Wydajność premium - Premium efficiency
Sprawność premium to klasa sprawności silnika. W ramach wspólnych wysiłków na całym świecie do zmniejszenia zużycia energii , CO 2 emisji oraz wpływu działalności przemysłowej na środowisko, różne organy regulacyjne w wielu krajach wprowadzono lub planuje prawodawstwo do zachęcania do produkcji i stosowania wyższej sprawności silników . W tym artykule omówiono rozwój standardu sprawności premium (IE3) i silników o wysokiej sprawności (PEM) oraz powiązanych zagadnień środowiskowych, prawnych i energetycznych.
Historia
Kryzys naftowy i na całym świecie potrzeba więcej mocy i co za tym idzie więcej elektrownie zostały podniesione zachowania energii świadomości.
W 1992 r. Kongres USA , w ramach Ustawy o polityce energetycznej (EPAct), ustalił minimalne poziomy sprawności (patrz Tabela B-1) dla silników elektrycznych .
W 1998 roku Europejski Komitet Producentów Maszyn Elektrycznych i Systemów Elektroenergetycznych (CEMEP) wydał dobrowolne porozumienie producentów silników w sprawie klasyfikacji sprawności, z trzema klasami sprawności:
- Eff 1 dla wysokiej wydajności
- Eff 2 dla standardowej sprawności
- Eff 3 dla niskiej wydajności
Silniki elektryczne o najwyższej sprawności
Termin sprawność premium, jak omówiono tutaj, odnosi się do klasy sprawności silnika. Uważa się, że wprowadzenie tego terminu związanego z silnikami jest konieczne ze względu na przyszłe przepisy w UE , USA i innych krajach dotyczące przyszłego obowiązkowego stosowania silników indukcyjnych klatkowych klatkowych o wysokiej sprawności w określonych urządzeniach.
Zmniejszenie zużycia energii i CO 2 emisji
Poczyniono kilka stwierdzeń dotyczących użytkowania silnika i zalet stosowania silników o najwyższej sprawności lub wyższej sprawności. Obejmują one:
Na podstawie danych Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych szacuje się, że program silników o wysokiej wydajności National Electrical Manufacturers Association (NEMA) pozwoliłby zaoszczędzić 5,8 terawatów energii elektrycznej i zapobiec uwolnieniu do atmosfery prawie 80 milionów ton metrycznych węgla w ciągu następnych dziesięciu. lat. Odpowiada to usunięciu z dróg 16 milionów samochodów.
Każdego roku sprzedaje się około 30 milionów nowych silników elektrycznych do celów przemysłowych. Około 300 milionów silników jest używanych w przemyśle, infrastrukturze i dużych budynkach. Te silniki elektryczne są odpowiedzialne za 40% światowej energii elektrycznej używanej do napędzania pomp, wentylatorów, sprężarek i innych mechanicznych urządzeń trakcyjnych. Technologia silników ewoluowała w ciągu ostatnich kilku dekad. Obecnie dostępne są doskonałe, tak zwane produkty „premium”, gotowe do zmiany rynku w kierunku efektywności energetycznej i przyczynienia się do obniżenia emisji gazów cieplarnianych na całym świecie.
Stosując najlepsze praktyki, efektywność energetyczną silników elektrycznych można poprawić średnio o 20% do 30%. Większość ulepszeń ma okres zwrotu od 1 do 3 lat. To dodatkowo oznacza duży potencjalny wpływ na redukcję globalnej emisji gazów cieplarnianych.
Systemy silników elektrycznych zużywają duże ilości energii elektrycznej i mogą zapewnić możliwość znacznych oszczędności energii. Energia stanowi ponad 97 procent całkowitych kosztów eksploatacji silnika w całym okresie jego eksploatacji. Jednak zakup nowego silnika często jest podyktowany ceną, a nie energią elektryczną, którą będzie zużywał. Nawet niewielka poprawa wydajności może spowodować znaczne oszczędności energii i kosztów. Zainwestowanie trochę więcej pieniędzy z góry w bardziej wydajny silnik często zwraca się w postaci oszczędności energii. Poprawa efektywności energetycznej ogranicza emisje gazów cieplarnianych, które przyczyniają się do zmiany klimatu .
Definicja sprawności silnika
Sprawność silnika elektrycznego definiuje się jako stosunek użytecznej mocy na wale do elektrycznej mocy wejściowej.
