Silniki energooszczędne - czyli jak być zgodnym z przepisami od stycznia 2015 roku

CZĘŚĆ 1. ZMIANY W PRZEPISACH

Normą bazową jest dokument IEC 60034-30-1, który został przyjęty w Polsce jako PN-EN 60034-30-1 Maszyny elektryczne wirujące - Część 30-1: Klasy sprawności silników prądu przemiennego bezpośrednio zasilanych z sieci. W marcu 2014 roku Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna opublikowała tę najnowszą wersję, zastępującą wcześniejszą IEC 60034-30, która obowiązywała od 2008 roku (opis w ramce).

Co nowego w IEC 60034-30-1?

W IEC 60034-30-1:2014, w porównaniu do IEC 60034-30:2008, poszerzono zakres urządzeń, których dotyczą zapisy tej normy o silniki jednofazowe oraz 8-biegunowe. Większy jest także przedział ich mocy znamionowej. W najnowszej wersji IEC 60034-30-1:2014 określono oprócz tego wartości sprawności dla urządzeń w klasie IE4, która w dokumencie z 2008 roku została tylko zasygnalizowana.

Trwają prace nad IEC 60034-30-2. Będzie ona dotyczyć również silników współpracujących z przemiennikami częstotliwości. W przyszłych wydaniach tego dokumentu planuje się ponadto wprowadzić dodatkową klasę IE5. Celem jest zredukowanie strat dla klasy sprawności IE5 o około 20% w stosunku do IE4.

JAKICH SILNIKÓW DOTYCZY NORMA IEC 60034-30-1?

W IEC 60034-30-1 określono klasy sprawności jednobiegowych silników elektrycznych zasilanych z sinusoidalnego źródła napięcia znamionowanych według IEC 60034-1 (PN-EN 60034-1 Maszyny elektryczne wirujące - Część 1: Dane znamionowe i parametry) albo IEC 60079-0 (PN-EN 60079-0 Atmosfery wybuchowe - Część 0: Urządzenia - Podstawowe wymagania). Klasyfikacja ta obejmuje silniki o mocy znamionowej od 0,12 kW do 1 MW, napięciu znamionowym od 50 V do 1 kV, o 2, 4, 6 albo 8 biegunach, przeznaczone do pracy: ciągłej przy obciążeniu znamionowym i przy wzroście temperatury poniżej tej dopuszczalnej ze względu na klasę izolacji, w zakresie temperatur otoczenia od -20°C do + 60°C oraz na wysokości do 4 km n.p.m.

Zapisy tej normy nie dotyczą natomiast silników: jednobiegowych o 10 lub więcej biegunach ani wielobiegowych, z komutatorami mechanicznymi (na przykład silników prądu stałego), w pełni zintegrowanych z maszyną napędzaną, z przemiennikiem częstotliwości, jeśli silnika nie można zbadać niezależnie od niego i samohamownych, których integralną częścią jest hamulec. Ponadto wykluczone są silniki zaprojektowane do pracy przy pełnym zanurzeniu i do usuwania dymu o klasie temperaturowej powyżej +400°C.

KLASY SPRAWNOŚCI WEDŁUG IEC 60034-30-1

Rys. 1. Minimalna wymagana sprawność silników 4-biegunowych według IEC 60034-30-1

W normie określono cztery klasy sprawności energetycznej silników oznaczane skrótem IE (International Efficiency). Są to:

IE1 (Standard Efficiency),
IE2 (High Efficiency),
IE3 (Premium Efficiency),
IE4 (Super Premium Efficiency).

Każdej z nich przypisano zestaw wartości minimalnych sprawności w zależności od częstotliwości napięcia zasilania, liczby biegunów i mocy silnika. Pod uwagę nie jest brana natomiast technologia jego wykonania. Dzięki temu urządzenia, w których zastosowano różne rozwiązania konstrukcyjne, można rzetelnie porównywać pod względem oszczędności energii, jakie zapewniają.

Klasy określone w IEC 60034-30-1 są podobne do zdefiniowanych w innych normach. Na przykład sprawność silników standardowych klasy IE1 jest zbliżona do tych klasy Eff 2 według klasyfikacji z 1998 roku podanej przez CEMEP (European Committee of Manufacturers and Power Electronics). Podobieństw można się też dopatrzeć pomiędzy klasą IE2, charakteryzującą silniki o podwyższonej sprawności, a klasą Eff 1 i amerykańskim EPAct dla silników zasilanych napięciem o częstotliwości 60 Hz oraz pomiędzy klasą IE3, a amerykańskim NEMA Premium dla silników 60 Hz.

JAK ZMIERZYĆ SPRAWNOŚĆ SILNIKA?

Sprawność energetyczna silnika elektrycznego η jest definiowana jako iloraz jego mocy wyjściowej (mechanicznej) do mocy wejściowej (elektrycznej), co wyraża wzór:

η = P_wy / P_we

Można ją policzyć metodą bezpośrednią lub pośrednią. Pierwsza polega na wyznaczeniu wartości obu wielkości na podstawie, odpowiednio, prędkości i momentu obrotowego silnika oraz prądu i napięcia zasilania. W metodzie pośredniej moc wejściową lub wyjściową określa się identycznie, natomiast brakujący składnik równania oblicza się, uwzględniając straty P_t w silniku według wzoru:

η = (P_we-P_t) / P_we lub η = P_wy / (P_wy+P_t)

Norma IEC 60034-30-1 wymaga, aby przy określaniu sprawności, na podstawie której silnikowi przypisuje się klasę IE, korzystać ze sposobów zestandaryzowanych w IEC 60034-2-1 (PN-EN 60034- 2-1 Maszyny elektryczne wirujące - Część 2-1: Znormalizowane metody wyznaczania strat i sprawności na podstawie badań (z wyjątkiem maszyn pojazdów trakcyjnych)). W 2014 roku ta ostatnia również została zaktualizowana (opis w ramce).

