高效电机节能系统推广与建议

左林岳 朱嘉豪 赵 沂 周薛豹 赵 军

上海理工大学 能源与动力工程学院

0 引言

国家有关部门对高效电机节能系统的推广要求是基于国家重点研发计划项目“先进高效中小型三相异步电动机技术方案和能效标准研究”［1］。电动机拖动系统用途广泛，用电量大，其中，工业用气中的风机系统和压缩空气系统的耗电量超出了全国总用电量的20%，是“节能减排”工作的关键领域。进入“十四五”后，节能工作进入“深度节能”阶段，从单个设备的节能扩展到了系统节能，节能更加深入而细致，同时，各种先进的节能技术也亟须在各个领域中进一步推广应用。

1 国际电机系统使用情况

根据国际能源署(International Energy Agency)的数据，电机用电量占全球总电力消耗45%，因此电机驱动电子设备的可靠性和能效会对世界各地的舒适、便利和环境及各种应用产生影响［2］。

工业上的电机系统(EMDSS)的用电量占全球电力消耗的29%，工业电力消耗的69%［3］。每年电机系统消耗的能源花费估计为3 620亿美元。通过使用现有的技术和经验，工业企业管理决策支持系统（EMDSS）可以使用电效率有效提高20%～30%。这样的改善有可能每年减少全球电力消耗3.2～4.8 EJ，削减770～1 100 tCO2的排放量，并且节省720亿～1 080亿美元的费用［4］。

当前运行的电机系统中高效电机的市场占有率偏低，电机和拖动设备效率较低。从国家惠民工程实施情况来看，我国高效电机的市场占有率已从实施前不足5%提高到25%左右，但高效电机的市场占有率仍然偏低［5］。

2 国内外高效电机政策对比

2.1 国内政策

我国从20 世纪90 年代开始，将电机作为重要的用能产品列入节能产品认证。2002 年国家质检总局批准发布第一版的GB 18613-2002《中小型三相异步电动机能效限定值及节能评价值》，于2006年作了修改，2012年发布了第三版，2020年5月，我国批准发布了新修订的电机能效标准GB 18613-2020《电动机能效限定值及能效等级》，该标准提高了三相异步电动机能效限定值的要求，已于 2021 年 6 月开始实施。目前，GB 18613 对中小型三相异步电动机效率规定了三个等级，分别是3级（能效限定值）、2级（目标能效限定值）、1级（节能评价值）［6-7］。

我国电机能效标准与国际标准对比如表1 所示。目前的三级能效对应IEC 标准的IE3 效率等级［8］；二级能效对应IEC标准的IE4效率等级；一级能效对应IEC 标准的IE5 效率等级，为最高能效值［9］。

表1 最新电动机能效标准对比

除电机能效标准外，在电机系统节能方面，我国还制定了高效节能电机产品、能效分级、节能改造、绿色制造等标准，涵盖了高效节能电机设计、制造、测试、应用、评价与认证等各个环节，基本建立了电机系统节能标准体系框架，主要包括设备能效标准、系统经济运行标准和节能控制标准等。

2.2 国外政策

欧洲高效电机推广政策。2010 年6 月11 日，欧盟分别发布了 M/470 和 M/476 指令，M/470 指令主要针对电机产品如何执行IEC 60034-30能效分级标准，而M/476指令则针对电机系统PDS的能效要求。由于IEC 也无电机系统能效标准，因此，2012年欧盟启动了项目23551号，着手进行电机系统能效标准的制订，标准完成后，IEC有意向将直接引用。2014 年欧盟发布了针对综合布线系统（Premises Distribution System，PDS）的能效分级标准EN 50598［10］。

从2011 年6 月16 日起，新的针对低压电机的欧盟最低能效标准法规开始生效。新法规涉及的功率 0.75～375 kW、50 Hz 和 60 Hz 的 2 极、4 极、6极交流电机。

第一阶段(从2011年6月16日起)，新法规所涉及的电机在欧盟市场上出售时，都必须至少达到国际能效等级2级(IE2)标准。

第二阶段(从2015 年1 月起实施)，要求输出功率在 7.5～375 kW 的电机必须达到IE3 能效等级，或者在达到IE2等级的同时加装变频器。

第三阶段(从2017 年1 月起实施)，涉及范围扩展到输出功率0.75～375 kW 的电机，它们必须达到IE3 能效等级，或者在达到IE2 等级的同时加装变频器。

