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Aktuelle Entwicklungenbei Normen für Wirkungsgrade

Aktuelle Entwicklungenbei Normen für Wirkungsgrade

Martin DoppelbauerUniv.‐Prof. Dr.‐Ing. Convenor IEC TC2 WG31

Karlsruhe Institute of Technology (KIT)Institute of Electrical Engineering (ETI)Hybrid Electrical Vehicles (HEV)

Normungspyramide

IECinternational

CENELECEuropa

COPANTPanamerika

...

DKEDeutschland

JISJapan

BSIEngland

ANSIUSA

...

Inte

rnat

iona

lN

atio

nal

Öffentlich

Verbände

NEMAUSA

IEEEUSA

IEEEngland

VDEDeutschland

ZVEIDeutschland

VIKDeutschland

...

CSAKanada

ULUSA

Reg

iona

l

Martin DoppelbauerUniv.‐Prof. Dr.‐Ing. 2Aktuelle Entwicklungen bei Normen für Wirkungsgrade

EU Verordnung 640/2009


3‐phasige ASM

2, 4, 6‐polig

0,75 ... 375 kW

S1‐Dauerbetrieb

Keine Sondermotoren(Ex, Bremse, ...)

16. Juni 2011 Mindestens IE2

1. Januar 2015 Mindestens IE3oder Umrichterbetrieb(nur 7,5 ... 375 kW)

1. Januar 2017 Mindestens IE3oder Umrichterbetrieb

EU Verordnung 640/2009 – Neuer Entwurf vom 20.08.2014

1. Januar 2018• Alle Motoren von 0.12 ... 0.75 kW: Mindestens IE2• Käfigläufermotoren von 0.75 ... 375 kW: Mindestens IE3 oder IE2+FU

(Ausgenommen Verschiebeankermotoren, EEx e Motoren)• Alle Motoren von 375 ... 1000 kW: Mindestens IE3• Alle Umrichter: Mindestens IE1

1. Januar 2020• Alle Motoren von 0.75 ... 1000 kW: Mindestens IE3

Generell gilt dies alles nur:Bis 4.000 m Aufstellhöhe, Temperaturen ‐30 ... 60°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


Weiterentwicklung von EN 50598‐2 nach IEC 61800‐9‐x

Messung desWirkungsgrades

Wirkungsgrad‐klassen

Motoren(netzgespeist) IE‐Code IEC 60034‐2‐1 IEC 60034‐30‐1

Motoren (am Umrichter) IE‐Code IEC 60034‐2‐3 IEC 60034‐30‐2

Umrichter IE‐Code IEC 61800‐9‐3(EN 50598‐2)

IEC 61800‐9‐2(EN 50598‐2)Antriebssystem IES‐Code


Aktueller Stand IEC Normen (Herbst 2014)

Standard Working Group Status

IEC 60034‐2‐1 IEC TC2 WG 28(Axel Möhle)

ed 2.0 veröffentlicht(2014‐06)

IEC/TS 60034‐2‐3 IEC TC2 WG 28(Axel Möhle)


IEC 61800‐9‐3 IEC SC22G WG18(Tim Schumann)

NWIP angenommen22G/277/NP(2014‐09)

Standard Working Group Status

IEC 60034‐30‐1 IEC TC2 WG 31(Martin Doppelbauer)


IEC 60034‐30‐2 IEC TC2 WG 31(Martin Doppelbauer)

2CD in Vorbereitung(Q1 2015)

IEC 61800‐9‐2 IEC SC22G WG18(Tim Schumann)

NWIP angenommen22G/277/NP(2014‐09)

Messung des Wirkungsgrades

Wirkungsgradklassen


IEC 60034‐2‐1 ed. 2.0 (2014‐06) – Wirkungsgradmessung Netzmotoren


Dokumentenstruktur wurde vereinfacht: Chapter 3: Terms and definitionsChapter 4: Symbols and abbreviated termsChapter 5: Basic requirementsChapter 6: Test methods induction machinesChapter 7: Test methods synchronous machinesChapter 8: Test methods DC machines

Flussdiagramme zur genauen Definition des MessablaufsBevorzugte Testmethoden und weitere Testmethoden sind nun mit eindeutiger Bezeichnung referenziertEinige Anforderungen an die Genauigkeit der Messgeräte wurden präzisiert bzw. leicht erhöht