Zmiany w IEC 60034-2-1

W czerwcu minionego roku norma IEC 60034-2-1 została zaktualizowana. Najnowsza, druga edycja tego dokumentu zastępuje wersję z 2007 roku, wprowadzając w niej kilka znaczących zmian. Najważniejsze z nich to: podział sposobów badania sprawności energetycznej na te do zastosowań profesjonalnych oraz te do sprawdzania i okresowych testów i uszczegółowienie wymagań dotyczących przyrządów pomiarowych.

IEC 60034-30-1 NIE DOPUSZCZA METOD Z WYSOKĄ NIEPEWNOŚCIĄ

Rys. 2. Straty energii w silniku dzieli się na cztery grupy: straty w uzwojeniu (tzw. straty w miedzi, obciążeniowe), w rdzeniu (tzw. straty w stali), mechaniczne (tarcia) i dodatkowe

W IEC 60034-2-1 opisano 10 metod pomiarowych, bezpośrednich (m.in. maszyny wzorcowej oraz przeciwsobnej mechanicznej) i pośrednich (strat całkowitych i strat poszczególnych). Każdej z nich przypisano niedokładność: niską, średnią albo wysoką.

Pierwsza charakteryzuje sposoby, w których wszystkie składniki sumarycznych strat w silniku są określane na podstawie badań, średnia dotyczy natomiast tych, w których w tym celu przyjmuje się ograniczoną liczbę założeń. Z kolei niepewność wysoką mają metody, w których wszystkie straty są wyznaczane tylko w przybliżeniu.

Parametr ten decyduje o możliwości wykorzystania konkretnego sposobu do badania silnika danej klasy. Dla urządzeń w grupie IE1 dopuszczalne są te z niepewnością niską oraz średnią. Sprawność pozostałych trzeba natomiast wyznaczać wyłącznie metodami z niską niepewnością. Informację o tym, jaką techniką została wyznaczona wartość tej wielkości, należy podać w dokumentacji silnika.

Wojciech Kordas

STERNET

Jak wyglądają rzeczywiste, całościowe koszty użytkowania nowych silników?

Paradoksem jest, że trzeba wpierw zużyć energię, aby móc ją oszczędzać. Aby wykorzystać cały potencjał, jaki drzemie w optymalizacji napędów elektrycznych, potrzeba wysiłku każdego z uczestników procesu. Odpowiedzialność za skuteczne wdrożenie wysokosprawnych napędów leży po stronie producentów silników, dystrybutorów, wytwórców maszyn i urządzeń oraz użytkowników końcowych. Korzyści ekonomiczne, jakie można odnieść w perspektywie czasu, znacznie przewyższają początkowe koszty wprowadzenia zmian. W czasach, gdy cena zakupu zdaje się być głównym argumentem, podejście oparte na efektywności i oszczędnościach w cyklu życia produktu zdaje się być pomijane.

Producenci maszyn i urządzeń powinni zdecydowanie bardziej uwzględniać ten fakt w promowaniu swoich produktów i na tym elemencie budować swój przekaz marketingowy. Jest to z pewnością proces trudny i złożony, ale warty poświęcenia ponieważ pozwala na zmianę kontekstu konkurowania na rynku z ceny na wartość.

Jakie są możliwości zwiększania sprawności całych systemów napędowych?

Znajdując najsłabsze ogniwo. Rozpatrując kwestie sprawności układów napędowych należy mieć świadomość, że jest ona zdeterminowana przez najmniej sprawny element tego układu. Wynika to z faktu, iż całkowita sprawność układu jest iloczynem sprawności poszczególnych jego elementów. Skupiając się wyłącznie na samym silniku, możemy popełnić błąd, ponieważ nie analizujemy innych istotnych czynników. Przypatrzmy się więc systemom zasilania i kontroli pracy, a także sposobie przeniesienia napędu. Przeanalizujmy charakterystykę pracy napędu i jego rolę w procesie technologicznym.

Czasem najprostsze zmiany dają największe efekty. W układach wentylatorowych lub pompowych zastosowanie przemienników częstotliwości zamiast mechanicznych układów kontroli przepływu przynoszą ogromne korzyści. To modelowy przykład na zmniejszenie zużycia energii w przedsiębiorstwie, lecz na pewno nie jedyny. Mało która firma przeprowadziła rzetelny, kompleksowy audyt energetyczny, który pomógłby z pewnością wskazać obszary optymalizacji. Zacznijmy traktować kwestię energooszczędności kompleksowo, nie sprowadzając dyskusji tylko do poszczególnych elementów napędu.

POPRAWA SPRAWNOŚCI DZIĘKI EKOPROJEKTOWI

W 2005 roku Parlament Europejski przyjął dyrektywę 2005/32/WE, która ustanawia ogólne zasady ustalania wymagań dotyczących ekoprojektu dla produktów wykorzystujących energię elektryczną lub paliwa kopalne (Energy using Products, EuP). Ekoprojekt oznacza zaprojektowanie urządzenia w taki sposób, by zmniejszyć jego oddziaływanie na środowisko przy zachowaniu jego funkcjonalności. Dzięki poprawie sprawności energetycznej, mimo przewidywanego wzrostu popytu na te produkty, w przyszłości uda się osiągnąć założoną, obniżoną wartość emisji gazów cieplarnianych.

Jak wygląda to na świecie?

