Термин «высшая эффективность » применительно к определенным типам электродвигателей (с вращающимся валом) представляет собой класс эффективности двигателя.
В рамках согласованных усилий по всему миру по сокращению потребления энергии , выбросов CO2 и воздействия промышленных операций на окружающую среду различные регулирующие органы во многих странах ввели или планируют принятие законодательства, поощряющего производство и использование более эффективных электродвигателей . В этой статье рассматривается разработка стандарта премиум-эффективности (IE3) и двигателей премиум- эффективности (PEM), а также связанные с этим экологические, юридические и энергетические темы.
Нефтяной кризис и всемирная потребность в большем количестве энергии, большем количестве электроэнергии и, следовательно, большем количестве электростанций повысили осведомленность о необходимости экономии энергии .
В 1992 году Конгресс США в рамках Закона об энергетической политике (EPAct) установил минимальные уровни эффективности (см. Таблицу B-1) [ неопределенно ] для электродвигателей . [1]
В 1998 году Европейский комитет производителей электрических машин и энергетических систем (CEMEP) выпустил добровольное соглашение производителей двигателей о классификации эффективности с тремя классами эффективности: [2]
Термин «премиум-эффективность», обсуждаемый здесь, относится к классу эффективности двигателя. Считается необходимым ввести этот термин, связанный с двигателями, из-за предстоящего законодательства в ЕС , США и других странах относительно будущего обязательного использования асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором премиум-эффективности в определенном оборудовании.
Было сделано несколько заявлений относительно использования двигателей и преимуществ использования двигателей премиум-класса или более высокой эффективности. Они включают:
На основе данных Министерства энергетики США предполагается, что программа Национальной ассоциации производителей электрооборудования (NEMA) по выпуску двигателей с высоким КПД позволит сэкономить 5,8 тераватт электроэнергии и предотвратить выброс почти 80 миллионов метрических тонн углерода в атмосферу в течение следующих десяти лет. Это эквивалентно тому, чтобы убрать с дорог 16 миллионов автомобилей. [3]
Около 30 миллионов новых электродвигателей продается каждый год для промышленных целей. Около 300 миллионов двигателей используются в промышленности, инфраструктуре и крупных зданиях. Эти электродвигатели отвечают за 40% мировой электроэнергии, используемой для привода насосов, вентиляторов, компрессоров и другого механического тягового оборудования. Технология двигателей развивалась в течение последних нескольких десятилетий. Теперь доступны превосходные так называемые «премиальные» продукты, готовые изменить рынок в сторону энергоэффективности и внести вклад в снижение выбросов парниковых газов во всем мире. [4]
При использовании передового опыта энергоэффективность электродвигателей может быть улучшена в среднем на 20–30%. Большинство усовершенствований имеют срок окупаемости от 1 до 3 лет. Это также означает большое потенциальное влияние на сокращение глобальных выбросов парниковых газов. [5]
Системы электродвигателей потребляют большое количество электроэнергии и могут обеспечить возможность значительной экономии энергии. Энергия составляет более 97 процентов от общих эксплуатационных расходов двигателя в течение срока службы двигателя. Однако покупка нового двигателя часто, как правило, обусловлена ценой, а не электричеством, которое он будет потреблять. Даже небольшое улучшение эффективности может привести к значительной экономии энергии и затрат. Инвестирование немного больших денег авансом в более эффективный двигатель часто окупается экономией энергии. Повышение энергоэффективности снижает выбросы парниковых газов, которые способствуют изменению климата . [6]
Эффективность электродвигателя обозначается греческой буквой Эта и определяется как отношение выходной механической мощности к входной электрической мощности и может быть рассчитана по следующей формуле:
Поскольку эффективность представляет собой отношение, то при условии, что единица измерения выходной и входной мощности одинакова, для этого расчета можно использовать любую единицу измерения.
Мощность на валу передается на приводимую в действие машину; электрическая входная мощность — это то, что измеряется и оплачивается. Потеря эффективности двигателя определяется разницей между входной мощностью и выходной или мощностью на валу.
P потери = P вх - P вала
P loss = потери электродвигателя [кВт]
Потери энергии в двигателе в основном связаны с нагревом, вызванным многими факторами, включая потери в обмотке катушки (сопротивление), потери в стержнях ротора и контактных кольцах , потери из-за намагничивания железного сердечника и потери из-за трения подшипников.