η mot = P wał ÷ P in
η mot = sprawność silnika [%]
Wał P = moc na wale [kW] (w USA HP ze współczynnikiem 1,34)
P in = pobór mocy elektrycznej zzasilacza[kW]
Moc wału jest przenoszona na napędzaną maszynę; pobierana moc elektryczna jest mierzona i pobierana. Utrata sprawności silnika jest określana przez różnicę między mocą wejściową a mocą wyjściową lub mocą na wale.
Strata P = P w - Wał P.
Strata P = straty silnika elektrycznego [kW]
Straty energii silnika są głównie spowodowane ciepłem przez wiele czynników, w tym straty z uzwojenia cewki (rezystancja), straty w prętach wirnika i pierścieniach ślizgowych , straty spowodowane magnesowaniem rdzenia żelaznego oraz straty spowodowane tarciem łożysk.
Programy silników o najwyższej sprawności w USA
19 grudnia 2007 r. Prezydent Bush podpisał ustawę o niezależności energetycznej i bezpieczeństwie z 2007 r. (EISA) (Prawo publiczne 140-110). Krajowe Stowarzyszenie Producentów Elektrycznych (NEMA) aktywnie uczestniczyło w opracowywaniu głównych przepisów dotyczących EISA. Krytycznym warunkiem, na którym skupiła się NEMA, był zwiększony poziom sprawności silnika. Sekcja generatorów silnikowych NEMA połączyła siły z Amerykańską Radą na rzecz Efektywnej Gospodarki Energetycznej, aby opracować i zalecić nowe przepisy dotyczące sprawności silnika, obejmujące zarówno silniki ogólnego przeznaczenia, jak i niektóre kategorie silników elektrycznych określonych i specjalnych.
Sekcja silników i generatorów NEMA ustanowiła program NEMA Premium z czterech głównych powodów:
- Silniki elektryczne mają znaczący wpływ na całkowity koszt eksploatacji energii w budynkach przemysłowych, instytucjonalnych i komercyjnych.
- Silniki elektryczne różnią się pod względem efektywności energetycznej. Program NEMA Premium pomoże kupującym zidentyfikować silniki o wyższej sprawności, które pozwolą im zaoszczędzić pieniądze i poprawić niezawodność systemu.
- Silniki elektryczne z oznaczeniem NEMA Premium pomogą użytkownikom zoptymalizować wydajność systemów silnikowych w świetle problemów związanych z zasilaniem i deregulacją sieci.
- Silniki NEMA Premium i zoptymalizowane systemy zmniejszą zużycie energii elektrycznej, zmniejszając tym samym zanieczyszczenie związane z wytwarzaniem energii elektrycznej .
Odwiedź witrynę NEMA Premium Motors, aby uzyskać więcej informacji.
Podsumowanie norm EISA dla silników:
W czerwcu 2005 r. Unia Europejska uchwaliła Dyrektywę ustanawiającą ramy ustalania wymogów ekoprojektu (takich jak wymogi dotyczące efektywności energetycznej) dla wszystkich produktów wykorzystujących energię w sektorach mieszkaniowym, usługowym i przemysłowym. Spójne ogólnounijne przepisy dotyczące ekoprojektu zapewnią, że różnice między krajowymi przepisami nie staną się przeszkodą w handlu wewnątrzunijnym. Dyrektywa nie wprowadza bezpośrednio wiążących wymagań dla określonych produktów, ale określa warunki i kryteria ustalania wymagań dotyczących właściwości produktów istotnych dla środowiska (takich jak zużycie energii) i umożliwia ich szybkie i efektywne ulepszanie. Następnie zostaną podjęte środki wykonawcze, które ustalą wymogi dotyczące ekoprojektu. Zasadniczo dyrektywa ma zastosowanie do wszystkich produktów wykorzystujących energię (z wyjątkiem pojazdów transportowych) i obejmuje wszystkie źródła energii.
Ujednolicenie światowych klasyfikacji wydajności
Norma IEC 60034-30 określa klasy sprawności elektrycznej dla silników indukcyjnych klatkowych jednobiegowych, trójfazowych , 50 Hz i 60 Hz, które:
- mają 2, 4 lub 6 biegunów (3000; 1500 i 1000 obr./min przy 50 Hz)
- mają moc znamionową od 0,75 do 375 kW
- mają napięcie znamionowe do 1000 V.
