OPTIPUMP – Optimale anwendungsrelevante Systemeffizienz von SiC-Pumpenantrieben

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502411

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Der Gesamtwirkungsgrad eines SiC-Antriebssystems wird für typische Einsatzprofile von Pumpen-Anwendungen systematisch untersucht und optimiert. Das betrachtete System beinhaltet alle zum Betrieb erforderlichen Komponenten, wie z.B. Gate-Treiber, Lüfter etc. und reicht vom Netzanschluss zur Motorwelle. Insbesondere wird der Einfluss der Halbleiter-Schaltfrequenz auf den Gesamtwirkungs-grad untersucht. Die Untersuchungen und Optimierungen werden mittels Parametervariation an einem SiC Pumpenantriebssystem im Leistungsbereich von einigen kW experimentell durchgeführt, wobei der SiC-Umrichter in diesem Projekt entwickelt wird. Weiterhin wird ein Berechnungstool entwickelt, welches die energetisch optimale Auslegung eines SiC Antriebssystems für gegebene Einsatzprofile ermöglicht. Die gewonnenen Resultate für den Gesamtwirkungsgrad werden mit einem kommerziell erhältlichen Silizium-Pumpenantrieb verglichen und daraus das Energiesparpotential für diese Anwendungen in der Schweiz ermittelt.

Kurzbeschreibung (Englisch)

The overall efficiency of a SiC drive system is systematically investigated and optimised for typical mission profiles of pump applications. The investigated system includes all components required for operation, such as gate drivers, fans, etc., and extends from the mains connection to the motor shaft. In particular, the influence of the semiconductor switching frequency on the total efficiency is assessed. The investigations and optimisations are carried out experimentally by means of parameter variation on a SiC pump drive system in the power range of several kW, whereby the SiC converter is devel-oped in this project. Furthermore, a simulation tool is developed which facilitates the determination of the energetically optimal design of a SiC drive system for given application profiles. The results obtained for the overall efficiency are compared with a commercially available silicon-based pump drive system and from this the energy-saving potential for these applications in Swit-zerland is determined.

URL-Adressen (Englisch)

Energetic calculation tool for drive systems

Schlussbericht (Deutsch)

In diesem Projekt wird ein kommerzielles 5.5 kW Antriebssystem für Pumpen mit IGBT-Technologie mit einem an der FHNW entwickelten SiC MOSFET-basierten Antriebssystem verglichen. Beide Systeme verfügen über eine 2-Level, dreiphasige Wechselrichter-Topologie und werden von einem dreiphasigen Diodenbrücken-Gleichrichter gespeist. Im Zentrum des Vergleichs stehen der Wirkungsgrad und die energetischen Verluste unter realistischen Betriebsbedingungen, die häufig im Teillastbereich stattfinden. Die Wirkungsgradmessungen wurden in Übereinstimmung mit der Norm IEC 61800-9-1 durchgeführt. Alle Messungen wurden an kompletten Antriebssystemen durchgeführt, die auch den netzseitigen Filter, die Steuerelektronik, den motorseitigen Filter und den Motor beinhalten.

Die Spezifikationen des an der FHNW entwickelten Frequenzumrichters wurden direkt vom Referenzsystem des Herstellers Grundfos übernommen, um eine direkte Vergleichbarkeit zu gewährleisten. Die wichtigsten Komponenten des entwickelten SiC-Umrichters sind:

• Dioden-Gleichrichtermodul (auf Siliziumbasis)
• SiC MOSFET 3-Phasen-Vollbrückenmodul
• Netzseitiger Filter und DC-Drossel, die aus dem Referenzsystem übernommen wurden.
• Eigenentwickelter motorseitiger Sinusfilter mit Kool-Mu Kernmaterial

Für die Durchführung der Wirkungsgradmessungen wurde ein Prüfstand für Antriebssysteme von Grund auf neu aufgebaut. Mit dem Prüfstand kann der Motor des zu testenden Systems mit Drehmoment und Drehzahl beaufschlagt werden, um systematisch die gewünschten Betriebspunkte anzufahren. Die Wirkungsgradmessungen wurden gemäss IEC 61800-9-1 durchgeführt, d.h. vom Netzanschluss bis zur Motorwelle mit einem Präzisions-Leistungsmessgerät. Zusätzliche Messungen wurden durchgeführt, um ein tieferes Verständnis über die Verteilung der Verluste im System zu erhalten.

