En oerhört stor del av världens elektricitet. ie-klassning en följetong om ständigt effektivare motorer. Elmotorer

Transkript

1 Elmotorer ILLUSTRATION: DAG TOIJER Sammanfattat x eu ställer krav på energieffektivitet hos elmotorer. x Motorernas verkningsgrad beskrivs av ie-klasser enligt en internationell standard från iec. x Asynkronmotorer som drivs direkt från nätet med uteffekter mellan 7,5 och 375 kw ska hålla klass ie3. x Från nästa år ingår motorer med effekter ner till 0,75 kw. x iec:s standard definierar effektivitetsklasser upp till ie4. ie-klassning en följetong om ständigt effektivare motorer eu:s krav på energieffektiva elmotorer trappas upp hela tiden En oerhört stor del av världens elektricitet används i elmotorer. I industrin används nästan hälften av elektriciteten för att driva elmotorer, 42 procent för att vara exakt. Det betyder att industrins elmotorer står för 28 procent av världens totala elförbrukning. Uppenbarligen finns oerhört mycket att vinna på att göra elmotorerna effektivare. Både ekonomiskt och för miljön. Genom att använda teknik som finns redan idag, skulle man kunna minska elförbrukningen i industrins elmotorer till mindre än hälften, menar Stellan Rosenquist som är produktchef för lågspänningsmotorer hos abb. Det skulle förstås minska världens totala elförbrukning påtagligt. Lägg till det alla elmotorer som används utanför industrin som också kan bli effektivare. eu kräver effektivitet Genom att använda mer effektiva elmotorer kan industrin alltså minska elförbrukningen 28

2 FOTO: DAG TOIJER Genom att använda teknik som finns redan idag, skulle man kunna minska elförbrukningen i industrins elmotorer till mindre än hälften. Stellan Rosenquist, produktchef för lågspänningsmotorer hos abb. drastiskt och därmed sina kostnader. Problemet är att effektivare motorer är något dyrare i inköp, medan vinsterna kommer först senare i form av lägre elräkningar. Därmed finns risken att vissa väljer motorer med det lägsta inköpspriset, även om det är en kortsiktig vinst: inköpspriset utgör bara cirka tre procent av en elmotors livstidskostnad, medan energikostnaden är runt 97 procent. En energieffektivare motor betalar sig med andra ord snabbt. För att öka antalet effektiva motorer i drift har många länder, liksom eu, infört bestämmelser som ställer krav på energieffektiviteten hos de elmotorer som säljs. Inom eu talar man energieffektivitetsklasser, vanligtvis kallade ie-klasser. För den vanligaste typen av elmotorer som säljs inom eu är det idag lag på att de måste hålla minst klassen ie3. Fler motorer omfattas nästa år Dagens krav att elmotorerna ska hålla minst ie3-klass gäller trefas asynkronmotorer utan varvtalsreglering för effekter mellan 7,5 och 375 kw. Nästa år, 2017, kommer bestämmelserna att gälla fler motorer när motorer med effekter ner till 0,75 kw omfattas. Trefas asynkronmotorer är den i särklass vanligaste motorn i detta effektområde. Runt 90 procent är av denna typ och bara en mindre del av dessa är varvtalsreglerade, resten går på konstant varvtal. Att ie3-kravet från och med nästa år gäller fler motorer är ett exempel på att kraven på motorernas effektivitet hela tiden ökar. Och fler förändringar är att förutse. eu:s krav att motorer av det här slaget ska hålla minst energieffektivitetsklass ie3 innebär förstås inte att man måste nöja sig med detta. Redan idag finns många motorer som håller den högre klassen ie4. För eu:s bestämmelser är en sak, definitionen av energieffektivitetsklasserna en annan. Det är den internationella standardiseringsorganisationen iec som definierar ie-klasserna. Dessa är idag beskrivna upp till klass ie4 i en standard som antogs för svenskt vidkommande av sek Svensk elstandard i oktober ie5 ännu inte klar På sikt kommer man att införa ännu effektivare klasser även om dessa inte är standardiserade ännu. Men trots att ie5 inte har fastställts i någon standard ännu, hänvisar flera motortillverkare till att deras motorer klarar ie5. Det man utgår från är att energiförlusterna för klassen ie5 sannolikt kommer att ligga cirka 20 procent lägre än för ie4. Oavsett hur det går med ie5-klassen, kommer bestämmelserna för de elmotorer som säljs inom eu att förändras. Den första förändringen är alltså att fler motorer kommer omfattas av kravet på att uppfylla klassen ie3 från Motoröversikt i nästa nummer I nästa nummer av Automation kommer vi att presentera en översikt med elmotorer som uppnår effektivitetsklassen ie4. Missa inte den. 29

