Converter-Fed Induction Motor Losses: Determination With IEC Methods

Energy efficiency is an important topic when considering electric motor drives market. Although more efficient electric motor types are available, the induction motor remains as the most common industrial motor type. IEC methods for determining losses and efficiency of converter-fed induction motors were introduced recently with the release of technical specification IEC/TS 60034-2-3. Determining the induction motor losses with IEC/TS 60034-2-3 method 2-3-A and assessing the practical applicability of the method are the main interests of this study. The method 2-3-A introduces a specific test converter waveform to be used in the measurements. Differences between the induction motor losses with a test converter supply, and with a DTC converter supply are investigated. In the IEC methods, the tests are run at motor rated fundamental voltage, which, in practice, requires the frequency converter to be fed with a risen input voltage. In this study, the tests are run on both frequency converters with artificially risen converter input voltage, resulting in rated motor fundamental input voltage as required by IEC. For comparison, the tests are run with both converters on normal grid input voltage supply, which results in lower motor fundamental voltage and reduced flux level, but should be more relevant from practical point of view. According to IEC method 2-3-A, tests are run at rated motor load, and to ensure comparability of the results, the rated load is used in the grid-fed converter measurements, although motor is overloaded while producing the rated torque at reduced flux level. The IEC 2-3-A method requires also sinusoidal supply test results with IEC method 2-1-1B. Therefore, the induction motor losses with the recently updated IEC 60034-2-1 method 2-1-1B are determined at the motor rated voltage, but also at two lower motor voltages, which are according to the output fundamental voltages of the two network-supplied converters. The method 2-3-A was found to be complex to apply but the results were stable. According to the results, the method 2-3-A and the test converter supply are usable for comparing losses and efficiency of different induction motors at the operating point of rated voltage, rated frequency and rated load, but the measurements do not give any prediction of the motor losses at final application. One might therefore strongly criticize the method’s main principles. It seems, that the release of IEC 60034-2-3 as a technical specification instead of a final standard for now was justified, since the practical relevance of the main method is questionable.

Energiatehokkuus on tärkeä sähkömoottorikäyttömarkkinoita koskeva aihe. Vaikka oikosulkumoottoria energiatehokkaampia moottorityyppejä on saatavilla, se on edelleen yleisin käytännön moottorityyppi. IEC:n menetelmät taajuusmuuttajasyöttöisten induktiomoottoreiden häviöiden ja hyötysuhteen määritykseen esiteltiin vastikään julkaistussa teknisessä spesifikaatiossa IEC/TS 60034-2-3. Induktiomoottorin häviöiden määrittäminen IEC/TS 60034-2-3:n menetelmällä 2-3-A on työn pääkohteena. Menetelmässä 2-3-A käytetään erityistä testikonvertterikäyrämuotoa ja erot induktiomoottorin häviöissä testikonvertterisyötöllä ja DTC-konvertterisyötöllä ovat työssä toisena kohteena. IEC:n menetelmissä kokeet suoritetaan moottorin nimellisellä pääaallon jännitteellä, mikä vaatii käytännössä taajuusmuuttajan syöttöjännitteen korottamista. Työssä kokeet suoritetaan molemmilla taajuusmuuttajilla käyttäen keinotekoisesti korotettua muuttajan syöttöjännitettä, jolla pääaallon jännite saadaan moottorin nimelliseksi IEC:n vaatimusten mukaisesti. Vertailun vuoksi kokeet molemmilla taajuusmuuttajilla suoritetaan lisäksi käyttäen normaalia verkkojännitesyöttöä, minkä pitäisi olla käytännön kannalta relevantimpaa. Menetelmässä 2-3-A kokeet suoritetaan moottorin nimelliskuormalla ja jotta tulokset olisivat vertailukelpoisia, myös kokeet verkkosyötetyillä taajuusmuuttajilla suoritetaan nimelliskuormalla, vaikka nimellisväännön tuottaminen alentuneella jännitteellä ja vuolla tarkoittaakin moottorin kannalta ylikuormaa. Menetelmässä 2-3-A tarvitaan tulokset myös sinisyöttökokeista IEC:n 2-1-1B-menetelmällä. Induktiomoottorin häviöt määritetään sinisyötöllä äskettäin päivittyneen standardin IEC 60034-2-1 menetelmällä 2-1-1B moottorin nimellisjännitteellä sekä kahdella alemmalla jännitteellä, jotka ovat verkkosyötettyjen taajuusmuuttajien lähtöjännitteiden pääaallon mukaiset. Menetelmä 2-3-A todettiin monimutkaiseksi soveltaa, mutta sen antamat tulokset olivat vakaita. Työn tulosten perusteella menetelmä 2-3-A ja testikonvertterisyöttö soveltuvat induktiomoottoreiden väliseen häviöiden ja hyötysuhteen vertailuun nimellistaajuuden, nimellisjännitteen ja nimelliskuorman mukaisessa toimintapisteessä, mutta mittaukset eivät anna minkäänlaista ennustetta moottorin häviöistä loppukäyttökohteessa. Tämän perusteella vaikuttaa siltä, että IEC 60034-2-3:n julkaiseminen toistaiseksi teknisenä spesifikaationa lopullisen standardin sijaan oli vähintäänkin perusteltua, koska päämenetelmän käytännön merkitys on kyseenalainen.