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高效率电机带来成本节约
xiao_xiao1 发表于 2009/9/17 16:24:20 757 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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电动机的采购成本往往掩盖了电动机在整个使用寿命内的真正运行成本。采购部门在购买产品时，经常是以花费最小，买到最低报价的产品作为评价指标，忽略了电机运行时持续不断的运行投资，往往这时买到的恰恰就是低效率电机。其实很多生产线的工程师和机器维护人员对这部分运行费用深有体会，但是他们却一般无法参与购买程序。鉴于目前的商业环境也要求保证最低消耗以维持工厂运行，因此公司的决策层和采购部门需要对电动产品的运行效率有更深刻的认识。
为什么我们要求电动机要高效运行呢？因为电动机运行耗电占了工业用电的很大部分，也占发达国家总用电量的绝大部分。根据美国能源部（DOE）的评估，电动机能耗占工业用电的63%，国家总能耗的25%。这里只我们关注电动机运行效率，但是实际上电能转换系统中其它影响效率的部分也要合理考虑，详述见后。
关注感应电机
鉴于在工业上感应电机消耗了绝大部分的电能，到目前为止针对如何提高交流感应（异步）电机
效率这一问题业界已做了相当多的努力，包括产品的开发方式、标准和相关立法等方面。节能电机在石化及其它一些重工业领域至少有20年的应用历史了（见IEEE标准841），当前新的立法将更多的关注电动机的能耗问题。
美国在这方面一直领先，其在1994年颁布的美国能源政策法案（EPAct）是已知唯一的针对电机效率的法律，自1997年10月起生效。它规定了美国本土生产或者进口1－200马力等级的常用的三相电机的额定效率等级和最低效率等级。这一法案在欧洲也得到了很大的关注，由欧盟（EU）出版的众多技术指导都参考了这一能量使用标准。EPAct适用于230/460伏电压供电的开放型和封闭型，底座安装2、4、6极数的电动机。对于4极200马力电机，EPAct的效率标准为95％。
欧盟和欧洲电器与电力电子制造商委员会（CEMEP）在EPAct之后紧接着颁布了一个分级和标注的协议（并非法律），适用于1.1－90千瓦（1.5－120马力）范围，400伏，50赫兹运行的2极和4极电机。此标准定义了三个效率等级：Eff1（高效），Eff2（效率改良）和Eff3（标准）－Eff3是欧盟目前努力促成生产商废除的效率等级。
来自瑞典ABB公司的电机市场部副总裁兼CEMEP成员Sven Sj?berg说，由36个欧洲制造商制定的一个民间协议承诺在2003年底前将Eff3标准的电机数量减至原来的50％，并已经实现了目标。他说，“Eff3标准电机数量的减少远远超过了欧盟委员会所要求的50％。但是，鉴于电机从Eff2标准提高到Eff1标准所需的费用比较高，Eff1标准电机比例的增加并不显著（2极电机有7.8%，4极电机有5.2%，2003
年数据）。”Sven Sj?berg将ABB的Eff1标准电机的份额分别增加到17.7%和16.6%，并且最近3年已经停止Eff3标准产品的生产。
在2001年年中，电机效率的门槛再次被提高，国家电气制造业协会（NEMA）和能源效率协会（CEE）将标准统一之后作为一个注册商标的规格提出，称为“NEMA Premium”。这个规格涵盖了1－500马力范围，最高输入600伏电压的ODP电机和TEFC电机（2极，4极和6极）。NEMA Premium（NP）还把范围进一步拓展到了中压250－500马力，5千伏电压输入的特种电机，这些电机没有被包含在EPAct的规定之中。NP标称的效率要高于EPAct，对于最大的500马力4极低压电机，其效率能达到96.2％。
随着标准的增多和效率的提高，其它国家也相继采纳或者指定了自己的电机效率标准。
下一步进展
