2014电机峰会:能源效率的焦点是整体电机系统

2014年10月7日至9日，第五届国际电机峰会(Motor Summit 2014)在瑞士苏黎世举行，旨在推广和发展高效电动电机驱动系统。据估计，电机驱动系统的能源需求约占全球总发电量的46%，在一些国家和工业部门甚至要高得多。这使得能源效率成为当今和未来至关重要的话题。汽车峰会为专家和感兴趣的各方提供了展示和讨论提高能源效率所需的技术和战略的平台。

电机峰会由瑞士高效能源利用机构(SAFE)主办，并与国际电工联合会电机系统附件(EMSA)合作国际能源机构节能电气终端设备实施协议(IEA 4E)．

这次活动的联合主持人是美国电气制造商协会美国网站www.nema.org

马达等

在前几届电机峰会上，越来越明显的是，电动机之外的“系统”是大幅提高能源效率的沃土。这里我们讨论的是泵、风扇、压缩机、驱动器(核心电机系统)以及变速箱、管道/加热系统和其他电机驱动负载(所谓的总电机系统)。若干首脑会议的发言强调必须在系统一级提高效率(见参考文献1、2和3)。

参考文献4描述了电机系统的效率评估，包括机械传动(传动带，各种齿轮类型的齿轮箱)和泵/风扇负载，其中可以获得30%或更高的效率增益。文献5中介绍了正在进行的电机和变速驱动器(VSDs)组合效率测量工作，包括使用20点测试制度的部分负载结果。三种类型和尺寸的电机(IE2, IE3, ie4永磁体7.5 kW, 37 kW, 75 kW)和变频器共包含九个测试元件或“动力驱动系统”。部分负载电机系统效率评估尤其重要，因为这种类型的信息仍然稀缺。结果可以显示为转矩-转速效率的等值曲线，这提供了有用的解释(见图1)。IE电机分类说明如下。

会议的另一个共同主题涉及克服阻碍高效电机系统广泛使用的市场障碍所需的战略。提到的障碍(参考文献2、6)包括:

• 原始设备制造商对低成本部件的独家关注
• 不考虑总拥有成本
• 电机通常尺寸过大，导致部分负载时效率低
• 工厂设备用户对管理层购买决策的影响很小。

中国市场还提到了更多的障碍问题，其中包括缺乏对系统效率的认识，缺乏有效的测量和工具，以及对节能计算缺乏信任(参考文献7)。

EMSA IEA 4E于2014年10月出版的“政策制定者工具包”在会议上发布。这一重要里程碑是电机系统项目总体政策指南的第2部分，第3至6部分正在开发中。该报告可在www.motorsystems.org上获得。

就电机而言，特别是工业上的主力手交流感应电机，在强制实施最低能源性能标准(MEPS)的推动下，通过改进设计和标准化测试，在提高效率方面取得了长足的进步。美国是MEPS的领头羊，澳大利亚和加拿大紧随其后，还有更多的国家正准备采用MEPS。目前美国修订法规所涵盖的电机类型已扩展到几乎所有类型的多相连续工作电机，从1到500马力(0.75-375千瓦)。

即类

在欧盟，MEPS计划的第二阶段将于2015年1月1日启动，该计划要求7.5-375 kW功率范围内的IE3高效电机必须使用。2017年1月的第三阶段将把IE3电机的合规范围扩大到0.75 kW。然而，如果安装了变速驱动器，这两个阶段都允许使用IE2电机。电机的IE编号指国际电工委员会(IEC)标准60034-30“国际效率(IE)等级”，它定义了越来越高的效率电机设计，最高可达IE4，并规定了IE5等级。

ie3级电机大约相当于NEMA高级效率水平。例如，200 hp (150 kW)， 4极60 Hz NEMA高级电机在满载时要求的标称效率为96.2%。类似的160 kW, 4极50 Hz IEC IE3电机必须提供95.8%的标称效率。IE5甚至更高效率级别的电机设计正在开发中。

