Die ErP-Richtlinie der europäischen Union fordert, dass alle Produkte, die in nennenswertem Umfang elektrische Energie umsetzen, bezüglich ihres Wirkungsgrades beziehungsweise ihrer Verluste bewertet werden. Hiervon betroffen sind auch Anwender von drehzahlveränderbaren Antriebssystemen, zum Beispiel in Pumpenapplikationen und Lüfteranwendungen. Im techni­schen Komitee TC22X der europäischen Normungsorganisation Cenelec wird aktuell die Norm prEN 50598-2 erarbeitet, welche explizit die Verlustbestimmung von Frequenzumrichtern und Antriebssystemen regelt. Ein weiteres Dokument dieser Normfamilie – die prEN 50598-1 – beschreibt die Anforderungen, die zu erfüllen sind, um das Verfahren für alle Antriebsanwendungen einzusetzen. Last but not least legt ein drittes Dokument – die prEN 50598-3 – die Vorgehensweise eines Life Cycle Assessment für eine Umweltdeklaration von Antrieben fest.

Die Betriebspunkte zur Verlustbestimmung

Die Verluste eines Antriebssystems (PDS, Power Drive System), bestehend aus Frequenzumrichter und Motor, sind abhängig von dessen Betriebspunkt in der Drehzahl-Drehmoment-Ebene. Um den Aufwand für die Verlustbestimmung in Grenzen zu halten, werden in dieser Ebene acht Betriebspunkte definiert, in denen die Verluste zu bestimmen sind (siehe Bild 1). Die Verlustbestimmung an anderen Betriebspunkten im ersten Quadranten kann durch Inter- beziehungsweise Extrapolation aus den definierten Betriebspunkten erfolgen.

Da ein Frequenzumrichter keine Drehzahl und kein Drehmoment hat, definieren hier stattdessen die relative Ausgangsfrequenz, die dem Modulationsgrad entspricht, und der relative drehmomentbildende Strom den Betriebspunkt. Die entsprechenden normativen Betriebspunkte sind im unteren Teil von Bild 1 zu sehen. Die Bestimmung der Verluste eines Frequenzumrichters (CDM, Complete Drive Module) im Bemessungspunkt wird bei einem Aussteuergrad von 90 % vorgenommen. Dies soll verhindern, dass durch eine beginnende Übermodulation Schalthandlungen ausgelassen werden. Bei geringerem Aussteuergrad entsprechen die Betriebspunkte des Frequenzumrichters den Betriebspunkten des Antriebssystems.

Bild 2. Nach der Einstufung der Motoren in IE-Klassen sind nun Frequenzumrichter (links) und Antriebssysteme (rechts) an der Reihe.

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Einige relevante Betriebspunkte eines Antriebssystems liegen bei sehr kleiner Drehzahl. In diesen Betriebspunkten ist die Ausgangsleistung nahe Null. Damit ist auch der Wirkungsgrad in diesem Betriebspunkt nahe Null; und zwar unabhängig davon, ob das System hohe oder nur geringe Verluste erzeugt. Um in einem derartigen Betriebspunkt eine verwertbare Aussage über die Performance eines Frequenzumrichters beziehungsweise Antriebssystems geben zu können, werden nicht der Wirkungsgrad, sondern die Verlustleistung der Komponenten bewertet.

Für Hersteller von Frequenzumrichtern bedeutet die neue Norm, dass in der Dokumentation die Verluste des Gerätes in den acht angesprochenen Betriebspunkten anzugeben sind. Und zwar als Werte, die auf die Ausgangsscheinleistung des Frequenzumrichters bezogen werden. Bezogene Werte bieten den Vorteil, dass sie über verschiedene Leistungsklassen leichter vergleichbar sind. Die Bemessungs-Ausgangsscheinleistung wurde deshalb als Bezugsgröße gewählt, weil sie hauptbestimmend für die Umrichterverluste ist. Für ein Antriebssystem sind die Verluste auf die mechanische Bemessungs-Ausgangsleistung des verwendeten Motors zu beziehen.

