Högsta effektivitet

Premiumeffektivitet , när den används med hänvisning till specifika typer av elmotorer (med en roterande axel), är en klass av motoreffektivitet.

Som en del av en samlad ansträngning över hela världen för att minska energiförbrukningen , CO ₂ -utsläppen och industriell verksamhets påverkan på miljön, har olika tillsynsmyndigheter i många länder infört, eller planerar, lagstiftning för att uppmuntra tillverkning och användning av eldrivna med högre effektivitet. motorer . Den här artikeln tittar på utvecklingen av premiumeffektivitetsstandarden (IE3) och premiumeffektivitetsmotorer ( PEM) och tillhörande miljö-, juridiska och energirelaterade ämnen.

Historia

Oljekrisen och det globala behovet av mer kraft, mer elkraft och följaktligen fler kraftverk har ökat medvetenheten om energibesparing .

År 1992 satte den amerikanska kongressen , som en del av Energy Policy Act (EPAct) miniminivåer för effektivitet (se tabell B-1) för elmotorer .

1998 utfärdade den europeiska kommittén för tillverkare av elektriska maskiner och kraftsystem (CEMEP) ett frivilligt avtal mellan motortillverkare om effektivitetsklassificering, med tre effektivitetsklasser:

• Eff 1 för hög effektivitet
• Eff 2 för standardeffektivitet
• Eff 3 för låg effektivitet

Högeffektiva elmotorer

Termen premiumeffektivitet som diskuteras här hänför sig till en klass av motoreffektivitet. Det anses nödvändigt att introducera denna term förknippad med motorer på grund av kommande lagstiftning i EU, USA och andra länder angående den framtida obligatoriska användningen av induktionsmotorer av ekorrbur med hög effektivitet i definierad utrustning.

Minska energiförbrukningen och CO ₂ -utsläppen

Flera uttalanden har gjorts om motoranvändning och fördelarna med att använda premiumeffektiva eller högre verkningsfulla motorer. Dessa inkluderar:

Baserat på data från det amerikanska energidepartementet uppskattas det att National Electrical Manufacturers Association (NEMA) motorprogram med premiumeffektivitet skulle spara 5,8 terawatt el och förhindra utsläpp av nästan 80 miljoner ton kol i atmosfären under de kommande tio år. Det motsvarar att hålla 16 miljoner bilar borta från vägen.

Ungefär 30 miljoner nya elmotorer säljs varje år för industriella ändamål. Cirka 300 miljoner motorer används i industri, infrastruktur och stora byggnader. Dessa elmotorer står för 40 % av den globala elektriciteten som används för att driva pumpar, fläktar, kompressorer och annan mekanisk dragutrustning. Motortekniken har utvecklats under de senaste decennierna. Överlägsna så kallade "premium"-produkter finns nu tillgängliga, redo att förändra marknaden mot energieffektivitet och bidra till att minska utsläppen av växthusgaser över hela världen.

Genom att använda bästa praxis kan energieffektiviteten för elmotorer förbättras med 20 % till 30 % i genomsnitt. De flesta förbättringar har en återbetalningstid på 1 till 3 år. Detta innebär dessutom en stor potentiell påverkan på minskningen av de globala utsläppen av växthusgaser.

Elmotorsystem förbrukar stora mängder elektrisk energi och kan ge möjlighet till betydande energibesparingar. Energin står för mer än 97 procent av motorns totala driftskostnader under motorns livstid. Men köpet av en ny motor tenderar ofta att styras av priset, inte elen den kommer att förbruka. Även en liten förbättring av effektiviteten kan resultera i betydande energi- och kostnadsbesparingar. Att investera lite mer pengar i förväg för en mer effektiv motor betalas ofta tillbaka i energibesparingar. Att förbättra energieffektiviteten minskar utsläppen av växthusgaser som bidrar till klimatförändringen .

Definition av motorverkningsgrad

Effektiviteten hos en elmotor representeras av den grekiska bokstaven Eta och definieras som förhållandet mellan utgående mekanisk effekt och elektrisk ineffekt och kan beräknas med hjälp av denna formel:

$\eta ={ \frac {OutputMechanicalPower}{InputElectricalPower}}$

Eftersom effektiviteten är ett förhållande, så länge måttenheten är densamma för både uteffekt och ineffekt, kan vilken måttenhet som helst användas för denna beräkning.

