Schlüsselwörter
(Deutsch)
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TP0081;F-Elektrizitätstechnologien & -anwendung
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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IEC Permanent-Magnet-Motoren
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Mit den realisierten Arbeiten im 2008 liegt der berechnete Wirkungsgrad des hocheffizienten IEC 3kW Permanent-Magnet-Motors zusammen mit der Antriebssteuerung im Bereich von 90 - 92%. Das angestrebte Ziel, den Durchbruch über die 90% Wirkungsgrad Marke sollte somit im 2009 auch mit Messungen bestätigt werden.
Der höchste Wirkungsgrad zeigte sich bei der Auslegung nicht, wie erwartet beim brushless DC Motor, sondern beim Synchronmotor. Aus dieser Erkenntnis konzipierte die Hochschule Wallis eine Antriebssteuerung, die es ermöglicht beide Steuerungsverfahren, brushless DC und Synchron, umzusetzen. Die Auslegung des Motors durch die Hochschule Luzern führte zur Erkenntnis, das nicht der Einsatz des besten Magnetmaterials zur höchsten Effizienz führt, sondern das optimierte Zusammenspiel der erzeugten Kupferverluste der Wicklung mit den Verlusten des verwendeten Eisenblechs des Stators. Die Hochschule Wallis entwickelte den hocheffizienten Schaltregler nach der Green Mode Switch Technologie für die Spannungsversorgung der Leistungselektronik. Circle Motor konzipierte den Aufbau des Motors gemäss der IEC Norm, zeichnete den Steuerschrank und erarbeitete Ideen zur weiteren Effizienzsteigerung mittels geeigneter Wuchtmethode des Rotors, sowie zur Reduktion der Kupferverluste der Wicklung.
Im 2009 werden der hocheffiziente Permanent-Magnet-Motor und die Antriebselektronik mit dem zugehörigen Steuerschrank hergestellt, alle Komponenten in Betrieb genommen und ausgemessen, sowie energetische Messungen als Pumpenanwendung bei der Biral AG durchgeführt.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Circle Motor AG
Fachhochschulen Luzern und Wallis
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Lindegger,Markus
Biner,Hans-Peter
Salathé,Dominique
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Die IEC Norm 60034-30 legt neu internationale Standards zur Effizienz von Elektromotoren fest. IE1 ist standard efficiency, IE2 ist high efficiency und IE3/IE4 sind die Premiumklassen. Circle Motor AG geht davon aus, dass Wirkungsgrade entsprechend den Premiumklassen bei Leistungen kleiner 22kW, besser mit Permanent-Magnet-Motoren zu erreichen sind als mit Asynchronmotoren. Die Ziele dieser Arbeit sind, einen Gesamtwirkungsgrad von 90% des hocheffizienten Permanent-Magnet-Motors zusammen mit dem elektronischen Wechselrichter bei 3kW Nennlast zu erreichen und Messungen als Pumpenanwendung durchzuführen.
Die Wirkungsgradmessungen haben schlechtere Leistungsdaten als erwartet ergeben, sowohl für den Umformer, als auch für den Motor. Der Grund liegt beim grösseren Eisenverlust im Motor, welcher durch die Hochfrequenz-Ströme des Wechselrichters erzeugt wird, sowie beim grösseren ohmschen Kupferwiderstand der Motorenwicklung, hervorgerufen durch die gewählte Fertigungsmethode.
Der gebaute Permanent-Magnet-Motor ohne Umrichter, jedoch betrieben mit gefilterten Strömen erreichte bei Nennleistung einen Wirkungsgrad von 89.5% und entspricht damit der Premiumklasse IE3. Im Generatorbetrieb steigt die Effizienz auf 92.8%.
Positiv ist zu bewerten, dass gezeigt werden kann, dass Wechselrichter mit sehr geringen Standby Verlusten realisierbar sind. Die gemessene Standby-Leistung ist 160mW.
Bei Entwicklungen und Forschungsaktivitäten in den Premiumklassen muss man sich bewusst sein, dass jedes Detail über Erfolg oder Misserfolg entscheidet. Es handelt sich dabei im Wesentlichen um das Gebiet der Zusatzverluste von el. Maschinen. Im Bericht wird alles aufgeführt, was zum Thema Zusatzverluste während der aktuellen Arbeit bekannt wurde.
Das Konzept einer Antriebssteuerung aus einen früheren Projekt hat sich Effizienz-bezogen als überlegen gezeigt. Der gesamte Wirkungsgrad dieser Antriebssteuerung zusammen mit einem Synchronmotor und den Erkenntnissen aus dieser Arbeit, würde dann bei 90% liegen.
