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高效率馬達及節能應用技術    首頁 > 技術新知

高效率馬達及節能應用技術

High efficiency motor and energy efficiency application 


關鍵詞

˙高效率馬達  High efficiency motor
˙能源效率 Energy efficiency
˙馬達挑戰計畫 Motor Challenge Program 

摘要

    馬達系統的使用雖可為人帶來便利,但隨著用量的增加相對也就大量的在消耗能源。目前就整個工業用電之狀況來看,馬達相關應用系統的使用已佔據大半的工業用電力,因此提高馬達系統的能源效率,已是國際在近年來大力推動的一項重點工作,期望藉由能源效率的推動與改善,以達到最終節能之目的。

Although the use of the motor system may bring the convenience.But along with increase of the use amount,it also relatively consumed the massive energy. We can see from the entire industry used electricity condition,the used motor correlation application system occupied the most industrial used electric power. Therefore to enhance the energy efficiency of the motor system, was already an international important job in the recent years. By means of energy efficiency impetus and improvement,it expected to achieve the final goal of energy conservation.

前言

    馬達又稱為電動機,對使用者而言是一種最簡潔、最方便的一個動力來源,目前不論是在工業、商業,乃至一般生活居家上,都非常容易能夠發現到它的蹤影。雖然馬達的使用可為使用者帶來商機、舒適與便利性,不過由於大量的使用,它所產生的電能消耗狀況也就實屬可觀。依據歐盟與美國DOE對於馬達的專案研究中指出,就馬達所帶動之應用設備使用在工業中,每年的用電量就約佔有65%∼70%的工業用電力,幾乎已佔據了大半的工業用電力因此若要提高工業能源效益和生產力,馬達應用設備與相關動力系統的改善,也就成為非常具有貢獻潛力的因子

    目前就這些具有節能潛力的因子,究竟可帶來多大的節能效益,依據美國DOE及歐盟對於工業動力系統的研究,工業動力系統若採用高效率馬達可有效降低4.35%∼11.1%之用電量,若再於應用高效率馬達的同時一併進行動力系統妥善的匹配設計改善,總共合計可獲得29%工業用電力之節省效益。因此為擷取美國及歐盟的推動經驗,進以有效執行節能減少電能的消耗,我國於94年度所召開之“全國能源會議”中,首度於「提高設備之效率標準」之決議事項中,將“推廣高效率感應電動機”列入為其中一個行動計畫,希望藉由此計畫的推動來改善目前國內的生產環境,進以提高能源的使用效率,減少不必要之能源浪費。

一、       高效率馬達之簡介

    高效率馬達顧名思義就是一種能提供較佳傳動效率的動力來源,究其在外觀上與一般馬達並無多大的差異。目前國內自從於2003年公佈CNS 14400 低壓三相鼠籠型高效率感應電動機標準之後,已將國內馬達產業引領進入另一項新的紀元。而就高效率馬達與一般馬達來做比較,究竟在設計與製作上會有哪些差異,其實兩者最主要的差異是在馬達內部的損失,以下所述為高效率馬達為減少內部損失所採行的幾項設計方式:

  1. 選用低損失、高等級材質之電磁鋼材:在定子與轉子部分採用高級矽鋼片(high-grade silicon steel) ,一般可減少一半之磁滯與渦流損失。
  2. 採用較薄的矽鋼薄片:減少定子與轉子之矽鋼薄板之厚度也可減少渦流,此外為控制製造品質,改善薄板間之絕緣狀況也可減少這一類之損失。
  3. 適度增長定子鐵芯的區域:如此可有效降低磁通密度,增加散熱能力,減少磁化及負載損失,此外對於較長的鐵芯額外也造就了一個重要的效益,就是改善了馬達的功率因數。
  4. 增加銅導體面積:如此可有效降低馬達溫升及定子電阻損失。
  5. 選用較粗的銅繞組:舊式馬達在使用銅繞組上其規格大小並不會大於其所要求之馬力,而高效率馬達則是利用較大的銅導體來降低其繞組阻抗,使用導体的規格大小是大於滿足馬達輸出馬力要求之35∼40%。
  6. 縮小氣隙寬度:當定子與轉子間之氣隙縮小,將會降低磁化電流提高馬達功率因數,降低負載電流。
  7. 適度增加轉子電路環之截面積:如此可以有效降低轉子部分之電流負載損失。
  8. 改善冷卻風扇之氣流設計:可以提高馬達之冷卻風量、有效減少風損與降低運轉噪音。   

透過以上方法所設計製作之馬達,其效率約可比一般馬達提高2∼7%左右之效率值,圖一為運用改善方式在改善效果中所佔之比例示意圖(註:改善方式不同其效果比例也會有所差異) 。  