- są oceniane na podstawie typu pracy S1 (praca ciągła) lub S3 (praca przerywana) ze znamionowym cyklicznym współczynnikiem czasu trwania 80% lub wyższym
Poniższa tabela przedstawia klasy sprawności IEC 60034-30 (2008) i porównywalne poziomy sprawności.
| Poziomy wydajności | Porównanie | |
|---|---|---|
| IE1 | Sprawność standardowa | |
| IE2 | Wysoka wydajność | Dla 50 Hz znacznie wyższa niż EFF2 CEMEP i identyczna z US EPAct dla 60 Hz |
| IE3 | Najwyższa wydajność | Nowa klasa sprawności w Europie dla 50 Hz, wyższa niż EFF1 w CEMEP i z pewnymi wyjątkami identyczna z NEMA Premium w Stanach Zjednoczonych dla 60 Hz. |
Standard rezerwuje również klasę IE4 (Super Premium Efficiency) na przyszłość. Następujące silniki są wyłączone z nowego standardu sprawności:
- Silniki wykonane wyłącznie do pracy z falownikiem
- Silniki całkowicie zintegrowane z maszyną (pompa, wentylator lub sprężarka), których nie można przetestować oddzielnie od maszyny.
Na wykresie pokazano przykładowe silniki 4-biegunowe 50 Hz
W przypadku pracy z częstotliwością 60 Hz minimalne wartości sprawności IE2 i IE3 przy pełnym obciążeniu są praktycznie identyczne z normami odpowiednio dla silników energooszczędnych i Premium Efficiency North American National Electrical Manufacturers Association (NEMA). (NEMA określa różne wartości sprawności przy pełnym obciążeniu dla silników z całkowicie zamkniętą obudową chłodzoną wentylatorem i otwartą odporną na kapanie, a od 200 KM sprawność IEC IE3 jest nieco wyższa niż NEMA Premium Efficiency). Minimalne normy IEC dotyczące sprawności przy pełnym obciążeniu są wyższe dla silników 60 Hz niż dla silników 50 Hz. Dzieje się tak, ponieważ tak długo, jak moment obrotowy silnika jest stały, straty I 2 R lub rezystancji uzwojenia są takie same dla 50 Hz i 60 Hz. Jednak moc wyjściowa silnika rośnie liniowo wraz z prędkością, zwiększając się o 20% przy zwiększaniu częstotliwości z 50 Hz do 60 Hz. Ogólnie rzecz biorąc, sprawność 60 Hz jest o około 2,5% do 0,5% większa niż wartości 50 Hz. Przyrost wydajności jest większy w przypadku mniejszych mocy znamionowych silnika.
Aby wykazać zgodność z nowymi normami sprawności, silniki muszą być testowane zgodnie z nowo przyjętym protokołem testowym IEC 60034-2–1 . Ta procedura zapewnia wyniki testów, które są w dużej mierze zgodne z wynikami uzyskanymi za pomocą metod testowych IEEE 112B i CSA 390 w Ameryce Północnej . Nowa norma wymaga również, aby klasa sprawności silnika i nominalna sprawność silnika były umieszczone na tabliczce znamionowej silnika i podane w literaturze produktu i katalogach silników w następującym formacie:
IE3 94,5%
Nowe minimalne normy dotyczące charakterystyki energetycznej w UE
W dniu 22 lipca 2009 r. Rozporządzenie Komisji (WE) nr 640/2009 wdrażające dyrektywę 2005/32 / WE stanowi, że w UE, z wyjątkiem niektórych zastosowań specjalnych, silniki nie powinny być mniej wydajne niż poziom sprawności IE3 od 1 Styczeń 2015.
Szczegółowo:
- IE2 do 16 czerwca 2011 r
- IE3 do 1 stycznia 2015 r. (Dla silników od 7,5 do 375 kW) i IE2 tylko w połączeniu z napędem o regulowanej prędkości
- IE3 dla wszystkich silników od 1 stycznia 2017 r. (Dla silników od 0,75 do 375 kW) i IE2 tylko w połączeniu z przemiennikiem częstotliwości
W tabeli przedstawiono EC 60034–30, IE3 Premium Efficiency (%).
