Czym jest produkt rozszerzony?

Część II. Przyszłe zmiany

Dotychczasowe rezultaty, niewykorzystany potencjał, jak również problemy z egzekwowaniem obowiązujących przepisów doprowadziły w końcu do zmiany regulacji w zakresie sprawności energetycznej silników elektrycznych. Polegała ona nie tylko na ich zaostrzeniu, ale również wprowadziła wytyczne dla przemienników częstotliwości.

Modyfikacje te zostały wprowadzone w rozporządzeniu Komisji Europejskiej numer 2019/1781 z dnia 1 października 2019 roku. Ustanowione w nim wymogi dotyczące ekoprojektu dla silników elektrycznych i układów bezstopniowej regulacji obrotów na podstawie dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE uchylają rozporządzenie KE o numerze 640/2009.

Podobnie jak w tym ostatnim, również w dokumencie numer 2019/1781 określone zostały daty graniczne harmonogramu wycofywania z rynku i użytku na terenie Unii Europejskiej silników i przemienników częstotliwości o niskiej sprawności. W jednym z pierwszych paragrafów natomiast doprecyzowano konkretnie, jakich urządzeń regulacje te dotyczą.

Rys. 1 Wytyczne dla silników elektrycznych z rozporządzenia 640/2009 obowiązują do 30 czerwca 2021 roku

Rys. 2 Nowe regulacje dla silników elektrycznych zaczną obowiązywać od 1 lipca 2021 roku

Zakres nowych regulacji

Rozporządzenie numer 2019/1781 ma zastosowanie do silników elektrycznych asynchronicznych bez szczotek, komutatorów, pierścieni ślizgowych i połączeń elektrycznych z wirnikiem, które są przystosowane do działania przy napięciu sinusoidalnym o częstotliwości 50 Hz, 60 Hz lub 50/60 Hz. W tej kategorii urządzeń dotyczy ono jedynie tych, które: mają dwa, cztery, sześć albo osiem biegunów, napięcie znamionowe powyżej 50 V, ale nie większe niż 1000 V, moc znamionową od 0,12 kW do 1000 kW włącznie, o parametrach znamionowych określanych na podstawie ciągłej eksploatacji roboczej oraz przystosowanych do bezpośredniej eksploatacji w trybie online.

Jeżeli z kolei chodzi o układy bezstopniowej regulacji obrotów, rozporządzenie obejmuje te z wejściem trójfazowym, które: są przystosowane do pracy z jednym silnikiem, którego dotyczy niniejsza regulacja przy jego mocy znamionowej od 0,12 kW do 1000 kW, mają napięcie znamionowe prądu przemiennego o wartości większej niż 100 V, ale nieprzekraczającej 1 kV i mają tylko jedno wyjście prądu przemiennego.

Podobnie jak w poprzedniej wersji przepisów wdrażających zalecenia ekoprojektu dla silników, także w nowej regulacji spora grupa urządzeń – tym razem nie tylko silników, ale też przemienników częstotliwości, została z niej wyłączona. Ich listę przedstawiamy w ramce.

Rys. 3 Przepisy dla silników elektrycznych ulegają zaostrzeniu 1 lipca 2023 roku

Kiedy zmiany wchodzą w życie?

W harmonogramie, zgodnie z którym będą się zmieniać wymagania odnośnie do sprawności energetycznej silników elektrycznych, ustalone zostały dwie daty graniczne. Pierwsza z nich to 1 lipca 2021 roku. Od tego dnia efektywność energetyczna trójfazowych silników indukcyjnych o mocy znamionowej nie mniejszej niż 0,75 kW oraz nie większej niż 1000 kW, mających 2, 4, 6 albo 8 biegunów, niebędących silnikami budowy wzmocnionej z certyfikatem Ex eb, musi odpowiadać co najmniej poziomowi klasy efektywności IE3. W przypadku z kolei trójfazowych silników indukcyjnych o mocy znamionowej nie mniejszej niż 0,12 kW oraz mniejszej niż 0,75 kW, mających 2, 4, 6 albo 8 biegunów, niebędących silnikami budowy wzmocnionej z certyfikatem Exeb, musi ona być co najmniej na poziomie klasy efektywności IE2.

