Print

Novinky v oblasti zvyšování účinnosti motorem hnaných systémů

-- 08.09.12

Elektromotorům věnují normy pro energetickou účinnost a předpisy mimořádnou pozornost z důvodu jejich širokého průmyslového využívání a dobře dokumentovaného provedení, výkonu a zkušebních specifikací. Na úrovni motorů bylo dosaženo významných zlepšení účinnosti, avšak nyní již dosahují svých technologických a ekonomických mezí. V poslední době se pozornost soustředí na větší „hnaný systém“ připojený k motoru, kde se očekávají další přínosy v oblasti účinnosti.

Pro střídavé indukční motory byly v různých rozvinutých zemích vypracovány standardy minimální účinnosti MEPS (Minimum Efficiency Performance Standard). Hlavní pozornost byla věnována tomuto typu motoru z důvodu jeho obrovské instalované základny po celém světě. Standardy MEPS pro motory jsou jednou z oblastí, v níž mají globální prvenství USA, přičemž silné pozice zaujímají mimo jiné také Austrálie, Brazílie a Kanada. V poslední době se se stanovením povinnosti MEPS připojila také Evropská unie. Mnoho zemí navíc zavedlo dobrovolné standardy pro účinnost motorů a některé z nich budou brzy uzákoněny. V USA byly standardy pro indukční motory rozšiřovány ve fázích.

Zákon EPAct 1992 (Energy Policy Act), implementovaný v roce 1997, se vztahoval na motory v rozsahu výkonu 1–200 koní (0,75–150 kW). Zákon EPAct 2005 nařizoval, aby nákupy motorů pro potřeby státu ve výkonnostním rozsahu 1–200 koní byly na vyšší úrovni účinnosti „NEMA Premium“. Zákon Energy Independence & Security Act (EISA 2007) vešel v platnost v prosinci 2010 a rozšiřoval působnost na motory o výkonu až 500 koní (375 kW) a na provedení/varianty motorů, které byly původně z normy MEPS vyňaty. Normou EISA byly doplněny varianty motorů s rámem typu U, NEMA provedení C, motory s těsně spřaženým čerpadlem, vertikální motory s pevným hřídelem a normálním tlakem, osmipólové (900 ot./min.) a mnohofázové motory s napětím do 600 V (mimo 230 nebo 460 V).

Hodnoty účinnosti při plném zatížení pro energeticky účinné motory jsou uvedeny publikaci Standard Publication Motors and Generators (MG 1-2011), tabulka 12-11, organizace National Electrical Manufacturers Association (NEMA) a pro motory s účinností „Premium“ (nepravidelně vinuté a pravidelné vinuté) jsou uvedeny v tabulkách 12-12, 20-B (motory do 500 k) a 20-C (motory pro střední napětí). Další iniciativa amerického ministerstva energetiky (Dept. of Energy, dále jen DOE) usiluje o zahrnutí menších elektromotorů do snah o vyšší energetickou účinnost. Takzvané konečné rozhodnutí DOE „Energy Conservation Program: Energy Conservation Standards for Small Electric Motors,“ publikované v březnu 2010 ve federálním registru (10 CFR, část 431), pokrývá univerzální třífázové elektromotory,  často chráněné proti kapající vodě, typicky s výkonem pod 1 k (0,75 kW), avšak u některých typů sahajících až k výkonu 3 k.

Toto rozhodnutí DOE konkrétně zavádí standardy pro úsporu energie na motory o výkonu 0,25–3 koní (0,18–2,2 kW) u dvou-, čtyř- a šestipólového provedení s velikostí rámů 42 až 56. Zahrnuty jsou také jednofázové motory s rozběhovým kondenzátorem stejného výkonnostního rozsahu a počtu pólů a příslušné motory IEC a odpovídající rozměry rámů. Toto rozhodnutí má účinnost od března 2015. Rozhodnutí DOE platné pro malé motory se nesetkalo s nadšením ze strany výrobců motorů. Námitky přicházejí z různých důvodů, jako např. větší rozmanitost aplikací, různé typy či provedení motorů, méně uznávané zkušební metody apod. – v poměru k širokým zkušenostem s většími indukčními motory v průmyslu (viz odkaz č. 1).

