Einfluss von Messfehlern der elektrischen Leistung auf die Zusatzverlustbestimmung. Einführung Verfahren zur Wirkungsgradbestimmung

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1 Einfluss von Messfehlern der elektrischen Leistung auf die Zusatzverlustbestimmung Einführung Verfahren zur Wirkungsgradbestimmung Direkte Verfahren Indirekte Verfahren Toleranz der Wirkungsgradangabe Verlustquellen elektrischer Maschinen Fehleranalyse eines Messverfahrens Ergebnisse von Prüffeldmessungen Zusammenfassung Power Meter-Seminar Hochschule Nürnberg Prof. Dr. A. Kremser 1

2 Einführung Die VERORDNUNG für Europa (EG) Nr. 640/009 DER KOMMISSION vom. Juli 009 legt die Fristen für die Einführung von ndestwirkungsgraden fest. Termin Leistungsbereich [kw] Forderung , IE (Netz) ,5 375 IE3 (Netz) / IE + Frequenzumrichter , IE3 (Netz) / IE + Frequenzumrichter Power Meter-Seminar Hochschule Nürnberg Prof. Dr. A. Kremser

3 ndestwirkungsgrade (IEC , 4polig, 50 Hz) η/% IE3 IE P N /kw 1000 Power Meter-Seminar Hochschule Nürnberg Prof. Dr. A. Kremser 3

4 Verfahren zur Wirkungsgradbestimmung Auswahl (IEC ) direkte Verfahren Torque meter test Gemessen werden die elektrisch aufgenommene Leistung, das Drehmoment und die Drehzahl Dual supply back- to- back test Zwei gleiche Maschinen werden mechanisch gekuppelt. Gemessen werden die von Maschine 1 aufgenommene und die von Maschine abgegebene elektrische Leistung Power Meter-Seminar Hochschule Nürnberg Prof. Dr. A. Kremser 4

5 Verfahren zur Wirkungsgradbestimmung Auswahl (IEC ) indirekte Verfahren Summation der Einzelverluste mit Last- Test Die einzelnen Verlustanteile werden bestimmt. Bei Bemessungsleistung werden die elektrisch aufgenommene Leistung, das Drehmoment und die Drehzahl gemessen Empfohlen für Asynchronmaschinen von 1 kw bis 150 kw geringe Messunsicherheit Messung in eh- Stern- Schaltung Die einzelnen Verlustanteile werden bestimmt. Die Maschine wird in einer unsymmetrischen Schaltung betrieben. Gemessen wird die aufgenommene Leistung. Keine Belastungsmaschine erforderlich mittlere Messunsicherheit Power Meter-Seminar Hochschule Nürnberg Prof. Dr. A. Kremser 5

6 Toleranz der Wirkungsgradangabe Motoren IEC :010 bis einschließlich 150 kw: 15% von (1 η) über 150 kw: 10% von (1 η) NEMA MG1:006 ndestwirkungsgrade sind in Abhängigkeit von den nominellen Wirkungsgraden angegeben. Toleranz etwas größer als nach IEC : 010 Anmerkung: durch Energy Indepedence and Security Act 007 (EISA) seit IE3- ndestwirkungsgrade gefordert Power Meter-Seminar Hochschule Nürnberg Prof. Dr. A. Kremser 6

7 Toleranz der Wirkungsgradangabe Systeme IEC :00: (Drehzahlveränderbare elektrische Antriebe über 1000 V AC) Toleranz der Verluste Gesamtsystem 7% Stromrichter 10% Transformator und Motor 10% Wichtig: Toleranz der Wirkungsgradangabe/Verluste ist nicht gleich zulässige Toleranz der Leistungsmessung Toleranzen beinhalten Unsicherheiten der Vorausberechnung, Fertigungstoleranzen, Messtoleranzen, Power Meter-Seminar Hochschule Nürnberg Prof. Dr. A. Kremser 7