資料來源:U.S.Department of Energy ,Industrial Technologies program ,Electric Motor Efficiency – White Paper Overview , Hydraulic Institute 2005 Spring Meeting,June 2-5, 2005

改善效果比例圖

ηstd

1

    由於高效率馬達在效率上的表現比一般馬達還來的高,相對在能源的使用也就比較節省,以下公式為使用高效率馬達可帶來之節能效益:

     每年節能成本 = hrs × Pav × %FL × Pe × (    1/ ηstd   -  1/  ηhem       )

其中:
hrs : 表示每年運轉之時數。
 Pav : 表示馬達額定輸出功力(以kW來計算) 。
       %FL : 表示負載點馬達額定輸出功率之百分比。
         Pe : 表示每度之電費價格,目前工業用電每度約2.0∼2.4元。
       ηstd  : 表示一般馬達在該負載點下之效率(%)。
       ηhem : 表示高效率馬達在該負載點下之效率(%)。

    不過就整個高效率馬達的發展史來看,高效率馬達的使用雖然可以帶來效率的提升,但在使用的同時有幾項問題使用者也應該要注意到:

1.      馬達成本與實體方面:

為有效提高馬達之效率,高效率馬達在設計上,除了改善內部結構、改變繞線方式之外,其所採用之材質(如矽鋼片)也較優於一般馬達,銅線用量也較一般馬達來的多,而且在加工上也較一般馬達來的精細繁雜,因此也就造成在成本上會比一般馬達來的高(約兩成左右),且重量及材料相對的也就比一般馬達來的重且多。目前就高效率馬達在市場推動上,成本問題也是影響推動成效的一個關鍵性因素。

2.      電氣方面:
由於高效率馬達在製作上會採用較多之銅導體,所以在整體的電阻值方面會較一般馬達來的低,因此容易造成在啟動或低載時其啟動電流會有過高或是功因過低之現象,但目前這些現象都可以再透過電氣設計來進行調整,就製造廠表示目前在工程上是可以克服的,只要使用者提出此需求製造廠就會進行調整,而且在調整的同時亦會控制材料的成本。

二、       高效率馬達效率與國內製造代理現況

    目前不論是在國內或者國際上,為明訂與確保高效率馬達之效率值,都訂定有相關之效率標準規範,例如我國國家標準CNS14400、美國MG1-2003標準、日本JIS C4212標準、紐澳 AS/NZS 1359.5:2004標準…等。目前在國際上除了美國、加拿大、澳洲與紐西蘭等國家,對於高效率馬達是屬於強制規定外,其餘各國目前都還是採行自願配合的方式,表一所示為我國與目前世界主要國家,對於高效率馬達部分所訂定之效率標準值。不過有一點必須特別注意,就是目前國際間對於馬達所採用之檢測方式並不盡相同,因此於表一中所呈現之效率值不能直接拿來做比較,而是須經相關調和之後才能來進行,表二部份為目前各國針對馬達部份所採用之檢測方式。

國際高效率馬達之效率值(600V以下3相4極)

馬 力

           /          

HP

kW

加拿大

美國

歐盟

日本

(60Hz)

台灣

一般

PREMIUM

EFF2

EFF1

 

0.2

74.0

0.5

0.37

68.0

 

0.4

78.0

0.75

0.55

70.0

1

0.75

82.5

85.5

82.5

80.0

1.5

1.1

84.0

86.5

76.2

83.8

2

1.5

84.0

84.0

86.5

78.5

85.0

84.0

81.5

3

2.2

87.5

87.5

89.5

81.0

86.4

87.0

85.5

4

3

82.6

87.4

85.5

5

3.7

87.5

87.5

89.5

87.5

85.5

5.5

4

84.2

88.3

85.5

7.5

5.5

89.5

89.5

91.7

85.7

89.2

89.5

87.5

10

7.5

89.5

89.5

91.7

87.0

90.1

89.5

87.5

15

11

91.0

91.0

92.4

88.4

91.0

91.0

89.5

20

15

91.0

91.0

93.0

89.4

91.8

91.0

89.5

25

18.5

92.4

92.4

93.6

90.0

92.2

92.4

91.0

30

22

92.4

92.4

93.6

90.5

92.6

92.4

91.0

40

30

93.0

93.0

94.1

91.4

93.2

93.0

91.7

50

37

93.0

93.0

94.5

92.0

93.6

93.0

91.7

60

15

93.6

93.6

95.0

92.5

93.9

93.0

92.4

75

55

94.1

94.1

95.4

93.0

94.2

93.6

93.0

100

75

94.5

94.5

95.4

93.6

94.7

94.5

93.6

125

90

94.5

94.5

95.4

93.9

95.0

94.5

93.6

150

110

95.0

95.0

95.8

94.5

94.1

175

132

95.0

94.1

200

150

95.0

95.0

96.2

215

160

95.0

94.1

250

 