Virtueller Umrichter als Referenz

Neben der Verlustleistung in den acht Betriebspunkten ist für jedes Gerät eine Effizienzklasse zu bestimmen, nach der eine vergleichende Einordnung erfolgen kann. Als Bezugsgröße für die Klassifizierung der Frequenzumrichter dienen die Verluste eines virtuellen Referenzumrichters. Diese sind als „Stand der Technik“ aus einem dreiphasigen Spannungszwischenkreis-Umrichter mit Zwei-Level-Technik und einer Nennspannung von 400 V abgeleitet und normativ festgelegt.
Um die IE-Klasse eines Frequenzumrichters festzulegen, werden dessen Verluste im Betriebspunkt bei 90 % Aussteuergrad und 100 % drehmomentbildendem Strom auf die Verluste des Referenzumrichters in dem gleichen Betriebspunkt bezogen. Liegen seine Verluste im Bereich ±25 % der Verluste des Referenzumrichters, wird ihm die Klasse IE1 zugewiesen. Sind seine Verluste geringer, wird er als IE2 spezifiziert. Sind sie höher, erfolgt eine Einstufung in die Klasse IE0.

Für Antriebssysteme werden in analoger Weise IES-Klassen (International Efficiency for Systems) definiert. Die Klasse IES1 deckt dabei den Bereich von ±20 % der Verluste des Referenz-Antriebssystems ab.

Verfahren zur Verlust­bestimmung

Um die Verluste eines Frequenzumrichters reproduzierbar bestimmen zu können, ist es erforderlich, diesen durch eine Testlast definiert elektrisch zu belasten. Wesentlichen Einfluss auf die Verluste des Wechselrichters haben dabei allein die Höhe des Umrichter-Ausgangsstroms sowie dessen Phasenlage zur Grundschwingung der Ausgangsspannung. Deshalb werden diese beiden Werte für verschiedene drehmomentbildende Ströme zur Verlustbestimmung des Frequenzumrichters normativ vorgegeben. Die Verluste des Gleichrichters werden im Wesentlichen durch die aufgenommene Wirkleistung des Frequenzumrichters bestimmt. Mit den beiden genannten Größen sowie der relativen Ausgangsfrequenz beziehungsweise -spannung nach Bild 1 ist die Wirkleistung des Umrichters ebenfalls definiert. Damit ist jede elektrische Last verwendbar, die diese Spezifikation erfüllt – entweder ein realer Motor oder aber auch eine elektronische Motornachbildung.

Bild 3. Diese Verlustleistungsquellen sind im mathematischen Berechnungsmodell des Frequenzumrichters berücksichtigt.

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Um den Messaufwand bei der Bestimmung der Verluste zu minimieren, erlaubt die Norm prEN50598-2 eine rechnerische Verlustbestimmung. Grundsätzlich ist jeder Hersteller frei, wie er die Verluste seiner Geräte berechnet. Er ist jedoch für die Richtigkeit seiner Ergebnisse verantwortlich. Die Norm schlägt einBerechnungsmodell vor, das durch die entsprechende Wahl der Parameter für jeden Frequenzumrichter verwendbar ist.

Ist die Schaltfrequenz eines Frequenzumrichters mindestens um den Faktor 15 höher als dessen Grundfrequenz, so lassen sich die Verluste des Wechselrichters mit analytischen Formeln berechnen. Als Parameter zur Berechnung der Durchlassverluste werden hierfür die Schwellenspannung und der differenzielle Widerstand von Transistor und Freilaufdiode benötigt, die im Datenblatt des Leistungshalbleiters aufgeführt sind. Zur Berechnung der Schaltverluste gilt es, die Schaltverlustenergie von Transistor und Freilaufdiode zu ermitteln. Diese Parameter lassen sich zwar prinzipiell ebenfalls dem Datenblatt der Leistungshalbleiter entnehmen; häufig werden sie aber messtechnisch in Einzelpuls-Tests ermittelt, da sie vom Umrichteraufbau und der Ansteuerung der Leistungshalbleiter beeinflusst werden. Zusätzlich ist der Ladestrom des Motorkabels bei der Verlust-Ermittlung mit zu berücksichtigen.