IE3 Premium Efficiency
| kW | 2-biegunowe | 4-biegunowe | 6-biegunowe | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 50 Hz | 60 Hz | 50 Hz | 60 Hz | 50 Hz | 60 Hz | |
| 0,75 | 80.7 | 77,0 | 82.5 | 85.5 | 78.9 | 82.5 |
| 1.1 | 82,7 | 84,0 | 84.1 | 86.5 | 81,0 | 87,5 |
| 1.5 | 84.2 | 85.5 | 85.3 | 86.5 | 82.5 | 88.5 |
| 2.2 | 85.9 | 86.5 | 86,7 | 89.5 | 84.3 | 89.5 |
| 3 | 87.1 | - | 87,7 | - | 85.6 | - |
| 3.7 | - | 88.5 | - | 89.5 | - | 89.5 |
| 4 | 88.1 | - | 88,6 | - | 86.8 | - |
| 5.5 | 89.2 | 89.5 | 89,6 | 91,7 | 88,0 | 91,0 |
| 7.5 | 90.1 | 90.2 | 90.4 | 91,7 | 89.1 | 91,0 |
| 11 | 91.2 | 90,0 | 91.4 | 92.4 | 90.3 | 91,7 |
| 15 | 91,9 | 91,0 | 92.1 | 93,0 | 91.2 | 91,7 |
| 18.5 | 92.4 | 91,7 | 92.6 | 93,6 | 91,7 | 93,0 |
| 22 | 92,7 | 91,7 | 93,0 | 93,6 | 92.2 | 93,0 |
| 30 | 93.3 | 92.4 | 93,6 | 94.1 | 92.9 | 94.1 |
| 37 | 93,7 | 93,0 | 93,9 | 94.5 | 93.3 | 94.1 |
| 45 | 94,0 | 93,6 | 94.2 | 95,0 | 93,7 | 94.5 |
| 55 | 94.3 | 93,6 | 94.6 | 94.4 | 94.1 | 94.5 |
| 75 | 94.7 | 94.1 | 95,0 | 95.4 | 94.6 | 95,0 |
| 90 | 95,0 | 95,0 | 95.2 | 95.4 | 94.9 | 95,0 |
| 110 | 95.2 | 95,0 | 95.4 | 95,8 | 95.1 | 95,8 |
| 132 | 95.4 | - | 95,6 | - | 95.4 | - |
| 150 | - | 95.4 | - | 96.2 | - | 95,8 |
| 160 | 95,6 | - | 95,8 | - | 95,6 | - |
| 185 | - | 95,8 | - | 96.2 | - | 95,8 |
| 200 | 95,8 | - | 96,0 | - | 95,8 | - |
| 220 | 95,8 | 95,8 | 96,0 | 96.2 | 95,8 | 95,8 |
| 250 | 95,8 | 95,8 | 96,0 | 96.2 | 95,8 | 95,8 |
| 300 | 95,8 | 95,8 | 96,0 | 96.2 | 95,8 | 95,8 |
| 330 | 95,8 | 95,8 | 96,0 | 96.2 | 95,8 | 95,8 |
| 375 | 95,8 | 95,8 | 96,0 | 96.2 | 95,8 | 95,8 |
Projektowanie silników o najwyższej sprawności wymaga specjalnej wiedzy, doświadczenia i zaplecza testowego wyposażonego w precyzyjne oprzyrządowanie. Zadaniem projektu jest podniesienie sprawności poprzez zminimalizowanie i zbilansowanie pojedynczych strat, szczególnie tych powstających w cewkach stojana, żelazie stojana (namagnesowanie) oraz strat w wirniku przez poślizg. W porównaniu ze standardowymi silnikami elektrycznymi (np. IE1) stosuje się więcej materiałów z żelaza i miedzi. Silniki IE3 są cięższe i fizycznie większe niż silniki IE1.
Zwykle zastosowanie wyższego wypełnienia szczeliny w uzwojeniu miedzianym, zastosowanie cieńszych laminatów o ulepszonych właściwościach stali, zmniejszenie szczeliny powietrznej, lepsza konstrukcja wentylatora chłodzącego, zastosowanie specjalnych i ulepszonych łożysk itp. Może zapewnić wyższą sprawność silników.
Wysokie przewodnictwo elektryczne z miedzi w porównaniu z innymi przewodami metalowymi zwiększa wydajność energii elektrycznej silników. Zwiększenie masy i przekroju przewodów w cewce zwiększa sprawność elektryczną silnika. Tam, gdzie oszczędność energii jest głównym celem projektowym, silniki indukcyjne można zaprojektować tak, aby spełniały i przewyższały standardy wydajności premium National Electrical Manufacturers Association (NEMA).
