DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE
DIN EN IEC 60034-2-3
; VDE 0530-2-3:2021-07
Drehende elektrische Maschinen - Teil 2-3: Besondere Verfahren zur Bestimmung der Verluste und des Wirkungsgrades von umrichtergespeisten Wechselstrommaschinen (IEC 60034-2-3:2020); Deutsche Fassung EN IEC 60034-2-3:2020
Rotating electrical machines - Part 2-3: Specific test methods for determining losses and efficiency of converter-fed AC motors (IEC 60034-2-3:2020); German version EN IEC 60034-2-3:2020
Einführungsbeitrag
Diese Norm definiert Prüfverfahren und eine Interpolationsmethode zur Bestimmung der Verluste und der Wirkungsgrade von umrichtergespeisten Wechselstrommotoren im Anwendungsbereich von DIN EN 60034-1 (VDE 0530-1). Der Wechselstrommotor ist dann Teil eines frequenzvariablen Antriebssystems (PDS) nach DIN EN 61800-2 (VDE 0160-102), DIN EN 61800-4 (VDE 0160-104) oder IEC/TS 61800-8. Die nach dieser Norm bei Bemessungsmoment und bei Bemessungsdrehzahl ermittelten zusätzlichen Oberschwingungsverluste sind nur für den Vergleich unterschiedlicher Motorausführungen geeignet. Die Norm spezifiziert auch Verfahren, um die Motorverluste in jedem beliebigen Lastpunkt (Drehmoment, Drehzahl) innerhalb des Grunddrehzahlstellbereichs (Bereich konstanten Drehmoments und konstanten magnetischen Flusses) auf Basis von Verlustmessungen in sieben normierten Lastpunkten zu bestimmen. Dieses Verfahren ist für jeden drehzahlvariablen Wechselstrommotor (asynchron und synchron) anwendbar, welcher nach DIN EN 60034-1 (VDE 0530-1) für die Speisung mit variabler Frequenz und variabler Spannung bemessen wurde. Ziel dieser Norm ist es, Verfahren zur Bestimmung der Gesamtverluste einschließlich der zusätzlichen Oberschwingungsverluste und des Wirkungsgrades umrichtergespeister Motoren anzugeben. Zusätzliche Oberschwingungsverluste ergeben sich zusätzlich zu den Verlusten bei sinusförmiger Speisung, welche nach den in DIN EN 60034-2-1 (VDE 0530-2-1) angegebenen Verfahren ermittelt werden. Die nach dieser Norm ermittelten Ergebnisse sollen den Vergleich der Verluste und Wirkungsgrade unterschiedlicher Motoren bei Umrichterspeisung ermöglichen. Darüber hinaus werden in der Norm sieben normierte Betriebspunkte angegeben, welche den Verlauf von Verlusten und Wirkungsgraden über den gesamten Drehmoment-/Drehzahlbereich beschreiben. Ein Interpolationsverfahren wird angegeben, um die Verluste und den Wirkungsgrad in jedem beliebigen Betriebspunkt (Drehmoment, Drehzahl) berechnen zu können. Bei Antriebssystemen (PDS) werden Motor und Frequenzumrichter häufig von unterschiedlichen Lieferanten gefertigt. Motoren gleichen Designs werden in hohen Stückzahlen hergestellt. Diese können am Netz oder an Frequenzumrichtern unterschiedlicher Art von vielen verschiedenen Herstellern betrieben werden. Die jeweiligen Umrichtereigenschaften (Schaltfrequenz, Niveau der Spannung im Gleichstromzwischenkreis und so weiter) beeinflussen ebenfalls den Systemwirkungsgrad. Da es praktisch nicht möglich ist, die Motorverluste für jede denkbare Kombination von Motor, Frequenzumrichter, Verbindungskabel, Ausgangsfilter und Parametereinstellungen zu bestimmen, beschreibt diese Norm eine begrenzte Anzahl von Herangehensweisen, abhängig vom Spannungsniveau und der Bemessungsleistung der zu prüfenden Maschine. Die nach dieser Norm bestimmten Verluste erheben nicht den Anspruch, die Verluste der finalen Anwendung widerzugeben. Sie bieten aber eine objektive Basis, um unterschiedliche Motorauslegungen in Hinblick auf ihre Eignung für Umrichterbetrieb zu vergleichen. Im Allgemeinen sind die Motorverluste bei Umrichterspeisung höher als bei Betrieb mit Sinusspeisung. Die zusätzlichen Oberschwingungsverluste hängen vom harmonischen Spektrum der eingeprägten Klemmengröße (entweder Strom oder Spannung) des Umrichters ab. Ihre Höhe wird durch die Schaltung und Regelung des Umrichters beeinflusst. Weitere Informationen sollen in DIN EN 60034-25 (VDE 0530-25) wiedergegeben werden, die zur Zeit noch nicht national umgesetzt wurde. Diese Norm beabsichtigt nicht, Prüfverfahren für Antriebssysteme oder den Frequenzumrichter an sich zu definieren.
