高效电机可以缓解能源紧张

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节能

看看最近一些关于能源成本和电力短缺的头条新闻就知道了。现在是谨慎使用——而不是压制使用——电能的最佳时机。

一般来说，电动机，特别是工业上的“主力”交流感应电动机，代表着巨大的潜力和可实现的节能。电动机占美国工业总用电量的60%以上。对于世界其他地区和特定行业，这一比例仍然更高。

当然，能源效率适用于系统或过程的所有元素。例如，可调速驱动器的使用增长缓慢但稳定，为需要可变电机速度的应用带来了巨大的能源节约。但那是另一回事了。

电机在其生命周期内的管理也是一个问题(见后面的文章)。

许多工业应用程序以恒定的速度和长时间运行。这就是电机效率可以实用的地方。从一个角度来看，在一辆汽车的生命周期成本中，只有不到3%的成本是购买价格和安装成本，其余的都是电费。到目前为止，由于涉及的电机数量和工作时间，效率重点一直放在较大的感应电机(M1 hp/0.75 kW)上。

不同的品种

更好的设计和材料含量区分节能电机从早期的标准模型。制造质量，如转子和定子之间更窄的气隙，也会起作用。

功率损耗在任何能量转换过程中都是固有的。更高效的电机减少损耗，寿命更长(见“如何…”侧边栏)。高效的设计往往导致更小的温升，从而减少了电机的维护。例如，轴承润滑和电机绝缘在较低温度下持续时间更长。罗克韦尔自动化动力系统公司(Greenville, S.C.)表示:“通常情况下，工作温度每降低10°C，电机寿命就会翻倍。”

冷却运行的电机并不总是有保证的。西门子能源与自动化公司(阿肯色州小石城)NEMA框架电机的产品经理Marv Thomas指出了一个悖论。低总损耗的节能，风扇冷却电机通常允许缩小风扇，以减少风损和风扇噪音(在某些应用中很重要)。但是，由于通风较少，节能电机可能不会比相同尺寸的标准效率电机运行得更冷。

托马斯先生验证了提高感应电机能源效率所需的大量机械设计。他指出，使用更多、更薄的由更高等级钢材制成的定子/转子片同样重要，同时在电机绕组中使用“更多的铜”。他认为，效率更高的电机通常会增加17-30%的成本。保费随电机尺寸的增大而降低。

生命周期，总成本视图

Baldor Electric Co. (Fort Smith, Ark.)从全生命周期的角度看待成本和电机管理的能源效率问题。据该公司称，电力成本占电动机使用寿命成本的近98%。效率是长期经济运行的关键。适度的效率提高可以节省大量的能源。”

大多数电机制造商都有一条以上的节能产品线。Baldor的顶级高效Super-E电机(见引线图)在通用版本中具有1-500马力的尺寸范围。最近，该系列的大约125款车型的效率等级得到了提高，在200马力及以上的情况下达到了96%以上。标准e线符合EPAct立法的效率要求(见下文)。

在罗克韦尔自动化电力系统公司，客户的“总拥有成本”一直是市场能源效率的长期方法。这包括展示如何节省能源和减少与电力使用相关的成本的各种举措。Greenville大型交流汽车公司(Large AC Motors)的产品总经理罗伯茨(Thad Roberts)解释说，大多数客户希望一年的投资回报，并寻求信息，以便做出明智的决定。

罗伯茨提到了一个可以帮助决策过程的“能源效率计算器”(Energy Efficiency Calculator)工具。该软件工具由罗克韦尔自动化公司提供，在购买电机之前，它可以根据应用程序的输入计算电机的比较效率和节电。

所有的电机制造商都有某种形式的分析工具来评估潜在的能源节约。Baldor Electric提供的Save Plus软件可以比较运营成本，显示年度节省，并计算特定应用的投资回报时间。通用电气工业系统公司(GE Industrial Systems)为“电机”提供了一个能源成本计算器。“大多数工具都可以在网上找到。

EPAct起了带头作用

长期以来，各大制造商一直在提供节能的交流感应电动机。开明的用户将这些“优质”电机应用于工业和工厂，在那里生命周期成本证明了较高的初始价格。然而，这使得大量的标准感应电动机消耗越来越宝贵的额外功率。

作为更广泛的节能问题的一部分，美国率先将能源效率纳入立法。1992年颁布的《能源政策与节约法》(EPAct)最终于1997年10月生效。美国能源部(DOE)执行EPAct的规定。立法的范围是有限的，但它针对的是工业中使用的最众多的电机尺寸和类型。EPAct是一项开创性的规定，对电机效率的基本水平。