19 декабря 2007 года президент Буш подписал Закон об энергетической независимости и безопасности 2007 года (EISA) в качестве закона (публичный закон 140-110). Национальная ассоциация производителей электрооборудования (NEMA) активно участвовала в разработке основных положений EISA. Важнейшим положением, на котором сосредоточилась NEMA, было повышение уровней эффективности двигателей. Секция NEMA по двигателям-генераторам объединила усилия с Американским советом по энергоэффективной экономике для разработки и рекомендации новых правил эффективности двигателей, охватывающих как общее назначение, так и некоторые категории определенных и специальных электродвигателей.
Секция двигателей и генераторов NEMA учредила программу NEMA Premium по четырем основным причинам:
Для получения дополнительной информации посетите сайт NEMA Premium Motors. [7]
Краткое изложение стандартов EISA для двигателей: [8]
В июне 2005 года Европейский союз принял Директиву об установлении рамок для установления требований экодизайна (таких как требования к энергоэффективности) для всех энергопотребляющих продуктов в жилом, третичном и промышленном секторах. [9] Последовательные общеевропейские правила экодизайна гарантируют, что различия между национальными правилами не станут препятствиями для торговли внутри ЕС. Директива не вводит напрямую обязательные требования для конкретных продуктов, но определяет условия и критерии для установления требований относительно экологически значимых характеристик продукта (таких как потребление энергии) и позволяет быстро и эффективно их улучшать. За ней последуют меры по внедрению, которые установят требования экодизайна. В принципе, Директива применяется ко всем энергопотребляющим продуктам (кроме транспортных средств) и охватывает все источники энергии. [10]
Стандарт IEC 60034-30 определяет классы электрической эффективности для односкоростных трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором , работающих на частоте 50 Гц и 60 Гц, которые:
В таблице ниже показаны классы эффективности IEC 60034-30 (2008) и сопоставимые уровни эффективности.
Стандарт также резервирует класс IE4 (Super Premium Efficiency) на будущее. Следующие двигатели исключены из нового стандарта эффективности:
На графике в качестве примера показаны двигатели с частотой 50 Гц и 4 полюсами.
Для работы на частоте 60 Гц минимальные значения эффективности при полной нагрузке IE2 и IE3 практически идентичны стандартам энергоэффективности и премиум-эффективности двигателей Национальной ассоциации производителей электрооборудования Северной Америки (NEMA) [11] соответственно. (NEMA указывает различные значения эффективности при полной нагрузке для двигателей с полностью закрытым вентиляторным охлаждением и открытым каплезащитным корпусом, а от 200 л. с. эффективность IEC IE3 немного выше, чем у премиум-эффективности NEMA). Минимальные стандарты эффективности при полной нагрузке IEC выше для двигателей на частоте 60 Гц, чем для двигателей на частоте 50 Гц. Это связано с тем, что пока крутящий момент двигателя постоянен, I 2 R или потери на сопротивление обмотки одинаковы при 50 Гц и 60 Гц. Однако выходная мощность двигателя линейно увеличивается со скоростью, увеличиваясь на 20% при увеличении частоты с 50 Гц до 60 Гц. В целом, эффективность 60 Гц примерно на 2,5–0,5% выше, чем значения 50 Гц. Прирост эффективности больше для меньших мощностей двигателя.
Чтобы продемонстрировать соответствие этим новым стандартам эффективности, двигатели должны быть испытаны в соответствии с недавно принятым протоколом испытаний IEC 60034-2–1. Эта процедура обеспечивает результаты испытаний, которые в значительной степени совместимы с результатами, полученными с помощью североамериканских методов испытаний IEEE 112B и CSA 390. Новый стандарт также требует, чтобы класс эффективности двигателя и номинальный КПД двигателя были указаны на заводской табличке двигателя и в документации по продукту и каталогах двигателей в следующем формате:
IE3 94,5%
22 июля 2009 года в Постановлении Комиссии (ЕС) № 640/2009 о реализации Директивы 2005/32/ЕС указано, что в ЕС, за исключением некоторых специальных применений, с 1 января 2015 года двигатели не должны быть менее эффективными, чем уровень эффективности IE3.
