IEA 4E TCP EMSA – Tasks «International Standards» and «Testing»

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/501851

Short description (German)

Im Rahmen des IEA 4E Electric Motor System Annex übernimmt die Schweiz die Co-Leitung der beiden Arbeitspakete «Internationale Standards» und «Testing».

Der Task "Internationale Normen" organisiert die Aktivitäten der EMSA-Mitglieder in den Fachausschüssen für internationale Normen, insbesondere in Arbeitsgruppen der IEC welche Effizienzklassen für elektrische Maschinen und Umrichter behandeln. Um eine zuverlässige Prüfmethode für Umrichterverluste vorzustellen und die aktuell definierten Referenzverluste und Effizienzklassen zu überprüfen, hat EMSA in Zusammenarbeit mit der IEC ein internationales Round Robin-Prüfprogramm für Umrichterverluste (RR'C) gestartet.

Im Task "Testing" ist die Schweiz zusammen mit Dänemark für die Organisation, Überwachung und Dokumentation des Ringversuchs für Umrichterverluste verantwortlich.

Short description (English)

Within the framework of the IEA 4E Electric Motor System Annex, Switzerland is co-managing the two work packages "International Standards" and "Testing".

The Task "International Standards" organizes the activities of EMSA members in the technical committees for international standards, namely in efficiency related working groups for electric machines and converters in IEC. In order to be ready to present a reliable testing method for converter losses and to review the currently defined reference losses and efficiency classes, EMSA in cooperation with IEC has launched an international Round Robin testing program for converters losses (RR'C).

In the task “Testing” Switzerland, together with Denmark, is responsible for the organization, monitoring and documentation of the Round Robin test program for converter losses.

Short description (French)

Dans le cadre de l'annexe 4E de l'IEA sur les systèmes de moteurs électriques, la Suisse assure la cogestion des deux lots de travail "Normes internationales" et "Essais".

La tâche "Normes internationales" organise les activités des membres de l'EMSA au sein des comités techniques des normes internationales, à savoir les groupes de travail sur l'efficacité énergétique des machines électriques et des convertisseurs de la IEC. Afin d'être prête à présenter une méthode d'essai fiable pour les pertes des convertisseurs et d'examiner les pertes de référence et les classes de rendement actuellement définies, l'EMSA, en coopération avec la CEI, a lancé un programme international d'essais à la volée des pertes des convertisseurs (RR'C).

Dans la tâche "Testing" la Suisse et le Danemark sont responsables de l'organisation, de la surveillance et de la documentation du programme d'essai Round Robin pour les pertes de convertisseurs.

Final report (German)

Die zweite Phase des Round Robin Converter Tests hat gezeigt, dass das Uniform Testing Protocol (UTP) eine zuverlässige Prüfmethode für Umrichterverluste darstellt, die hochgradig wiederholbare Ergebnisse liefert. Die Messungen aus verschiedenen Laboren weltweit bestätigten eine hohe Übereinstimmung und trugen zur Beseitigung von Unklarheiten in der IEC 61800-9-2 Revision 2 bei.

Ein zentrales Ergebnis der Untersuchung war, dass fast alle getesteten Umrichter in die höchste Effizienzklasse (IE2) fallen. Dies zeigt, dass bereits marktfähige Umrichter eine hohe Effizienz aufweisen, wodurch die Einführung weiterer Effizienzklassen möglicherweise nicht notwendig ist. Allerdings wurde festgestellt, dass die Korrekturfaktoren für Umrichter mit zusätzlichen Funktionen zu einer übermässigen Kompensation von Verlusten führen können. Dies könnte dazu führen, dass ein Umrichter mit Ausgangsfilter in eine höhere Effizienzklasse eingestuft wird.

Die Ergebnisse bekräftigen die Notwendigkeit einer klaren Definition von Mindestanforderungen (MEPS) für Umrichter sowie einer verbesserten Transparenz bei Herstellerangaben zur Effizienz im Teillastbetrieb.

Die Untersuchung von Silizium-Karbid (SiC)-Wechselrichtern zeigt vielversprechende Effizienzsteigerungen durch höhere Schaltfrequenzen, jedoch nur bis zu einem bestimmten Punkt. Während die Reduzierung der Stromharmonischen Motorverluste verringert, dominieren bei zu hohen Schaltfrequenzen die Schaltverluste des Umrichters, sodass der Gesamtwirkungsgrad wieder sinkt.

Die Untersuchungen zu Teilentladungen (PD) haben bestätigt, dass SiC-Umrichter aufgrund steilerer Spannungsflanken höhere Überspannungen an Motoranschlüssen erzeugen können. Dies kann zu einer beschleunigten Alterung der Wicklungsisolation führen, insbesondere wenn bestehende Umrichter ohne Anpassungen ersetzt werden. Zudem wurde eine Erhöhung der Lagerströme beobachtet, wobei deren Auswirkungen stark vom Lagertyp und den Betriebsbedingungen abhängen.