Komercyjne programy rabatowe
Komisja Senatu ds. Energii i Zasobów Naturalnych Stanów Zjednoczonych przyjęła zalecany przez NEMA przepis, który stworzył program rabatów na energooszczędne silniki klasy premium, znany również jako program „sympatia za kredyt”, według National Electrical Manufacturers Association (NEMA). Program przewidywał rabat w wysokości 25 dolarów za moc i 5 dolarów za konie mechaniczne na utylizację starego silnika. Ten ostatni program był potrzebny, aby zrównoważyć różnicę w kosztach między nowymi, droższymi, wydajnymi silnikami i mniejszymi kosztami naprawy starszych, mniej wydajnych silników, twierdzi NEMA. Program ten pozwolił rządowi federalnemu wydać 350 milionów dolarów na zachęty do powszechnego przyjęcia silników NEMA Premium.
Postanowienie „Crush for Credit” zawarte w senackiej wersji „Energy Policy and Conservation Act” (EPCA) obowiązywało przez pięć lat i obejmowało następujące proponowane finansowanie:
- 80 000 000 USD w roku obrotowym 2010
- 75 000 000 USD w roku finansowym 2011
- 70 000 000 USD w roku budżetowym 2012
- 65 000 000 USD w roku budżetowym 2013
- 60000000 USD w roku budżetowym 2014
W UE różne programy ulg kapitałowych zachęcają firmy do zakupu sprzętu zawierającego silniki o najwyższej sprawności. Na przykład w Wielkiej Brytanii program Enhanced Capital Allowances Scheme zapewnia zachętę podatkową dla firm, które inwestują w sprzęt spełniający opublikowane kryteria oszczędności energii. Lista technologii energetycznych (ETL) zawiera szczegółowe informacje na temat kryteriów dla każdego typu technologii i zawiera listę produktów w każdej kategorii, które je spełniają. Jest zarządzany przez Carbon Trust w imieniu rządu i składa się z dwóch części:
- Lista kryteriów technologii energetycznych (ETCL), która jest corocznie weryfikowana w celu zapewnienia, że odzwierciedla postęp technologiczny. Określa kwalifikujące kryteria oszczędzania energii dla każdej klasy technologii.
- Lista produktów technologii energetycznych (ETPL), aktualizowana na początku każdego miesiąca na tej stronie internetowej, zawiera listę produktów i technologii, które kwalifikują się do ECA.
ETPL zawiera również szczegóły dotyczące maksymalnych wartości roszczeń dla kwalifikujących się produktów, które zawierają komponent większej części instalacji i maszyny, która sama nie kwalifikuje się do ECA.
Kluczowe cechy programu ECA to
- Otwarte dla wszystkich firm, które płacą podatek od osób prawnych lub podatek dochodowy w Wielkiej Brytanii , niezależnie od wielkości, sektora czy lokalizacji.
- Zapewnia 100% ulg kapitałowych w pierwszym roku z tytułu inwestycji w sprzęt energooszczędny w stosunku do podlegających opodatkowaniu zysków za okres inwestycji.
- Wszystkie produkty wymienione w ETPL muszą spełniać kryteria energooszczędności opublikowane w ETCL.
- Jedynie wydatki na nowy i nieużywany energooszczędny sprzęt mogą kwalifikować się do ECA.
- Odpisy kapitałowe są dostępne na wydatki „na dostarczenie” maszyn i urządzeń. Może to obejmować pewne koszty wynikające bezpośrednio z instalacji kwalifikujących się instalacji i maszyn, takie jak; transport sprzętu na miejsce i niektóre bezpośrednie koszty instalacji. Więcej informacji można znaleźć w sekcji Zgłaszanie roszczeń do ECA.
Podobny program w Irlandii, Accelerated Capital Allowance (ACA), prowadzony przez Sustainable Energy Ireland (SEI), pozwala firmie zmniejszyć dochód podlegający opodatkowaniu o 100% kosztu kapitału kwalifikującego się energooszczędnego sprzętu w pierwszym roku zakupu. Dla porównania, tylko 12,5% w przypadku niekwalifikujących się instalacji i maszyn.
Przy istniejącej strukturze podatkowej dotyczącej ulg kapitałowych, kiedy pieniądze są wydawane na „sprzęt inwestycyjny”, firmy mogą odliczyć koszt tego sprzętu od swoich zysków proporcjonalnie przez okres 8 lat, tj. Roczny dochód podlegający opodatkowaniu jest zmniejszany tylko o 1/8 całkowity koszt wyposażenia.
W przypadku nowego ACA, kiedy pieniądze są wydawane na „Kwalifikujący się energooszczędny sprzęt inwestycyjny”, firma może odliczyć pełny koszt tego sprzętu od swoich zysków w roku zakupu, tj. Dochód podlegający opodatkowaniu w pierwszym roku jest pomniejszony o pełny koszt wyposażenie.