IEC/TS 60034‐2‐3 ed. 1.0 (2013‐11) – Wirkungsgradmessung Umrichtermotoren


Ermittlung von Verlusten und Wirkungsgraden von umrichtergespeisten AC InduktionsmotorenDer Motor ist damit Teil eines Power Drives Systems (PDS), siehe IEC 61800‐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

IEC 60034‐30‐x Wirkungsgradklassen Motoren (IE‐Code)


Three‐phaseAC‐induction

IEC 60034‐30ed. 1.0 (2008‐10)

Grid fed(fixed speed)

Three‐phase AC‐inductionWound‐rotor AC‐inductionSingle‐phase AC‐inductionSinusoidal‐field reluctanceLine‐start permanent‐magnet...

IEC 60034‐30‐1 ed. 1.0 (2014‐03)

2, 4, 6, 8‐pole

0,12 ... 1000 kW

100% Last100% Drehzahl

Converter fed(variable speed)

AC‐inductionPermanent‐magnet synchronousWound‐rotor synchronous...

IEC 60034‐30‐2 – in Vorbereitung für 2016/17

6 Arbeitspunkte(Drehzahl‐Drehmoment)

600 ... 6.000/min

0,12 ... 1000 kW

IE5 ? Hochspannungsmotoren ?

Sonderfälle außerhalb der IEC 60034‐30‐x


Variable SpeedNon‐Sinusoidal Voltage

DC Motoren Switched reluctance motorsEC‐Motoren (blockkommutiert)...

Test und Klassifizierung als komplettes AntriebssystemIEC 61800‐9‐x

Motors with integratedfrequency converters

Piggy back converterOn‐oil electronics...

Motors completelyintegrated into a machine

Können nicht unab‐hängig von der

Last getestet werden

IEC 60034‐30‐2 – Bestimmung der Wirkungsgradklasse IEx

84

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1 2 3 4 5 Weighted

Efficiency (%

)

Opera ng point

(Rated data: 11 kW, 1500 rpm)

A B C IE3/IE4V IE2/IE3V IE1/IE2V

Quelle: Freddy Gyllensten, ABB Sweden


6 Messpunkte zur Mittelung des Wirkungsgrades und Bestimmung der IE‐Klasse(100,100), (100,50), (75,75), (25,100), (50,25), (25,25)

IEC 60034‐30‐2 – 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

0,45

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0,75

0,8

0,85

0,9

0,95

1

0

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0,9

0,95

1

Torque

Speed

Efficiency 6 Point Interpola on

0,800‐1,000

0,600‐0,800

0,400‐0,600

0,200‐0,400

0,000‐0,200



Einfache Interpolationsformel mit 6 Parametern:

Stator and rotor winding losses (PLS + PLR)

Iron losses (PLfe)

Additional load losses (PLL)

Friction and windage losses (PLfw)

Additional harmonic losses (PLHL)



Interpolation Stability Index (ISI)

= Mittlerer Interpolationsfehler

Durch ein Messgitter aus 16 Punktenbei 25, 50, 75 und 100% Drehzahl und Drehmomentkann die Güte der Interpolation beurteilt werden:

QISI <= 5 % sehr gutQSI <= 10% gutQISI > 20% nicht brauchbar



Beispiel: Messung eines 37 kW IE3 AsynchronmotorsInterpolation mit 6 Messpunkten

0,000

0,010

0,020

0,030

0,040

0,050

0,060

0,070

0,080

0,090

0,100

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Losses

[%]

Speed [%]

Losses over Speed

100% Torque

75% Torque

50% Torque

25% Torque

100% Interpola on

75% Interpola on

50% Interpola on

25% Interpola on

QISI = 3,5 %



Beispiel: Messung eines 37 kW IE3 AsynchronmotorsInterpolation mit 6 Messpunkten

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0,100

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Losses

[%]

Torque [%]

Losses over Torque

100% Speed

75% Speed

50% Speed

25% Speed

100% Interpola on

75% Interpola on

50% Interpola on

25% Interpola on

QISI = 3,5 %



Beispiel: Messung eines 37 kW IE3 AsynchronmotorsInterpolation mit 16 Messpunkten QISI = 1,4 %

