Verschillende normen voor de bepaling van het rendement van een inductiemachine

Transcriptie

1 Verschillende normen voor de bepaling van het rendement van een inductiemachine Focus Voor elke motor die op de markt gebracht wordt, dienen enkele kengetallen te worden gegeven als maat voor de performantie van de machine. Eén van de meest interessante kengetallen is het rendement. Aangezien dit aangeeft welk percentage van het vermogen dat men aan de machine toevoert wordt omgezet in nuttig vermogen (mechanisch vermogen in het geval van een motor, elektrisch vermogen voor een generator). De manier waarop dit rendement bepaald dient te worden, wordt in verschillende normen beschreven. Verschillende normen leveren vaak een verschillend resultaat op. Daarom is het interessant om de verschillende normen en standaarden eens te vergelijken, niet alleen wat betreft de methodes om het rendement van een machine te bepalen, maar eveneens voor wat betreft de testomstandigheden. Directe versus indirecte rendementsbepaling De methodes voor het bepalen van het rendement van een inductiemachine kunnen grofweg in twee categorieën worden ingedeeld. Enerzijds zijn er de directe methodes. Bij deze methodes wordt het mechanische vermogen expliciet gemeten. Dit vereist een nauwkeurige toerental- en koppelmeting, waarbij vooral de laatste duur en tijdsrovend is. Ook zijn de rendementswaarden die met deze methodes bekomen worden afhankelijk van de omgevings- en motortemperatuur, wat het onmogelijk maakt om dit rendement te vergelijken met waarden bekomen voor dezelfde machine bij een verschillende werkingstemperatuur. Tenslotte kan gesteld worden dat de nauwkeurigheid van directe methodes laag is, zelfs met zeer precieze meetapparatuur. Aan de andere kant zijn er de indirecte methodes. Hierbij worden de verliescomponenten afzonderlijk bepaald. Zoals in de inleidende tekst vermeld, kunnen de zogenaamde conventionele verliezen (Jouleverliezen in de stator- en rotorwikkelingen, ijzerverliezen en mechanische wrijvings- en ventilatieverliezen) elk nauwkeurig bepaald worden. In 1912 al bleek er echter een beduidend verschil te zijn tussen de totale conventionele verliezen en het totale verliesvermogen bepaald bij een directe belastingstest. Dit verschil omvat de additionele verliezen, waarvan de oorzaak gezocht dient te worden in de niet-ideale aard van een praktische inductiemachine en die niet direct meetbaar zijn. De verschillende normen

2 inzake het bepalen van het rendement bij inductiemachines bevatten elk een verschillende manier om deze additionele verliezen in rekening te brengen. Indirecte methodes hebben vaak als voordelen dat hun nauwkeurigheid hoger is dan deze van de directe methodes en dat het mogelijk is om de waarden van de conventionele verliescomponenten te corrigeren voor een van de door de normen voorgeschreven verschillende omgevings- en motortemperatuur. Indirecte methodes voor het bepalen van de additionele verliezen Een eerste methode voor het bepalen van de additionele verliezen is de Input-Output -methode. Hierbij worden de additionele verliezen berekend als het verschil tussen het elektrische en het mechanische vermogen min de conventionele verliezen: Hierbij is P conv gegeven door Verschillende publicaties benoemen deze methode als de meest nauwkeurige voor het bepalen van de additionele verliezen. Noteer dat het meten van het mechanische vermogen een precieze toerental- en koppelmeting vereist. Het aldus bekomen mechanische vermogen wordt echter niet rechtstreeks gebruikt voor het bepalen van het rendement (als zijnde voor een motor). Een tweede methode bestaat erin om de additionele verliezen te schatten als een bepaald percentage van het elektrisch ingangsvermogen bij nominale belasting. Dit zijn de fixed or variable allowance methodes. Hierbij wordt dus het mechanische vermogen niet gemeten. Een derde methode is de zogenaamde Eh-ster methode (Eh-Y), die recent is toegevoegd aan de nieuwe versie van de IEC norm. De additionele verliezen worden hier bepaald bij een aparte test, waarbij een driefasige inductiemachine bij nullast met behulp van een extra weerstand R eh wordt gevoed via een eenfasige aansluiting. Meetopstelling en -procedure Deze paragraaf beschrijft de gebruikte opstelling en meetprocedure voor het bekomen van de resultaten voor de bepaling van het rendement. Figuur 1 toont de meetopstelling. Hierbij wordt een PC-gebaseerd dataacquisitiesysteem gebruikt voor het ogenblikkelijk en simultaan meten en verwerken van de verschillende elektrische en mechanische grootheden. Motorbeveiliging is eveneens geïmplementeerd, net als een aansluiting voor het meten van de wikkelingsweerstand (dit dient bij stilstand te gebeuren).