3 Elmotorer Flera förändringar av eu:s motorkrav på gång eu:s ekodesignförordning omfattar en mängd produkter. När det gäller elmotorer gäller den idag trefas asynkronmotorer för uteffekter mellan 7,5 och 375 kw. Från 1 januari 2017, omfattas även motorer med effekter ner till 0,75 kw. Kraven gäller motorer med märkspänning upp till V med två till sex poler. Åttapoliga motorer är däremot undantagna. Kraven säger att sådana motorer som säljs inom eu ska uppnå effektivitetsklass ie3 om de används vid drift med konstant varvtal. Är motorerna varvtalsstyrda med en frekvensomriktare räcker det om de uppnår effektivitetsklass ie2. Dessa effektivitetsklasser, plus klassen ie4 som ännu inte ingår i eu:s krav, definieras i den internationella standarden ss-en På engelska heter dessa klasser international efficiency classes, därav förkortningen ie. Flera motorer är undantagna från effektivitetskraven. Det gäller exempelvis motorer som är helt integrerade i en mekanisk konstruktion, exempelvis i en fläkt eller en pump, så att det inte går att mäta motorns specifika bidrag till verkningsgraden för hela konstruktionen. Även motorer som används under vatten eller annan vätska är undantagna. eu planerar flera förändringar av kraven på verkningsgraden hos elmotorer och varvtalsstyrningar, även om tidpunkten är oklar. Här följer några av de förändringar som man kan förvänta sig. Små enfasmotorer med effekten W ska hålla effektivitetsklass ie2. Små trefasmotorer med effekten W ska hålla effektivitetsklass ie2. Stora lågspänningsmotorer med effekten 375 till kw ska hålla effektivitetsklass ie3 om märkspänningen är under 1000 V. Stora mellanspänningsmotorer med effekten kw ska hålla effektivitetsklass ie3 om de har en märkspänning upp till V. Möjligheten att använda ie2-klassade motorer i kombination med en varvtalsstyrning tas bort. Även motorer för explosionsfarlig miljö och bromsmotorer ska omfattas av reglerna. Mellanstora motorer med effekter mellan 750 W och kw ska uppnå effektivitetsklass ie4. Varvtalsstyrningar ska ha en effektivitetsklass motsvarande ie1. Krav på information om motorernas effektivitetsklass. 30

4 och med nästa år. Men många fler förändringar är att vänta. Kryphål tas bort Kravet att trefas asynkronmotorer ska uppfylla effektivitetsklassen ie3 gäller bara motorer som körs med konstant varvtal. För motorer styrda av frekvensomriktare räcker det med att motorerna klarar den lägre klassen ie2. Men Trots att klassen ie5 inte har fastställts i någon standard ännu, hänvisar flera motortillverkare till att deras motorer klarar ie5. det kommer på lite sikt att förändras, så att även sådana motorer måste uppfylla ie3. Det här har i praktiken varit ett kryphål, som kommer att täppas till, säger Anders Hallberg på Energimyndigheten. Att man kan använda ie2-motorer ihop med frekvensomriktare har gjort att sådana motorer fortfarande får säljas. Men man har inga garantier för att dessa sedan verkligen används ihop med omriktare, utan man kan misstänka att de ibland används utan frekvensomriktare för att komma runt reglerna. Snart kommer det att bli slut med den möjligheten. Fler förändringar på gång På sikt kommer ie4 bli krav för motorer från 0, kw att införas. Andra förändringar av den så kallade ekodesignförordningen är att fler motorer kommer att omfattas, både andra motortyper och andra effekter. Det ingår exempelvis i planerna att reglerna ska gälla både enfas- och trefasmotorer för effekter från 120 till 750 W. Likaså kommer stora motorer för effekter upp till kw att omfattas om märkspänningen är lägre än Volt. I framtiden kommer även motorer för explosionsfarlig miljö liksom bromsmotorer att omfattas. Exakt när dessa förändringar av reglerna kommer att införas är inte klart, men en översyn av kraven kommer att genomföras redan efter sommaren i år. Kräver annan motorteknik Att man skulle införa krav på ie5 ligger betydligt längre fram i tiden om det alls genomförs. Förutom att ingen standard beskri- 31