本质上，EPAct涵盖NEMA设计A和B，三相，积分马力，通用ODP(开放式，防滴)和TEFC(全封闭，风扇冷却)电机，在1-200马力范围内具有1,200,1,800和3,600 rpm的基本转速。包括IEC等效NEMA框架尺寸和标准kW额定功率，因为EPAct规则适用于进口到北美的电机。

EPAct规定了这些电机的额定满载效率。标称效率是一组在设计和制造上相同的电动机的平均效率。类似的立法也包含在加拿大的NRCan(加拿大自然资源部)和墨西哥的NOM 74条例中。

为了满足EPAct的最低要求，大多数制造商必须生产额外的节能电机。当然，政府对任何商业活动或设备采购的监管都会带来用户的负面反应。尽管如此，EPAct还是向前迈进了一步。

关于EPAct和节能电机的进一步阅读，见CE, sept ' 97, pp 147-148;1998年7月，第91-99页。

这张原始的合成图比较了交流感应电动机的效率倡议。为清楚起见，仅说明4极感应电动机(1800转/60赫兹或1500转/50赫兹)的情况。具体效率值参见适用的来源。

欧洲协议

在EPAct(2007年10月)生效后不久，欧洲就采取了减少电机能耗的措施。欧盟委员会和CEMEP(欧洲电机和电力电子制造商委员会)之间的协议导致了感应电机的效率分类，额定为1.1-90 kW, 400 V, 50 Hz S1职责级操作。

适用的电机分为三类或效率区- eff1(高效率)，Eff2(改进效率)和Eff3(标准电机)-见图。根据西门子自动化与驱动(a&d)集团(Erlangen, Germany)的消息来源，“电机额定值板上和文档中的适当标签现在使电机选择更容易。”

与EPAct不同的是，这项针对在欧洲销售的电机的能效标签协议始于1998年底的自愿基础上，但可能在晚些时候成为强制性的。截至2000年底，它适用于2极和4极电机，其效率水平基于IEC 34-1和34-2标准。原始控制工程图显示了欧洲电机效率协议与其他倡议的复合。这三个效率区域代表了与EPAct最小值的另一个不同之处。

西门子研发公司最近将其整个电机生产线升级为Eff1或Eff2状态，这是两个最高效率等级。其他欧洲制造商也在接受能效协议。

西门子研发集团标准驱动部门负责人沃纳·沃格特(Werner Vogt)表示:“得益于优化的材料使用和创新技术，我们能够将电机的功率损耗降低45%。”他解释说，Eff1节能电机可以通过较低的运行成本“在短时间内”抵消较高的购买价格——从每年约2,000小时的运行时间开始。

后闰余

epact后的结果对Baldor电气来说是一个惊喜。Baldor负责营销的副总裁杰里•皮尔博尔特(Jerry Peerbolte)说，高效电机的销量并没有减少。“EPAct的立法有助于提高消费者对能源效率问题的认识。我们的“Super-E”车型在整体业务中的销售增长速度快于预期。

皮尔博尔特进一步指出，自EPAct生效(1997年10月)以来的三年多时间里，该法案的实施对Baldor来说一直是“顺利的”。他补充说:“我们的客户非常了解这些要求和好处。”

罗克韦尔自动化的Thomas先生认为EPAct对他的公司是积极的，但他希望看到它的范围扩大。他说，大多数用户看到了立法的基本目标及其长期回报。“然而，有些人觉得他们不符合这种形象。“电机运行时间缓慢累积的应用就是一个例子。

对于西门子机电来说，用户的接受程度总体上还不错。一些公司在EPAct生效日期之前就采取了积极行动。托马斯说，一些人对汽车价格上涨感到不满。但人们活了下来。EPAct是生活中的事实，所以让我们继续吧。”

其他措施

能源效率协会(CEE, Boston, Mass)积极参与各种节能活动。CEE于1999年12月启动了其电机系统计划，以研究整个电机系统的效率，例如泵，风扇和鼓风机。2000年8月开始了一项名为“电机决策重要”的运动，强调在电机的运行寿命期间需要更好地管理电机，包括何时维修或更换电机，这成为用户的关键决策。美国国家电气制造商协会(NEMA)和美国能源部是支持这项运动的组织之一。

CEE说:“[电机决策重要]的目标是帮助客户使用生命周期成本计算方法来确定电机是否应该在故障之前维修或更换，以及何时安装节能电机。”