Evropa na palubě

Mezitím byly v Evropské unii (EU) vypracována série norem organizace IEC (International Electrotechnical Commission), které pokrývají nejrůznější oblasti střídavých indukčních motorů a dalších typů motorů. V tabulce 1 jsou shrnuty předpisy tvořící kombinovanou normu IEC 60034. Pokrytí výkonového rozsahu motorů bylo v normě IEC 60034-30 rozšířeno na rozsah 0,12–500 kW, pro jednotky běžící na síťové frekvenci 50 Hz. Vyšší výkony až do 800 kW budou mít ploché limity účinnosti. Nyní je zahrnuto více typů motorů: veškeré motory s fixní rychlostí, synchronní motory s vinutým rotorem, jednofázová provedení a téměř všechny typy brzdových motorů, stejně jako synchronní motory s proměnlivou rychlostí a permanentními magnety (PM) s rozsahem rychlostí otáčení  1 000 5 000 ot.min-1.

Norma IEC 60034-30 definuje pro střídavé indukční motory čtyři mezinárodní třídy účinnosti (International Efficiency – IE): standardní účinnost (IE1), zvýšená účinnost (IE2), vysoká účinnost (IE3) a velmi vysoká účinnost (IE4). Třídy IE zhruba odpovídají určitým úrovním MEPS specifikovaným v USA, zejména třída IE2 úrovni EPAct a třída IE3 úrovni NEMÁ Premium. Byla navržena ještě vyšší třída IE5, přičemž takto způsobilý komerčně dostupný motor nebyl specifikován ani nebyl dostupný. Nicméně se do budoucna předpokládá tato technologie motorů, která by oproti třídě IE4 dokázala snížit ztráty o 20 %. I když střídavé indukční motory byly primární technologií pro normy účinnosti, je pro tento typ motoru stále těžší splňovat vyšší požadavky IE. Zde přicházejí do hry další typy motorů, jako jsou synchronní motory s permanentními magnety.

Nadcházející normy se zaměří na motory napájené ze sítě versus motory napájené měničem VSD (například norma IEC 60034-2-3). Když je v motorovém systému začleněn měnič VSD, je nutno posuzovat harmonické ztráty pohonu a účinnost sinusového filtru. Technické výbory IEC rovněž pracují na dalších topologiích motorů, jako jsou spínané reluktanční motory, elektronicky komutované motory a motory specificky vyrobené pro provoz s měničem VSD, které budou zahrnuty do budoucích norem účinnosti IEC. Nařízení EU č. 640/2009 na základě definic tříd IE implementovalo povinné požadavky na energetickou účinnost v Evropě, podle následujícího
časového rozvrhu:

Ÿúčinnost IE2 k 16. červnu 2011 pro motory o výkonovém rozsahu 0,75–375 kW,
Ÿ

účinnost IE3 k 1. lednu 2015 pro motory o výkonovém rozsahu 7,5–375 kW,
Ÿ

účinnost IE3 k 1. lednu 2017 pro motory o výkonovém rozsahu 0,75–375 kW.

Druhá a třetí fáze tohoto nařízení představují zajímavou vazbu k pohonům s proměnnou rychlostí (VSD). (Viz také: „Přidání pohonu pro splnění požadavků energetického nařízení.“) Elektromotory s nejvyšší účinností poskytují největší přínos takovým aplikacím, kde motory běží za téměř konstantních rychlostí a jsou v provozu velký počet hodin za rok. Mezi takové aplikace patří mj. výroba provozního plynu a ventilátory pro oběh vzduchu u elektráren. Nicméně u mnoha ostatních aplikací vyžadují části větších systémů hnaných motory posouzení účinnosti před implementací nebo posouzení z hlediska přepracování návrhu nebo modernizace.

Nad rámec motorů

I když vypracování norem MEPS zaměřilo pozornost na motory, na celkovou účinnost systému mají výrazný dopad i připojená zařízení. Jako jednoduchý příklad si vezměme kombinaci motoru a převodovky. I při komponentech s poměrně vysokou efektivitou – motor i převodovka s 95% účinností – je výsledkem účinnost celkového „systému“ ve výši 90,2 %. Účinnost systému by samozřejmě dále snižovaly i další připojené prvky. Právě z tohoto důvodu se rozjíždějí iniciativy pro vyšší účinnost motory hnaných zařízení. Nicméně vypracování norem pro efektivitu celého systému je stále těžší.

Údaje o účinnosti jsou omezené nebo nedostatečné pro nespočet provozovaných průmyslových a komerčních systémů. Složitost a velký počet proměnných přítomných v tak velkých systémech jsou podstatou problému. Další vývojovou oblastí je posuzování a zvyšování výkonu při částečném zatížení (například při zatížení na 50 % a 25 %), ať už jde o motory nebo připojená zařízení. Pro celé motorové systémy neexistují mezinárodní normy pro účinnost, avšak proběhl určitý vývoj v oblasti kombinací motor-čerpadlo, motor- -ventilátor a motor-VSD (viz postranní sloupec).