95.5

96.2

270

200

94.5

資料來源:經濟部標檢局;工研院機械所整理

國際馬達檢測規範

檢測方法

使用國家

適用規範

 

動力計法

美國

IEEE-112A

測量輸出扭力

損失分離法

台灣

CNS 10919

測量機械和電阻損失

推算電磁和雜項損失

 

美國

IEEE-112B

加拿大

CSA-C390

澳洲、紐西蘭

AS/NZS 1359

國際

IEC61972-Method-1

日本

JIS C4212

固定損失法

國際

IEC60034-2

IEC 60034-2

雜項損失=0.5%  Input

IEC 61972

雜項損失=1.5-3.0%  Input

英國

BS-269

國際

IEC61972--Method-2

作圖法

日本

JEC-37

雜項損失0

      資料來源:工研院機械所整理

    關於國內高效率馬達製造與代理狀況依據工研院產經中心於95年度的調查目前國內於經濟部標檢局登錄製造與代理高效率馬達的廠商分述如表三所示

經濟部標準局登錄之高效率馬達製造與代理商名單

公司名稱

公司性質

證書認可日期

證書有效日期

大同公司

國內製造

2002/8/30

2008/8/28

新生精技

國內製造

2002/6/20

2008/6/19

東元電機

國內製造

2002/7/4

2008/7/3

富田電機

國內製造

2003/12/3

2006/12/2

秦偉電機

國內製造

2004/1/27

2007/1/26

良機實業

國內製造

2006/7/21

2009/7/20

德西能科技

代理商

2003/2/12

2009/2/11

九益股份

代理商

2003/6/24

2009/6/23

斯諾國際

代理商

2003/2/11

2009/2/10

星誼企業

代理商

2004/7/21

2007/7/20

仁興電機

代理商

2004/5/24

2007/5/23

格蘭富股份

外商製造/代理

2006/5/26

2009/5/25

         資料來源:經濟部標檢局;工研院產經中心(95)

三、       國際挑戰馬達系統節能計畫現況

隨著全球能源不斷的吃緊,能源價格不斷上漲的壓力,以及再受到“京都議定書”中所協議之CO2排放減量的管制規定。目前世界各國無不積極的在推動相關之節能計畫與措施,以期在未來能於所協定之時程內達到所議定之減量目標。就現階段國際間為了推動節能,對於馬達應用系統所進行之相關節能推動計畫可由以下來進行說明:
(1) 美國 — 1992∼1999美國DOE推動之Motor Challenge Program;1999年起再推動BestPractice Program 等計畫。
(2) 歐盟 — 2003年開始推動EU Motor challenge Programme計畫,主要專注於馬達動力傳動系統、幫浦系統、空壓系統及風機系統。
(3) 澳洲 — NAEEEP MEPS計畫。
(4) 紐西蘭 — MEPS計畫。
(5) 加拿大 — EnerGuide;motor efficiency act in January 1996。
(6) 巴西 — Industrial Motor System Optimization Program計畫。
(7) 印度 — BEE Energy Audit Program。
(8) 中國 — UNIDO-Promoting Motor System Efficiency。
    伴隨著國際間各項馬達節能計畫的推動,國內於94年度所召開之全國能源會議中,首度將“推廣高效率感應電動機”列入為其中一個行動計畫。希望透過此計劃的執行,能夠跟隨著國際節能的腳步,並且藉由學習國外在執行上的經驗,以來改善目前國內的生產環境,進以提高國內能源的使用效率,減少不必要之能源浪費。
 

四、  國際推動高效率馬達及馬達應用系統節能技術之效益評估

針對美國DOE與歐盟MCP所執行之馬達挑戰計畫(Motor Challenge Program),依據其研究與評估後將可帶來如下之節能效益。
美國方面:依據美國DOE的研究,就整個計畫在推動上,預計將可帶來之潛力與效益分述如下。
(1) 馬達部份之節能潛力:
     (a) 1-200hp使用中之馬達,若換用符合高效率法規的馬達可降低耗電11.1%。
     (b) 1-200hp已採用高效率之馬達,若更進一步採用更高的CEE標準則可再將低耗電6.5%。
     (c) 200hp以上之馬達,若換用目前最高效率之產品則可節省耗電7.0%。
     (d) 改善馬達的維修管理實務可節省耗電1.5%。
(2) 馬達應用系統節能技術之節能潛力:
     (a) 改善動力系統設計及調整馬達規格可節省耗電7.6%。
(3) 馬達挑戰計畫之潛在節能效益評估:
     (a) 執行Pump 系統的節能改善約可為國內帶來14億美元之節能效益。
     (b) 原使用馬達改採高效率馬達,以及改善維修管理實務約可為國內帶來12億美元之節能效益。
     (c) 執行風扇系統的節能改善約可為國內帶來7億美元之節能效益。

