2012电机峰会:更加关注电机驱动系统的效率

在这次能效会议上，与会者的发言远远超出了单纯的电动机范畴，还涉及到“电动机驱动系统”这一更大的主题。泵、风扇、驱动器和其他相关设备对整个系统效率有巨大的影响，并引起利益相关者越来越多的关注。

通过弗兰克·j·巴托斯，体育 2013年2月7日

电机驱动系统的效率受到越来越多的关注，来自于汽车峰会——一个致力于辩论和促进电机系统效率问题的国际论坛。第四届峰会于2012年12月4日至6日在瑞士苏黎世举行。2007年、2008年和2010年的成功“峰会”都在这里举行。电机峰会汇集了来自研究、政府和私营部门的专家，重点关注最新的技术创新、当前的市场渗透状况，以及克服阻碍更广泛使用高效电机系统的障碍所需的战略。

2012年汽车峰会的演讲涵盖了广泛的主题:从标准和法规到新技术的市场潜力，从电机系统效率测试到有效的设计评估工具，从能源管理系统到用于降低成本的能效网络。会议部分包括三个EMSA关于政策、电机工具和测试的研讨会(12月4日);12月5日“国际战略日”;以及“瑞士实施日”(12月6日)。EMSA是国际能源机构电机系统附件的缩写。

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对效率的明确需求

电机驱动系统中电力的大量使用表明了继续提高能源效率的必要性。全球总电力需求的46%来自“电机”，即驱动泵、风扇、压缩机、输送机和无数工业/商业过程的电机系统，Conrad U. Brunner在峰会的概述报告“高效电机系统”(参考资料1)中指出。EMSA的运营代理和会议主持人Brunner指出，电力使用量第二高的行业是供暖和照明，每个行业的需求仅占19%。

泵和风扇系统代表了大量的应用。因此，欧盟的生态设计指令对这些系统的各个子类别采用了最低能源性能标准(MEPS)。现行生效日期的MEPS包括:

循环泵，1-2.5 kW (2009)
大型风机，125 W-500 kW(2011年)
水泵，最高约150千瓦(2012年)。

小型风扇的MEPS草案和其他相关设备的欧盟技术研究正在进行中。

为了克服广泛使用高效电机系统的障碍，EMSA的目标是实现必要的市场转型。为实现这一目标，设想了一种多层方法，即:全球一级的标准;国家一级的MEPS/合规措施;公司层面的能源管理;以及个人层面的工具和指导，布伦纳指出。

“调节电机系统的扩展产品方法”(参考文献2)，由休·福克纳(Hugh falkner)为澳大利亚气候变化和能源效率部提出，也专注于各种泵系统。考虑了两种类型的“扩展产品”:与独立电机一起销售的泵设备(组合产品)和与电机不打算分开的泵(集成产品)。该方法还“扩展”到包括系统反馈传感器、变频驱动器和控制。Falkner建议，可以根据特定应用的职责概况，制定能源消耗概况或能源效率指数，以便对此类系统进行监管。

变频驱动器(vfd)是另一个受到审查的系统元素，因为它们在较低的运行速度下会有显著的效率下降。潜在的VFD组件和设计改进是NovaTorque公司创始人兼首席执行官John Petro在“超越IE4:电机效率的未来”(参考文献3)中讨论的一部分。

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Petro提到的组件级别的改进包括以下方面:功率半导体(氮化镓、碳化硅)、大功率电容器等无源组件、低功耗处理器和高效内部电源。所提到的设计级升级是积分功率因数校正和无桥和电容耦合拓扑，以减少各种驱动损耗。改进的控制方法，如基于电机速度/负载的可变直流链路母线电压，也被注意到。Petro预测的各种改进的实施时间范围从不到3年到6年不等。

效率类

“IEC电机效率等级从IE1到IE5”(参考文献4)是Dr.-Ing提出的主题。Martin Doppelbauer，卡尔斯鲁厄理工学院，IEC TC2 WG31召集人(国际电工委员会的一个技术委员会和工作组)。在Doppelbauer的突出评论中，围绕IEC标准60034-30“国际效率(IE)等级”的发展，该标准的第一版仅适用于三相笼式感应电机。即将到来的第二版将扩展到所有类型的交流工业电动机。然而，覆盖范围将分为两个部分:(1)恒速，电网供电电机[标准-30-1]和(2)变速，转换器供电电机，包括PM同步电机[标准-30-2]。覆盖功率范围为0.12-1,000 kW，适用于50/60 Hz电机。这些标准正处于不同的发展阶段或“委员会草案投票”，中期版本预计将在2013年发布。