Konieczność zmniejszenia zużycia energii przez silniki elektryczne dostrzeżono również w innych regionach świata. W efekcie w wielu krajach obowiązują przepisy określające minimalne poziomy sprawności energetycznej dla tych urządzeń, tzw. MEPS (Minimum Energy Performance Standard). Dalej przedstawiamy kilka z nich. W związku z taką ich różnorodnością porównywanie silników z różnych państw pod względem ich sprawności stało się trudne. Aby to zmienić, IEC (International Electrotechnical Commission) wprowadziło standardy: IEC 60034-30 i IEC 60034-2-1, z którymi pozostałe są zestawiane.

W Australii w 2001 roku, a w Nowej Zelandii w 2002 roku przyjęto normę AS/NZS 1359.5, która dotyczy trójfazowych silników elektrycznych, o mocy od 0,73 kW do 185 kW, napięciu do 1100 V 50 Hz i 2, 4, 6 i 8 biegunach. Określa ona poziom sprawności minimalnej, który jest obowiązkowy (odpowiednik IEC IE2) oraz wyższej, dobrowolnej (odpowiednik IEC IE3). Sprawność powinno się wyznaczać metodą A opisaną w AS/NZS 1359.102.3, odpowiedniku IEC 60034-2-1, albo metodą B z AS/NZS 1369.102.1, odpowiednika normy IEC 600034-2. By móc legalnie sprzedawać silniki, ich producent lub importer musi zarejestrować je na specjalnej stronie internetowej.

W Chinach obowiązuje norma GB 18613-2012. Podano w niej minimalne dopuszczalne wartości sprawności energetycznej i jej stopni dla małych i średnich trójfazowych silników indukcyjnych. Dotyczy ona urządzeń o napięciu do 1 kV 50 Hz, mocy od 0,75 kW do 375 kW, 2, 4 i 6 biegunach.

Stopniom sprawności określonym w GB 18613-2012 jako Grade 1, Grade 2 i Grade 3 odpowiadają klasy IEC, odpowiednio, IE4, IE3 oraz IE2. Minimalna dopuszczalna sprawność silników powinna być równa co najmniej tej przypisanej do stopnia 3. Parametr ten należy mierzyć zgodnie z metodą B przedstawioną w dokumencie GB/T 1032.

W USA regulacje dla silników elektrycznych wprowadzono wraz z przyjęciem Energy Policy Act (EPAct 1992), ustalającego wartości minimalnych sprawności silników trójfazowych o mocy od 1 do 200 HP. Zaktualizowano je w 2007 roku, wraz z przyjęciem Energy Independence and Security Act (EISA). Zasadnicza zmiana polegała na podwyższeniu sprawności silników o mocy 1-200 HP do poziomu premium i rozszerzeniu regulacji na silniki o mocy od 201 do 500 HP według zaleceń standardu MG-1, przygotowanego przez National Electrical Manufacturer’s Association (NEMA). Sprawność silników powinna być mierzona według zasad podanych w IEEE 112-B.

W 2009 roku dyrektywę 2005/32/WE zmieniono, wprowadzając dyrektywę 2009/125/WE. Podano w niej ogólne zasady ustalania wymogów dotyczących ekoprojektu dla szerszej grupy produktów, definiowanych jako te związane z energią (Energy related Products, ErP).

Na podstawie ogólnych wytycznych przedstawionych w dyrektywach Parlamentu Europejskiego Komisja Europejska przygotowuje konkretne wymagania dla poszczególnych grup urządzeń. Są one określane dla produktów, których sprzedaż w Unii Europejskiej jest duża i mających znaczący wpływ na środowisko. Powinien je również charakteryzować spory potencjał w zakresie poprawy efektywności energetycznej osiąganej bez ponoszenia nadmiernych kosztów.

Warto przeczytać!

Uzupełnieniem norm dotyczących klas sprawności energetycznej silników i metod pomiaru tego parametru jest przewodnik wydany przez IEC w 2010 roku. W dokumencie IEC 60034-31 pt. Rotating electrical machines - Part 31: Selection of energy-efficient motors including variable speed applications - Application guide przedstawiono wskazówki odnośnie do wyboru silników energooszczędnych pracujących w aplikacjach ze stałą prędkością obrotową i przy jej regulacji.

NAJWAŻNIEJSZY DOKUMENT MA NUMER 640/2009

Przykładem są silniki elektryczne. Zanim zakresem dyrektywy, potocznie zwanej EuP, objęto te urządzenia, zlecono badanie, w którym analizie poddano ich ekonomiczne, środowiskowe oraz techniczne aspekty. Potwierdziło ono, że ich liczba na rynku Unii Europejskiej jest duża i mają znaczący wpływ na środowisko, głównie w fazie użytkowania. Jak ustalono, roczne zużycie energii elektrycznej przez te urządzenia przekroczyło w 2005 roku tys. TWh, powodując emisję 427 Mt CO₂. W 2020 roku, o ile nic się nie zmieni, wzrośnie ono do 1252 TWh. Równocześnie stwierdzono, że zwiększenie ich sprawności energetycznej jest możliwe przez zastosowanie już znanych rozwiązań technicznych.

Mariusz Snowacki

HF Inverter Polska

Jak z Państwa perspektywy wygląda dostępność i użycie rozwiązań energooszczędnych w polskim przemyśle? Co z innymi krajami?

Efektywność energetyczna przypomina, co mogę stwierdzić bazując na moich własnych obserwacjach rynku polskiego, potwora z Loch Ness - każdy o nim słyszał, wszyscy o nim mówią, ale nikt go nie widział. Inwestorzy nadal często ignorują rozwiązania energooszczędne, które w początkowej fazie inwestycji są droższymi.