5 Elmotorer ver vad detta skulle innebära i form av verkningsgrad, finns även tekniska hinder. Enligt Stellan Rosenquist på abb är ie4 troligen så långt man kan komma när det gäller att öka effektiviteten hos vanliga asynkronmotorer, som utgör den överväldiga majoriteten av alla elmotorer i industrin. Ska man öka verkningsgraden över ie4, så får man gå över till andra typer av motorer. En lösning för att uppnå högre verkningsgrad skulle vara att använda permanentmagnetmotorer. Dessa har en rotor som består av permanenta magneter istället för elektromagneter. På så vis slipper man energiförluster i rotorn. Problemet med dessa är att de flesta tillsätter neodym, en sällsynt jordartsmetall, i magneterna. Det är ett material som är både dyrt och svårt att få tag på. Det finns dock en lösning, säger Stellan Rosenquist. På abb har vi utvecklat en permanentmagnetmotor med ferritmagneter som är betydligt billigare än neodym, förklarar han. FOTO: CHARLOTTE CARLBERG BÄRG Nästa hälften av all elenergi industrin använder går till elmotorer. Effektivare motorer skulle spara mycket pengar åt industrin 32 Många länder kräver effektivitet Många länder specificerar minimikrav på elmotorers energieffektivitet, något som brukar kallas minimum energy performance standards, förkortat, meps. Hur reglerna ser ut varierar dock. Ska motorer eller maskiner med motorer exporteras är det alltså viktigt att veta vilka regler som gäller i mottagarländerna. de flesta beskriver effektiviteten med den internationella standardiseringsorganisationen iec:s international efficiency classes, oftast förkortat ie. iec har hittills standardiserat ie-klasserna 1 4 enligt den nu gällande standarden som i Sverige har beteckningen ss-en Inom eu har man gemensamma bestämmelser för vilka ie-klasser motorerna måste uppnå, som högst ie3. Även i Nordamerika, det vill säga usa och Kanada, har man regler för vilken energieffektivitet motorerna minst måste uppnå. Där har man dock andra beteckningar för klasserna: ie1 = Standard efficiency ie2 = High efficiency ie3 = Premium efficiency ie4 = Super premium efficiency Med några undantag gäller att fot- och fotflänsmotorer med lägre effekt än 200 horsepowers, vilket motsvarar cirka 150 kw, ska hålla premiumklass, det vill säga ie3. Flänsmotorer under 500 horsepowers (375 kw) ska ha klassningen high, alltså ie2. (En amerikansk horsepower är något mer än en svensk hästkraft.) i japan gäller ie3 för motorer mellan 0, kw sedan Andra länder som ställer krav på energieffektiviteten är Australien, Brasilien, Israel, Kina, Korea, Mexiko, Nya Zeeland, Taiwan och Turkiet. Reglerna liksom vilken ie-klass som krävs varierar mellan länderna. Även Indien planerar att införa meps. Rotor med hål En annan typ av motorer som kan uppnå högre verkningsgrad än ie4 är reluktansmotorn. Rotorn i en sådan motor är uppbyggd av järnskivor med hål i som bildar luftkanaler, medan statorn är konventionell. När statorn skapar ett roterande magnetfält, strävar rotorn att ställa in sig så att magnetfältet går genom de massiva delarna, istället för genom luftkanalerna. En fördel med reluktansmotorn är att den inte har några förluster i rotorn vilket ökar effektiviteten. Samtidigt slipper man dyrbara magneter. Prestanda ligger på samma nivå som permanentmagnetmotorerna eller strax under. Ytterligare en fördel med reluktansmotorn är att den kan servas på konventionellt sätt, medan permanentmagnetmotorerna är mer komplicerade att underhålla. De kräver bland annat specialverktyg. Det var dock länge svårt att använda reluktansmotorerna ihop med frekvensomriktare. Nu har abb lyckats ta fram en mjukvara som klarar att varvtalsreglera reluktansmotorerna. abb:s omriktare acs 580 och 880 är nu i standardutförande utrustade med mjukvara för både induktionsmotorer, permanentmagnetmotorer och reluktansmotorer. Dag Toijer

