fixed speed) 100% Last 100% Drehzahl Three phase AC induction Wound rotor AC induction Single phase AC induction Sinusoidal field reluctance Line start permanent magnet... 2, 4, 6, 8 pole 0, kw IEC in Vorbereitung für 2016/17 Converter fed (variable speed) AC induction Permanent magnet synchronous Wound rotor synchronous... 6 Arbeitspunkte (Drehzahl Drehmoment) /min 0, kw IE5? Hochspannungsmotoren? 9

10 Sonderfälle außerhalb der IEC x Variable Speed Non Sinusoidal Voltage DC Motoren Switched reluctance motors EC Motoren (blockkommutiert)... Motors withintegrated frequency converters Piggy back converter On oil electronics... Motors completely integrated into a machine Können nicht unabhängig von der Last getestet werden Test und Klassifizierung als komplettes Antriebssystem IEC x 10

11 IEC Bestimmung der Wirkungsgradklasse IEx 6 Messpunkte zur Mittelung des Wirkungsgrades und Bestimmung der IE Klasse (100,100), (100,50), (75,75), (25,100), (50,25), (25,25) (Rated data: 11 kw, 1500 rpm) Efficiency (%) Weighted Opera ng point A B C IE3/IE4V IE2/IE3V IE1/IE2V Quelle: Freddy Gyllensten, ABB Sweden 11

12 IEC Interpolation des Verlustkennfeldes 6 Messpunkte zur Interpolation des Verlustkennfeldes (100,100), (100,50), (75,75), (25,100), (50,25), (25,25) 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 Efficiency 6 Point 0,45 0,5 Speed 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0, ,95 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 0,55 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Torque 0,800 1,000 0,600 0,800 0,400 0,600 0,200 0,400 0,000 0,200 12

13 IEC Interpolation des Verlustkennfeldes Stator and rotor winding losses (P LS + P LR ) Iron losses (P Lfe ) Additional load losses (P LL ) Friction and windage losses (P Lfw ) Additional harmonic losses (P LHL ) Einfache Interpolationsformel mit 6 Parametern: 13

14 IEC Interpolation des Verlustkennfeldes Interpolation Stability Index (ISI) = Mittlerer Interpolationsfehler Durch ein Messgitter aus 16 Punkten bei 25, 50, 75 und 100% Drehzahl und Drehmoment kann die Güte der Interpolation beurteilt werden: Q ISI <= 5 % Q SI <= 10% Q ISI > 20% sehr gut gut nicht brauchbar 14

15 IEC Interpolation des Verlustkennfeldes Beispiel: Messung eines 37 kw IE3 Asynchronmotors Interpolation mit 6 Messpunkten Q ISI = 3,5 % 0,100 0,090 0,080 Losses over Speed Losses [%] 0,070 0,060 0,050 0,040 0,030 0,020 0, % Torque 75% Torque 50% Torque 25% Torque 100% 75% 50% 25% 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Speed [%] 15

16 IEC Interpolation des Verlustkennfeldes Beispiel: Messung eines 37 kw IE3 Asynchronmotors Interpolation mit 6 Messpunkten Q ISI = 3,5 % 0,100 0,090 0,080 Losses over Torque Losses [%] 0,070 0,060 0,050 0,040 0,030 0,020 0, % Speed 75% Speed 50% Speed 25% Speed 100% 75% 50% 25% 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Torque [%] 16

17 IEC Interpolation des Verlustkennfeldes Beispiel: Messung eines 37 kw IE3 Asynchronmotors Interpolation mit 16 Messpunkten Q ISI = 1,4 % 0,100 0,090 0,080 Losses over Speed Losses 0,070 0,060 0,050 0,040 0,030 0,020 0, % Torque 75% Torque 50% Torque 25% Torque 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Speed 17

18 IEC Interpolation des Verlustkennfeldes Beispiel: Messung eines 37 kw IE3 Asynchronmotors Interpolation mit 16 Messpunkten Q ISI = 1,4 % 0,100 0,090 0,080 Losses over Torque Losses 0,070 0,060 0,050 0,040 0,030 0,020 0, % Speed 75% Speed 50% Speed 25% Speed 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Torque 18

19 IEC Interpolation des Verlustkennfeldes Beispiel: Messung eines 7,5 kw IE4 PM Synchronmotors Interpolation mit 6 Messpunkten Q ISI = 15,5 % 0,090 Losses over Speed 0,080 Losses [%] 0,070 0,060 0,050 0,040 0,030 0,020 0, % Torque 75% Torque 50% Torque 25% Torque 100% 75% 50% 25% 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Speed [%] 19

20 IEC Interpolation des Verlustkennfeldes Beispiel: Messung eines 7,5 kw IE4 PM Synchronmotors Interpolation mit 6 Messpunkten Q ISI = 15,5 % 0,090 Losses over Torque 0,080 Losses [%] 0,070 0,060 0,050 0,040 0,030 0,020 0, % Speed 75% Speed 50% Speed 25% Speed 100% 75% 50% 25% 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Torque [%] 20

21 IEC Interpolation des Verlustkennfeldes Beispiel: Messung eines 7,5 kw IE4 PM Synchronmotors Interpolation mit 16 Messpunkten Q ISI = 4,7 % 0,090 Losses over Speed 0,080 Losses 0,070 0,060 0,050 0,040 0,030 0,020 0, % Torque 75% Torque 50% Torque 25% Torque 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Speed 21

22 IEC Interpolation des Verlustkennfeldes Beispiel: Messung eines 7,5 kw IE4 PM Synchronmotors Interpolation mit 16 Messpunkten Q ISI = 4,7 % 0,090 Losses over Torque 0,080 Losses 0,070 0,060 0,050 0,040 0,030 0,020 0, % Speed 75% Speed 50% Speed 25% Speed 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Torque 22

23 Systemgedanke / EN Erweitertes Product (Extended Product) PDS = Power Drive System CDM = Complete Drive Module BDM = Basic Drive Module 23

24 EN / IEC Wirkungsgradklassen Umrichter (IE) und Antriebssysteme (IES) Increased efficiency = decreased related power losses Line fed motors Efficiency IE0 not used IE1 canbe mostly technically achieved IE2 canbe achieved by enhancement IE3 needs significant amount of techniques IE4 will require new techniques Converter fed motors Efficiency IE0 u.c. IE1 u.c. IE2 u.c. IE3 u.c. IE4 u.c. Converters (CDM) losses related to rated power IE0 more than 25% higher than reference value IE1 - reference value ±25% IE2 more than 25% lower than reference value IE3 u.c. IE4 u.c Power Drive systems (PDS) losses related to rated power IES0 morethan 20% higher than reference value IES1 - reference value ±20% IES2 morethan 20% lower than reference value IES3 u.c. IES4 u.c IE5 experimental new technologies IE5 u.c. IE5 u.c IES5 u.c IE6 not used IE6 u.c. IE6 u.c IES6 u.c IE7 not used IE7 u.c. IE7 u.c. IES7 u.c. IE8 not used IE8 u.c. IE8 u.c. IES8 u.c. IE9 not used IE9 u.c. IE9 u.c. IES9 u.c. u.c. = under consideration 24

25 EN IE Wirkungsgradklassen für Frequenzumrichter 25

26 Convenor IEC TC2 WG31 Karlsruhe Institute of Technology (KIT) Institute of Electrical Engineering (ETI) Hybrid Electrical Vehicles (HEV)