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.