Axelkraften överförs till den maskindrivna; den elektriska ineffekten är vad som mäts och laddas för. Förlust i motorverkningsgrad bestäms av skillnaden mellan ineffekt och ut- eller axeleffekt.

^P _förlust = ^P _in - ^P _axel

^P- _förlust = förluster av elmotor [kW]

Motorenergiförlust är huvudsakligen värme som orsakas av många faktorer, inklusive förlust från spollindningen (motstånd) , förlust i rotorstängerna och släpringarna , förlust på grund av magnetisering av järnkärnan och förlust från friktion av lager.

Premiumeffektiva motorprogram i USA

Den 19 december 2007 undertecknade president Bush Energy Independence and Security Act från 2007 (EISA) till lag (Public Law 140-110). National Electrical Manufacturers Association (NEMA) deltog aktivt i utarbetandet av viktiga bestämmelser om EISA. En kritisk åtgärd som NEMA fokuserade på var ökade motoreffektivitetsnivåer. Motorgeneratorsektionen i NEMA gick samman med American Council for an Energy Efficient Economy för att utarbeta och rekommendera nya motoreffektivitetsföreskrifter som täcker både allmänna ändamål och vissa kategorier av elektriska motorer för bestämda och speciella ändamål.

Motor- och generatorsektionen hos NEMA etablerade NEMA Premium-programmet av fyra huvudsakliga skäl:

• Elmotorer har en betydande inverkan på den totala energidriftskostnaden för industri-, institutions- och kommersiella byggnader.
• Elmotorer varierar i termer av energieffektivitet. NEMA Premium-programmet kommer att hjälpa köpare att identifiera mer effektiva motorer som kommer att spara pengar och förbättra systemets tillförlitlighet.
• NEMA Premium-märkta elmotorer kommer att hjälpa användare att optimera motorsystems effektivitet i ljuset av strömförsörjnings- och avregleringsproblem.
• NEMA Premium-motorer och optimerade system kommer att minska elförbrukningen och därmed minska föroreningar i samband med elproduktion .

Besök NEMA Premium Motors för mer information.

En sammanfattning av EISA-standarder för motorer:

EU:s syn på motorer med premiumeffektivitet

I juni 2005 antog Europeiska unionen ett direktiv om att upprätta ett ramverk för att ställa krav på ekodesign (såsom energieffektivitetskrav) för alla energianvändande produkter inom bostads-, tertiär- och industrisektorerna. Sammanhängande EU-omfattande regler för ekodesign kommer att säkerställa att skillnader mellan nationella bestämmelser inte blir ett hinder för handel inom EU. Direktivet inför inte direkt bindande krav för specifika produkter, men definierar villkor och kriterier för att ställa krav på miljörelevanta produktegenskaper (som energiförbrukning) och gör att de kan förbättras snabbt och effektivt. Den kommer att följas av genomförandeåtgärder som kommer att fastställa ekodesignkraven. Direktivet gäller i princip alla energianvändande produkter (utom transportfordon) och omfattar alla energikällor.

Enande globala effektivitetsklassificeringar

IEC 60034-30 specificerar elektriska verkningsgradsklasser för enhastighets, trefas , 50 Hz och 60 Hz, burinduktionsmotorer som:

• har 2, 4 eller 6 poler (3 000; 1 500; och 1 000 rpm vid 50 Hz)
• har märkeffekt mellan 0,75 och 375 kW
• har en märkspänning upp till 1000 V
• är klassificerade på basis av antingen arbetstyp S1 (kontinuerlig drift) eller S3 (intermittent drift) med en klassificerad cyklisk varaktighetsfaktor på 80 % eller högre

Tabellen nedan visar IEC 60034-30 (2008) effektivitetsklasser och jämförbara effektivitetsnivåer.

	Effektivitetsnivåer	Jämförelse
IE1	Standardeffektivitet
IE2	Hög effektivitet	För 50 Hz betydligt högre än EFF2 för CEMEP och identisk med USA:s EPAct för 60 Hz
IE3	Högsta effektivitet	Ny effektivitetsklass i Europa för 50 Hz, högre än EFF1 på CEMEP och med vissa undantag identisk med NEMA Premium i USA för 60 Hz.

