电机的能效等级

电机驱动系统效率升级

发布时间：2012-12-27     作者：Frank J. Bartos

摘要：由于电机在工业领域中具有广泛的应用和有据可依的设计、性能以及测试规范，所以电机已经获得了能效相关标准和规定的重视。虽然在电机层面已经获得了效率的显着提升，但是几乎已经达到拐点和经济性的极限。最近的成果聚焦于与电机相连的更大型的“驱动系统”，以获得持续的效率提升。

多个发达国际已经针对交流感应电机制定了最低能效性能标准（MEPS）。这种类型的电机由于在全世界范围内被广泛地安装使用，所以在标准中受到了关注。美国是电机MEPS标准的引领者，澳大利亚、巴西、加拿大也扮演了重要角色。近期，欧盟也发布了强制性的MEPS标准。而且，很多国家自愿推行电机能效标准，其中有一些国家正在将相关要求上升到法律层面。

美国能效标准

经过多年发展，美国能效标准的覆盖范围得以拓展。1997年实施的能源政策法令（EPAct 1992）适用于1-200马力（0.75-150kW）区间内的通用电机。EPAct2005对政府采购的1-200马力范围内的电机强制要求具有NEMA Premium超高效率等级。能源独立及安全法案（EISA 2007）在2010年12月生效，将覆盖区间扩展到500马力（375kW），并且覆盖了之前MEPS标准中排除的电机设计类型。EISA中增加的电机类型包括U-基座、NEMA C设计、紧凑耦合泵电机、无底脚电机、直立安装的实心轴的正常推力电动机、8极（900转/分钟）以及电压不超过600V（不包括230V或460V）的多相电机。

能效电机的全负载效率值在美国全国电气制造商协会（NEMA）发布的电机和发电机标准（MG 1-2011）表12-11，以及超高效电机（Premium efficiency motors）表12-12、20-B（500马力以下电机）和20-C（中压电机）中列出。

美国能源部的进一步举措是将小型电机纳入能效标准。被称作美国能源部最终规定的“能源节约计划：小型电机的能源节约标准，”发布在2010年3月刊联邦纪事（10 CFR 第431部分）上，覆盖了通用电机、开式防滴型电机和三相电机（通常低于1马力，但是对于某些类型的电机可以扩展到3马力）。

美国能源部规定将能源节约标准应用于从1/4马力到3马力、2极、4极和6极设计、基座尺寸从42到56的电机。具有同样功耗区间和极数的单相电容启动电机，以及IEC电机和响应的基座尺寸也包含在内。该规定有效期截至2015年3月。

美国能源部的小电机能效规则并未受到电机生产厂家的追捧，原因来自于多个方面，例如更多样化的应用、不同的电机种类/设计以及更少的测试方法等等。

欧盟能效标准

同时，欧盟已经开发了一系列国际电工委员会（IEC）标准，覆盖了交流感应电机和其他电机类型。表1整理了IEC 60034系列标准。

IEC 60034-30标准中覆盖的电机扩展到0.12-500kW的50Hz电机。达到800kW的更高功耗的电机具有一致的能效极限。

更多的电机种类被包含在内：所有定速、绕线转子同步、单相设计和几乎所有的制动电机，还包括速度范围在1000-5000转/分钟的变速永磁同步电机。

IEC 60034-30标准针对交流感应电机定义了四种国际能效（IE）等级：标准能效（IE1）、高能效（IE2）、超高能效（IE3）、超超高能效（IE4）。IE等级与可以与美国MEPS标准大致相对应，IE2对应于EPAct，IE3对应于NEMA Premium。更高一级的能效标准IE5正在制定，目前尚无符合这一等级的商业化电机，但是可以想见，达到这一等级的电机技术相比于IE4等级的能效能够降低20%。

图1  内置式永磁（IPM）电机能够将电机的效率提升以超过Premium能效等级。在冷却塔风扇应用中，这种直接驱动IPM电机（和调速驱动器）不再使用双速电机中常用的涡轮减压器，进而将能源用度降低了50%，同时提升了稳定性，降低了噪音。资料来源：ABB集团下的Baldor Electric。

能效标准中主要涉及的电机技术是交流感应电机，这种技术越来越难以满足更高IE等级的要求，因此其他电机类型开始活跃起来——例如永磁同步电机。未来标准将会聚焦于直接馈电电动机和使用变速驱动器（VSD）的换流器供电电动机之间的比较（例如IEC 60034-2-3）。当电机采用了VSD之后，需要评估驱动的谐波损耗和正弦滤波效率。IEC技术委员会也在研究其他电机技术，例如开关磁阻、电子整流和VSD专用电机，这些技术都会在未来的IEC能效标准中被覆盖。