Potencjał ekonomiczny w zakresie poprawy efektywności użytkowania energii elektrycznej w gospodarce polskiej jest jednak znaczący i raczej słabo wykorzystany - nie tylko ze względu na szereg istniejących barier wynikających z użytych rozwiązań, ale także z braku informacji o dostępności nowych technologii. Osobiście już ponad pięć lat współpracuję z przedsiębiorstwami z Dalekiego Wschodu i przez ten krótki okres zauważyłem, jak szybki jest ich postęp technologiczny. Wynika nie tylko z dużych inwestycji finansowych w naukę, ale również z łatwego dostępu do surowców naturalnych. Jak wiemy Chiny posiadają największe złoża metali ziem rzadkich (skandowce i lantanowce), które wykorzystywane są do produkcji magnesów trwałych (samar, neodym), a te z kolei są używane w nowoczesnych silnikach o najwyższej klasie sprawności.

Czy oznacza to, że energooszczędność to nie tylko Europa?

Państwa Dalekiego Wschodu, a zwłaszcza Chiny, są gotowe do produkcji i stosowania rozwiązań energooszczędnych. Dla inwestorów jest to dobra informacja, ponieważ będzie to miało korzystny wpływ na cenę silników IE3 oraz IE4. W realiach wolnego rynku cena kształtowana jest przez podaż i popyt, a w tym konkretnym przypadku popyt jest ustalony przepisami prawa, co wpłynie na ilość dóbr silników IE3 na rynku również pochodzącego z Dalekiego Wschodu.

Nasza firma, HF Inverter Polska, jest dystrybutorem EURA Drives Electric - chińskiego producenta przemienników częstotliwości, softstarterów, serwo napędów, a od 2012 roku również silników o klasie sprawności super-premium IE4. Nie jest to jednostkowy przykład chińskiego przedsiębiorstwa, które produkuje i będzie dostarczał na rynek europejski silników spełniających nowe przepisy. Pragnę na marginesie zaznaczyć, że Daleki Wschód już dostarcza silniki o najwyższej klasie sprawności (IE3) od 19 grudnia 2010 roku do USA i Kanady. Od tego dnia obowiązują tam przepisy określające, że silniki o mocach od 1 hp do 200 hp muszą odpowiadać najwyższemu poziomowi sprawności określonemu przez NEMA. W Europie, regulacje te jak wiemy, są wprowadzane zgodnie z harmonogramem określonym rozporządzeniem Komisji Wspólnot Europejskich nr 640/2009, które jest aktem wykonawczym do Dyrektywy 2005/32/WE.

Wymagania przygotowane przez KE publikowane są jako rozporządzenia wykonawcze. Dokument taki, wdrażający postanowienia dyrektywy 2005/32/WE dla silników elektrycznych, wprowadzono w życie w 2009 roku jako rozporządzenie o numerze 640/2009.

W piśmie tym przedstawiono harmonogram, zgodnie z którym silniki o niższej sprawności według klasyfikacji analogicznej, jak ta przedstawiona w normie IEC 60034-30-1, mają zostać wycofane z rynku i z użytku na terenie Unii Europejskiej. Dzięki temu przewiduje się uzyskanie oszczędności energii elektrycznej rzędu 315 TWh w 2020 roku w porównaniu do jej prognozowanego zużycia w razie niepodjęcia żadnych działań.

Przykłady silników energooszczędnych

Silniki klasy IE4 - moc: od 75 do 375 kW, wznios wału: IEC od 280 do 355, materiał budowy: żeliwo, liczba biegunów: od 2 do 6, zakres napięć 400 V 50 Hz oraz 440/460 V 60 Hz, stopień ochrony: IP55.
www.abb.com

Silniki klasy IE3 - praca ciągła S1, stopień ochrony: IP55, klasa izolacji: F, temperatura pracy od -20 do +40°C, lakierowanie dla klimatu umiarkowanego RAL7030, klasa korozyjności: C3, zakres mocy: 0,75-355 kW, wielkość mechaniczna: 80-355, obroty: 3000, 1500, 1000 obr./min.
http://mollmotor.pl

Silniki energooszczędne - pełen zakres silników z serii SIE firmy Cantoni spełniających najnowsze regulacje unijne; parametry: moce znamionowe od 0,75 kW do 355 kW, wielkości mechaniczne: 80-355 mm, napięcia znamionowe: do 1000 V, częstotliwości 50 Hz oraz 50/60 Hz
www.cantonigroup.com

HARMONOGRAM WYCOFYWANIA Z RYNKU SILNIKÓW MAŁEJ SPRAWNOŚCI

Rys. 3. W energooszczędnych silnikach wprowadza się zmiany konstrukcyjne, które pozwalają ograniczyć straty energii:
(A) straty mechaniczne ogranicza się, minimalizując tarcie w łożyskach,
(B) straty dodatkowe minimalizuje się, odpowiednio zmniejszając szczelinę powietrzną,
(C) straty w rdzeniu ogranicza się, stosując blachy o wyższej przenikalności magnetycznej,
(D) grubsze uzwojenia zmniejszają straty obciążeniowe,
(E) dąży się też do ograniczenia oporu aerodynamicznego łopatek wentylatora

Pierwszą datą graniczną był 16 czerwca 2011 roku. Od tego dnia silniki musiały mieć co najmniej klasę sprawności IE2. Od 1 stycznia 2015 roku, silniki o mocy znamionowej w przedziale od 7,5 kW do 375 kW muszą z kolei mieć klasę sprawności co najmniej IE3 lub odpowiadać klasie IE2 i być wyposażone w sterownik bezstopniowy. Za dwa lata, tj. z początkiem 2017 roku, wymóg ten obejmie też silniki o mocy w zakresie od 0,75 kW do 375 kW.