尽管美国以外地区向更高效率(IE3级)电机的进展是一个积极的持续影响，但由于电动机的长寿命和巨大的安装基数，全球市场的转型预计将缓慢。这一点在Alex Chausovsky的演讲“汽车市场更新”中得到了明确的阐述，他是at工业自动化部门的经理和高级分析师IHS技术IHS估计，2013年全球使用的电机中仍有60%为ie1级，在实施强制性MEPS的国家，ie1级不再被允许进入市场。

至于目前的市场规模，IHS认为2013年全球低压整体式马力电机出货量为5000万台，平均售价为300美元。

下表概述了各区域使用中的电机效率等级。

此外，阿吉特阿德瓦尼的CopperAlliance、印度他补充说，IE2电机在印度电机市场的渗透率约为12%-13%，而IE3电机的渗透率不到2%。www.copperindia.org

在高效电机普及率低的地区推行强制性MEPS的过程具有经济意义。这种方法需要相当长的时间。强制性的IE3计划于2015年在日本启动，2017年在中国启动(参考文献9和7)，应该会推动这一运动。巴西预计在2018年进入IE3 MEPS轨道(参考文献10)。

由于产品寿命长和安装基数大，旧的、效率低的电机的退役是能源效率的另一个障碍。图2通过对瑞士18家工厂的分析(参考文献2)显示了电机的使用寿命。该研究发现，4142台电机中有56%的电机超过了预期使用寿命。其他国家可能也会有类似的发现。

在这种情况下，“前进的道路”包括说服高层管理层投资于能源效率，并通过教育提高用户对潜在节约的认识，包括生命周期成本评估，代表瑞士高效能源利用和能源管理机构的Rita Werle指出Topmotors,瑞士。

管理千瓦

对于已经建立了MEPS计划的国家，如美国，下一阶段的节能将变得切实可行。IE3或更高级别的电机代表着相对“高悬的果实”，进一步提高效率的潜力越来越小。相反，根据Nidec汽车公司和NEMA能源管理委员会主席Rob Boteler的说法，美国正在推行一项“扩展汽车产品标签倡议”(EMPLI)。Boteler将这种方法称为“向托管kW转移”。

EMPLI的基础是美国能源社区利益相关者的“马达联盟”，重要的是包括风机、泵和压缩机协会。这三种大型“驱动负荷”类别目前已纳入美国能源部(DOE)的能源法规制定流程。定义测量和验证协议(由每个风机/泵/压缩机产品协会处理)以及就性能指标达成一致将是向前迈出的重要一步。

EMPLI的最终目标是创建标签或标记，以识别高效产品。标签可以包含效率性能指标和适用于产品部分的其他指标(基于DOE规则)和节省的千瓦数。

Boteler解释说:“公用事业公司将利用调查结果为各自的服务领域制定独特的激励计划。”

“这个项目的结果可以影响美国每年近25%的电动机负荷(相当于1000万马力)。”

IEC标准进展

与此同时，其他IEC标准也在向前推进。Martin Doppelbauer-Prof。Dr.-Ing。德国卡尔斯鲁厄理工学院的主席兼IEC TC2 wg31召集人，总结了相关的发展(参考文献12)。IEC 60034-30(前面提到过)分为两个单独的标准:30-1适用于电网馈电感应(和线路启动同步)电机，涵盖等级等级IE1到IE4的效率值。标准30-2提供了感应，pm同步，和磁阻同步电机下的VSD控制与评级相同的IE类覆盖。两种标准的适用功率范围为0.12至1,000 kW;然而，由于不同的应用，30-2包括600到6000 rpm的电机速度规格范围。IEC 60034-30-1已于2014年3月发布1.0版，而标准30-2正准备于2015年第一季度进行委员会草案第2次投票。

在IEC 60034-30-2中，能源效率是根据六个负载点确定的，这些点的加权平均值构成了IE分类的基础。Doppelbauer说:“我们使用插值程序来确定任何负载点的能量消耗。”

测试标准与上述每个分类文件相关联。IEC 60034-2-1是修订的测试标准，为每种电机类型和尺寸(网格馈电)指定了首选测试方法。第二版于2014年6月出版。IEC 60034-2-3是VSD控制下电机的新测试标准，目前处于技术规范阶段，正在进行验证。第一版于2013年11月出版。