基于IE等级的定义，欧盟指令EC No. 640/2009在欧洲实施了强制能效要求，按时间排序如下：

IE2能效推行时间2011年6月16日，适用电机功率区间0.75-375kW；

IE3能效推行时间2015年1月1日，适用电机功率区间7.5-375kW；

IE4能效推行时间2017年1月1日，适用电机功率区间0.75-375kW。

上述规范的第二和第三个时间节点巧妙地引入了变速驱动器。（更多信息请阅读后文《增加驱动以满足能效要求》）

具有最高能效的电机在每年大部分时间工作于恒定速度下的应用场合中可以带来最大的好处。符合这种作业特点的应用包括过程气体生产和发电厂空气循环风扇。然而，对于很多其他应用，在安装之前需要对部分大型电机驱动系统进行能效评估，或者需要在重新设计或者改进之前做评估。

不要局限于电机

虽然MEPS的发展对电机给予了足够重视，但是与电机相连的设备对于整机系统的能效也有很重要的影响。拿电机和齿轮箱的结合做一个简单的解释，即使采用了能够达到95%能效的高效电机和齿轮箱——这两者组成的整机“系统”的效率只能达到90.2%。很明显，与这两者相连的其他部件的效率对于系统能效也会有进一步的削减。

原因就是电机驱动部件的效率会互相制约。但是，指定整机系统能效标准是很困难的，面对数量庞大的工业系统和商业系统，能效数据量少得可怜。这类系统的高复杂度和数目庞大的变量使这个问题进一步加剧。另一待开发的领域就是对于电机或者与其连接的设备的部分负载（例如，50%负载和25%负载）性能进行评估和改进。

国际能效标准并不适用于整机电机系统，但是一些未来发展针对电机与泵、电机与风扇和电机与VSD的结合做了研究。国际能源总署公布的一个综合能源政策中,对于电机-泵/风扇系统的欧洲地区标准和测试标准进行了讨论。

一些针对泵和风扇与电机和驱动整体的欧盟能效规范正处于草案阶段（包括建筑物水循环系统）。未来能效规范的样本包括越来越严格的对于循环泵能效指数（EEI）的要求,规范的生效日期分别在2013年1月和2015年8月。对于功率在0.125kW到500kW区间内的风扇，已经有了生态设计的草案规范，2012年和2015将分别有两个能效规范开始使用。

在美国，目前并没有针对泵、风扇和压缩机的相关规范，但是，美国能源部正在针对系统效率升级其“最佳实践”方法，包含上述电机驱动设备。NEMA的电机和发电机分部的总裁和ABB集团下属Baldor Electric公司的交流电机高级产品经理John Malinowski指出，NEMA和能效联盟也发挥了一定作用（见表2）。考虑到系统层面效率的复杂度，必须采用合作的模式，借鉴不同公司的专家和专长以开发出最佳实践方法，这些最佳实践方法能够促成能效标准。

Malinowski说道，联盟和其他受邀企业正在致力于升级由先进制造办公室(Advanced Manufacturing Office)开发的各种美国能源部出版物。

相应活动包括开发软件工具帮助安装能效系统、培训项目和向用户介绍这些系统的技术会议。Malinowski补充道，NEMA、美国能源部和其他机构将在2013年4、5月份左右举办旨在提升系统能效的会议。

工具、改进、教育

已经有很多软件工具和最佳实践方法可以使用，下面的例子是美国能源部的先进制造办公室免费提供的在线软件工具：

风扇系统评估工具（FSAT）——帮助量化工业风扇系统的能源用量以及节能机会。

泵系统评估工具（PSAT）

——计算泵系统的潜在能源节省和成本节省。泵性能数据来自于液压学会标准，电机性能数据来自于NEMA的电机主数据库。

AirMaster+——帮助分析工业压缩空气系统的能源用量以及潜在节能机会，对现有应用进行评估或者用于未来项目。

针对泵和压缩空气系统所作的协作努力包括泵系统节能教育行动计划(PSM)和压缩空气挑战计划 (CAC)。PSM和CAC计划能够帮助使用这些系统的用户通过产品信息、培训和教育来降低成本。

美国空调、加热及制冷协会(AHRI)最近针对交流感应电机的控制发布了AHRI标准1210（I-P）变频器性能等级。此标准包括驱动系统效率和输电线谐波的速度/扭矩测试点要求，适用于恒定扭矩和变扭矩应用场合。

在欧洲，未来标准将会覆盖更多的系统。其中一个例子是IEC TC2第31工作组的会议召集人Martin Doppelbauer博士在2010年电机峰会上提出的IEC 528xx标准，此标准将会覆盖变速驱动器、电力传动系统和“完整驱动系统”的效率。