Die wichtigsten Ergebnisse des Effizienzvergleichs sind:

• Der Wechsel von IGBT-basierten Umrichtern zu SiC-MOSFETs führt zu einer Steigerung des Systemwirkungsgrads von bis zu 10 Prozentpunkten unter Teillast und 1 Prozentpunkt bei Nennlast.
• Eine höhere Schaltfrequenz als der Standardwert von 8 kHz führt nicht zu einer Verringerung der Gesamtverluste, weder mit noch ohne Sinusfilter am Ausgang des Frequenzumrichters.
• Die Implementierung eines motorseitigen Filters mit verlustarmem Kernmaterial erhöht den Wirkungsgrad weiter und reduziert in Kombination mit einem SiC-Umrichter die Gesamtsystemver-luste auf ein Minimum.
• Das Entfernen des Sinusfilters erhöht die Verluste, da die im Motor auftretenden Verluste durch die ungefilterte Stromwelligkeit überproportional ansteigen.

Auf der Grundlage der für die beiden Antriebssysteme gesammelten Energieverlustdaten wurde eine Schätzung der potenziellen globalen Energieeinsparungen vorgenommen, die erzielt werden könnten, wenn alle drehzahlgeregelten Antriebssysteme auf die SiC-Technologie umgestellt würden. Die geschätzten jährlichen weltweiten Energieeinsparungen durch SiC-Antriebe in Pumpenanwendungen lieben im Bereich zwischen von 17 TWh bis 25 TWh.

Um die Nutzer von Antriebssystemen bei der Bewertung des Energieverbrauchs bei ihren spezifischen Betriebsprofilen zu unterstützen, wurde ein Berechnungstool entwickelt, das interessierten Nutzern online zur Verfügung steht. Durch Eingabe eines Datensatzes, der ihre Betriebsprofile und Effizienzdaten enthält, können die Nutzer ihren Energieverbrauch berechnen und Vergleiche zwischen verschiedenen Antriebssystemen anstellen.

Schlussbericht (Englisch)

The objective of this project is to compare a commercial 5.5 kW electrical standard drive system for pumps utilizing IGBT technology with a SiC MOSFET-based drive system developed at FHNW. Both systems feature a two-level, three-phase voltage source inverter topology and are powered by a three-phase diode bridge rectifier. The comparison focuses on efficiency and energy losses under realistic operating conditions, which frequently occur at partial load. Efficiency measurements were conducted in accordance with the IEC 61800-9-1 standard. All measurements were executed on complete drive systems, which also include the grid-side filter, control electronics, motor-side filter, and motor.

The specifications of the frequency converter developed at the FHNW were adopted directly from the reference system of the manufacturer Grundfos to ensure direct comparability. Key components of the developed SiC converter are:

• Diode rectifier module (silicon-based)
• SiC MOSFET 3-phase full-bridge module
• Grid-side filter and DC choke, used from the reference system.
• Own-developed motor-side sine-wave filter incorporating Kool-Mu core material.

A test bench for drive systems was set up from the ground up to carry out the efficiency measurements. The test bench can apply torque and speed to the motor of the system under test to systematically approach target operating points. The efficiency measurements were conducted in accordance with IEC 61800-9-1, specifically from the mains connection to the motor shaft using a precision power analyser. Additional measurements were performed to gain a deeper understanding of the distribution of losses in the drive system.

The key results of the efficiency comparison are:

• Changing from IGBT-based inverters to SiC MOSFETs results in a system efficiency increase of up to 10 percentage points in partial load and 1 percentage point in nominal load.
• Higher switching frequency than the standard value of 8 kHz does not reduce overall losses, whether with or without a sine wave motor filter at the output of the frequency converter.
• Implementing a motor-side filter with low-loss core material increases the efficiency further and, in combination with a SiC inverter, reduces total system losses to a minimum.
• Removing the sine wave filter increases the losses, since the losses occurring in the motor increase disproportionately due to the unfiltered current ripple.
• Based on the energy loss data gathered for the two drive systems, an estimate was made regarding the potential global energy savings that could be achieved if all speed-controlled drive systems were transitioned to SiC technology. The estimated annual global energy savings from SiC drives in pump applications range from 17 TWh to 25 TWh.