美国EPAct法案是重要的一个进步，但是它也有自己的局限性。当它被拓展时，需要另一个议会法案，这在如今是不大现实的。由此产生的一个后果就是NEMA Premium成为了“既定事实”的效率标准。Emerson Motor Technologies公司的市场部主管Robert Boteler指出，“可预见在短期之内，EPAct法案不大可能有所改变”，“NEMA Premium已经得到了很多股东的认可，并且还将继续下去”。Robert Boteler认为该联邦标准不会进行扩展，以适用于更多的电机种类。
EPAct法案已经得到了很好的强制执行。美国能源部协同其它电机制造商们确保了该法案能够得到很好的执行。Robert Boteler补充说，“到目前为止，有63个同意该法案的成员已经加入，其中超过一半是电机进口商”。这意味着这些
产品将会符合上述效率标准。
John Malinowski是Baldor Electric公司的交流和直流电气产品经理，在地区性激励政策的帮助下，他提高了符合NEMA Premium的电机产品的销量。他说，“对购买高效率电机实行折扣的政策在美国西海岸，北部和部分中部地区都有效。”说到欧洲的发展，John Malinowski表示CEMEP最近指出要提高电动机的效率等级，不过还未形成明确的定义。CEMEP的Eff1效率等级标准等同于EPAct法案的标准，但是它未能定义更高效率等级的类似于NEMA Premium的标准。
Rockwell Automation公司也对NP标准表示了支持，“NEMA Premium作为感应电机效率方面的最高标准得到越来越多的认可”，Reliance交流电机产品经理Dale Basso这样说。“大多数激励政策和用户定义规格都指明对节能进行补偿，并把NEMA Premium列为需要满足的标准。”
Basso还提到，美国有些州的供电部门采用折扣的方式鼓励用户使用高效率的电机和调速驱动，他补充说，“这种节约被视为对未来能源容量增长的一种投资，而并非通过建设来获得这种增长”。
ABB公司的Sven Sj?berg称，鉴于以上情况，欧盟委员会并未强硬推行更多的电机效率法律，而是支持一些自愿的协议。委员会希望增加Eff1标准的电机份额至30％，对此CEMEP称欧盟和当地政府需要对最终客户给予津贴。
效率测试：不简单
遵从效率标准需要经过测试验证。但是，由于地区惯例或者标准起源的原因，现在并不存在一个通用的测试方法。此外，通用的定义效率的简单概念（输出能量和输入能量的比值）在实际操作中由于测量的不精确而难于实现。严格的电机效率测试也是一个复杂的物理过程，并且花费不菲，对大型设备更甚。
最主要的两个测试方法：IEC标准60034-2和IEEE标准112的方法B。IEEE112 B主要在北美得到广泛的参考和采用。
IEC标准60034-2更易于使用，因为它假定杂散载荷损耗是一个固定值（0.5％的电机输入）。数据显示，采用IEC的方法评估电机效率有一定的偏差，对小于10千瓦的电机甚至会高估2％，而对大于700千瓦的电机则会低估。John Malinowski称，IEEE标准112的方法B和相应的加拿大标准协会C390测试方法是准确测量电机所有损耗的方法，它们可以真实的反应电机效率。如上所述，不同方法的测试结果不能直接拿来对比和得出结论。
他说，符合NEMA Premium的电机可以提供更高的效率，而CEMEP（采用IEC方法）并不承认这一点，因为CEMEP认为对50Hz下运行的电机，这是不可能的。John Malinowski称，“事实上这些效率提高是可能的，甚至会更高”，“低速下有更小的摩擦力、风阻，更低的杂散载荷损耗，这是50Hz运行的固有优点”。
系统观点，产品生命周期总成本
电动机在许多需要长时间运行的恒转速应用场合中能够达到最优的能量效率目标。如果遇到转速或者负载需要改变时，加入一个用于转速调节的驱动（ASD）将会节约大量电能。虽然电机效率很重要，但是并不意味着要一直运行在最高效率的状态上。
John Malinowski说，“达到最高效率运行状态并不仅仅取决于电机本身，它需要对系统进行再设计”。他引证了一个例子，调整齿轮减速器的设计可以增加20％的系统效率，相比增加1－2％的电机效率来说效果显著的多。