电力传输效率是另一个具有潜在节能可能的领域，在应用任何新系统的时候都应该对此内容进行关注，还有可能发现有价值的改进机会。例证之一就是对多种工业和商业设施中常见的冷却塔风机进行的升级。Baldor Electric公司的Malinowski提到采用IE4等级的直接驱动内置式永磁同步电机（见图1）和VSD替换效率不高的涡轮减速机和双速感应电机的组合能够节省50%的电力用量，而且还能带来其他好处。相对简单的升级就可以免除对齿轮减速机的依赖。

Malinowski将电机系统效率的前景总结道：“很多年前，我们就采用更换零部件的方式来提升效率，虽然这是一种不错的尝试，但是其带来的回报并不十分可观。”我们真正需要的是从完整“系统”的角度看问题，从配电变压器到智能电机启动器和驱动，进而到机械传动部件和驱动负载。

“在完整系统中优化所有部件——包括使用过程控制——能够带来两位数的节能效果，提升产量，并减少停机时间。”Malinowski总结道。

中国最新电机能效标准

为了加速中国高效电机的转型，促进节能减排，国家标准化管理委员会2012年5月11日发布了新版《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》（GB18613-2012）国家标准，并于9月1日起强制实施。新标准实施后，原标准能效3级的电动机将被禁止生产、进口销售。

依据新修订的GB 18613-2012《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》，适用范围变更为适用于1000 V以下的电压，50 Hz三相交流电源供电，额定功率在0.75 kW~375 kW范围内，极数为2极、4极和6极，单速封闭自扇冷式、N设计、连续工作制的一般用途电动机或一般用途防爆电动机。

修订后的GB 18613-2012全面提高了我国电动机的能效指标，能效3级、能效2级与国际标准IEC 60034-30的IE2和IE3保持一致，并在国际上首先将IE4的指标作为我国的1级能效写入国家标准中，该标准的实施将促进我国电动机能效值达到欧洲的水平。

同时，GB 18613-2012将能效3级提高到原GB 18613-2006标准2级的水平，也就是说，新标准实施后，属于原标准3级水平的电动机将成为被淘汰的产品，根据《中华人民共和国节约能源法》第十七条的规定，原标准能效3级的电动机（Y、Y2系列）将被禁止生产、进口销售。

新标准代替GB18613—2006《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》,与GB18613—2006相比主要变化如下:

标准的额定功率范围从原标准的0.55千瓦~315千瓦，改变为0.75千瓦~375千瓦；

相应提高了各级电动机能效标准；

试验方法按GB/T1032中的B法，测量输入输出功率的损耗分析法测量；

取消了电动机在75%额定输出功率下的效率要求；

取消了原标准4.5.2对功率因数的要求；

取消了原标准第六章对能效等级标注的要求。

全球生产的电力中，平均28%被工业电机所消耗，但在中国，电机用电量约占全国用电量的60%。中国电机系统的能源节约存在着巨大的提升潜力，未来高效电机市场前景看好。目前在中国整个中小型电机产量中，高效电机只占10%的市场份额。

增加变频器以满足能效要求

一部分欧洲能效标准允许使用变速驱动器来满足节能要求。

欧盟指令EC No. 640/2009的第2部分和第3部分要求在2015年和2017年开始强制使用IE3等级的电机。然而，此规范包括一个可选项，如下可选项可以作为IE3等级电机的替代品：“满足IE2等级能效并且配有变速驱动器（VSD）。”迄今为止，这是唯一一个正式覆盖VSD的能效标准。

引入这种替代方案的原因就是VSD（也被称为变频驱动器VFD）能够在变扭矩应用中根据不断变化的负载匹配电机输出，因此可以降低能源损耗。事实上，欧盟正在指望如此数量巨大的泵、风扇和压缩机应用（据报道此类a应用占所有应用的2/3）能够通过使用驱动器带来显着地提高能效。当然，IE3电机和VSD的结合能够具有更高的能效，但是市场因素限制了欧盟对于更高能效等级电机的使用。

同时，VSD和电机驱动器的结合带来了效率问题也引起了注意。VSD在常规速度/扭矩下具有很高的效率，损耗仅有2%-5%，而在25%速度/扭矩下，VSD的损耗可能高达10%-30%。在安装驱动系统的时候，必须评估这些因素或者可能的话，尽可能地克服这些因素。

此领域内的一项突破是加拿大标准委员会（CSA）草案标准C838三相变频驱动系统的能效测试方法。CSA C838标准覆盖了驱动和电机的结合“系统”，标准中建立了合理的测试要求和程序，可以在不同系统速度和负载下对效率进行对比。此草案标准的基础来源于加拿大Hydro-Quebec的一名工程师Pierre Angers的研究。