NEMA(弗吉尼亚州罗斯林)在10月份宣布了一项新的倡议，“优质能源效率电机计划”(参见2000年10月18日的每日新闻www.globalelove.com)。NEMA电机和发电机(MG)部门的执行董事会成员罗伯特·博特勒说:“这个自愿项目旨在扩大EPAct的范围和范围。”博特勒补充说:“这样做的目的是通过在合作成员公司和共同签署人的产品上贴上可见的标签来提高品牌认知度。”

注册的“NEMA Premium”计划将效率范围推到了EPAct的标称值之上(见图)。它包括高达500马力，高达600 V电源的电机，并增加了特定用途，特殊用途和中压电机类型的覆盖范围。

溢价标签

电机制造商可以签署自愿合作协议加入该计划。(非NEMA制造商支付费用)只有合作制造商可以使用NEMA高级标签....对于符合或超过NEMA高级电机效率指南的产品，NEMA政策规定。通过识别和应用标记为更高效率的电机，客户可以从更低的能源成本和更高的系统可靠性中受益。

罗克韦尔自动化动力系统公司中型交流电机产品经理、NEMA MG分部执行董事会成员Dale Basso表示，拟议的“优质电机”计划已获得董事会批准，并于2001年4月达到最终草案状态。巴索还说，该计划将减少市场上的混乱，填补EPAct遗留的一些漏洞，比如无脚电机和垂直电机。

博特勒还担任密苏里州圣路易斯市艾默生电气公司(Emerson Electric Co.)营销服务总监。他将过去10年在节能电机领域的发展称为艾默生的“激动人心的时期”，因为生命周期成本法同样有助于提高能源效率。艾默生在美国电机品牌下提供的产品包括节能的World Motor和优质高效的Unimount系列。

WEG Electric Motors Corp.;jaragudo Sul，巴西)最近宣布升级其TOP Premium Efficiency电机生产线。这些完全封闭，风扇冷却电机符合NEMA的优质电机标签活动的评级。可用的尺寸是1到500马力。

效率更高的电机有望升级效率较低的设备，但需要仔细的经济计算来证明在合理的投资回收期内额外的前期成本是合理的。

在整个生命周期中充分关注电机管理也是评估过程的一部分。节能电机对新工厂和新装置有特殊的吸引力，或者作为故障设备的替代品。

效率更高的电动机将得到更大的认可。在当前这个能源成本飙升、供应不确定的时代，它们是解决方案不可或缺的一部分。

了解更多供应商，请访问www.globalelove.com/buyersguide;欲了解更多信息，请使用以下圈号，或登录www.globalelove.com/freeinfo: ABB Motors www.abb.com/motors&drives 224

保德电气www.baldor.com 225

能源效率协会www.ceeformt.org 226

艾默生电气www.usmotors.com 227

GE工业系统公司www.geindustrial.com 228

NEMA www.nema.org 229

罗克韦尔自动化www.rockwellautomation.com 230

西门子E&A www.sea.siemens.com 231

WEG Electric www.wegelectric.com 232

如何让它们更有效率

其概念很简单:增加电机的输出功率与输入功率之比，或者换一种说法，减少损耗，即输入功率与输出功率之差。然而，设计细节和验证效率结果的测试远非简单。电机损耗被定义为空载损耗，在很大程度上与负载无关，负载相关损耗随电机运行而变化。

空载损耗有两个子类别:

摩擦和风损来自于轴承摩擦和旋转风机/转子的空气阻力。改进的轴承和密封选择，加上最新的气流和风扇设计将减少这种损失。

磁芯损耗是由于电机钢磁芯中磁场变化引起的磁滞和涡流效应的综合结果。质量更好的钢和更多、更薄的薄片可以通过降低铁芯通量密度来减少铁芯损耗。

负载相关损耗有三部分:

定子我

转子我

杂散负载损耗由谐波和循环电流引起。优化槽的几何形状是减少这些损失的一种方法。制造工艺的变化也会增加杂散损失，需要严格控制所有生产阶段。

提高效率并不是免费的。节能电机可以获得15-30%的价格溢价。

有载和空载损耗分别约占总损耗的2/3和1/3。百分比有所不同，取决于制造商和电机。ABB电机(芬兰Vaasa)指出，其典型交流感应电机的负载/空载损耗为72-28%，而通用电气工业系统(印第安纳州Fort Wayne)则将这些损耗类别划分为70-30%。

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