Silniki energooszczędne - jak interpretować nowe przepisy

CZĘŚĆ 1. PRZEPISY I NORMY

Rys. 1. Klasy IE mają swoje odpowiedniki w klasyfikacjach według CEMEP i NEMA

Początki zmian przepisów związanych z energooszczędnymi silnikami elektrycznymi sięgają końca zeszłego wieku, kiedy opracowano ich klasyfikację na podstawie sprawności energetycznej. W 1999 roku wspólnie dokonały tego CEMEP (European Committee of Manufacturers and Power Electronics) i Komisja Europejska.

Dla silników indukcyjnych, trójfazowych, o budowie zamkniętej, zasilanych napięciem 400 V/50 Hz, z 2 lub 4 biegunami, o mocy od 1,1 kW do 90 kW, określono trzy klasy sprawności. Silniki o najniższej sprawności zaliczono do klasy EFF3, a najbardziej energooszczędne do EFF1. Klasę EFF2 przypisano urządzeniom o średnim poziomie sprawności.

Podobne klasyfikacje ogłosiły także inne organizacje - na przykład NEMA (National Electrical Manufacturers Association) w USA. Przez to trudno było porównywać sprawności silników od różnych producentów. Dlatego IEC (International Electrotechnical Commission) zaproponowało swój podział, który zastąpił pozostałe. Tak powstała norma IEC 60034-30:2008.

Dla silników klatkowych indukcyjnych trójfazowych jednobiegowych o znamionowym napięciu do 1 kV i częstotliwości 50/60 Hz, z 2, 4 albo 6 biegunami, o mocy od 0,75 do 375 kW zdefiniowano trzy klasy sprawności. Silniki o sprawności najniższej zaliczono do IE1 (Standard efficiency), wyższej do IE2 (High efficiency), a najwyższej do IE3 (Premium efficiency). IEC przyjęło zatem kolejność odwrotną niż CEMEP.

W IEC 60034-30 wyróżniono też, chociaż bez dookreślania, klasę IE4 (Super Premium Efficiency). Silnikom o sprawności poniżej IE1 nie przydzielono klasy, przyjęto tylko, że ich odpowiednikiem jest grupa EFF3 według CEMEP. IE1 odpowiadało EFF2, a IE2 EFF1. Na rysunku 1 przedstawiono odpowiedniki według NEMA. Sprawność silnika, na podstawie której określano klasę IE, była wyznaczana według procedury opisanej w IEC 60034-2-1:2007.

CZY IEC 60034-30:2008 WCIĄŻ OBOWIĄZUJE?

W 2014 roku IEC 60034-30:2008 została zastąpiona przez IEC 60034-30-1. W Polsce dokument ten przyjęto jako PN- EN 60034-30-1 pt. Maszyny elektryczne wirujące. Część 30-1. Klasy sprawności silników prądu przemiennego bezpośrednio zasilanych z sieci (kod IE). Określono w nim cztery klasy sprawności dla silników jednobiegowych 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), o mocy 0,12 kW - 1 MW, napięciu znamionowym 50 V - 1 kV, o 2, 4, 6 albo 8 biegunach, do pracy ciągłej: przy obciążeniu znamionowym i wzroście temperatury poniżej dopuszczalnej ze względu na klasę izolacji, w temperaturze otoczenia -20°C... + 60°C, na wysokości do 4 km n.p.m.

IEC 60034-30-1 nie dotyczy silników: jednobiegowych o 10 albo większej liczbie biegunów, wielobiegowych, z komutatorami mechanicznymi, zintegrowanych z napędzaną maszyną i z przemiennikiem częstotliwości, jeśli silnika nie można zbadać niezależnie od niego, samohamownych, których integralną częścią jest hamulec, zaprojektowanych do pracy przy pełnym zanurzeniu w cieczy i usuwania dymu o klasie temperaturowej powyżej +400°C.

Dla poszczególnych klas od IE1 do IE4 w IEC 60034-30-1 podano zestawy wartości minimalnych sprawności w zależności od częstotliwości napięcia zasilania, liczby biegunów oraz mocy silnika. Sprawność urządzenia, na podstawie której określa się klasę IE, wyznacza się według procedury opisanej w normie 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 też została ona zaktualizowana. W ramce podsumowujemy zmiany wprowadzone w IEC 60034-30-1 i IEC 60034-2-1 w porównaniu do wersji z lat 2007-2008.

JAK WYZNACZYĆ SPRAWNOŚĆ SILNIKA?

Sprawność energetyczna silnika elektrycznego jest definiowana jako iloraz jego mocy wyjściowej (mechanicznej) do mocy wejściowej (elektrycznej). Można ją policzyć metodą bezpośrednią lub pośrednią. Pierwsza z metod polega na wyznaczeniu wartości obu wielkości na podstawie, odpowiednio, prędkości i momentu obrotowego silnika oraz prądu i napięcia zasilania. W metodzie pośredniej moc wejściową albo wyjściową określa się identycznie, natomiast brakujący składnik równania oblicza się, uwzględniając straty w silniku.

W IEC 60034-2-1 opisano dziesięć 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 metodą została wyznaczona sprawność, należy umieścić w dokumentacji silnika. Wartości tej wielkości podawane przez różnych producentów można porównywać, o ile zostały wyznaczone w ten sam sposób.

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, aby 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.

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.

NAJWAŻNIEJSZY DOKUMENT TO 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. Stwierdzono również, że zwiększenie ich sprawności energetycznej jest możliwe przez zastosowanie już znanych rozwiązań technicznych.

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.

Przedstawiono w nim 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.

HARMONOGRAM WYCOFYWANIA Z RYNKU SILNIKÓW MAŁEJ SPRAWNOŚCI

Rys. 2. Sprawność wymagana w poszczególnych klasach (dotyczy silników 4-biegunowych)

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 musiały z kolei mieć klasę sprawności co najmniej IE3 lub odpowiadać klasie IE2 i być wyposażone w sterownik bezstopniowy. Z początkiem 2017 roku wymóg ten objął 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 2014 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.