Ograniczenia te dotyczą konkretnej grupy urządzeń. Zakresem rozporządzenia nr 640/2009 objęto: elektryczne indukcyjne silniki klatkowe o stałej prędkości zasilane prądem trójfazowym, 50 Hz lub 50/60 Hz, które mają od 2 do 6 biegunów, napięcie znamionowe do 1 kV, moc znamionową od 0,75 kW do 375 kW i są określane na podstawie ciągłej eksploatacji roboczej.

Na początku zeszłego roku wydano dokument numer 4/2014, zastępujący ten o numerze 640/2009. Zmodyfikowano w nim artykuł 1, który dotyczy jego przedmiotu i zakresu.

Najważniejsza zmiana to nowa lista urządzeń, których rozporządzenie to nie dotyczy. Zdecydowano się na to po analizie skutków wdrożenia wytycznych dokumentu nr 640/2009 na rynek i działanie silników.

Ważne daty

2005 - Przyjęcie dyrektywy 2005/32/WE ws. ekoprojektu dla produktów wykorzystujących energię

2007 - Publikacja normy IEC 60034-2-1 określającej metody badania sprawności silników

2008 - Publikacja normy IEC 60034-30-1 określającej klasy sprawności silników

2009 - Przyjęcie dyrektywy ws. ekoprojektu dla produktów związanych z energią, Publikacja rozporządzenia nr 640/2009 wdrażającego dyrektywę 2005/32/WE

2010 - Publikacja przewodnika wyboru silników energooszczędnych IEC 60034-31

2011 - Od czerwca silniki o mocy 0,75-375 kW muszą mieć klasę sprawności co najmniej IE2

2014 - Aktualizacja norm IEC 60034-30-1 i IEC 60034-2-1 Publikacja rozporządzenia nr 4/2014 zmieniającego to nr 640/2009

2015 - Od stycznia silniki o mocy 7,5-375 kW muszą mieć klasę sprawności co najmniej IE3 albo IE2 i być wyposażone w sterownik bezstopniowy

2017 - Od stycznia silniki o mocy 0,75-375 kW muszą mieć klasę sprawności co najmniej IE3 lub IE2 i być wyposażone w sterownik bezstopniowy

ZMIANY W ROZPORZĄDZENIU WDRAŻAJĄCYM DYREKTYWĘ W SPRAWIE EKOPROJEKTU

W rozporządzeniu nr 4/2014 zmieniono wartości: wysokości bezwzględnej, maksymalnych oraz minimalnych temperatur otoczenia i temperatur wody chłodzącej, po przekroczeniu których uznaje się, że silnik pracuje w warunkach ekstremalnych i musi w rezultacie mieć specjalną konstrukcję. Obecnie zatem jego zapisy nie stosują się do silników:

przeznaczonych do eksploatacji przy pełnym zanurzeniu w cieczy (bez zmian),
stanowiących integralną część produktu (przekładni zębatej, pompy, wentylatora, sprężarki, itp.), których charakterystyka energetyczna nie może być sprawdzona niezależnie od niego (bez zmian),
silników hamujących (bez zmian),
silników przeznaczonych do eksploatacji wyłącznie:
- na wysokościach powyżej 4000 m n.p.m. (wcześniej: 1000 m n.p.m.),
- w temperaturze otoczenia przekraczającej +60°C (wcześniej: +40°C),
- w maksymalnej temperaturze roboczej powyżej +400°C (bez zmian),
- w temperaturze otoczenia poniżej -30°C w odniesieniu do wszystkich silników albo poniżej 0°C w przypadku silników chłodzonych wodą (wcześniej: w temperaturze otoczenia poniżej -15°C dla wszystkich silników albo poniżej 0°C dla silników chłodzonych powietrzem)
- w przypadku, gdy temperatura wody chłodzącej na wejściu do produktu wynosi mniej niż 0°C lub więcej niż +32°C (wcześniej odpowiednio: +5°C i +25°C)
- w przestrzeniach zagrożonych wybuchem zgodnie z definicją z dyrektywy 94/9/WE.

Paweł Damian

ATB Tamel

W 2011 roku na rynku pojawiły się silniki standardowe do pracy w wyższych temperaturach otoczenia, co służyło "obejściu" przepisów w zakresie energooszczędności. Czy w przypadku kolejnej zmiany, która miała miejsce pierwszego stycznia, można spodziewać się, że klienci również będą zainteresowani pozostaniem przy starszych silnikach?

Podobne pytanie stawialiśmy sobie w roku 2011, kiedy 16 czerwca wchodził w życie obowiązek stosowania silników wysokosprawnych o klasie sprawności co najmniej IE2. Wówczas również zastanawialiśmy się, w którym kierunku będzie podążał rynek oraz jak na te zmiany zareagują klienci. Przepisy wpływały bowiem nie tylko na cenę silników, lecz również na ich budowę. W kilku przypadkach brak możliwości uzyskania wymaganej sprawności pociągał za sobą konieczność zastosowania silników o jeden rozmiar większych, co z kolei uniemożliwiało użycie danej wersji w dotychczasowej konstrukcji danego urządzenia. Tego typu sytuacje spowodowały, iż na rynku zaczęły pojawiać się silniki do pracy w wyższych temperaturach otoczenia bądź pracy innej niż ciągła (S1) celem "obejścia" konieczności stosowania silników IE2.