8 Verlustquellen Neben den klassischen Verlusten, wie zum Beispiel - Stromwärmeverluste in Ständer- und Läuferwicklung - Grundschwingungseisenverluste - Reibungsverluste entstehen in Asynchronmaschinen Verluste durch - Stromverdrängung - Flusspulsationen durch Leitwertschwankungen - Flusspulsationen durch Durchflutungsschwankungen - Querströme im Läufer (bei Schrägung) - Wirbelströme in massiven Konstruktionsteilen Zusatzverluste Power Meter-Seminar Hochschule Nürnberg Prof. Dr. A. Kremser 8

9 Bestimmung der Zusatzverluste In der Vergangenheit wurden die Zusatzverluste durch einen pauschalen Zuschlag von 0,5% der im Bemessungsbetrieb aufgenommenen Leistung ermittelt (EN 60034). IEC sieht vor, dass die Zusatzverluste entweder gemessen oder durch einen deutlich höheren, leistungsabhängigen Zuschlag erfasst werden (,5% bei Maschinen kleiner Leistung; 0,5% werden erst bei einer Leistung von 10 MW erreicht). Die nach Norm zugelassenen Messverfahren stellen hohe Ansprüche an die Genauigkeit der verwendeten Messgeräte. Power Meter-Seminar Hochschule Nürnberg Prof. Dr. A. Kremser 9

10 Bestimmung der Zusatzverluste 1. Verfahren Bei Bestimmung der Zusatzverluste mit Drehmomentmessung werden die Restverluste für 6 Lastpunkte ermittelt. (1) P Li = P1 i P i PCu1i PFe PReib PCui, i = P 1i P i P Cu1i P Fe P Reib P Cui aufgenommene elektrische Leistung, Messwert mechanisch abgegebene Leistung, P i =πn i M i Stromwärmeverluste in der Ständerwicklung, Eisenverluste, aus Leerlaufmessung Reibungsverluste, aus Leerlaufmessung Stromwärmeverluste in der Läuferwicklung P P Cu1i = 3 R1 I1Strangi Cui ( P1 i PCu i PFe ) si = 1 Die Leistungen P Li werden über dem Quadrat des Drehmoments aufgetragen. Power Meter-Seminar Hochschule Nürnberg Prof. Dr. A. Kremser 10

11 Messung an einer 315 kw- Maschine Geradensteigung () a 6 PLiM i PLi 6 i i = Aus den Messwerten ermittelt: a = 0,0006 W/N m ( M ) ( M ) Nennmoment M N = 03 Nm M i PL(kW) M (knm) Zusatzverluste PzusN = a M N =,5kW = 0,8% P1 N Korrelationskoeffizient r = 0,98 Power Meter-Seminar Hochschule Nürnberg Prof. Dr. A. Kremser 11

12 Bestimmung der Zusatzverluste. Verfahren: Messung in eh- Schaltung Power Meter-Seminar Hochschule Nürnberg Prof. Dr. A. Kremser 1

13 1. Verfahren Die Messfehler von Leistung und Drehmoment haben den größten Einfluss auf die ermittelten Zusatzverluste nach IEC / IEC Auswirkung eines konstanten prozentualen Fehlers bei der Leistungsmessung Die fehlerhaft ermittelten Größen werden durch einen hochgestellten Strich gekennzeichnet. Alle Messwerte außer der elektrisch aufgenommenen Leistung werden als fehlerfrei unterstellt. P 1 = P1 + ΔP1 P = L P L + ΔP L Δ P L = ΔP 1 1 s) ( ΔP 1 Power Meter-Seminar Hochschule Nürnberg Prof. Dr. A. Kremser 13

14 (1) P ' Li ' 1i = P P P P P P, i i Cu1i Fe Reib Cui = () a ' 6 ' ' PLiM i PLi 6 i i = ( ) ( M M ) M i Es ist der Einfluss des Messfehlers der Leistung auf die Geradensteigung zu untersuchen. 1. Summand im Zähler von () ( P + ΔP ) ' PLiM i = 6 Li Li M i = 6 PLiM i ΔPLiM i Power Meter-Seminar Hochschule Nürnberg Prof. Dr. A. Kremser 14

