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Wirkungsgradbestimmung an (explosionsgeschützten) elektrischen Maschinen – eine Übersicht

21.10.2010

Der Maschinenwirkungsgrad η ist dabei definiert als Quotient aus der aufgenommenen elektrischen Leistung P1 bei Motoren und der über die Welle abgegebenen mechanischen Leistung. Die Verlustleistung der Maschine ist die Differenz aus beiden Größen.

Auftretende Maschinenverluste und deren Messunsicherheiten

Die in der Maschine während des Betriebes auftretenden Verluste können zunächst einmal grob auf den Stator und den Rotor der elektrischen Maschine aufgeteilt werden. Dem Stator werden dabei die Stromwärmeverluste in der Wicklung (PCu1) sowie die Ummagnetisierungs- und Wirbelstromverluste, zusammengefasst in den Eisenverlusten  (PFe), zugeordnet. Dem Rotor werden dann die im Rotorkäfig auftretenden Stromwärmeverluste  (PCu2) und die mechanischen Reibungsverluste (Lagerreibung und für den Lüfter aufgewendete Leistung) zusammengefasst in der Größe Prb zugeordnet. (Bild 1) /3/, /4/.
Die Differenz zwischen der direkt und indirekt ermittelten Verlustleistung wird als Zusatz- oder Restverluste bezeichnet.

Aufteilung der Maschinenverluste für eine Beispielsmaschine, Baugröße 200

Bild 1: Aufteilung der Maschinenverluste für eine Beispielsmaschine, Baugröße 200

Die Verteilungsdichtefunktion der Messgröße „Wirkungsgrad“ für verschiedene Verfahren der Wirkungsgradbestimmung zeigt Bild 2.

Verlauf der Verteilungsdichtefunktionen für den Wirkungsgrad bei direkter und indirekter Bestimmung. Dabei wurde die Drehzahl zum einen über die Maschinenschlupf „s“ und Netzfrequenz und zum anderen über den Drehzahlgeber bestimmt.

Bild 2: Verlauf der Verteilungsdichtefunktionen für den Wirkungsgrad bei direkter und indirekter Bestimmung. Dabei wurde die Drehzahl zum einen über die Maschinenschlupf „s“ und Netzfrequenz und zum anderen über den Drehzahlgeber bestimmt.

Eine Abflachung und Verbreiterung der Kurve bedeutet dabei eine Vergrößerung der Unsicherheit, mit der der Mittelwert angegeben werden kann. Hieraus erwächst die Problematik, dass aufgrund der Messunsicherheiten auch die Eingruppierung der Maschine in die entsprechende IE-Klasse eventuell eine andere ist („IE2“ oder „IE3“), da der Motor ab dem 1. Januar 2015 für den Betrieb am Netz Mindestwirkungsgrade einhalten muss.

Zusammenfassung und Ausblick 

Die Untersuchungen zeigten deutlich, dass die Wahl des Messverfahrens zur Bestimmung des Maschinenwirkungsgrades aus den in der Norm EN 60034-2-1 beschriebenen Ansätzen einen signifikanten Einfluss auf das Messergebnis nehmen kann, nämlich die Eingruppierung der Maschine in die entsprechende Energieeffizienzklasse. Diesen Einflüssen liegen die Messunsicherheiten zugrunde, mit denen die verschiedenen Verfahren bei Verwendung handelsüblicher Messsysteme prinzipiell behaftet sind. Die Messung des Drehmomentes hat in dem hier betrachteten konkreten Fall bei der direkten Methode mit 95 % den weitaus größten Anteil an der gesamten Messunsicherheit. Beim indirekten Verfahren kann die gesamte Messunsicherheit verringert und auch der Anteil der Drehmomentmessung an der gesamten Messunsicherheit reduziert werden.
Die Betrachtung der Messunsicherheit ist auch ein gutes Mittel, die Geräte und Verfahren mit den größten Beiträgen zur gesamten Messunsicherheit aufzudecken und an diesen Stellen durch Optimierungen eine möglichst große Verbesserung des Gesamtergebnisses zu bewirken.
Die PTB wird die einzelnen Verfahren zur Wirkungsgradbestimmung an elektrischen Maschinen im Hinblick auf die Messunsicherheiten systematisch untersuchen. Dabei ist es inbesondere das Ziel, durch Optimierung der Messeinrichtungen für die mechanische Leistung die Messunsicherheiten bei der direkten Wirkungsgradbestimmung deutlich zu verringern

 

Literatur

/1/Verordnung (EG) Nr. 640/2009 der Kommission vom 22. Juli 2009 zur Durchführung der Richtlinie 2005/32/EG des Europäischen Parlaments und           des Rates im Hinblick auf die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von Elektromotoren
/2/Pesch, B.; Bestimmung der Messunsicherheit nach GUM; Norderstedt, Books on Demand, 2003
/3/DIN EN 60034-2-1: 2008; Drehende elektrische Maschinen – Teil 2-1: Standardverfahren zur Bestimmung der Verluste und des Wirkungsgrades aus Prüfungen (ausgenommen Maschinen für Schienen und Straßenfahrzeuge); Beuth-Verlag, Berlin
/4/Eckhardt, H.; Grundzüge der elektrischen Maschinen; Teubner-Verlag Stuttgart, 1982

 

Ansprechpartner:

C.Lehrmann, AG 3.72, christian.lehrmann(at)ptb.de