Изисквания за екодизайн на двигатели и честотни преобразуватели

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 9/2021 • 06.01.2022

  • Екодизайнът е решаващ фактор в стратегията на Общността за оптимизиране на екологичните характеристики на продуктите, без да се променя функционалността им

  • Регламент на Европейския съюз за екодизайна (ЕС) 2019/1781 определя нови изисквания за енергийните характеристики на разширяващата се гама от двигатели за ниско напрежение от 2021 г.

  • Нивото на енергийна ефективност се изразява в международен клас на енергийна ефективност (IE), като IE1 е най-ниският клас, а IE5 е най-високият

 

Както се споменава в Директива 2009/125/ЕО за създаване на рамка за определяне на изискванията за екодизайн към продукти, свързани с енергопотреблението, те имат значителен дял в потреблението на природни ресурси и енергия, а също така и редица други важни въздействия върху околната среда. По-голямата част от продуктовите категории, които се намират на пазара на Общността, имат различна степен на въздействие върху околната среда, въпреки че функционалните им характеристики са сходни. В интерес на устойчивото развитие се насърчава непрекъснатото подобряване на общото въздействие върху околната среда на тези продукти, предимно чрез идентифициране на основните източници на негативно въздействие върху околната среда и избягване на пренасянето на замърсяване, когато това подобряване не води до прекомерни разходи.

При много продукти, свързани с енергопотреблението, има значителен потенциал за подобрение с оглед намаляване на въздействията върху околната среда и постигане на икономия на енергия посредством по-добър дизайн, който също така води до икономии за бизнеса и крайните потребители.
Екодизайнът е решаващ фактор в стратегията на Общността за единна политика за продуктите. Като превантивен подход, предназначен да оптимизира екологичните характеристики на продуктите, без да променя функционалните им качества, екодизайнът създава истински нови възможности за производителите, потребителите и за цялото общество.

 

Необходимост от въвеждане на изисквания за екопроектиране

Последните проучвания на Комисията сочат, че в ЕС се използват около 8 милиарда електродвигатели, които консумират близо 50% от електроенергията, която се произвежда там. В сектора има значително разнообразие от технологии, приложения и размери, вариращи от малки двигатели, като тези, задвижващи вентилаторите за охлаждане в компютрите, до огромни двигатели в тежката индустрия.

Регламентът за екодизайна на Европейския съюз (ЕС) 2019/1781 определя нови изисквания за енергийните характеристики на разширяващата се гама от двигатели за ниско напрежение от 2021 г. За първи път са включени и регулатори на честотата на въртене за двигателите. Той въвежда задължителни изисквания за екопроектиране на електрическите двигатели и регулатори на честотата на въртене за всички производители и доставчици, които желаят да продават своите продукти в ЕС. През 2021 г. Регламент (ЕС) 2019/1781 е изменен с Регламент (ЕС) 2021/341 на Комисията, който има за цел да изясни и подобри някои аспекти на изискванията за екодизайн, приети през 2019 г.

Регламентът за екопроектиране се прилага за асинхронни електродвигатели с ниско напрежение – номинално напрежение под 1000 V променлив ток (AC) – и регулатори на честотата на въртене (VSD). Освен че дефинира по-строги минимални нива на ефективност, регламентът също така разширява обхвата на трифазни едностъпкови двигатели от 0,12 до 1000 kW. Същият обхват на мощност важи и за регулаторите.

Регламентът засяга само ефективността на стандартните регулатори за променлив ток. За да се позволи максимално увеличаване на спестяванията на системно ниво, са изключени регенеративни задвижвания и задвижвания с ниски хармоници. Регламентът ще се прилага на две стъпки, като първата влезе в сила на 1 юли 2021 г. Клас на ефективност IE2 става задължителен за честотни регулатори за променлив ток. Регламентът ще обхване 3-фазни стандартни регулатори от 0,12 kW Ј Pn Ј 1000 kW. Вторият етап, който допълнително разширява обхвата и повишава изискванията за двигатели, стартира от 1 юли 2023 г. Степента на ефективност IE4 за двигатели ще стане задължителна за трифазни електродвигатели с 2, 4 или 6 полюса между 75 и 200 kW.