Komplexní publikace (odkaz č. 2) organizace International Energy Agency o energetických zásadách pojednává mezinárodní normy a zkušební normy pro systémy motor-čerpadlo/ventilátor v Evropě. Ve fázi návrhu se momentálně nachází několik nařízení EU v oblasti energetické účinnosti pro čerpadla (včetně systémů oběhu vody v budovách) a ventilátory v kombinaci s motorem a pohonem. Ukázka nadcházejících nařízení pro energetickou účinnost zahrnuje stále přísnější hodnoty indexu energetické účinnosti pro oběhová čerpadla s datem účinnosti leden 2013 a srpen 2015. Pro ventilátory ve výkonovém rozsahu 125 W až 500 kW byl představen návrh nařízení, rovněž s dvoustupňovým zaváděním požadavků na účinnost, které má vejít v účinnost v roce 2012 a 2015 (odkaz č. 2).

V USA v současnosti neplatí pro čerpadla, ventilátory a kompresory žádné zákonné normy. Nicméně DOE pracuje na aktualizaci postupů „nejlepší praxe“ pro účinnost systémů, které zahrnují výše popsané motorem poháněná zařízení. Sdružení NEMA a konsorcium zastánců energetické účinnosti je součástí tohoto úsilí (viz tabulka 2), poznamenal John Malinowski, předseda sekce pro motory a generátory sdružení NEMA a senior product manager pro střídavé motory společnosti Baldor Electric, člena skupiny ABB Group. Vzhledem ke složitosti posuzování účinnosti na úrovni systému je smysluplné využít kooperativní iniciativy pro shromáždění odborných znalostí a dosažení synergie různých organizací v rámci vývoje zásad nejlepší praxe. Časem se zásady nejlepší praxe mohou přepracovat do norem pro energetickou účinnost.

Malinowski uvedl, že konsorcium a mnoho dalších přizvaných stran pracuje na aktualizaci různých publikací vypracovaných DOE v rámci programu Industrial Technology Program (nedávno přejmenovaného na Advanced Manufacturing Office). K souvisejícím aktivitám patří vývoj softwarových nástrojů pro pomoc při implementaci systémů ke zvyšování energetické účinnosti, školicí programy a technologické konference vzdělávající uživatele v oblasti těchto systémů. K významným konferencím konaným jednou za dva roky patří konference Motor Summit, pořádaná ve švýcarském Curychu (další se koná v prosinci 2012) a Energy Efficiency in Motor Drive Systems (EEMODS), pořádaná poprvé v USA v září 2011 a následně plánovaná do Brazílie na rok 2013. Další konferenci k propagaci energeticky účinných systémů organizuje sdružení NEMA, DOE a další subjekty na období duben–květen 2013, dodává Malinowski.

Nástroje, modernizace, vzdělávání

K dispozici již jsou nejrůznější softwarové nástroje a zásady nejlepší praxe. Následující příklady jsou bezplatné on-line softwarové nástroje dostupné v programu DOE Advanced Manufacturing Office:

  • ŸNástroj pro posuzování ventilátorového systému (Fan system assessment tool – FSAT) – pomáhá kvantifikovat spotřebu energie a příležitosti k úsporám v průmyslových ventilátorových systémech (odkaz č. 3).
  • ŸNástroj pro posuzování čerpadlového systému (Pump system assessment tool – PSAT) – umožňuje výpočet potenciálních úspor energie a nákladů u čerpadlových systémů. Data o výkonu čerpadel pocházejí z norem institutu Hydraulic Institute; data o výkonu motorů pocházejí z databáze NEMÁ Motor- Master+ (odkaz č. 4).
  • ŸAirMaster+ – pomáhá analyzovat využívání energie a potenciální úspory v průmyslových systémech stlačeného vzduchu, jakožto základní linii pro stávající aplikace nebo pro modelování budoucích aplikací (odkaz č. 5).


K dalším významným společným iniciativám v oblasti čerpadel a systémů stlačeného vzduchu patří iniciativy Pump Systems Matter (PSM) a Compressed Air Challenge (CAC). PSM a CAC pomáhají uživatelům příslušných systémů se  zvyšováním energetické účinnosti a úsporami nákladů prostřednictvím produktově neutrálních informací a vzdělávání (odkazy č. 6 a 7). Americký institut Air-Conditioning, Heating and Refrigeration Institute nedávno vydal normu AHRI Standard 1210 (I-P), Performance Rating of Variable Frequency Drives (Výkonová klasifikace frekvenčních měničů) pro řízení střídavých indukčních motorů.