6 Högre ie-klass betalar sig på mindre än två år Hur mycket tjänar man på att byta upp sin elmotor en effektivitetsklass? Det beror förstås på flera faktorer som motorns strömförbrukning liksom på drifttiden och elpriset. Tittar man på skillnaderna i verkningsgrad mellan olika effektivitetsklasser, kan dessa tyckas små, någon procent bara. Men man ska istället se till hur mycket förlusterna minskar mellan två klasser, menar Stellan Rosenquist, produktchef för lågspänningsmotorer hos abb. Gör man jämförelsen på det viset, blir skillnaden mer påtaglig. Ett räkneexempel får i illustrera hur mycket man tjänar på att gå upp en ie-klass. Stellan rosenquist järmför två motorer från abb. En ie4-motor kan kanske vara kronor dyrare än motsvarande ie3-motor. Minskade energikostnader gör att det är intjänat på cirka 17 månader. Stellan Rosenquist, produktchef för lågspänningsmotorer hos abb FOTO: DAG TOIJER Eftersom en motor vanligtvis har en livslängd på 20 år eller mer, så blir det mycket pengar man tjänar in på att köpa den effektivare motorn. Men det är inte bara en minskad energikonsumtion som ger vinst när man skaffar en motor med högre verkningsgrad, understryker Stellan Rosenquist. Motorns energiförluster utgörs av värme som alstras vid driften. En mer effektiv motor med lägre förluster får helt enkelt lägre temperatur, vilket har flera fördelar, poängterar han. Lägre temperatur gör att smörjfett och isolering håller längre, vilket minskar risken för att motorn ska gå sönder. Två tredjedelar av alla haverier beror på att lagren skär, och den viktigaste orsaken till det är problem med smörjningen. Om fettet håller längre, så betyder det att riskerna för motorn minskar. Dessutom kan man förlänga smörjintervallen, vilket också sparar pengar. Dag Toijer ie-klasser visar verkningsgraden Ta två motorer på 90 kw uteffekt för varvtalet rpm. ie3-motorn har verkningsgraden 95,2 procent medan ie4-motorn har 96,4 procent. Det låter kanske inte så mycket men i verkligheten betyder det att förlusterna minskat med 29 procent och det är ju betydligt mer påtagligt. Mer generellt menar Stellan Rosenquist att man minskar förlusterna med cirka 20 procent när man går från en effektivitetsklass till nästa. Framförallt menar Stellan Rosenquist att man ser skillnad när man jämför energikostnaden. Och han fortsätter räkneexemplet med de två abb-motorerna. En ie4-motor är dyrare, i hans exempel kostar den kronor mer än ie3- motorn. Den utgiften har man dock snart tjänat in. Vid ett elpris på 55 öre per kilowattimme gör de minskade energikostnaderna att det högre inköpspriset är intjänat på cirka 17 månader om motorn arbetar dygnet runt. Och ser man till motorns hela livslängd talar vi om stora vinster, menar Stellan Rosenquist. Stora elmotorer har högre verkningsgrad än mindre. Därför anger man inte ett exakt värde som en motor ska uppnå för att klara en viss ie-klass. Istället utgörs kraven av kurvor där verkningsgraden beror på motorns uteffekt. oavsett storlek, ökar kraven på verkningsgrad när man går från en lägre ie-klass till en högre. Kurvorna visar hur kraven för olika effektivitetsklasser ser ut för motorer mellan 7,5 och 375 kw med drivfrekvensen 50 Hz och fyra poler enligt standarden ss-en Kurvorna planar ut när uteffekterna kommer tillräckligt högt. För ie4-motorer ska verkningsgraden vara minst 96,7 procent om effekten ligger över 200 kw. Just nu är ie4 den högsta klassen som definieras av internationella standarder. Diskussioner om en klass ie5 pågår, men någon klar definition är inte godkänd. FIGUR: DAG TOIJER 33