Прегледът, който провежда Комисията, преди да определи новите изисквания за екопроектиране, показва, че системите, задвижвани от електродвигатели, използват около половината от електроенергията, произвеждана в Съюза. През 2015 г. електродвигателите са преобразували 1425 TWh електроенергия в механична и в топлинна енергия, което съответства на емисии в размер на 560 млн. тона СО2 еквивалент. До 2020 г. се очаква тази стойност да нарасне до около 1470 TWh, а до 2030 г. до 1500 TWh.

Регулаторите на честотата на въртене спомагат за управлението на електродвигателите и увеличават КПД на системите с електродвигатели, като енергопотреблението им е най-важният им екологичен аспект през всички етапи на жизнения цикъл. Прегледът на Комисията още сочи, че през 2015 г. регулаторите на честотата на въртене са преобразували около 265 TWh електроенергия в ток с честота, подходяща за задвижваното приложение. Тази енергия съответства на 105 млн. тона емисии на CO2. До 2020 г. се очаква преобразуваната енергия да нарасне до около 380 TWh, а до 2030 г. до 570 TWh. Прогнозира се при спазване на приетите Регламенти до 2020 г. да се реализират спестявания от по 57 TWh годишно, а до 2030 г. по 102 TWh годишно.

 

Обхват на новите изисквания за екодизайн

Регламентът 2019/1781 влиза в сила от 1 юли 2021 г., като заменя Регламента за екодизайн на електрически двигатели (ЕО) № 640/2009. Новият регламент има по-широк обхват, който включва безчеткови асинхронни електродвигатели, без колектори, контактни пръстени или електрически връзки с ротор, които са предназначени да работят със синусоидално напрежение с честота 50 Hz, 60 Hz или 50/60 Hz и които са с два, четири, шест или осем полюса; с обявено напрежение UN над 50 V и достигат до 1000 V включително; с обявена изходна мощност PN от 0,12 kW и достигат до 1000 kW включително; с обявени показатели, определени за продължителен режим на работа; и предназначени за работа с директно захранване от мрежата. Регламентът обхваща още регулатори на честотата на въртене с три фази, които са предназначени за работа с такъв двигател с променливо напрежение над 100 V и достигат до 1000 V включително и имат само едно изходно променливо напрежение.

Енергийната ефективност на електродвигателя или неговото КПД означава отношението на неговата изходна механична мощност към входната електрическа активна мощност. Нивото на енергийна ефективност се изразява в международен клас на енергийна ефективност (IE), като IE1 е най-ниският клас, а IE5 е най-високият. Съгласно действащите регламенти, двигателите трябва да достигнат ниво на ефективност IE2, IE3 или IE4 в зависимост от тяхната номинална мощност и други характеристики. Например, трифазни двигатели с номинална мощност между 0,75 kW и равна на или по-малка от 1000 kW трябва да достигнат клас на ефективност IE3 до юли 2021 г. Двигателите между 75 kW и 200 kW трябва да отговарят на нивото IE4 от юли 2023 г. ЕС за пръв път въвежда задължителен клас на ефективност IE4 за някои категории двигатели.

За някои двигатели, проектирани за специфични условия, тези изисквания не се прилагат, например такива, които работят потопени в течност. Регулаторите на честотата на въртене се категоризират в 2 нива на ефективност (IE1 и IE2).

Освен технически изисквания се прилагат и такива за предоставяне на информация за ефективността при различни точки на натоварване, скорост и въртящ момент. Тази информация подпомага инженерите да оптимизират ефективността на цели системи.

Съгласно Регламент (ЕС) 2019/1781 от 1 октомври 2019 г. за определяне на изисквания за екопроектиране на електродвигатели и регулатори на честотата на въртене от 1 юли 2021 г. в сила влизат следните изисквания за енергийна ефективност на двигателите: енергийната ефективност на трифазни двигатели с обявена изходна мощност, по-голяма или равна на 0,75 kW и по-малка или равна на 1000 kW, с 2, 4, 6 или 8 полюса, които не са двигатели “Ex eb” с повишена безопасност, трябва да съответства най-малкото на ниво на ефективност IE3, енергийната ефективност на трифазни двигатели с обявена изходна мощност, по-голяма или равна на 0,12 kW и по-малка от 0,75 kW, с 2, 4, 6 или 8 полюса, които не са двигатели “Ex eb” с повишена безопасност, трябва да съответства най-малкото на ниво на ефективност IE2.