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IEC 60034-30-1和-2不包括某些电机类型，如非正弦电压变速单元(直流，开关磁阻等);非常高/低速电机不能在现有的IE等级内评定;和马达销售完全集成的组件。后者的典型例子是集成到vfd和机械中的整体式制动器和电机。然而，TC22x技术委员会正在准备的一个单独的标准将涉及集成电机驱动单元。本标准-“变频器、电力驱动系统和完整驱动系统的效率”IEC 52800-x(第一版)-将规定这些系统的适当测试和分类。据Doppelbauer说，目前，这项工作正在CENELEC组织层面的委员会草案中进行投票。

好消息是，越来越少的电机仍然不受IEC 60034-30的限制;例如，防爆电机和齿轮电机，整体制动单元(如上所述)，以及在> - 40℃和海拔1000米以上使用的电机。同时，提议的更高级别的IE5将成为IEC 60034-30下一版的一部分。合格的商用电机类型尚未指定，部分原因是无法获得，但与IE4级相比，这种电机将被要求降低20%的损耗。

基于IE等级定义，欧盟法规EC No. 640/2009实施了强制性能源效率要求，其中第一个要求在2011年6月16日之后销售的0.75-375 kW功率范围的电机具有IE2效率。从2015年1月1日起，针对7.5-375千瓦范围内的电机，以及2017年1月1日起，针对0.75-375千瓦范围内的电机，将实施更高的IE3效率要求。该法规2015年和2017年阶段的一个有趣的方面是，IE3要求被豁免用于将变速驱动器与IE2电机组合使用的安装。

美国的发展

自1997年以来，美国电动马达MEPS的范围稳步增长。这些法规中最新的《能源独立与安全法案》(EISA 2007)于2010年12月生效，将通用感应电机的覆盖范围扩大到500马力(375千瓦)等级指定的1型电机，以及先前豁免MEPS的7种电机设计/品种(2型)，Rob Boteler在他的演示中解释道，“美国扩大电机效率范围”(参考文献5)。博特勒代表NEMA(国家电气制造协会)在会议上;他也是Nidec Motor Corp.的顾问。

www.nema.org

www.nidec-motor.com

1型电机必须满足NEMA MG 1表12-12中NEMA Premium级别的标称效率。这些效率值基本上符合IE3水平，表明美国在电机效率法规方面保持领先地位。2型电机需要满足较低的EPAct效率值(也在NEMA表12-12中)，这相当于欧洲IE2水平。博特勒列出了EISA授权范围内增加的以下电机品种:u型框架，NEMA设计C，紧密耦合泵电机，无脚电机，垂直实轴正常推力电机，八极(900 rpm)和电压不超过600 V(除230 V或460 V外)的多相电机。

在一篇相关论文“IE3电机在美国市场的经验”(参考文献6)中，Boteler提出了关于实施IE3电机预期的“电机尺寸的平均效率增益”的值得注意的数据。正如预期的那样，更小的发动机将提高效率。根据Boteler的演示，最大的估计功率减少将在大于3.7 kW到小于或等于14.7 kW(大于5 hp到小于或等于20 hp)的范围内，相当于每小时运行417.4 MW。功率下降幅度第二大的是功率在0.75 kW到小于或等于3.7 kW范围内的电机，估计为379.9 MW/hr。这两种尺寸范围占总功率降低的60.4%，较大的电机尺寸范围高达500马力，贡献较小的增益。功率降低值以100%负载运行为基础。

展望未来，可以预期会有更多的法规出台。正在探索的两种实施方法是:(1)进一步提高已覆盖电机的名义效率;(2)利用现有效率水平扩大覆盖电机的范围。当比较两种方法的节能潜力时，Boteler指出，第二种方法提供了“最大的节能机会”。“扩大范围的方法得到了汽车制造商和效率支持者的广泛联盟的支持。”

博特勒还提到了美国在提高能源效率方面可能采取的其他举措。其中包括来自适用设备(电机、泵、风扇、压缩机、齿轮等)制造商的联合行业协会互操作性信息，以及制定节能指标以建立系统效率“等级”和“标签”。

备选电机拓扑

迄今为止，最低效率性能标准集中在世界范围内使用的绝大多数感应电动机上。随着MEPS要求的提高，感应电机设计人员越来越难以满足法规要求。这重新引起了人们对替代电机拓扑结构的关注，并在2012年汽车峰会上的演讲中得到了反映。下表总结了所选的覆盖范围。

表:可供选择的电机拓扑

电机拓扑结构	主办公司/机构	Ref。
永磁(PM);开关磁阻	美国NovaTorque公司	3.
点;老;同步磁阻(SynR)	葡萄牙科英布拉大学	7
点	WEG motors，巴西	8
SynR	ABB、芬兰	9