Z perspektywy czasu widać jak wymogi dotyczące silników wysokosprawnych zdywersyfikowały rynek. Podobnej sytuacji należy się również na skutek wejścia w życie przepisów o stosowaniu silników o klasie sprawności IE3. Podążanie za normami/przepisami jest obowiązkiem każdego producenta, jednak rynek sterowany jest wymaganiami klienta, a te ostatnie nierzadko nie są w jednej linii z dyrektywami. Głównym powodem takiego stanu rzeczy są koszty zakupu silników wysokosprawnych. W celu uniknięcia sytuacji stosowania silników IE1 należałoby, oprócz wprowadzenia ogólnych norm, budować świadomość klientów z zalet stosowania silników wysokosprawnych. To zadanie nie może być złożone wyłącznie na barki producentów silników elektrycznych, gdyż wszyscy jesteśmy odpowiedzialni za to, jak ten świat będzie wyglądał za kilka, kilkanaście lat.

CZĘŚĆ 2. JAK POPRAWIĆ SPRAWNOŚĆ ENERGETYCZNĄ SILNIKA?

Sprawność energetyczną silników elektrycznych można zwiększyć, przede wszystkim ograniczając straty energii zamienianej na ciepło. W czasie pracy silnika przemiana taka zachodzi zarówno w wirniku i w stojanie, jak i w dodatkowych elementach. Straty ogólnie podzielić można na cztery grupy: straty w uzwojeniu (tzw. straty w miedzi lub, inaczej, obciążeniowe), w rdzeniu (tzw. straty w stali), straty mechaniczne (tarcia) oraz straty dodatkowe.

Straty obciążeniowe występują w uzwojeniach wirnika i stojana. W wyniku przepływu prądu w postaci ciepła wydziela się moc strat proporcjonalna do kwadratu natężenia prądu i rezystancji przewodnika. Straty w uzwojeniach zmieniają się w zależności od obciążenia silnika i w wyniku zmiany rezystancji. To ostatnie zachodzi m.in. na skutek wahań temperatury otoczenia.

Zmianę rezystancji ΔR można w takim wypadku wyznaczyć ze wzoru:

ΔR=α·(R·ΔT)

gdzie: α to temperaturowy współczynnik rezystancyjny przewodnika, R - rezystancja w temperaturze odniesienia, a ΔT - zmiana temperatury.

W przypadku uzwojenia miedzianego przyrost temperatury o każde 10°C oznacza zwiększenie się jego rezystancji o 4%. Na wzrost rezystancji uzwojeń w maszynach indukcyjnych wpływ ma także zjawisko naskórkowości i tzw. efekt sąsiedztwa. Pierwszy polega na zagęszczaniu się prądu przy powierzchni przewodnika wraz ze wzrostem częstotliwości. Efekt sąsiedztwa jest z kolei skutkiem wzajemnego oddziaływania na siebie pól w otoczeniu sąsiadujących ze sobą przewodników i również objawia się zmianami gęstości prądu. Szacuje się, że łącznie straty obciążeniowe w uzwojeniach wirnika i stojana stanowią około 50% wszystkich strat energii w silniku.

Magda Muszyńska

Emerson Industrial Automation

Jak wyglądają rzeczywiste, całościowe koszty użytkowania nowych silników? W jakim stopniu ich wyższa cena zakupu jest równoważona przez oszczędności energii podczas użytkowania?

Szacuje się, że całkowity koszt silnika elektrycznego w 10-letnim okresie użytkowania składa się w 2% z kosztu zakupu, natomiast aż w 98% z kosztu energii, którą silnik konsumuje. Warto zatem przyjrzeć się możliwościom redukowania tej ostatniej. Silniki IE3 są droższe, jednak każdy dodatkowy procent zyskany na sprawności silnika spowoduje oszczędności energii podczas użytkowania.

Weźmy za przykład wersję 200 kW, 1500 obr./min., która wykorzystywana jest do pracy ciągłej. Sprawność określona przez IEC 60034-30-1 powinna wynieść nie mniej niż 95,1% dla klasy IE2 i 96% w klasie IE3. Wydaje się, że różnica jest niewielka, jeżeli jednak silnik ten pracuje przy znamionowym obciążeniu przez 8 tys. godzin rocznie, to przy założeniu kosztu energii na poziomie 30 groszy otrzymamy oszczędności roczne w wysokości 4732 zł, co w praktyce skompensuje różnicę w cenie zakupu obydwu modeli i to w okresie znacznie krótszym niż rok! Ta argumentacja trafia oczywiście do użytkowników urządzeń, jednak dla producentów kluczowy jest koszt zakupu.

Kilka lat temu na rynku pojawiły się silniki standardowe do pracy w wyższych temperaturach otoczenia, co służyło "obejściu" przepisów w zakresie energooszczędności. Czy obecnie można spodziewać się powtórki z historii?

Rzeczywiście, pomimo obowiązujących przepisów, gros silników sprzedawanych na rynku polskim to były tzw. "silniki temperaturowe". Z punktu widzenia producenta silników sprostanie wymogom wysokich sprawności wymagało dużych nakładów inwestycyjnych związanych z R&D, dostosowaniem środków produkcji oraz zastosowaniem często nowych, lepszych komponentów do produkcji. W rzeczywistości silniki IE3 znacząco różnią się konstrukcją. Na dłuższą metę liczący się europejscy producenci nie będą zainteresowani utrzymywaniem podwójnej produkcji, tj. tańszych silników o niższych sprawnościach oraz silników wysokosprawnych.

Jakie są możliwości zwiększania sprawności całych systemów napędowych? Może stosować silniki synchroniczne?