От 1 юли 2023 г. енергийната ефективност на двигатели “Ex eb” с повишена безопасност с обявена изходна мощност, по-голяма или равна на 0,12 kW и по-малка или равна на 1000 kW, с 2, 4, 6 или 8 полюса, и еднофазни двигатели с обявена изходна мощност, по-голяма или равна на 0,12 kW, трябва да съответства най-малкото на ниво на ефективност IE2. Енергийната ефективност на трифазни двигатели, които не са двигатели със спирачка, двигатели “Ex eb” с повишена безопасност или други двигатели във взривозащитено изпълнение, с обявена мощност, по-голяма или равна на 75 kW и по-малка или равна на 200 kW, с 2, 4 или 6 полюса, трябва да съответства най-малкото на ниво на ефективност IE4. Енергийната ефективност за двигатели, изразена в Международни класове за енергийна ефективност (IE), за различните стойности на обявената мощност на двигателя е определена в таблици в Регламент (ЕС) 2019/1781. Класовете IE са определени при обявена изходна мощност (PN), обявено напрежение (UN), на базата на работа при 50 Hz и 25°C стандартна температура на заобикалящата среда.

Обхватът включва асинхронни двигатели, предназначени за непрекъснат режим на работа, т.е. клас на натоварване S1, S3і80% и S6і80%. Ако стандартен асинхронен двигател бъде модифициран за режим на работа S9, това не го извежда извън обхвата на регламента.

 

Стандарти, прилагащи изискванията за екодизайн

Стандартът EN 50598-2, а отскоро и заменящият го BS EN 61800-9-2:2017, определя класификацията за енергийна ефективност IE за цялостни задвижващи модули (complete drive module – CDM). Те включват контролера на задвижването и всяко допълнително устройство. Стандартът дава методологията за определяне на загубите от CDM, от задвижващи системи (power drive system – PDS) и цялостната система на електромотора – мотора заедно с контролните устройства.
Той дефинира международната класификация за ефективност на системите или IES за електрозадвижващи системи (PDS), т.е. комбинация от двигателя и CDM; задава техните гранични стойности и предоставя тестови процедури за класификация на общите загуби от двигателната система. Освен това стандартът предлага методология за характеризиране на най-доброто решение за енергийна ефективност, което да бъде приложено.

Това зависи от архитектурата на задвижваната от двигателя система, профила скорост/натоварване и работните точки на задвижваното оборудване във времето. Методологията на разширения продуктов подход и полуаналитичните модели са дефинирани в част 1 от стандарта. Стандартът съдържа класифицираните загуби на стандартизиран еталонен PDS (RPDS) и математическият модел за тяхното изчисляване, като еталонният товар/двигател (RM) и еталонният CDM (RCDM) са дефинирани и могат да се използват за определяне на класа на ефективност на системата на двигателя, когато един от нейните компоненти е неизвестен.

В стандарта са зададени изискванията за определяне на загубите на реална PDS; изискванията за изпитване на типа и съдържанието на потребителската документация. Приложенията включват примери за загуби в цялостната система и информация за топологията на системата и задвижването. Дадени са специфични данни за загуби на мощност от класове RCDM, RM, RPDS и IE/IES за ниско напрежение (от 100 V до 1000 V). Всички предоставени референтни данни са за електрозадвижващи системи с асинхронни двигатели, но са валидни за всички видове PDS с други типове двигатели. Стандартът дефинира методологията за екопроектиране във връзка с въздействието върху околната среда. Серията стандарти не обхваща класификацията за енергийна ефективност на задвижваното оборудване, но предоставя изходните данни за разширен подход за оценка.

Стандартите за минимална енергийна ефективност за двигатели с ниско напрежение играят важна роля в подпомагането на страните да постигнат целите си за енергийна ефективност и емисии на въглероден диоксид. За потребителите на двигатели те водят до цялостно повишаване на ефективността и улесняват сравняването на нивата на ефективност между производителите. Повсеместното използване на високоефективни двигателни системи ще намали световното потребление на електроенергия с до 10,8%.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top