ГОСТ Р 54413-2011 Машины электрические вращающиеся. Часть 30. Классы энергоэффективности односкоростных трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (код IE)

Введение

Настоящий стандарт разработан для универсальной гармонизации классов энергоэффективности электрических машин (далее - двигатели).

Потребление электроэнергии двигателями в промышленности составляет от 30% до 40% всей вырабатываемой в мире электроэнергии, поэтому увеличение энергоэффективности двигателя в комплексе с преобразователем с учетом условий его применения - очень важная задача. Общий потенциал энергосбережения от оптимизации электропривода может достигать от 30% до 60%.

В соответствии с выводами симпозиума по электрическим машинам Международного энергетического агентства (IEA) от 7 июля 2006 г. двигатели с повышенным коэффициентом полезного действия (далее - КПД) в совокупности с преобразователем частоты могут сэкономить до 7% вырабатываемой электроэнергии. Примерно от четверти до трети этой экономии происходит за счет увеличения КПД двигателя, остальная часть - за счет других усовершенствований системы.

В настоящее время используют много систем стандартов по энергоэффективности (NEMA, ЕРАСТ, CSA, СЕМЕР, COPANT, AS/NZS, JIS, GB и др.), совершенствующих систему уровней энергоэффективности. Это разнообразие национальных стандартов создает трудности для производителей и коммерсантов, ориентирующихся на мировой рынок.

Потенциал энергосбережения наиболее распространенных в промышленности двигателей от 0,75 до 355 кВт, на которые распространяется настоящий стандарт, характеризуется гистограммой, представленной на рисунке 1 (по информации СЕМЕР). Потенциал энергосбережения определен как произведение установленной мощности двигателей на среднее увеличение их КПД.

     
Рисунок 1 - Распределение потенциала энергосбережения двигателей по мощностям

В некоторых странах двигатели малой мощности включены в область, регламентируемую стандартами энергоэффективности. Как правило, они не являются трехфазными двигателями с короткозамкнутым ротором, не работают в длительном режиме, поэтому обладают ограниченным потенциалом энергосбережения.

В ряде стран в область регламентации включены 8-полюсные двигатели. Однако их доля мирового рынка мала (1% и менее). В связи с широким распространением регулируемого электропривода, а также с более приемлемой ценой 4- и 6-полюсных двигателей прогнозируют постепенное исчезновение 8-полюсных двигателей с мирового рынка, поэтому настоящий стандарт их не охватывает.

При заданных выходной мощности и габаритных размерах двигателя обычно проще добиться более высокой энергоэффективности, если двигатель спроектирован и работает на частоте 60 Гц, нежели на частоте 50 Гц.

Примечание 1 - Поскольку применение и габаритные размеры двигателя связаны с развиваемым им моментом на валу, а не мощностью, последняя растет пропорционально скорости, т.е. на 20% при переходе частоты от 50 до 60 Гц.

Потери в обмотках доминируют преимущественно в асинхронных двигателях малой и средней мощности. Они практически не меняются на частотах 50 и 60 Гц при постоянном моменте. Несмотря на то что потери на трение, вентиляционные и в стали возрастают с частотой, это не оказывает решающего влияния на суммарные потери в двигателях. В результате суммарные потери при частоте 60 Гц возрастают менее чем на 20%, что приводит к увеличению КПД по сравнению с частотой 50 Гц.

На практике как для частоты 60 Гц, так и для частоты 50 Гц маркировка мощности должна соответствовать уровням, регламентируемым [1]. Поэтому увеличение мощности на 20% не всегда возможно. Однако общее преимущество частоты 60 Гц остается, если конструкция двигателя оптимизирована для соответствующей частоты питания.

Разница в КПД при частотах 50 и 60 Гц зависит от числа полюсов и габарита двигателя. Как правило, можно считать, что КПД трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором мощностью от 0,75 до 355 кВт при 60 Гц выше в сравнении с 50 Гц на величину от 2,5% до 0,5%. Исключение составляют мощные 2-полюсные двигатели, у которых при 60 Гц КПД может быть ниже из-за высоких потерь на трение, вентиляционных и в стали.

Требования настоящего стандарта для двигателей с питанием от сети переменного тока частотой 50 Гц для классов энергоэффективности нормального (IE1) и повышенного (IE2) основаны на требованиях СЕМЕР-EU для классов EFF2 и EFF1 соответственно. Однако они были скорректированы в части методов испытаний (согласно СЕМЕР добавочные потери под нагрузкой составляют 0,5% потребляемой мощности при номинальной нагрузке, а настоящий стандарт предписывает определять их в ходе испытаний).

Требования к двигателям на 50 Гц класса премиум (IE3) устанавливают из расчета уменьшенных на 15%-20% потерь по сравнению с повышенным классом энергоэффективности.

Требования к двигателям на 60 Гц нормального класса (IE1) идентичны требованиям бразильских нормативных документов, повышенного класса (IE2) и класса премиум (IE3) - нормативным документам EPACT (США).

Настоящий стандарт не предполагает, что все производители будут выпускать двигатели всех классов или со всеми номинальными параметрами конкретного класса.

Целесообразно выбирать класс энергоэффективности в соответствии с областью применения двигателей и в зависимости от времени их работы. В частности, для двигателей, работающих кратковременно, может оказаться нерациональным использование двигателей классов повышенного и премиум.

Для успешного продвижения на рынок двигатели повышенного класса энергоэффективности должны удовлетворять национальными региональным стандартам в части соотношения полезной мощности и размеров (габаритов, фланца и т.п.). Существует целый ряд подобных рамочных стандартов ([3], [4], [5], [6], [7] и др.), которые не являются стандартами МЭК. Поскольку настоящий стандарт определяет классы энергоэффективности независимо от ограничений по габаритным размерам, не представляется возможным производить для всех рынков двигатели высоких классов энергоэффективности при сохранении габаритных размеров, определяемых национальными и региональными стандартами.

Назначая минимальные характеристики по стандартам энергоэффективности, необходимо рассматривать указанные ограничения наряду с областью применения, как описано в разделе 4.