Standarden reserverar också en IE4-klass (Super Premium Efficiency) för framtiden. Följande motorer är undantagna från den nya effektivitetsstandarden:

• Motorer gjorda enbart för inverterdrift
• Motorer helt integrerade i en maskin (pump, fläkt eller kompressor) som inte kan testas separat från maskinen.

Grafen visar som exempel 50 Hz, 4-poliga motorer

För 60 Hz drift är IE2 och IE3 minimivärden för full belastningseffektivitet praktiskt taget identiska med North American National Electrical Manufacturers Association (NEMA) energieffektiva respektive premiumeffektivitetsmotorstandarder. (NEMA specificerar olika fulllasteffektivitetsvärden för motorer med helt slutna fläktkylda och öppna droppsäkra kapslingar och från 200HP är IEC IE3 effektiviteten något högre än NEMA Premium Efficiency). IEC:s minimikrav för fulllasteffektivitet är högre för 60 Hz-motorer än för 50 Hz-motorer. Detta beror på att så länge som motorns vridmoment är konstant är I ² R eller lindningsresistansförlusterna desamma vid 50 Hz och 60 Hz. Motorns uteffekt ökar dock linjärt med hastigheten och ökar med 20 % när frekvensen ökas från 50 Hz till 60 Hz. I allmänhet är 60 Hz verkningsgraden cirka 2,5 % till 0,5 % högre än 50 Hz-värdena. Effektivitetsvinsten är större för mindre motoreffekter.

För att visa överensstämmelse med dessa nya effektivitetsstandarder måste motorer testas i enlighet med det nyligen antagna IEC 60034-2–1 testprotokollet. Denna procedur ger testresultat som i stort sett är kompatibla med de som erhållits med de nordamerikanska IEEE 112B och CSA 390 testmetoderna. Den nya standarden kräver också att motoreffektivitetsklassen och nominell motorverkningsgrad märks på motorns märkskylt och anges i produktlitteratur och motorkataloger i följande format:

IE3 94,5 %

Nya minimistandarder för energiprestanda i EU

Den 22 juli 2009 anger kommissionens förordning (EG) nr 640/2009 om genomförande av direktiv 2005/32/EG att motorer i EU, med undantag för vissa speciella tillämpningar, inte ska vara mindre effektiva än IE3 effektivitetsnivån från och med 1. januari 2015.

I detalj:

• IE2 senast den 16 juni 2011
• IE3 senast 1 januari 2015 (för motorer från 7,5 till 375 kW) och IE2 endast i kombination med en frekvensomriktare
• IE3 för alla motorer senast 1 januari 2017 (för motorer från 0,75 till 375 kW) och IE2 endast i kombination med en frekvensomriktare

EC 60034–30, IE3 Premium Efficiency (%) presenteras i tabellen.

IE3 Premium effektivitet

kW	2-polig		4-polig		6-polig
	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

Design av premiumeffektiva motorer

Design av Premium Efficiency Motors kräver speciell kunskap, erfarenhet och testfaciliteter, utrustade med precisionsinstrumentering. Designens uppgift är att få upp effektiviteten genom att minimera och balansera de enskilda förlusterna, speciellt de som skapas i statorspolarna, statorjärnet (magnetisering) och förlusterna inom rotorn genom slirning. I jämförelse med standard (t.ex. IE1) elmotorer används mer järn och kopparmaterial. IE3-motorer är tyngre och fysiskt större än IE1-motorer.

Vanligtvis kan användning av högre slitsfyllning i kopparlindningen, användning av tunnare lamineringar med förbättrade stålegenskaper, minska luftgapet, bättre design av kylfläkt, användning av speciella och förbättrade lager etc. säkerställa högre effektivitet i motorerna.

Den höga elektriska ledningsförmågan hos koppar jämfört med andra metalliska ledare förbättrar den elektriska energieffektiviteten hos motorer. Att öka massan och tvärsnittet av ledarna i en spole ökar motorns elektriska energieffektivitet. Där energibesparingar är de främsta designmålen, induktionsmotorer utformas för att möta och överträffa National Electrical Manufacturers Association ( NEMA) premiumeffektivitetsstandarder.

