W standardach i normach efektywności energetycznej szczególną uwagę poświęcono silnikom elektrycznym ze względu na ich liczne zastosowania w procesach przemysłowych, dobrze udokumentowaną konstrukcję, wydajność i metody pomiarowe. Największych usprawnień dokonano w konstrukcji samych silników, zbliżając się do granicy ekonomicznej opłacalności dalszych zmian. Przyszła więc pora na analizę pozostałych elementów systemu napędowego.
Minimalne standardy w zakresie efektywności energetycznej (MEPS ? ang. Minimum Energy Performance Standard) dla indukcyjnych silników elektrycznych zostały uchwalone w wielu rozwiniętych krajach. Na ten typ silnika zwrócono szczególną uwagę ze względu na jego popularność i liczbę tego typu jednostek pracujących na całym świecie. Wymagania MEPS, będące ogólnym standardem, zostały przyjęte w pierwszej kolejności przez USA, Australię, Brazylię, Kanadę i inne państwa. Nieco później Unia Europejska wydała rozporządzenie Komisji Europejskiej EC 64/2009, czyniąc standardy MEPS wymogami na terenie Unii. Inne kraje mają własne normy efektywności energetycznej.
Efektywność energooszczędnych silników pracujących pod pełnym obciążeniem można znaleźć w publikacji Standard Publication Motors and Generators (MG 12011) wydanej przez NEMA (ang. ? National Electrical Manufacturers Association) ? Narodowym Stowarzyszeniu Producentów Aparatury Elektrycznej działającym głównie na terenie USA.
Kolejną inicjatywą podjętą przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych było uwzględnienie mniejszych silników w inicjatywie oszczędności energii. Nazywany ?ostateczną zasadą? standard Energy Conservation Program: Energy Conservation Standard for Small Electric Motors, opublikowany w marcu 2010, obejmuje silniki ogólnego przeznaczenia, silniki w obudowach kroploszczelnych i silniki trójfazowe o mocy poniżej 0,75 kW, a w przypadku niektórych typów do 2,25 kW.
Standard uwzględnia w szczególności silniki od 185 W do 2250 W w wykonaniu 2-, 4- i 6-biegunowym i rozmiarach 4256. Dotyczy on też silników jednofazowych takiej samej mocy uruchamianych przy pomocy kondensatora, składających się z tej samej ilości biegunów, a także silników IEC o takich samych wymiarach. Standard ten wchodzi w życie w marcu 2015 roku.
Wprowadzone wymagania efektywności energetycznej małych silników elektrycznych nie spotkały się z entuzjazmem producentów. Sprzeciw jest podyktowany różnymi względami, takimi jak większa różnorodność aplikacji, różne konstrukcje silników, mniej sformalizowane metody badań itp. ? wszystko w porównaniu do przemysłowych aplikacji ze znacznie większymi silnikami indukcyjnymi, nad badaniami których pracowano przez lata.
Europa nie zostaje w tyle
W międzyczasie powstała seria standardów Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC) obowiązujących na terenie UE, dotyczących silników indukcyjnych i innych. Tabela 1 to podsumowanie uregulowań, na podstawie których stworzono wieloczęściowy standard IEC 60034.
Przedział mocy, które obejmuje IEC 60034, wynosi 0,12500 kW. Dla urządzeń o mocach 500800 kW będzie wyznaczona pojedyncza wartość minimalnej efektywności energetycznej.
W standardzie uwzględniono więcej rodzajów silników: wszystkie o stałej prędkości obrotowej, silniki pierścieniowe, jednofazowe, hamujące, a także niemal wszystkie synchroniczne silniki z magnesami trwałymi o prędkościach obrotowych z zakresu 10005000 rpm.
IEC 60034-30 definiuje cztery klasy międzynarodowej sprawności (IE) dla silników indukcyjnych: standardowa sprawność (IE1), podwyższona sprawność (IE2), najwyższa sprawność (IE3) oraz (IE4), która ma być rozwinięciem IE3. Klasy sprawności IE odpowiadają w przybliżeniu wymaganiom MEPS określonym w USA, tj. IE2 ? EPAct, IE3 ? NEMA Premium. Zaproponowano również klasę IE5, bez wskazania specyfikacji i potencjalnej dostępności takiej wersji. Przyjmuje się, że taka technologia oznacza redukcję strat o około 20% w stosunku do klasy IE4.