Der Gesamtwirkungsgrad Motor und Wechselrichter in diesem Auftrag liegt im Bereich eines Asynchronmotors der Effizienzklasse IE2 mit Frequenzumrichter. Aus diesem Grund wurde von energetischen Messungen als Pumpenanwendung abgesehen.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Circle Motor AG
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Lindegger,Markus
Biner,Hans-Peter
Evéquoz,Blaise
Salathé,Dominique
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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The IEC norm 60034-30 defines new international standards for efficiency of electric motors.
IE1 is standard efficiency, IE2 is high efficiency, and IE3/IE4 are the premium class. Circle
Motor AG assumes that the premium class efficiency factor for motors with power less than
22kW is easier to achieve with Permanent-Magnet-Motors enhanced by electric inverters
than with asynchronous motors. The goal of this work is to achieve an overall “efficiency factor”
of 90% through a high-efficiency 3kW-rated input Permanent-Magnet-Motor enhanced
with an electric inverter, and then to perform measurements on the pump drive.
The “efficiency factor” measurement results showed worse performance than expected for
both the inverter and the motor. One reason is due to high iron losses in the motor that are
produced by high frequency currents of inverter. Another reason is the relatively high ohmic
resistance of the copper motor winding caused by the chosen coil production method.
By filtering high frequency currents at the rated power, the motor efficiency factor reaches up
to 89.5%, which complies with premium class IE3. In generator mode the efficiency reaches
92.8%.
We note that the positive result of this work is that the inverter can be produced with very
low standby power losses - in our current work with 160 mW.
It is necessary to admit that every detail can be responsible for success or failure during research
and development activities of premium class motors. The optimization activities
mainly belong to the area of additional losses of electric machines. In this report we have
encountered all research results on the theme of Additional Losses that resulted from the
current research work.
The concept of drive control from the previous research project has shown itself as efficiency
aware. The total efficiency factor of 90% can be reached by a system coupling a drive controller
with a synchronous motor and the “know how” from this work.
The total efficiency of motor and inverter is in the range of asynchronous motors belonging to
the IE2 efficiency class with a frequency converter. This is why energy measurements such
as pump application have been excluded.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Circle Motor AG
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Lindegger,Markus
Biner,Hans-Peter
Evéquoz,Blaise
Salathé,Dominique
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Schlussbericht
(Französisch)
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La norme CEI 60034-30 définit de nouveaux standards pour la classification des machines électriques tournantes selon leur rendement : IE1 pour un rendement « standard », IE2 pour un « Haut rendement » et IE3 / IE4 pour un rendement « Premium ». Pour des puissances inférieures à 22kW, Circle Motor AG part du principe qu’il est plus aisé d’atteindre la classe de rendement « Premium » avec des moteurs à aimants permanents qu’avec des moteurs asynchrones. Le but de ce travail est d’obtenir un rendement global de 90% pour un entraînement complet constitué d’un moteur haute efficacité à aimants permanents et d’un convertisseur électronique, pour une puissance nominale de 3kW. Il est également prévu de mesurer les performances de ce système pour une application de pompage.
Les rendements mesurés se sont avérés plus faibles que prévu, aussi bien pour le convertisseur que pour le moteur. Les pertes fer du moteur provoquées par la génération d’harmoniques de courant haute-fréquence dans le convertisseur ainsi que les pertes cuivre importantes avec le type de bobinage retenu pour la fabrication du moteur sont à l’origine de la diminution des performances.
La suppression des composantes hautes fréquences du courant d’alimentation à l’aide d’un filtrage adéquat permet au moteur d’atteindre 89.5% de rendement, ce qui le range dans la classe «Premium» IE3. Le rendement mesuré en mode générateur est de 92.8%.
Un aspect positif notoire est la diminution des pertes en « Standby » du convertisseur. Celles-ci sont ramenées à 160 mW.
Relevons encore que durant la phase de recherche et de développement d’un entraînement de classe «Premium» chaque détail a son influence sur la réussite du projet. Une attention particulière doit être portée sur les pertes additionnelles de la machine électrique. Toutes les connaissances acquises au niveau de la maîtrise de ces pertes sont soigneusement décrites dans ce rapport.
Le concept d’un système d’entraînement développé dans le cadre d’un projet antérieur nous a permis d’obtenir de très bonnes performances. L’utilisation de ce système d’entraînement accouplé à un moteur synchrone ainsi que l’exploitation des connaissances acquises durant ce travail permettraient d’obtenir un rendement global de 90%.
Le rendement global du groupe convertisseur/moteur étudié dans ce rapport correspond à celui d’une machine asynchrone de classe IE2 couplée à un variateur de fréquence. Ce résultat justifie l’abandon des mesures de performance dans le cas de l’application de pompage.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Circle Motor AG
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Lindegger,Markus
Biner,Hans-Peter
Evéquoz,Blaise
Salathé,Dominique
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