Kommersiella rabattprogram

Den amerikanska senatens energi- och naturresurskommitté antog en bestämmelse som förespråkas av NEMA som skapade ett premium energieffektivt motorrabattprogram, även känt som ett "crush for credit"-program, enligt National Electrical Manufacturers Association (NEMA). Programmet gav en rabatt på 25 USD per hästkraft och en rabatt på 5 USD per hästkraft för bortskaffande av den gamla motorn. Det senare programmet behövdes för att kompensera kostnadsskillnaden mellan nya, dyrare, effektivare motorer och den lägre kostnaden för att reparera de äldre, mer ineffektiva motorerna, säger NEMA. Detta program gjorde det möjligt för den federala regeringen att spendera 350 miljoner dollar i incitament för den utbredda adoptionen av NEMA Premium-motorer.

Bestämmelsen "Crush for Credit" som finns i senatens version av "Energy Policy and Conservation Act" (EPCA) gällde i fem år och inkluderade följande föreslagna finansiering:

• $80 000 000 under FY2010
• $75 000 000 under FY2011
• 70 000 000 USD under FY2012
• $65 000 000 under FY2013
• 60 000 000 USD under FY2014

Inom EU uppmuntrar olika kapitalavdragssystem företag att köpa utrustning som innehåller motorer med premiumeffektivitet. Till exempel i Storbritannien ger Enhanced Capital Allowances Scheme ett skatteincitament till företag som investerar i utrustning som uppfyller publicerade energisparkriterier. Energitekniklistan (ETL) beskriver kriterierna för varje typ av teknik och listar de produkter i varje kategori som uppfyller dem. Det förvaltas av Carbon Trust , på uppdrag av regeringen, och har två delar:

• Energy Technology Criteria List (ETCL), som ses över årligen som en del av för att säkerställa att den speglar tekniska framsteg. Den anger de kvalificerande energibesparingskriterierna för varje teknikklass.
• Produktlistan för energiteknik (ETPL), som uppdateras i början av varje månad på denna webbplats, listar de produkter och teknologier som är berättigade till en ECA.

ETPL innehåller också detaljer om de maximala anspråksvärdena för kvalificerade produkter som innehåller en komponent i en större anläggning och maskin, som i sig inte kvalificerar sig för ECA.

Huvuddragen i ECA-systemet är

• Öppen för alla företag som betalar brittisk bolags- eller inkomstskatt , oavsett storlek, sektor eller plats.
• Ger 100 % kapitalavdrag för första året på investeringar i energibesparande utrustning mot skattepliktiga vinster under investeringsperioden.
• Alla produkter som listas på ETPL måste uppfylla energisparkriterierna, publicerade i ETCL.
• Endast utgifter för ny och oanvänd energibesparande utrustning kan kvalificera sig för ECA.
• Kapitalavdrag är tillgängliga för utgifter "på tillhandahållande av" anläggningar och maskiner. Detta kan inkludera vissa kostnader som uppstår som ett direkt resultat av installationen av kvalificerade anläggningar och maskiner såsom; transport av utrustningen till platsen, och vissa direkta installationskostnader. Man kan hänvisa till avsnittet Anspråk på en ECA för mer information.

Ett liknande system i Irland, Accelerated Capital Allowance (ACA) som drivs av Sustainable Energy Ireland (SEI) låter ett företag sänka sin skattepliktiga inkomst med 100 % av kapitalkostnaden för kvalificerad energieffektiv utrustning under det första köpåret. Detta kan jämföras med bara 12,5 % för icke stödberättigade anläggningar och maskiner.

Med den befintliga skattestrukturen för kapitalavdrag, när pengar spenderas på "kapitalutrustning" kan företag dra av kostnaden för denna utrustning från sina vinster proportionellt under en period av 8 år, dvs den årliga skattepliktiga vinsten minskas endast med 1/8 av total utrustningskostnad.

Med nya ACA, när pengar spenderas på "Kvalificerad energieffektiv kapitalutrustning", kan företaget dra av hela kostnaden för denna utrustning från sin vinst under inköpsåret, dvs den skattepliktiga vinsten år ett minskas med hela kostnaden för utrustningen.

externa länkar

• NEMA webbplats för programmet