Exakte Wirkungsgradbestimmung sichert Energieeffizienz von Elektromotoren

Exakte Wirkungsgradbestimmung sichert Energieeffizienz von Elektromotoren

Für Industrie und produzierendes Gewerbe bilden elektrisch angetriebene Systeme einen elementaren Bestandteil der technischen Ausstattung. Zugleich stellt der Stromverbrauch der eingesetzten Elektromotoren einen wesentlichen Kostenfaktor dar. Deren Wirkungsgrad möglichst exakt und reproduzierbar zu bestimmen, eröffnet dauerhafte Einsparpotenziale.

Dipl.Ing. Wilfried Benning, Geschäftsführer, Vogelsang & Benning GmbH, Bochum

Mit dem Ziel, die Wirkungsgradbestimmung von Elektromotoren auf eine einheitliche Basis zu stellen und die absolute Vergleichbarkeit aller gemessenen Werte zu erreichen, werden die notwendigen Prüfabläufe und -verfahren von der Norm IEC/EN 60034-2-1 umfassend geregelt. In der 2007 verabschiedeten Fassung beschränkten sich die Vorgaben noch auf Drehstrommotoren im Leistungsbereich von 1,1 bis 90 kW (nur 2- und 4-polige Maschinen) sowie die Einstufung in die Wirkungsgradklassen EFF 1, EFF 2 und EFF3. Die Motorenhersteller hatten die Wahl zwischen einer direkten und einer indirekten Methode, um den Wirkungsgrad als Verhältnis von elektrischer Eingangsleistung zu mechanischer Ausgangsleistung zu ermitteln. Im direkten Verfahren wird der Wirkungsgrad aus Strom und Spannung auf der Eingangsseite sowie Drehzahl und Drehmoment auf der Ausgangsseite abgeleitet; im indirekten Verfahren wird lediglich die Eingangsleistung gemessen, während die Berechnung der Ausgangsleistung anhand der Verluste innerhalb des Motors erfolgt (Eisenverluste, Reibungsverluste, Luftwiderstandsverluste u.a.).

Wirkungsgrade weltweit harmonisiert
In der Praxis stellte sich während der Folgejahre heraus, dass bei gleichem Motortyp je nach eingesetztem Verfahren die ermittelten Wirkungsgradwerte teils deutlich voneinander abwichen. Im Ergebnis wurde die Norm im Jahr 2014 aktualisiert und gibt nunmehr Mindestwirkungsgade für Drehstromasynchronmotoren mit Käfigläufer vor. Je nach Anforderung an den nominellen Mindestwirkungsgrad, gelten die Klassen IE1, IE2, IE3 und IE4. Mit der Harmonisierung der Wirkungsgradklassen erfasst die weltweit gültige IEC/EN-Norm nun nahezu alle Niederspannungs-Drekstrommotoren im Leistungsbereich zwischen 0,12 und 1000 kW. Die Motorenhersteller sind außerdem verpflichtet, die Wirkungsgradklasse und den Wirkungsgrad der auf den Markt gebrachten Elektromotoren auf dem Typenschild anzugeben. Andererseits hat jeder Betreiber eines Elektromotors, allein schon aus wirtschaftlichen Gründen ein hohes Interesse daran, dass der definierte Wirkungsgrad so lange wie möglich erhalten bleibt. Das gilt besonders nach durchgeführten Instandsetzungen.

Mobile Lösung erleichtert Messung
Um die Einhaltung des definierten Wirkungsgrad nach der Überholung eines Elektromotors zu überprüfen und den tatsächlichen Wirkungsgrad exakt und reproduzierbare zu bestimmen, hat Vogelsang & Benning über stationäre Prüfstände hinaus auch eine kostengünstige kompakte Lösung entwickelt: Das Prüfgerät MotorTop (Abb.1), mittlerweile in den 6. Gerätegeneration verfügbar, ermittelt den jeweiligen Wirkungsgrad im einfachsten Fall aus der Messung des Wicklungswiderstandes des kalten Motors und der im Leerlauf ermittelten Leerlaufkennlinie. Neben dem MotorTop, werden dazu ein Widerstandsmessgerät und eine variable Spannungsquelle benötigt (Regeltransformator oder Frequenzumrichter mit Sinusfilter). Je nach vorhandener Ausstattung hinsichtlich der Prüflingsversorgung erlaubt das MotorTop die Erfassung unterschiedlicher Daten:

• Leerlaufkennlinie und Berechnung der Eisen- und Reibungsverluste für Drehstrommotoren nach IEC/EN 60034 (in der Fassung von 02/2015)

• Dauerlaufmessung mit automatischer zyklischer Datenspeicherung

• Kurzschlusskennlinie mit Berechnung der Sättigungsfaktoren für Strom und Drehmoment

• Betriebskennlinien mit Bewertung von Wirkungsgrad, Strom und Aufnahmeleistung bei verschiedenen Wellenleistungen,

• Drehmomentkennlinie als Funktion der Motordrehzahl

Konkretes Beispiel: Die Prüfung eines Drehstromasynchronmotors mit einer Nennleistung von 7.500 W (Abb.2). Zunächst müssen die Kaltwiderstände der drei Phasen als verkette Widerstände gemessen und zusammen mit den Leistungsschilddaten (Abb.3) in die Software eingegeben werden. Der Motor wird dann mit der Spannungsversorgung verbunden und eingeschaltet. Optional werden zwei Temperatursensoren in der Nähe der Lager angebracht. Falls das Lager auf der B-Seite aufgrund von Anbauten wie Lüfter oder Bremse nicht zugänglich ist, wird nur die Temperatur des Lagers auf der A-Seite gemessen. Es werden die Nennspannung und die Nennfrequenz eingestellt und der Motor muss einlaufen, bis sich die Aufnahmeleistung im Leerlauf und die Lagertemperatur stabilisiert haben. Der Motor befindet sich nunmehr in einem thermisch stabilen Betrieb, mit konstanten Temperaturen von Wicklung und Lagern .

Einbindung relevanter Messgrößen
Nachdem sich die aufgenomme Leistung stabilisiert hat (Bild2), kann die Messung der Leerlaufkennlinie gestartet werden (Abb.4). Zunächst wird der erste Messpunkt aufgenommen, danach die Versorgungsspannung schrittweise reduziert. Zur Einhaltung der Norm müssen mindestens fünf Punkte bei reduzierter Spannung unterhalb von 60 % der Nennspannung gespeichert werden. Der sich im Leerlauf befindliche Elektromotor nimmt lediglich die zur Deckung der Verluste notwendige Leistung auf (Abb.5 u. 6). Im Anschluss wird der Motor von der Stromversorgung getrennt.

Die Leistungsbilanz im Leerlauf ergibt sich aus den Faktoren Aufnahmeleistung (P1), Wicklungsverluste im Ständer (PS) und Eisenverluste (PFe). Als Messgrößen dienen Phasenspannungen (U1, U2, U3), Phasenströme (I1, I2, I3), aufgenommene Leistung (P1) sowie Wicklungswiderstand vor (1) und nach (2) der Leerlaufmessung (R01, R02). Schließlich erfolgt die Bestimmung der Größen P01 (Leistungsaufnahme erster Messpunkt, höchste Spannung) und P02 (Leistungsaufnahme letzter Messpunkt, niedrigste Spannung).

Mit den hinterlegten Messwerten unterhalb von 60 % der Nennspannung wird nun eine Regressionsrechnung durchgeführt. Daraus werden die Werte für die Reibungs- und Lüftungsverluste (Pfw) ermittelt. Für die Beispielmessung lauten die Ergebnisse:

PFe = 545 W und Pfw0 = 63 W

Über dieses Berechnungsergebnis und anhand der auf dem Typenschild des Motors angegebenen Nenndaten werden die Verluste im Nennpunkt des Motors berechnet (Wicklungsverluste und Wicklungswiderstand bei maximal zulässiger Temperatur lt. Isolationsklasse, vom Ständer in den Rotor übertragene Leistung, Rotorwicklungsverluste etc.). Bezogen auf das Beispiel eines Drehstromasynchronmotors mit einer Nennleistung von 7.500 W ergibt die Prüfung mit dem MotorTop:

PS = 157 W
PFe = 122 W
nsyn = 3000 1/min
s = 0,067
Pr = 545 W
Pfw = 63 W
PLLN = 178 W
P2 = 7.568 W
η = 87,7 %
Pvges = 1.064 W

Das Typenschild gibt die Nennleistung des Motors mit 7.500 W an, bei einer Aufnahmeleistung von 8.633 W und Gesamtverlusten von 1.132 W. Der instandgesetzte Motor hat folglich um ca. 6 % weniger Verluste als laut Typenschild angegeben. Als unverbindliche Richtgrösse sollte ein Motor nach der Instandsetzung nicht mehr als 10 % größere Verluste haben, als auf dem Typenschild angegeben.

Wirtschaftlichkeit schnell nachweisbar
Als Alternative bzw. Ergänzung zu stationären Prüfeinrichtungen stellt das MotorTop eine flexible Lösung dar, um nach erfolgter Reparatur eines Elektromotors exakte Wirkungsgradbestimmungen entsprechend EN 60034-2-1 vorzunehmen. Der Instandsetzer kann damit dem Kunden nach getaner Arbeit umgehend und präzise nachweisen, ob der Motor innerhalb der vorgegebenen Wirkungsgradtoleranz und damit auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten weiterhin bedenkenlos betrieben werden kann.

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Über Vogelsang & Benning

Seit über 30 Jahren ist Vogelsang & Benning für die Antriebstechnik ein etablierter und verlässlicher Partner. Industrie 4.0 in der Prüftechnik ist für Vogelsang & Benning kein Neuland und wird nachhaltig unterstützt. Auch in anderen Industriezweigen hat sich das Bochumer Unternehmen einen Namen gemacht. Vogelsang & Benning beliefert die Kfz-Industrie und deren Zulieferer, die Antriebstechnik, und die Pumpenindustrie. Prüf- und Testsysteme, Automatisierungslösungen, Qualitätssicherungssysteme, Montagetechnik und Handlingsysteme sind Teil des Portfolios. 1983 ist Vogelsang & Benning aus der Abteilung Messmittel und Prüfstandsbau der Bochumer Vogelsang Gruppe hervorgegangen und hat bis heute mehr als 800 Test- und Prüfsysteme weltweit in Betrieb genommen.

Weitere Informationen erteilt:
Vogelsang & Benning Prozeßdatentechnik GmbH
Hansastr. 92
44866 Bochum
Tel: +49-2327-547-0
Fax: +49-2327-547-100
E-Mail: info@vogelsangbenning.de

Betreut durch ICD Hamburg GmbH
Michaela Schöber
Telefon: 040/46 77 70 10
info@icd-marketing.de

Pressemappe
MotorTop - Gerät zur Bestimmung des Wirkungsgrades von Elektromotoren MotorTop - Gerät zur Bestimmung des Wirkungsgrades von Elektromotoren ©Vogelsang & Benning GmbH
Click to enlarge image ema_Abb1.jpg Anschlussskizze MotorTop. ©Vogelsang & Benning GmbH
Click to enlarge image ema_Abb_Leerlauf.jpg Daten der Leerlaufkennlinie. ©Vogelsang & Benning GmbH
Click to enlarge image ema_Abbildung 4.jpg Abklingende Leerlaufleistung über der Zeit. ©Vogelsang & Benning GmbH
Click to enlarge image ema_Abbildung 5.jpg Messung der Leerlaufkennlinie. ©Vogelsang & Benning GmbH
Click to enlarge image ema_Bild x.jpg Die Messwerte unterhalb von 60 % der Nennspannung (rot markiert) bilden die Basis für die Berechnung der Reibungs- und Lüftungsverluste. ©Vogelsang & Benning GmbH
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