Chociaż normy efektywności energetycznej są tworzone głównie dla silników indukcyjnych, ich producentom ciężko jest spełnić wyżej poziomy IE. Tu do akcji wkraczają inne konstrukcje, w tym synchroniczne silniki z magnesami trwałymi. Wprowadzone ostatnio standardy dotyczą napędów z przemiennikami zasilanymi bezpośrednio lub przez konwertery (np. IEC 60034-2-3). Stosując przemiennik, trzeba będzie wziąć pod uwagę straty generowane przez harmoniczne i starty w filtrze linii zasilającej. Komitety techniczne IEC pracują również nad innymi topologiami silników, włączając w to przełączaną reluktancję, elektroniczną komutację i specjalne konstrukcje silników do współpracy z przemiennikami. Wszystko na potrzeby nowych standardów efektywności energetycznej.
Rozporządzenie Komisji Europejskiej Nr 640/2009 zobowiązuje do przestrzegania kategorii energetycznych:
- IE2 od 16 czerwca 2011 dla silników o mocy 0,75375 kW
- IE3 od 1 stycznia 2015 dla silników o mocy 7,5375 kW
- IE3 od 1 stycznia 2017 dla silników o mocy 0,75375 kW
Silniki elektryczne o najwyższej sprawności przynoszą największe korzyści, gdy są stosowane w aplikacjach, w których wymagana jest stała prędkość obrotowa przez długi czas. Są procesy produkcji gazu i wentylatory wymuszające obieg powietrza w elektrowniach. Wiele innych aplikacji, w których wykorzystuje się silniki elektryczne, wymaga oceny efektywności energetycznej na etapie projektu lub modernizacji.
Silniki to nie wszystko
Chociaż MEPS koncentrują się na silnikach elektrycznych, współpracujące z nimi komponenty mają głęboki wpływ na sprawność całego systemu. Weźmy dla przykładu silnik wyposażony w przekładnię. Jeśli oba komponenty mają relatywnie wysoką sprawność wynoszącą 95%, to tworzony przez nie system ma sprawność całkowitą wynoszącą 90,2%. Oczywiście kolejne komponenty będą dalej obniżać sprawność systemu.
Z tego powodu coraz większą uwagę poświęca się komponentom systemu napędowego, a nie wyłącznie samym silnikom. Opracowanie standardów sprawności całych systemów jest oczywiście znacznie trudniejsze. Dane dotyczące efektywności energetycznej są ograniczone lub niewystarczające do skategoryzowania miriady przemysłowych i konsumenckich systemów będących w użyciu. Złożoność i ogromna ilość zmiennych w takich systemach dodatkowo komplikuje problem. Jeszcze innym zagadnieniem jest ocena i ulepszenie sprawności przy częściowym obciążeniu (wnoszącym np. 50 albo 25%), zarówno dla silników, jak i pozostałych komponentów systemów napędowych.
Nie istnieją międzynarodowe standardy określające sprawność dla aplikacji, w których silniki stanowią jej główny element, ale mimo wszystko nastąpił rozwój motopomp, wentylatorów i kombinacji silnik-falownik.
Kilka uregulowań UE w zakresie sprawności pomp (w tym pomp obiegowych CO) i wentylatorów w różnych kombinacjach z silnikami i falownikami jest już w przygotowaniu. Niedawno weszło w życie rozporządzenie określające współczynnik efektywności energetycznej (EEI) pomp cyrkulacyjnych, który nie może przekraczać wartości 0,27. 1 sierpnia 2015 roku przepisy zostaną zaostrzone. Opracowywane są standardy efektywności energetycznej dla wentylatorów o mocach 125 W500 kW.
W Stanach Zjednoczonych nie ma norm określających sprawność pomp, wentylatorów i sprężarek. Departament Energii USA pracuje nad dokumentem ?dobrych praktyk? zwiększających efektywność wyżej wymienionych urządzeń napędzanych przez silniki. NEMA i konsorcjum zwolenników oszczędności energii wspomaga tę inicjatywę (zobacz tabela 2), zaznacza John Malinowski, przewodniczący sekcji napędów i generatorów w NEMA oraz starszy menedżer produktu w dziale napędów prądu zmiennego w Baldor Electric Co., członka grupy ABB. Biorąc pod uwagę złożoność problemu określenia sprawności całego systemu, współpraca wielu jednostek ma sens, ponieważ na bazie wiedzy i doświadczenia każdej z nich można stworzyć ogólny szablon dobrych praktyk. Takie zalecenia mogłyby stać się w przyszłości podstawą nowych standardów.