歐盟方面:依據歐盟的研究,透過此計劃的執行將可節省29%之工業用電力,就其節能來源主要可分為三大要項。
(1) 來自馬達效率的提昇約可節省4.35%之工業用電力。
(2) 來自系統最佳化的設計約可節省18.85%之工業用電力。
(3) 來自動力系統管理實務的改善約可節省5.8%之工業用電力。
    目前就歐盟15國對於計劃執行的評估,藉由此計劃之執行將可帶來之潛在節能效益分別為:
(1) 使用中的馬達若採用“eff1 Motor”每年約可節省電能240億度。
(2) 使用變速驅動“VSD”之控制方式,每年約可節省電能450億度。
(3) 進行馬達系統效率改善,每年約可節省電能1120億度。
表四所示為歐盟評估整體改善馬達系統效率將可帶來之節能數額。

歐盟評估改善馬達系統效率的節能數額

Saving potential in Billion (kWh/year)

EU-15

EU-25

France

Germany

Italy

UK

High efficiency motors

24

27

4

6

4

3

Variable speed drivers

45

50

8

10

7

6

Application part of the motor systems(pumps,fans,compressors)

112

125

19

26

17

15

Total electricity savings potential

181

202

31

42

28

24

CO2eq savings(million tones per year)

79

100

3

27

14

12

of  Kyoto target

24%

-

N/A

11%

42%

13%

     資料來源:歐盟EU Motor challenge Programme

    就計畫開始推動執行後,對於節能的成效究竟是如何,我們以美國所執行的幾個馬達系統節能改善之實際成效來進行展現,參照表五所示。

美國馬達系統效率改善成效實例

公 司

工廠類別

節省電量

kWh/Year

節省比例

年省金額

US

回收期間

General

Dynamics

金屬加工

451,778

38

68,000

1.5

3M

Cpmpany

研究設施

10,821,000

6

823,000

1.9

Greenville

Tubing

不袗管

148,847

34

77,266

0.5

Nisshinbo

California

紡織

1,600,000

59

100,954

1.3

         資料來源:美國Motor Challenge Program

五、  結論

    從古至今,能源的使用與人們有著密不可分的關係,近年來隨著地球能源資源的逐漸耗竭,以及再加上地球氣候逐漸暖化(2005年京都議定書已正式簽定;各國已開始進行CO2排放減量管制)與新型的替代能源還尚未成形的狀況下,節約能源的使用已成為目前國際間最重要的一項重點工作。目前就整個國際對於節能的推動與發展趨勢,以美國及歐盟等國的作法,最值得世界各國來進行效法,以下提供幾個國內外的節能網站,讓有興趣者能夠自行上網參考。

n 台灣
http://www.energypark.org.tw/
http://www.moeaec.gov.tw/
http://www.energystar.org.tw/indexC.asp
http://emis.erl.itri.org.tw/index.asp
http://www.ecct.org.tw/print/index.htm

n 美國
http://www1.eere.energy.gov/industry/bestpractices/motors.html
http://www1.eere.energy.gov/industry/bestpractices/software.html

n 歐盟
http://energyefficiency.jrc.cec.eu.int/motorchallenge/index.htm

n 加拿大
http://oee.nrcan.gc.ca/regulations/html/Factsheet6.cfm?text=N&printview=N

n 澳洲
http://www.greenhouse.gov.au/motors/about.html

n 馬來西亞
http://www.hem2profit.com.my/about.htm

n 其他
http://www.iea.org/Textbase/work/workshopdetail.asp?WS_ID=255

參考資料:
1. 東元電機,康基宏處長,世界各國馬達效率發展與量測,簡報,2002。
2. 工研院產經中心,九十五年度「國內感應電動機市場產銷數量、種類、用途、能源使用狀況及未來成長性分析調查」,2006/10。
3. Copper Development Centre,South East Asia,Understanding High Efficiency  Motors,2001。
http://www.copper.org.sg/publications/publications_list.html#electrical
4. Energy Efficient Motor Driven Systems,Hans De Keulenaer, European Copper Institute,April 2004
5. U.S.Department of Energy ,Industrial Technologies program ,Electric Motor Efficiency – White Paper Overview , Hydraulic Institute 2005 Spring Meeting,June 2-5, 2005。
6. Endland,Department of the Evironment,Transport,Best Practice Programme,Good Practice Guide 2, Energy savings with motors and drives,1998。

撰寫人:賴清溪、郭欽弘

工業技術研究院 機械與系統研究所  新興能源機械技術組

資料提供 郭欽弘先生 <chkuo@itri.org.tw>

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