Silnik elektryczny to jedynie jeden z elementów układu napędowego. Mówiąc o optymalizacji energetycznej układu, należy przede wszystkim właściwie dobrać poszczególne jego elementy. Pierwszym krokiem jest dobór mechaniki, w tym elementów pośrednich przeniesienia napędu (sprzęgła). Nie zapominajmy o montażu do urządzenia - niewłaściwe wyosiowanie czy złe wyważenie układu niekorzystnie wpływa nie tylko na sprawność. Jeśli mowa o samych silnikach elektrycznych, to często są one niepotrzebnie przewymiarowane w stosunku do potrzeb. Praca poniżej parametrów znamionowych niekorzystnie wpływa na sprawność i generuje moc bierną.

Duża część aplikacji to aplikacje o zmiennym obciążeniu - wówczas należy rozważyć zakup falownika, który pozwoli dostosować pobór mocy do obciążenia w sposób znacznie bardziej efektywny, niż mechaniczne układy regulacji. W przypadku niektórych aplikacji, takich jak pompy czy wentylatory, obniżenie prędkości za pomocą falownika do 50% spowoduje ośmiokrotny spadek poboru mocy! Rozwiązaniem premium w zakresie sprawności jeśli chodzi o aplikacje zmiennoprędkościowe, będą silniki synchroniczne. Charakteryzują się one sprawnością wyższą niż IE4 i, w przeciwieństwie do silników indukcyjnych, utrzymują wysoką sprawność w całym zakresie regulacji prędkości.

STRATY W STALI, NA TARCIE I INNE STRATY

Straty w stali występują w obwodzie magnetycznym silnika, który stanowią rdzeń stojana i wirnika. Dzieli się je na tzw. straty na histerezę oraz straty na prądy wirowe. Te pierwsze wynikają ze strat energii potrzebnej do zmiany położenia domen w materiale magnetycznym w czasie jego okresowego przemagnesowywania, co następuje zgodnie z krzywą pętli histerezy. Niezależnie od strat histerezowych występują straty cieplne spowodowane prądami wirowymi indukowanymi w rdzeniach przez pole magnetyczne.

Razem wnoszą około 15-procentowy wkład w całkowite straty energii w silniku. Przyczyną strat mechanicznych jest z kolei tarcie, które występuje przede wszystkim w łożyskach. Energia tracona jest także na skutek oporu aerodynamicznego, który napotykają części wirujące silnika - wirnik oraz łopatki zintegrowanego z wirnikiem wentylatora chłodzącego silnik. Straty na tarcie stanowią także około 15% wszystkich strat energii w silniku.

Oprócz opisanych czynników na sprawność silnika wpływ mają również tzw. straty dodatkowe. Powstają one przede wszystkim na skutek harmonicznych pola magnetycznego w obrębie szczeliny powietrznej między stojanem i wirnikiem.

Ich przyczyną jest głównie nierównomierna grubość tej szczeliny spowodowana sposobem rozmieszczenia żłobków wirnika i stojana, rozbieżnościami w zakresie ich wymiarów oraz samym sposobem ułożenia uzwojeń w tych żłobkach. Niedokładności te są wynikiem zaniedbań na etapach projektowania oraz produkcji elementów stojana i wirnika. Straty dodatkowe stanowią z reguły około 20% wszystkich strat energii w silniku.

SILNIK ENERGOOSZCZĘDNY, CZYLI JAKI?

Z opisu głównych przyczyn strat energii w silnikach wynika, że aby ograniczyć ilość generowanego ciepła, należy zmodyfikować ich konstrukcję. Zmiany wprowadzane w tym celu w silnikach energooszczędnych można podzielić na trzy grupy. Pierwsza obejmuje przeprojektowanie komponentów silnika, w tym głównie zmianę ich wymiarów.

Oddzielnym zadaniem jest zapewnienie większej precyzji w zakresie wykonania poszczególnych elementów. Trzecia zmiana dotyczy z kolei wykorzystania do produkcji komponentów silnika materiałów o wyższej jakości i lepszych parametrach, co obejmuje m.in. zwiększanie ilości materiałów czynnych, głównie miedzi. Aby przykładowo ograniczyć straty obciążeniowe, dąży się do zmniejszenia rezystancji uzwojeń.

W tym celu zwiększa się pole przekroju poprzecznego uzwojeń stojana oraz stosuje grubsze uzwojenia wirnika. Dodatkowo w ostatnim przypadku często zastępuje się aluminium miedzią. Grubsze uzwojenia sprawiają, że konieczne staje się zwiększenie rozmiarów żłobków, co czyni się kosztem powierzchni rdzeni wirnika i stojana. Należy to uwzględnić w projekcie, odpowiednio zwiększając rozmiar tych ostatnich.

Ponadto, aby minimalizować straty miedzi, w przypadku stojana zmniejsza się również długość czołowych połączeń uzwojeń. Straty w rdzeniu można zmniejszyć, stosując do jego produkcji blachy wyższej jakości, które - jak na przykład stal magnetyczna - charakteryzują się mniejszymi stratami w procesie przemagnesowywania.

Rys. 4. Wartość rynku silników energooszczędnych w 2012 roku i prognoza na 2018

Przepisy napędzają popyt

Przepisy obowiązujące na całym świecie, które regulują dopuszczenie do użytku silników elektrycznych w zależności od ich sprawności energetycznej, promują te energooszczędne. Jak przewiduje Markets and Markets wartość globalnego rynku tych urządzeń zwiększy się dzięki temu do prawie 32 mld dol. w 2012 roku z blisko 92 mld dol. w 2018. Oznacza to średni roczny wzrost o około 20%.

2 W 1 - WIĘKSZA SPRAWNOŚĆ I LEPSZE PARAMETRY UŻYTKOWE

Straty na ciepło wywoływane występowaniem prądów wirowych ogranicza się z kolei, zmniejszając grubość blach rdzeni. W celu zminimalizowania strat dodatkowych należy natomiast z większą precyzją wykonać żłobki.