Malinowski wyjaśnia, że konsorcjum i wiele innych zaproszonych do współpracy podmiotów wspólnie pracują nad aktualizacją różnych publikacji Departamentu Energii USA.
Inne działania dotyczą rozwoju narzędzi programistycznych wspomagających implementację standardów efektywności energetycznej, programów szkoleń i konferencji technicznych.
Narzędzia, modernizacje, edukacja
Różnorodne oprogramowanie i zalecenia są już dostępne. Poniżej przykłady bezpłatnych narzędzi dostępnych online, przygotowanych przez Departament Energii USA:
- Fan System Assessment Tool (FSAT) ? pomaga określić ilość wykorzystanej i zaoszczędzonej energii w przemysłowych systemach wentylatorowych.
- Pump System Assessment Tool (PSAT) ? umożliwia kalkulację potencjalnych oszczędności energii i kosztów w systemach z pompami. Dane wydajności pomp pochodzą ze standardów Hydraulic Institute, a dane silników z bazy danych NEMA Motor Master+.
- AirMaster+ ? pomaga przeprowadzić analizę zużytej energii i potencjalnych oszczędności w przemysłowych systemach zaopatrzenia w sprężone powietrze ? dla obecnych i przyszłych aplikacji.
Inne godne uwagi inicjatywy dotyczące pomp i systemów zaopatrzenia w sprężone powietrze to Pump Systems Matter (PSM) oraz Compressed Air Challenge (CAC). Organizacje wspierają użytkowników tych systemów, pomagając zwiększyć wydajność energetyczną, zmniejszając przy tym koszty, poprzez niezależne opinie na temat produktów, szkolenia i edukację.
W Europie kolejne standardy będą dotyczyć szerszej grupy urządzeń. Jednym z przykładów zaprezentowanych na konferencji Motor Summit 2010 przez dr. inż. Martina Doppelbauera, przewodniczącego grupy 31 TC2 w IEC, jest IEC 528xx, który będzie dotyczył sprawności napędów o zmiennej prędkości, systemów napędowych o większychmocach i ?kompletnych systemów napędowych?.
Sprawność przekładni to kolejne pole do znacznej oszczędności energii. Zasługuje na specjalną uwagę przy budowie nowego systemu, ale również w czasie modernizacji obecnej aplikacji. Dobrym przykładem jest modernizacja wentylatorów, wież chłodniczych wykorzystywanych również w wielu innych aplikacjach, w tym komercyjnych. Malinowski wspomina jedną z modernizacji Baldor Electric, w której nieefektywną przekładnię ślimakową i napędzający ją silnik indukcyjny o dwóch prędkościach zastąpiono napędem bezpośrednim, wykorzystującym synchroniczne silniki z magnesami trwałymi klasy IE4 (zobacz zdjęcie) i przemienniki częstotliwości, uzyskując ponad 50% oszczędność energii elektrycznej oraz inne dodatkowe korzyści. Relatywnie prosta modernizacja wyeliminowała potrzebę stosowania przekładni.
Podsumowując perspektywy sprawności silników elektrycznych, Malinowski mówi: ? Od wielu lat modernizując procesy, wybieramy komponenty o wyższej sprawności. Chociaż jest to dobra praktyka, zapewnia tylko niewielkie oszczędności. Poszczególne komponenty tworzą całość ? system, który powinniśmy analizować od transformatora zasilającego, przez układy łagodnego załączania i przemienniki częstotliwości oraz silniki, po elementy przenoszące moc do obciążenia. Optymalizacja wszystkich komponentów w ramach systemu ? w tym sterowania ? może prowadzić do znaczących, dwucyfrowych oszczędności, zwiększonej produktywności i zmniejszonego czasu przestoju.
Frank J. Bartos pełni w Control Engineeringfunkcję redaktora specjalisty.
CE