Die Schaltverluste skalieren linear mit der Schaltfrequenz. Um eine Verlagerung der Verluste von dem Umrichter in die Last zu vermeiden, sollen Frequenzumrichter mit einer Bemessungsleistung bis 90 kW mit einer definierten Schaltfrequenz von 4 kHz arbeiten, bei Geräten mit höherer Bemessungsleistung mit 2 kHz. Ist es nicht möglich, einen Frequenzumrichter mit diesen spezifizierten Schaltfrequenzen zu betreiben, ist die verwendete Schaltfrequenz in der Gerätedokumentation aufzuführen.

Neben den Verlusten im Wechselrichter sind Verluste von Gleichrichter, Netzdrossel, Zwischenkreiskondensatoren, Stromschienen, Entwärmungselementen und Elektronikbaugruppen zu berücksichtigen. Insbesondere bei Frequenzumrichtern kleiner Leistung fallen die Verluste von Elektronikbaugruppen stärker ins Gewicht. Die auf die Bemessungs-Ausgangs-Scheinleistung des Umrichters bezogenen Gesamtverluste sind in der Gerätedokumentation in den acht definierten Betriebspunkten zu veröffentlichen.

Gegenstand der Verlustbetrachtung ist immer das auf den Markt gebrachte Gerät. Werden zu diesem Gerät Optionen angeboten – etwa EMV-Filter oder Motorfilter –, so sind die Verluste dieser Optionen ebenfalls in der Gerätedokumentation zu veröffentlichen, wenn sie 0,1 % der Umrichter-Bemessungsleistung und eine Verlustleistung von 5 W übersteigen.

Alternativ zur Berechnung können die Verluste des Frequenzumrichters über eine direkte elektrische Messung ermittelt werden. Bei dieser Messung erfolgt die Bestimmung der Verluste mit Hilfe von Leistungsmessgeräten aus der Dif­ferenz von Eingangsleistung auf der Netzseite und Ausgangsleistung auf der Motorseite. Auf der Ausgangsseite des Frequenzumrichters liegt die Spannung in gepulster Form vor. Deshalb ist es erforderlich, dass das Leistungsmessgerät mit einer Abtastrate arbeitet, die mindestens um den Faktor zehn höher ist als die Schaltfrequenz des Frequenzumrichters. Das generelle Problem der Verlustbestimmung aus der Differenz von Eingangs- und Ausgangsleistung liegt darin, dass beide Werte wesentlich größer sind als die Verlustleistung selbst. Deshalb ist es insbesondere im Bereich kleiner Verlustleistungen erforderlich, Messgeräte mit hoher Genauigkeit zu verwenden und der Messunsicherheit besondere Aufmerksamkeit zu schenken.

Mit kalorimetrischen Messungen ist eine höhere Genauigkeit erzielbar, weil mit dieser Methode die Verluste unmittelbar bestimmt werden. In der Norm sind zwei Verfahren mit einer beziehungsweise zwei Messkammern beschrieben. In beiden Fällen werden sowohl das zu messende Gerät als auch der Kalibrierwiderstand mit bekannter Verlustleistung in der Kammer betrieben und aus den Temperaturen für Zuluft und Abluft der Kammer die Verluste des Umrichters bestimmt. Die kritische Größe bei der kalorimetrischen Messung ist die Genauigkeit der Temperatur-Erfassung von Zu- und Abluft. Diese ist jedoch unabhängig von der Verlustleistung des Umrichters und liefert daher auch für geringe bezogene Verluste noch ausreichend genaue Messwerte. Der hauptsächliche Nachteil der kalorimetrischen Messung liegt in der aufwendigen Messtechnik und der langen Zeitdauer einer Messung, da die Temperaturen von Zu- und Abluft im thermischen Gleichgewicht sein müssen.