Tato norma obsahuje požadavky na zkušební místo rychlosti či krouticího momentu z hlediska účinnosti hnacího systému a harmonických složek napájecího vedení, jež jsou platné pro aplikace s konstantním a proměnlivým krouticím momentem. V Evropě se budoucí normy zaměří na stále se rozšiřující systémy. Jedním z příkladů, který na konferenci Motor Summit 2010 prezentoval Dr. Ing. Martin Doppelbauer, svolavatel pracovní skupiny IEC TC2 31, je norma IEC 528xx, která bude pokrývat účinnost frekvenčních měničů, motorových pohonných systémů a „kompletních pohonných systémů“ (odkaz č. 8). Další oblastí s velkým potenciálem úspory energie je účinnost převodu energie. Při implementaci jakéhokoliv nového systému si zaslouží důkladnou pozornost.

Nicméně mohou vyvstat také cenné příležitosti k modernizaci. Konkrétním příkladem je modernizace ventilátorů chladicích věží, které se používají v různých průmyslových a komerčních závodech. John Malinowski ze společnosti Baldor Electric zmiňuje výměnu kombinace neefektivního šnekového redukčního převodu a dvourychlostního indukčního motoru za synchronní motor s vnitřním permanentním magnetem a přímým pohonem třídy IE4 (viz fotografie) a měnič VSD, která přinesla 50% úsporu spotřeby elektrické energie a další přínosy. Tato relativně jednoduchá modernizace odstranila nutnost použití redukčního převodu.

Malinowski shrnuje perspektivy zvyšování účinnosti motorových systémů: „Již mnoho let provádíme výměnu komponent za účelem modernizace pro vyšší účinnost. Ačkoliv jde o dobrou praxi, přináší to jen mírné úspory.“ Co je zapotřebí, je pohled na kompletní „systém“, od rozvodného transformátoru, přes chytrý startovací motor a pohon, až po mechanické převodní komponenty a poháněnou zátěž. „Optimalizace všech komponent v rámci kompletního systému, stejně jako využívání procesního řízení, může přinášet vysoké procentuálně dvouciferné úspory, zvýšenou produktivitu a zkrácení doby prostojů,“ uzavírá Malinowski.

Ce

Frank J. Bartos, PE, je specialistou časopisu Control Engineering pro obsah dodaný přispěvateli. Kontaktujte jej na adrese braunbart@sbcglobal.net.

 

 

Autor: Frank J. Bartos, Control Engineering


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

15. mezinárodní konference Moderní baterie, akumulátory a palivové články
2014-08-24 - 2014-08-28
Místo: Vysoké učení technické v Brně, Antonínská 1, Brno
Moderní technologie pro potravinářství 2014
2014-09-16 - 2014-09-16
Místo: 16. 9. 2014, NH Hotels, Olomouc
Prague Fire & Security Days 2014
2014-09-16 - 2014-09-20
Místo: PVA EXPO Praha, Letňany
Moderní technologie pro farmaceutický průmysl 2014
2014-09-17 - 2014-09-17
Místo: NH Hotels, Olomouc
56. mezinárodní strojírenský veletrh
2014-09-29 - 2014-10-03
Místo: Výstaviště Brno

Katalog

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
Thámova 13
180 00 Praha 8
tel. 00420737266673

COMPAS automatizace, spol. s r.o.
COMPAS automatizace, spol. s r.o.
Nádražní 610/26
59101 Žďár nad Sázavou
tel. +420 567 567 111

Invensys
Invensys
Žirovnická 3124
106 00 Praha 10
tel. +420 (0)267 182 220

BALLUFF CZ s.r.o.
BALLUFF CZ s.r.o.
Pelušková 1400
19800 Praha
tel. 724697790

Omron Electronics spol. s r.o.
Omron Electronics spol. s r.o.
Jankovcova 53
170 00 Praha 7
tel. +420 234 602 602

všechny firmy
Reklama






Anketa


Ano, proto se je snažíme minimalizovat
Ne, jsou na odpovídající úrovni
Nejsou vysoké, ale rychle rostou

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   Partneři   |   Blogy   |   
Copyright Trade Media International Holdings Sp. z o.o. ul. Wita Stwosza 59a, 02-661 Warszawa
KRS 0000281036, NIP 521-34-36-770, Regon 140966270
Všechny materiály pocházející ze stránek Control Engineering USA jsou vlastnictvím CFE Media. Všechna práva vyhrazena.
Navštivte naše další stránky