To assist users of drive systems in evaluating their energy consumption based on their specific operating profiles, a calculation tool has been developed and is available online for interested users. By entering a dataset that includes their operating profiles and efficiency data, users can calculate their energy consumption and make comparisons between different drive systems.

Zugehörige Dokumente

• Final report [PDF] 4'905 kB

Schlussbericht (Französisch)

L'objectif de ce projet est de comparer un système commercial d'entraînement électrique standard de 5,5 kW pour les pompes utilisant la technologie IGBT avec un système d'entraînement basé sur le SiC MOSFET développé à la FHNW. Les deux systèmes présentent une topologie d'onduleur à source de tension triphasée à deux niveaux et sont alimentés par un pont redresseur à diodes triphasé. La comparaison porte sur le rendement et les pertes d'énergie dans des conditions de fonctionnement réalistes, qui se produisent fréquemment à charge partielle. Les mesures de rendement ont été effectuées conformément à la norme IEC 61800-9-1. Toutes les mesures ont été effectuées sur des systèmes d'entraînement complets, qui comprennent également le filtre côté réseau, l'électronique de commande, le filtre côté moteur et le moteur.

Les spécifications du convertisseur de fréquence mis au point à la FHNW ont été adoptées directement à partir du système de référence du fabricant Grundfos afin d'assurer une comparabilité directe.

Les principaux composants du convertisseur SiC développé sont les suivants :

• Module redresseur à diodes (à base de silicium)
• Module de pont complet triphasé à MOSFET SiC
• Filtre côté réseau et self CC, utilisés dans le système de référence.
• Filtre sinusoïdal côté moteur développé par nos soins et incorporant le matériau de base Kool-Mu.

Un banc d'essai pour les systèmes d'entraînement a été mis au point pour effectuer les mesures d'efficacité. Le banc d'essai peut appliquer un couple et une vitesse au moteur du système testé pour s'ap-procher systématiquement des points de fonctionnement cibles. Les mesures de rendement ont été effectuées conformément à la norme CEI 61800-9-1, en particulier entre la connexion au réseau et l'arbre du moteur, à l'aide d'un analyseur de puissance de précision. Des mesures supplémentaires ont été effectuées pour mieux comprendre la répartition des pertes dans le système d'entraînement.

Les principaux résultats de la comparaison des rendements sont les suivants :

• Le passage des convertisseurs à base d'IGBT aux MOSFET SiC entraîne une augmentation de l'efficacité du système pouvant atteindre 10 points de pourcentage à charge partielle et 1 point de pourcentage à charge nominale.

• Une fréquence de commutation supérieure à la valeur standard de 8 kHz n'entraîne pas de réduction des pertes totales, que ce soit avec ou sans filtre sinusoïdal à la sortie du variateur de fréquence.

• La mise en oeuvre d'un filtre côté moteur avec un matériau de noyau à faibles pertes augmente encore le rendement et, en combinaison avec un convertisseur SiC, réduit les pertes totales du système à un minimum.
• La suppression du filtre sinusoïdal augmente les pertes, car les pertes qui se produisent dans le moteur augmentent de manière disproportionnée en raison de l'ondulation de courant non filtrée.

Sur la base des données relatives aux pertes d'énergie recueillies pour les deux systèmes d'entraînement, nous avons estimé les économies d'énergie potentielles au niveau mondial qui pourraient être réalisées si tous les systèmes d'entraînement à vitesse variable étaient convertis à la technologie SiC. Les économies d'énergie annuelles estimées au niveau mondial grâce aux entraînements SiC dans les applications de pompage se situent dans une fourchette de 17 TWh à 25 TWh.

Pour aider les utilisateurs de systèmes d'entraînement à évaluer leur consommation d'énergie en fonction de leurs profils de fonctionnement spécifiques, un outil de calcul a été développé et est disponible en ligne pour les utilisateurs intéressés. En entrant un ensemble de données comprenant leurs profils de fonctionnement et leurs données d'efficacité, les utilisateurs peuvent calculer leur consommation d'énergie et faire des comparaisons entre différents systèmes d'entraînement.