Подробно:
EC 60034–30, IE3 Premium Efficiency (%) представлена в таблице.
Эффективность премиум-класса IE3
Проектирование двигателей Premium Efficiency требует специальных знаний, опыта и испытательных установок, оснащенных точными приборами. Задача проектирования — повысить эффективность за счет минимизации и балансировки единичных потерь, особенно тех, которые создаются в катушках статора, железе статора (намагничивание) и потерь в роторе из-за скольжения. По сравнению со стандартными (например, IE1) электродвигателями, используется больше железа и меди. Двигатели IE3 тяжелее и физически больше, чем двигатели IE1.
Обычно использование более плотного заполнения пазов в медной обмотке, использование более тонких пластин из стали с улучшенными свойствами, уменьшение воздушного зазора, улучшенная конструкция охлаждающего вентилятора, использование специальных и улучшенных подшипников и т. д. могут обеспечить более высокую эффективность двигателей.
Высокая электропроводность меди по сравнению с другими металлическими проводниками повышает эффективность использования электроэнергии двигателями. [12] Увеличение массы и поперечного сечения проводников в катушке повышает эффективность использования электроэнергии двигателем. Когда экономия энергии является основной целью проектирования, [13] [14] асинхронные двигатели могут быть спроектированы так, чтобы соответствовать и превосходить стандарты эффективности Национальной ассоциации производителей электрооборудования (NEMA). [13] [14] [7]
Комитет по энергетике и природным ресурсам Сената США принял положение, поддерживаемое NEMA, которое создало программу скидок за энергоэффективные двигатели премиум-класса, также известную как программа «crush for credit», согласно Национальной ассоциации производителей электрооборудования (NEMA). Программа предусматривала скидку в размере 25 долларов за лошадиную силу и скидку в размере 5 долларов за лошадиную силу за утилизацию старого двигателя. Последняя программа была необходима для компенсации разницы в стоимости между новыми, более дорогими, эффективными двигателями и меньшей стоимостью ремонта старых, более неэффективных двигателей, заявляет NEMA. Эта программа позволила федеральному правительству потратить 350 миллионов долларов на стимулы для широкого внедрения двигателей NEMA Premium.
Положение «Стремление к кредиту», содержащееся в сенатской версии «Закона об энергетической политике и энергосбережении» (EPCA), действовало в течение пяти лет и включало следующее предлагаемое финансирование: [15]
В ЕС различные схемы скидок на капитал поощряют компании приобретать оборудование, включающее двигатели с высокой эффективностью. Например, в Великобритании схема скидок на капитал [16] предоставляет налоговые льготы компаниям, которые инвестируют в оборудование, которое соответствует опубликованным критериям энергосбережения. Список энергетических технологий (ETL) подробно описывает критерии для каждого типа технологии и перечисляет те продукты в каждой категории, которые им соответствуют. Он управляется Carbon Trust от имени правительства и состоит из двух частей:
В ETPL также содержатся сведения о максимальных значениях заявленных значений [18] для соответствующих продуктов, которые являются компонентом более крупного агрегата или оборудования, который сам по себе не соответствует требованиям ECA.
Ключевые особенности схемы ECA:
Аналогичная схема в Ирландии, Accelerated Capital Allowance (ACA), управляемая Sustainable Energy Ireland (SEI) [20], позволяет компании сократить свой налогооблагаемый доход на 100% от капитальных затрат на соответствующее энергоэффективное оборудование в первый год покупки. Для сравнения, для несоответствующего оборудования и машин этот показатель составляет всего 12,5%.
При существующей структуре налогообложения вычетов на капитал, когда деньги тратятся на «капитальное оборудование», компании могут пропорционально вычитать стоимость этого оборудования из своей прибыли в течение 8 лет, т.е. годовая налогооблагаемая прибыль уменьшается только на 1/8 от общей стоимости оборудования.
Согласно новому ACA, когда деньги тратятся на «соответствующее требованиям энергоэффективное капитальное оборудование», компания может вычесть полную стоимость этого оборудования из своей прибыли в году покупки, т.е. налогооблагаемая прибыль в первом году уменьшается на полную стоимость оборудования.