Dwa lata później zaczynają natomiast obowiązywać wytyczne dla silników budowy wzmocnionej z certyfikatem Exeb o mocy znamionowej nie mniejszej niż 0,12 kW oraz nie większej niż 1000 kW, mających 2, 4, 6 lub 8 biegunów i silników jednofazowych o mocy znamionowej nie mniejszej niż 0,12 kW. Od dnia 1 lipca 2023 roku ich sprawność energetyczna musi odpowiadać co najmniej poziomowi klasy efektywności IE2.

Jakich urządzeń nie dotyczą nowe przepisy?

Z zakresu rozporządzenia Komisji Europejskiej o numerze 2019/1781 wyłączonych zostało kilka grup urządzeń. Część z nich pokrywa się z tymi, których nie dotyczyła poprzednia wersja regulacji wdrażających zalecenia ekoprojektowania dla silników elektrycznych, dla części z nich z kolei wymagania doprecyzowano. Ponadto listę znacząco rozszerzono. Nowe przepisy w związku z tym nie mają zastosowania do silników:

stanowiących integralną część produktu (na przykład przekładni zębatej, sprężarki), o charakterystyce energetycznej, która nie może być sprawdzona niezależnie, nawet przy zapewnieniu tymczasowego łożyska od strony tarczy i od strony napędu, mających wspólne komponenty (poza elementami łączącymi, jak śruby) z napędzanym urządzeniem (na przykład wał albo obudowę), które nie zostały zaprojektowane w sposób umożliwiający ich całkowite oddzielenie od napędzanego urządzenia oraz niezależną eksploatację, w takim bowiem przypadku stają się niezdatne do działania,
z wbudowanym układem bezstopniowej regulacji obrotów (napędów kompaktowych), których charakterystyka energetyczna nie może być sprawdzona niezależnie od układu bezstopniowej regulacji obrotów,
z wbudowanym hamulcem, który stanowi integralną część wewnętrznej konstrukcji silnika i którego nie można zdemontować ani również zasilać za pomocą oddzielnego źródła zasilania podczas badania wydajności silnika,
specjalnie zaprojektowanych i przeznaczonych do działania wyłącznie: na wysokościach powyżej 4000 m n.p.m., w temperaturze otoczenia przekraczającej +60°C, w maksymalnej temperaturze roboczej powyżej +400°C, w temperaturze otoczenia poniżej –30°C lub w przypadku gdy temperatura wody chłodzącej na wejściu do produktu wynosi mniej niż 0°C lub więcej niż 32°C,
specjalnie zaprojektowanych i przeznaczonych do eksploatacji przy pełnym zanurzeniu w cieczy,
spełniających szczególne warunki dotyczące bezpieczeństwa obiektów jądrowych,
z zabezpieczeniem przeciwwybuchowym zaprojektowanych i certyfikowanych na potrzeby górnictwa,
w urządzeniach bezprzewodowych lub zasilanych za pomocą akumulatorów,
w urządzeniach przystosowanych do obsługi ręcznej, których ciężar podczas działania jest podtrzymywany ręką,
w przenośnych urządzeniach sterowanych ręcznie, przenoszonych podczas działania,
z mechanicznymi komutatorami,
w pełni zabudowanych niewentylowanych,
wprowadzonych do obrotu przed dniem 1 lipca 2029 roku jako zamienniki identycznych silników stanowiących nieodłączną część produktów wprowadzonych do obrotu przed dniem 1 lipca 2022 roku, wprowadzanych do obrotu specjalnie w tym celu,
wielobiegowych, tj. mających liczne uzwojenia lub uzwojenie, które można przełączać, zapewniające różną liczbę biegunów i prędkości,
zaprojektowanych specjalnie na potrzeby trakcji pojazdów elektrycznych.

W rozporządzeniu 2019/1781 podano też listę kryteriów dla przemienników częstotliwości, w razie spełnienia których wytyczne w tym dokumencie tych urządzeń nie obowiązują. Przepisy te nie mają zastosowania do układów bezstopniowej regulacji obrotów:

zintegrowanych z produktem, których charakterystyki energetycznej nie można testować niezależnie od produktu, to znaczy, że próba ich oddzielenia spowodowałaby, że układ bezstopniowej regulacji obrotów lub produkt stałby się niezdatny do działania,
spełniających szczególne warunki dotyczące bezpieczeństwa obiektów jądrowych,
napędów regeneracyjnych,
napędów z sinusoidalnym prądem wejściowym.

Co z przemiennikami?