15 t dem Lastfaktor k = M M i N lautet der erste Summand im Zähler von () ' 6 PLiM i = PLN M N 6 k + ΔP1 N M N 6 k 4 3. Summand im Zähler von () ( k ) ΔP1 N M N k PLiM i ΔPLiM i = PLN M N Nenner von () ( ) ( ) ( M M = 6 M k M k ) 6 i i N N k Power Meter-Seminar Hochschule Nürnberg Prof. Dr. A. Kremser 15

16 Die Steigung beträgt also a ' = M N P LN 6 k 4 + ΔP 1N M 6 4 N 6 k 3 k 4 P LN ( k ) ( k ) ΔP 1N k k Normierung P LN ' 3 ΔP 6 k 1 k k N Δa = 1+ = 1+ 4 ( ) / M N PLN 6 k PLN / M k N a relativer Fehler der Steigung P LN 3 a ΔP 6 k 1 k N = / M 4 N PLN 6 k Δ ( k ) k Power Meter-Seminar Hochschule Nürnberg Prof. Dr. A. Kremser 16

17 Lastpunkte (nach Norm 4 Lastpunkte äquidistant zwischen 5% und 100% Last, zwei Lastpunkte bei Überlast, nicht mehr als 150% Last ) M M P LN i = k N Δa / M = 1,5; 1,13; ΔP 1N = N PLN 0,64 1,0; 0,75; 0,5; 0,5 Der Fehler bei der Berechnung der Steigung beträgt 64% des Messfehlers der Leistung, dividiert durch die Zusatzverluste im Nennbetrieb. Was bedeutet dies für die Messgenauigkeit der Zusatzverluste? Power Meter-Seminar Hochschule Nürnberg Prof. Dr. A. Kremser 17

18 Zusatzverluste in Prozent der aufgenommenen Leistung (Bild 11 IEC , Strafkurve ) typische Wirkungsgrade als Funktion der Bemessungsleistung 3 P LL /P 1 /% η N /% P LL /P 1 η N , P /kw Power Meter-Seminar Hochschule Nürnberg Prof. Dr. A. Kremser 18

19 30% Δ a/% 5% b) ΔP 1 /P 1N = 0,% 0% 15% 10% 5% 0% a) ΔP 1 /P 1N = 0,1% 0, P 1N /kw Bei einem 315- kw- Motor ist bei dem erlaubten Fehler von 0,% bei Leistungsmessung mit einem Fehler von 10% bei der Ermittlung der Zusatzverluste zu rechnen. Power Meter-Seminar Hochschule Nürnberg Prof. Dr. A. Kremser 19

20 P zus /W 1,6% 1,4% 1,% 1,0% 0,8% 0,6% 0,4% 0,% 1,6% 0,7% 1,1% 1,% 1,1% 1,4% 0,5% 1,1% 0,6% 0,4% 0,8% Lastmessung eh- Messung Rechnung 0,5% 0,0%, kw 7,5 kw 74 kw 315 kw Vergleich Rechnung Lastmessung eh- Messung Rechnung dummy Power Meter-Seminar Hochschule Nürnberg Prof. Dr. A. Kremser 0

21 Durch Änderung der Normung und die Marktforderung nach energieeffizienten Antrieben ergibt sich die Notwenigkeit, Zusatzverluste zu minimieren. Die messtechnische Bestimmung der Zusatzverluste bei größeren Asynchronmaschinen stellt hohe Anforderungen an die Messung der aufgenommenen elektrischen Leistung. Der Fehler bei der Messung der Zusatzverluste beträgt trotz hoher Klassengenauigkeit bei der Leistungsmessung bis zu 5%. Der Fehler bei der Zusatzverlustbestimmung infolge fehlerhafter Drehmomentmessung stimmt betragsmäßig mit dem infolge fehlerhafter Leistungsmessung überein. Die berechneten und die nach zwei verschiedenen Messverfahren ermittelten lastabhängigen Zusatzverluste weisen deutliche Abweichungen auf. Power Meter-Seminar Hochschule Nürnberg Prof. Dr. A. Kremser 1