Jednocześnie tak dobiera się ich wymiary, aby uzyskać odpowiednią grubość szczeliny powietrznej między wirnikiem i stojanem również zoptymalizowaną pod kątem tych strat. Ograniczenie strat mechanicznych uzyskuje się przede wszystkim, instalując łożyska, których konstrukcję (wymiary oraz materiały, z których zostały wykonane) opracowano w taki sposób, aby straty na ciepło w wyniku tarcia były możliwie najmniejsze.

To ostatnie dodatkowo ogranicza się, stosując specjalne smary. Ponadto instaluje się mniejsze wentylatory oraz projektuje wnętrze silnika, zapewniając jak największy swobodny przepływ powietrza w jego obrębie. Opisane rozwiązania nie tylko zwiększają sprawność energetyczną silników zaliczanych do grupy tych energooszczędnych, ale również poprawiają ich parametry eksploatacyjne w porównaniu do maszyn w wykonaniu standardowym. Na przykład dzięki temu, że nowe silniki generują mniej ciepła oraz charakteryzują się mniejszymi drganiami, ich niezawodność jest większa i pracują one ciszej.

Tobiasz Witor

Lenze Polska

Czy po zmianach zachodzących w przepisach i na rynku nadal będzie zapotrzebowanie na starsze. tj. mniej wydajne energetycznie, modele silników?

Trzeba wyjść od analizy naszych klientów. Jeśli produkują oni na rynki Unii Europejskiej to muszą się poddać regulacjom nałożonym przez Unię. Jeśli natomiast eksportują poza UE, szczególnie na wschód to jak obserwujemy, żadne normy nie obowiązują - i to nie tylko w polityce.

W Lenze jesteśmy otwarci na potrzeby odbiorców. Możemy wyprodukować silnik czy motoreduktor z IE1, lecz nie będzie on opatrzony znakiem CE. Z taką sytuacją mamy najczęściej do czynienia przy kontaktach z działami utrzymania ruchu, które to żądają oferty 1:1 na komponent Lenze, który np. został wyprodukowany w latach 90. zeszłego wieku.

Jakie są możliwości zwiększania sprawności całych systemów napędowych? Czy również w tym zakresie może się zmienić legislacja?

Wiemy o tym, że w Brukseli trwają prace nad nową klasą efektywności dla systemów napędowych IES. W Lenze przygotowujemy się również na te nowości. PDS, czyli Power Drive System, będzie obliczany w oparciu o poziom strat odniesionych do mocy znamionowej. I tak będziemy mieli co najmniej 3 klasy: IES 0 - gdzie straty wynoszą powyżej 25%, IES 1 - straty oscylują wokół 25% oraz IES 2 - gdzie straty są mniejsze niż 25%.

Nasz najnowszy silnik Lenze smart motor spełnia już wymogi klasy IES 2. Z naszego punktu widzenia idealnie by było, gdyby nowa norma objęła również przekładnię jako element systemu napędowego, dla którego liczono by straty. W Lenze od lat stawiamy na wysokosprawne oraz żywotne przekładnie stożkowe, walcowe i planetarne, których straty nie przekraczają 5%. Przykładem na to jest nowa seria motoreduktorów g500, w której wyeliminowano kołnierz łączący przekładnie z silnikiem, zwiększając tym samym chłodzenie korpusu przekładni. Z optymizmem patrzymy na nadchodzące zmiany, gdyż jesteśmy do nich przygotowani!

SPRAWNOŚĆ SILNIKÓW PM I LSPM SIĘGA KLASY IE4

Przyszłe tematy numerów APA

Przedstawione metody poprawy sprawności są stosowane głównie w silnikach klasy IE2 i IE3. Jeżeli chodzi o urządzenia o najwyższej sprawności super premium, tj. klasy IE4, są to przede wszystkim silniki typu PM (Permanent Magnet), czyli z magnesami trwałymi.

Silniki te są maszynami synchronicznymi, tzn. że nie ma poślizgu pomiędzy wirującymi polami wirnika i stojana, jak w trójfazowych silnikach indukcyjnych. W przeciwieństwie do nich silniki PM nie mają uzwojeń wirnika. Zastępuje się je magnesami trwałymi umieszczanymi w głębi albo na powierzchni wirnika. W ten sposób eliminuje się straty w tej części silnika.

Silniki PM charakteryzuje znacznie większa sprawność niż silniki indukcyjne w czasie pracy z mniejszą prędkością. W porównaniu do tych o podobnej sprawności mogą być z kolei mniejsze. Ponieważ do produkcji magnesów trwałych potrzebne są pierwiastki ziem rzadkich, silniki tego rodzaju są niestety droższe. Ich wadą jest oprócz tego konieczność użycia sterownika. Wysoka temperatura oraz duże natężenie prądu sprzyjają ich rozmagnesowaniu. Silne magnesy w wirniku utrudniają jego demontaż i wymuszają użycie specjalnych narzędzi. To z kolei utrudnia serwis tych maszyn.

Alternatywą są silniki typu LSPM (Line Start Permanent Magnet), czyli z magnesami trwałymi o rozruchu bezpośrednim. Stanowią one połączenie trójfazowego silnika indukcyjnego i silnika PM - mają wirnik klatkowy oraz magnesy wbudowane pod klatką. Uzwojenie tej ostatniej jest aktywne w czasie rozruchu. Po rozpędzeniu silnik pracuje synchronicznie. Co prawda konstrukcja tych maszyn jest złożona, przez co są droższe, jednak nie wymagają sterownika.

Monika Jaworowska

Powiązane treści