2014年9月，针对电机和VSD组合的新“系统效率标准”(IEC 61800-9)刚刚开始实施。IEC 61800-9将涵盖测试方法和效率分类;此外，它还需要满足开发“参考”电机和驱动器的挑战，因为在实践中，这些元件通常来自不同的制造商。

会议议程上的另一项新举措是通过NEMA和IEC合格评定部门IECEE合作推动的“全球电机能源效率”(GMEE)计划(参考文献13)。该倡议旨在协调各国和地区MEPS法规之间不一致的差异，这些差异阻碍了高效电机产品的全球市场增长。

来自美国Regal Beloit的主持人Dan Delaney指出，该计划的主要目标之一是制定一个通用的全球MEPS注册流程，包括测试实验室资格和认证，另一个目标是制定一个执法/验证计划，以提高全球汽车行业的效率合规。该项目的最终目标是获得全球认可的产品效率标签和全球各国监管机构认可的测试证书。

预计今后将采取两阶段的办法。第一阶段，名为GMEE，将提供IECEE“认证机构测试证书”，但将推迟标签计划。第一阶段可以快速启动，不需要全球监管机构的批准。Delaney指出，第二阶段——“全球汽车标签计划”(GMLP)——将包括全面的标签和监管参与。

通常情况下，汽车峰会为期三天。第一天围绕EMSA工作坊进行。10月7日的研讨会包括四场关于“政策”的演讲和三场关于电机系统效率的“技术”方面的演讲。国际战略会议的第二天(10月8日)涵盖了各种主题，包括能源战略、全球电机市场、世界各地的能效政策、测试和测量要求、未来的新技术，以及一个总结小组讨论。

“瑞士实施日”于10月9日结束了会议，其他的演讲主要用德语进行。汽车峰会的发言人来自欧洲、澳大利亚、巴西、加拿大、中国、日本和美国，会议的主要主持人是EMSA的运营代理人Conrad U. Brunner。参观2014汽车峰会有关该计划的更多信息，请访问网站。

控制工程参与2014年、2008年汽车峰会，并在2010年和2012年提供报道。

高效电机系统的未来取决于将实用技术扩展到电机本身以外的整个系统的能力。这是一项说起来容易做起来难的任务，因为全电机驱动系统分析起来很复杂，而且基本上有无限多的不同应用。分析、验证测试、结果的可重复性等变得更加困难和昂贵。然而，才华横溢、足智多谋的设计师、工程师和技术经理肯定会带来新的方法和工具，使更节能的未来成为现实。

- Frank J. Bartos，体育，是一个控制工程贡献内容专家。联络他的地址是braunbart@sbcglobal.net

在线额外

引用自2014年汽车峰会

1)“不同运动系统水平的能源效率潜力，”Svetlana Paramonova和Patrik Thollander, Linköping，瑞典大学。

2）“瑞士审计程序简单，”Rita Werle, Topmotors，瑞士。

3)《2050年能源战略》，Walter Steinmann，瑞士联邦能源办公室。

4)“考虑VFD驱动电机、传动和负载的工业风扇和泵的总传动系统优化，”比利时根特大学的Steve Dereyne说。

5)“转换器和电机的效率测量的最新结果，”Pierre Angers，加拿大魁北克水电公司。

6)“高效电机系统的政策指导方针”，Konstantin Kulterer，奥地利能源机构，奥地利。

7)“提高中国电机系统效率”，谭铮，Topmotors中国。

8)“汽车市场更新”，IHS Technology的Alex Chausovsky说。

9)“日本从强制电机要求开始，”Takashi Obata, JEMA/日立，日本。

10)巴西Electrobras的George Alves Soares说:“巴西在汽车领域的MEPS取得了进展。”

11)“新的美国电机和应用MEPS，”Rob Boteler, Nidec Motor Corp./NEMA，美国。

12)“转换器驱动电机IEC标准的新发展，”德国卡尔斯鲁厄理工学院Martin Doppelbauer说。

13)“IECEE全球电机标签计划，”Dan Delaney, Regal Beloit，美国。

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