Trotz der theoretischen Vorteile der SiC-Technologie ergaben die Langzeittests Probleme mit der Zuverlässigkeit der zur Verfügung stehenden Umrichter, was weitere Forschungsarbeiten zur Robustheit und industriellen Anwendbarkeit von Wide Bandgap (WBG)-Halbleitern rechtfertigt. Die Entwicklung einer umfassenden Forschungs-Roadmap stellt einen wichtigen Schritt dar, um offene Fragen zur Einführung und Optimierung von WBG-Technologien in industriellen Antrieben zu klären.

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• Schlussbericht [PDF] 4'037 kB

Final report (English)

The second phase of the Round Robin Converter Test has shown that the Uniform Testing Protocol (UTP) is a reliable test method for converter losses that provides highly repeatable results. The measurements from various laboratories around the world confirmed a high level of agreement and contributed to the elimination of ambiguities in IEC 61800-9-2 Revision 2.

A key result of the study was that almost all the inverters tested fell into the highest efficiency class (IE2). This shows that marketable inverters already have a high level of efficiency, which means that the introduction of further efficiency classes may not be necessary. However, it was found that the correction factors for inverters with additional functions can lead to excessive compensation of losses. This could lead to an inverter with an output filter being classified in a higher efficiency class.

The results confirm the need for a clear definition of minimum requirements (MEPS) for inverters and for improved transparency in manufacturer information on efficiency in partial load operation.

The investigation of silicon carbide (SiC) inverters shows promising increases in efficiency through higher switching frequencies, but only up to a certain point. While the reduction of the current harmonics reduces motor losses, the switching losses of the inverter dominate if the switching frequencies are too high, so that the overall efficiency drops again.

The investigations into partial discharge effects on the windings (PD) have confirmed that SiC inverters can generate higher overvoltages at motor connections due to steeper voltage edges. This can lead to accelerated ageing of the winding insulation, especially if existing inverters are replaced without adjustments. An increase in bearing currents has also been observed, although the effects of this depend heavily on the bearing type and operating conditions.

Despite the theoretical advantages of SiC technology, the long-term tests revealed problems with the reliability of the available converters, which justifies further research into the robustness and industrial applicability of wide bandgap (WBG) semiconductors. The development of a comprehensive research roadmap represents an important step towards clarifying open questions regarding the introduction and optimization of WBG technologies in industrial drives.

Final report (French)

La deuxième phase du test Round Robin Converter a démontré que l'Uniform Testing Protocol (UTP) est une méthode de test fiable pour les pertes des convertisseurs, qui fournit des résultats hautement répétables. Les mesures effectuées dans différents laboratoires du monde entier ont confirmé un haut degré de concordance et ont contribué à lever les ambiguïtés de la norme CEI 61800-9-2 Révision 2.

L'un des principaux résultats de l'étude est que presque tous les convertisseurs testés appartiennent à la classe d'efficacité la plus élevée (IE2). Cela montre que les convertisseurs déjà commercialisés présentent un rendement élevé, ce qui pourrait rendre inutile l'introduction de classes de rendement supplémentaires. Toutefois, il a été constaté que les facteurs de correction pour les convertisseurs dotés de fonctions supplémentaires peuvent entraîner une compensation excessive des pertes. Cela pourrait conduire à l'attribution d'une classe d'efficacité supérieure à un variateur équipé d'un filtre de sortie.

Les résultats confirment la nécessité de définir clairement les exigences minimales (MEPS) pour les convertisseurs et d'améliorer la transparence des déclarations des fabricants sur l'efficacité en charge partielle.

L'étude des onduleurs au carbure de silicium (SiC) montre des augmentations prometteuses de l'efficacité grâce à des fréquences de commutation plus élevées, mais seulement jusqu'à un certain point. Alors que la réduction des harmoniques de courant diminue les pertes du moteur, les pertes de commutation du convertisseur dominent à des fréquences de commutation trop élevées, de sorte que le rendement global diminue à nouveau.

Les études sur les décharges partielles (DP) ont confirmé que les convertisseurs SiC peuvent générer des surtensions plus élevées aux bornes du moteur en raison des flancs de tension plus raides. Cela peut entraîner un vieillissement accéléré de l'isolation du bobinage, en particulier lorsque les convertisseurs existants sont remplacés sans adaptation. En outre, on a observé une augmentation des courants de palier, dont les effets dépendent fortement du type de palier et des conditions de fonctionnement.

Malgré les avantages théoriques de la technologie SiC, les tests à long terme ont révélé des problèmes de fiabilité des convertisseurs disponibles, ce qui justifie la poursuite des recherches sur la robustesse et l'applicabilité industrielle des semi-conducteurs à large bande interdite (WBG). Le développement d'une feuille de route de recherche complète représente une étape importante pour résoudre les questions en suspens concernant l'introduction et l'optimisation des technologies WBG dans les entraînements industriels.