Der vergleichbare Umrichter
Die Erfahrung zeigt, dass die zusätzlichen Oberschwingungsverluste im Allgemeinen mit der Belastung steigen. Die Verfahren dieser Norm basieren auf der Speisung aus Umrichtern mit Pulsweitenmodulation (PWM) und konstanten Pulsmustern. Für derartige Umrichter und in Hinblick auf den steigenden Bedarf an Konformitätsüberprüfungen bezüglich nationaler Energieeffizienzrichtlinien definiert diese Norm einen sogenannten vergleichbaren Umrichter für die Prüfung von Niederspannungsmotoren. Im Prinzip ist der vergleichbare Umrichter eine Spannungsquelle mit typischem Oberschwingungsgehalt zur Speisung der zu prüfenden Maschine. Er ist nicht für Mittelspannungsmotoren anwendbar.
Einschränkungen
Es ist sich bewusst zu machen, dass die hier beschriebenen Prüfverfahren standardisiert sind, in der Absicht vergleichbare Wirkungsgradwerte unter normierten Prüfbedingungen zu liefern. Damit kann eine Motoreinstufung hinsichtlich der Eignung für Umrichterbetrieb ermittelt werden, es ist aber nicht möglich, die tatsächlichen Motorverluste bei Betrieb mit einem bestimmten Umrichter zu ermitteln. Dieses erfordert die Prüfung des vollständigen Antriebssystems (PDS). Mit Abweichungen muss auch für Motoren gerechnet werden, deren Speisung aus Multi-Level-Spannungszwischenkreisumrichtern oder Stromzwischenkreisumrichtern erfolgt, da hier die zusätzlichen Oberschwingungsverluste sehr viel stärker von der Last und der Drehzahl abhängen als beim Zweipunkt-Spannungszwischenkreisumrichter. Hier sollte die Bestimmung der Verluste und des Wirkungsgrades bevorzugt mit Verfahren erfolgen, bei denen der Motor zusammen mit dem Umrichter betrieben wird, mit dem er auch später zum Einsatz kommt. Eine weitere Möglichkeit ist die Bestimmung der zusätzlichen Oberschwingungsverluste des Motors durch Berechnungsverfahren. Wenn dies vom Kunden gefordert wird, muss der Umrichterhersteller dem Motorhersteller die Pulsmuster zur Verfügung stellen. Die zur Verfügung gestellte Interpolationsmethode für die Bestimmung der Verluste und des Wirkungsgrads in einem beliebigen Betriebspunkt (Drehmoment, Drehzahl) ist auf den Grunddrehzahlstellbereich (Bereich konstanten Drehmoments und konstanten magnetischen Flusses) eingeschränkt. Die Methode basiert auf der Prüfung in sieben Betriebspunkten mit einem beliebigen Umrichter und ist nicht auf die Prüfung mit dem vergleichbaren Umrichter beschränkt.