3 Figuur 1: Meetopstelling voor het bepalen van het motorrendement De meetprocedure kan beknopt worden samengevat als volgt: Meten van de weerstand van de wikkelingen en omgevingstemperatuur in koude toestand (voor het starten van de motor). Starten van de machine en laten draaien tot de machine op de gewenste temperatuur is (onder nominale belasting). De wrijvingsverliezen stabiliseren meestal pas na enkele uren draaien bij nullast. Stop de machine en meet de weerstand van de wikkelingen bij de testtemperatuur. Op dit moment dienen ook offsets in de toerentalen koppelmeting bepaald en gecompenseerd te worden. Hierna volgt de belastingsproef, waarbij de machine in 4 punten tussen 25% en 100% van de nominale belasting werkt en in 2 punten tussen 100% en 150% van de nominale belasting. Hierbij worden alle elektrische en mechanische grootheden opgemeten, alsook de temperatuur van de omgeving en, indien mogelijk, de motorwikkelingen. Daarna volgt de nullastproef. Voor een indirecte bepaling van het rendement wordt de aangelegde spanning in stappen verlaagd van 125% tot het punt waarop een verdere spanningsdaling in een stijging van de stroom resulteert. Hierbij moet rekening gehouden worden met hysteresis: de spanning tijdens deze dalende beweging

4 opnieuw laten stijgen introduceert een afwijking van de initiële curve en dient vermeden te worden. Hierna kunnen op basis van de meetresultaten de verschillende verliesvermogens berekend worden, wat uiteindelijk het rendement oplevert. De voornaamste rendementsnormen De belangrijkste normen inzake rendementsbepaling van inductiemachines zijn IEEE Std. 112, IEC (zowel de versie uit 1996 als Editie 4, de meest recente versie) en IEC Deze normen verschillen onderling in zekere mate wat betreft de gebruikte methodes en formules voor het bepalen van de verschillende verliescomponenten ze beschrijven wel allen indirecte methodes voor het bepalen van het rendement. Een eerste verschil betreft de vereiste nauwkeurigheid voor de gebruikte meetapparatuur. Hier is IEC uit 1996 duidelijk minder veeleisend dan de andere drie normen, wat de nauwkeurigheid van het bekomen rendement negatief beïnvloed. De gebruikte voedingsspanning voor het uitvoeren van de test (de netspanning) dient eveneens aan bepaalde eisen te voldoen. Hier valt het op dat de IEEE-norm andere grootheden gebruikt dan de IEC-normen (bijvoorbeeld THD en LVUR in plaats van HVF en VUF). Geharmoniseerde normen zouden hun vereisten in gelijke grootheden dienen te stellen om een goede vergelijking mogelijk te maken. Ook bevat IEEE 112 geen vereisten voor het geval waarin de motor door een omvormer wordt gevoed. Ook wat betreft de test- en referentietemperaturen voor het uitvoeren van de proeven en het opmeten van de wikkelingsweerstand zijn er kleine verschillen tussen de verschillende normen. Een belangrijk verschil betreft de methode voor het bepalen van de additionele verliezen. Zo gebruikt IEC uit 1996 de Input-Output methode niet, terwijl de andere drie dit wel doen. In plaats daarvan schat IEC (1996) de additionele verliezen als een vast percentage van het nominale elektrische ingangsvermogen (0.5%). De andere drie normen beschrijven ook methodes om de additionele verliezen als een variabel percentage van het elektrisch vermogen te schatten, voornamelijk afhankelijk van het nominale vermogen van de motor. De percentages verschillen echter onderling. IEC (Editie 4) beschrijft als enige de Eh-Y methode voor het bepalen van de additionele verliezen. Deze methode heeft veel kans om aan populariteit te winnen, aangezien er geen koppelmeting vereist is. De Eh-Y methode werkt met een enkelfasige voeding voor een driefasige motor, waarbij twee fasen met elkaar worden gekoppeld over een hulpweerstand R eh. Door een meting van de stromen, spanningen en vermogens bij nullast kunnen, na ontbinding met de Fortescue

5 transformatie in directe en inverse componenten, de additionele verliezen worden berekend. Verder dienen eveneens het toerental, de statorweerstand en de temperatuur gemeten te worden. Deze methode heeft enkele belangrijke nadelen. Vooreerst is de door de norm aangeraden waarde voor de hulpweerstand R eh niet goed gedefinieerd. Hierdoor moeten er verschillende testen worden gedaan om een goede waarde te bepalen, wat tijdrovend is. De waarde van R eh is echter belangrijk: afhankelijk van R eh kunnen de berekende additionele verliezen voor een zelfde machine tot 16% variëren. Het verschil met de resultaten van de Input-Output methode van IEEE Std. 112 kan tot 50% bedragen (voor de waarde van P add ). Samenvattend kan gesteld worden dat de Eh-Y methode minder goed scoort op vlak van nauwkeurigheid en herhaalbaarheid dan de andere methodes voor het bepalen van de additionele verliezen. Het toevoegen van een nieuwe methode voor het bepalen van deze verliezen werkt ook de harmonisatie van de rendementsnormen niet in de hand, zeker niet gezien het feit dat de resultaten soms twijfelachtig zijn. Ter illustratie van het feit dat de verschillende normen vaak verschillende rendementswaarden opleveren, worden in Figuur xxx de rendementen voor 7 verschillende motoren, bepaald volgens de vier normen getoond. Het blijkt dat er soms tot 2% verschil is tussen de resultaten van de verschillende standaarden. Samenvattend kan gesteld worden dat er zeker nood is aan een harmonisatie van de normen, om zo vergelijkbare resultaten te bekomen. Figuur 2: Rendementen van 7 testmotoren volgens 4 verschillende normen Bron: departement Electrotechniek (ESAT)-ELECTA, K.U.Leuven Auteur: ir T.Loix, ESAT-ELECTA KU Leuven