Od tego dnia zaostrzeniu ulegają również wytyczne dla trójfazowych silników indukcyjnych o mocy znamionowej nie mniejszej niż 75 kW i nie większej niż 200 kW, posiadających 2, 4 lub 6 biegunów, niebędących silnikami hamującymi, silnikami budowy wzmocnionej z certyfikatem Exeb ani innymi silnikami z zabezpieczeniem przeciwwybuchowym. Po 1 lipca 2023 roku ich sprawność energetyczna musi odpowiadać co najmniej poziomowi klasy efektywności IE4.

Jeżeli z kolei chodzi o przemienniki częstotliwości, zmiany zaczną obowiązywać od przyszłego roku. Od dnia 1 lipca 2021 straty mocy układów bezstopniowej regulacji obrotów przystosowanych do pracy z silnikami o znamionowej mocy wyjściowej nie mniejszej niż 0,12 kW i nie większej niż 1000 kW nie mogą przekraczać maksymalnych strat odpowiadających klasie efektywności IE2.

W rozporządzeniu numer 2019/1781 określono również wymogi dotyczące informacji o produktach w zakresie silników i przemienników częstotliwości oraz procedur pomiarów i obliczeń. Z pełnym tekstem tego dokumentu można się zapoznać w bazie aktów prawnych Unii Europejskiej dostępnej w Internecie.

Rys. 4 Regulacje dla przemienników częstotliwości zaczną obowiązywać od 1 lipca 2021 roku

Kompleksowe podejście jest efektywniejsze

Przepisy, podobne do tych wprowadzonych na terenie Unii Europejskiej, obowiązują także w innych częściach świata. Zasadniczo mają one jednak zastosowanie, analogicznie do regulacji ekoprojektu, oddzielnie do poszczególnych komponentów napędów (silników, przemienników, napędzanej maszyny), z pominięciem interakcji pomiędzy nimi.

Tymczasem oszczędności energii, jakie można uzyskać, rozpatrując sprawność energetyczną napędu jako całości, są potencjalnie znacznie większe. Nie uszło to uwadze organizacji normalizujących. W rezultacie opracowano normy dotyczące efektywności energetycznej całych systemów. Warto jest się nimi posiłkować, kompletując energooszczędne układy napędowe.

Przykładem są dokumenty serii IEC 61800-9 pt. Elektryczne układy napędowe mocy o regulowanej prędkości. Zaproponowano w nich nową metodologię oceny sprawności energetycznej produktu (wyrobu) rozszerzonego (extended product), czyli napędu i napędzanej maszyny. W podejściu EPA (Extended Product Approach) efektywność energetyczna jest analizowana w kontekście zastosowania, z uwzględnieniem rzeczywistych punktów pracy.

Czym jest produkt rozszerzony?

Koncepcja produktu rozszerzonego została po raz pierwszy wprowadzona w serii norm EN 50598, które zostały opublikowane w 2014 roku. Po niewielkich poprawkach i doprecyzowaniu została ona następnie włączona do normy IEC 61800-9 opublikowanej w 2017 roku.

Na rysunku 5 przedstawiono najważniejsze komponenty produktu rozszerzonego. Są to:

Motor Control System (MCS) – układ sterowania silnikiem. Może nim być CDM (Complete Drive Module), czyli w praktyce przemiennik częstotliwości albo aparat rozruchowy / softstarter,
Motor System (MS) – kombinacja silnika i układu sterowania. Jeżeli silnik jest zasilany przez CDM (przemiennik częstotliwości), razem z nim stanowi on PDS (Power Drive System), który jest jednocześnie MS. Jeżeli silnik jest podłączony do zasilania przez aparat rozruchowy / softstarter, to razem z nim stanowi MS,
napędzana maszyna (driven equipment) - urządzenie mechanicznie połączone z wałem silnika,
produkt rozszerzony (extended product) - połączenie MS i napędzanej maszyny, inaczej zestaw urządzeń elektrycznych oraz komponentów mechanicznych przeznaczonych do realizacji zadania zgodnie z wymaganiami aplikacji (na przykład transportu medium). Proces analizy efektywności energetycznej produktu rozszerzonego jest zadaniem wieloetapowym. Wytyczne w tym zakresie przedstawiono w dwóch częściach normy IEC 61800-9. W pierwszej z nich przedstawiono ogólne wytyczne (metody, modele), zaś w drugiej m.in. klasy sprawności dla CDM (IE0, IE1, IE2) i PDS (IES0, IES1, IES2).