0,000

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0,020

0,030

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0,050

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0,080

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0,100

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Losses

Speed

Losses over Speed

100% Torque

75% Torque

50% Torque

25% Torque

Interpola on

Interpola on

Interpola on

Interpola on



Beispiel: Messung eines 37 kW IE3 AsynchronmotorsInterpolation mit 16 Messpunkten QISI = 1,4 %

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0,070

0,080

0,090

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Losses

Torque

Losses over Torque

100% Speed

75% Speed

50% Speed

25% Speed

Interpola on

Interpola on

Interpola on

Interpola on



Beispiel: Messung eines 7,5 kW IE4 PM‐SynchronmotorsInterpolation mit 6 Messpunkten QISI = 15,5 %

0,000

0,010

0,020

0,030

0,040

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0,060

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0,080

0,090

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Losses

[%]

Speed [%]

Losses over Speed

100% Torque

75% Torque

50% Torque

25% Torque

100% Interpola on

75% Interpola on

50% Interpola on

25% Interpola on




0,000

0,010

0,020

0,030

0,040

0,050

0,060

0,070

0,080

0,090

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Losses

[%]

Torque [%]

Losses over Torque

100% Speed

75% Speed

50% Speed

25% Speed

100% Interpola on

75% Interpola on

50% Interpola on

25% Interpola on




0,000

0,010

0,020

0,030

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0,050

0,060

0,070

0,080

0,090

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Losses

Speed

Losses over Speed

100% Torque

75% Torque

50% Torque

25% Torque

Interpola on

Interpola on

Interpola on

Interpola on




0,000

0,010

0,020

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0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Losses

Torque

Losses over Torque

100% Speed

75% Speed

50% Speed

25% Speed

Interpola on

Interpola on

Interpola on

Interpola on


Systemgedanke / EN 50598‐2 – Erweitertes Product (Extended Product)

PDS = Power Drive SystemCDM = Complete Drive ModuleBDM = Basic Drive Module


EN 50598‐2 / IEC 61800‐9


Wirkungsgradklassen Umrichter (IE) und Antriebssysteme (IES)

Power Drive systems (PDS) losses related to rated power

Converters (CDM)losses related to rated power

Converter fedmotorsEfficiency

Line fedmotorsEfficiency

IES9 – u.c.IE9 – u.c.IE9 – u.c.IE9 – not used



IES6 – u.cIE6 – u.cIE6 – u.c.IE6 – not used

IES5 – u.cIE5 – u.cIE5 – u.c.IE5 –experimental newtechnologies

IES4 – u.cIE4 – u.cIE4 – u.c.IE4 – will require newtechniques

IES3 – u.c.IE3 – u.c.IE3 – u.c.IE3 – needssignificantamount of techniques

IES2 – more than20% lower thanreference value

IE2 – more than 25% lower than referencevalue

IE2 – u.c.IE2 – can beachieved byenhancement

IES1 - referencevalue ±20%

IE1 - referencevalue ±25%

IE1 – u.c.IE1 – can bemostlytechnicallyachieved

IES0 – more than20% higher thanreference value

IE0 – more than 25% higher thanreference value

IE0 – u.c.IE0 – not used

Power Drive systems (PDS) losses related to rated power

Converters (CDM)losses related to rated power

Converter fedmotorsEfficiency

Line fedmotorsEfficiency




IES6 – u.cIE6 – u.cIE6 – u.c.IE6 – not used

IES5 – u.cIE5 – u.cIE5 – u.c.IE5 –experimental newtechnologies

IES4 – u.cIE4 – u.cIE4 – u.c.IE4 – will require newtechniques

IES3 – u.c.IE3 – u.c.IE3 – u.c.IE3 – needssignificantamount of techniques

IES2 – more than20% lower thanreference value

IE2 – more than 25% lower than referencevalue

IE2 – u.c.IE2 – can beachieved byenhancement

IES1 - referencevalue ±20%

IE1 - referencevalue ±25%

IE1 – u.c.IE1 – can bemostlytechnicallyachieved

IES0 – more than20% higher thanreference value

IE0 – more than 25% higher thanreference value

IE0 – u.c.IE0 – not used

Incr

ease

def

ficie

ncy

= de

crea

sed

rela

ted

pow

er lo

sses

u.c. = under consideration

EN 50598‐2 – IE‐Wirkungsgradklassen für Frequenzumrichter


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