Verlustbestimmung im Antriebssystem

Im Antriebssystem ist die Schaltfrequenz des Frequenzumrichters frei wählbar. Eine hohe Schaltfrequenz führt zu erhöhten Umrichterverlusten, während eine niedrige Schaltfrequenz zu hohen Motorverlusten führt. Dem Hersteller eines Antriebssystems steht es somit frei, eine verlustoptimale Schaltfrequenz zu wählen.

Bild 4. Mit steigender Schaltfrequenz sinken die Motorverluste, während die Umrichterverluste steigen. Für die Gesamtverluste existiert ein Optimum.

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Liegen die Verluste der Einzelkomponenten Frequenzumrichter und Motor in den acht Betriebspunkten aus Bild 1 vor, so können die Verluste des Antriebssystems in den sieben Teillastpunkten durch Addition der absoluten Verluste von Umrichter und Motor berechnet werden. Im Bemessungspunkt ist jedoch eine Korrektur erforderlich. Die Motorverluste sind nach der Messvorschrift in IEC 60034-2-3 an einem Prüfgerät ermittelt worden, welches auch bei der Bemessungsdrehzahl des Motors dessen Bemessungs-Grundschwingungsspannung liefert.

Für den häufigen Fall, dass die Bemessungsspannung des Motors gleich der Nennspannung des speisenden Netzes ist (zum Beispiel 400 V), wird ein Frequenzumrichter mit Dioden-Einspeisung jedoch nicht in der Lage sein, die Bemessungsspannung des Motors als Grundschwingung seiner Ausgangsspannung zu liefern. Um dennoch das Antriebssystem mit Bemessungsleistung zu betreiben, benötigt der Motor einen höheren Strom, der im Motor auch höhere Verluste erzeugt. In erster Näherung kann angenommen werden, dass die Motorverluste linear mit sinkender Grundschwingungsspannung steigen. Grundsätzlich verursacht ein erhöhter Strom auch erhöhte Verluste im Frequenzumrichter. Da dieser bei Bemessungsdrehzahl des Motors jedoch im Übersteuerungsbereich arbeitet und somit Schalthandlungen wegfallen, kompensieren diese in erster Näherung die Auswirkungen des höheren Stromes, so dass der Korrekturfaktor auf die Motorverluste beschränkt bleibt.

Die kalorimetrische Messung ist für die Verlustbestimmung eines Antriebssystems nicht praktikabel, weil die Motorwelle zur Lastmaschine thermisch isoliert durch die Wand der Messkammer geführt werden müsste. Messtechnisch ist die Verlustleistung eines Antriebssystems durch eine Messung der elektrischen Eingangsleistung auf der Netzseite und der mechanischen Ausgangsleistung an der Motorwelle bestimmbar. Im Gegensatz zur Messung des Frequenzumrichters ist beim Antriebssystem eine Korrektur der Motorverluste in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur erforderlich. Die Anforderungen an die Messtechnik sind in IEC 60034-2-1 spezifiziert. Da die Verlustleistung des Motors in der Regel deutlich über der Verlustleistung des Fre­quenzumrichters liegt, ist das zuvor beschriebene Genauigkeitsproblem für das Antriebssystem weniger relevant.

Aus heutiger Sicht ist zu erwarten, dass die beschriebene Norm im Laufe des Jahres 2014 gültig wird.

Autor: Benno Weis ist Fachexperte für Leistungselektronik und HW-Architektur bei Siemens sowie Chairman verschiedener IEC- und Cenelec-Komitees.