2013 年IEC/TC22/SC22G 成立工作组并与IEC/TC2 协调，共同推进欧盟标准EN 50598 转化为IEC 标准的工作，即IEC 61800-9-2PDS 系统的能效分级及测试标准［11］。

加拿大在1991 年由加拿大标准协会与加拿大电机行业协会共同制订了推荐性电机最低能效标准。1992年加拿大议会通过了能源效率法令(EEACT)，法案包括了电机的最低能效标准，其电机效率指标和美国EPACT 指标相同，该法案在2010 年作了一次修改。

澳大利亚于1999 年开始针对家用电器和工业设备实施强制性能效标准计划(Mandatory energy efficiency performance standards)或称 MEPS 计划，由澳大利亚政府下属温室气体办公室和澳大利亚标准委员会管理，电机也在管理范围内。电机强制性标准于2001 年10 月批准生效，标准号为AS/NZS 1359.5［12］。澳洲和新西兰生产和进口的电机均需达到或超过此标准所规定的最低效率指标。该标准对应的试验有2 种：一套为方法A 的指标，对应于美国IEEE 112-B 方法；另一套为B 方法的指标，对应于IEC 34-2，其指标数值与欧盟EU-CEMEP 的Eff2 基本相同。该标准除规定了强制性的最低标准外，还规定了高效率电机指标为推荐性标准，并鼓励用户采用。其数值与欧盟EU-CEMEP相近。

因各国测试电机效率的方法有所差异，所以单纯地比较效率值是不准确的。即使是同一型号电机，由于评价方法不同，效率值也会产生差异［13］。因此采用了规定同一范围的标准进行比较。由此可以看出，我国高效电机的能效标准逐步与国际靠拢，但由于我国电机使用需求量大，高效电机的使用率小，导致即使有相似的标准，也无法达到预期的节能效果。

3 高效电机推广建议

1）制订更细化的电机系统标准

电机运行系统是一个复杂的系统，其中多种技术的耗能普遍很高，我国电机能效标准规范了总体的效率，导致多数企业为满足节能需求，仅在单一技术方面进行改造，其他环节管理较少，存在“电机系统节能就是更换高效电机或加变频器”等误区。应当将电机能效标准落实到各个技术环节中，可有效解决能源低效率利用的问题。“系统节能”和“提高运行效率”，促进电机运行与生产工艺的紧密结合。

2）加强电机系统使用单位与第三方机构的合作

鉴于多数企业缺乏对电机系统的节能改造能力［14］，无法达到上述标准，为加快推行高效电机系统，建议从第三方包括设计、改造、运行、管理等方面入手，分块跟进节能工作。以市场为导向，个性化设计改造电机系统，对症下药，针对不同类型的电机系统，给予独特的运行及管理方式。推动形成高效电机及电机系统技术研发、成果转化和技术服务一体化的推广链条。

3）加大补贴政策，加强政府强制性管理

政府应鼓励企业推进高效电机的改造，安排必要的资金奖励，对已完成电机改造的企业给予额外的支持，并在后续的运行及维护中持续跟踪，提供保障。同时政府要加强对企业的管理，建立更严格的奖惩制度，贯彻落实方案，给出企业电机改造完毕的最低时间限度，对超出规定时间及改造程度不达标的企业给予相应的处罚，并监督其后续工作。

4）开展关键技术的研究

近几年来，我国持续加大高效电机的研发投入，加强自主创新能力，并已形成较为完整的产业链［15］，但生产的电机多数为高能耗的普通电机。为此建议以研发稀土永磁同步电机［16］为例的高效电机（其在高速列车的牵引系统、塞拉门系统等系统上应用），淘汰低效电机及电机系统。要把握住高效电机推广的黄金时期，推动节能减排，从源头上带动电机系统的产业构造升级。

4 总结

通过电机使用情况和国内外高效电机的标准对比，并根据国内外的差距，提出了针对性建议：我国推广高效电机的阻碍，在于无法将任务细分到指定部门，导致高效电机系统产业链中的企业之间无法形成良好的配合，只着重于电机本体的节能改造，忽略了系统中设计、融资等环节对推进节能也有重要作用。建议将节能标准细分，强化运行、管理等部门节能改造工作，在政府的扶持下开展关键技术的研究，强化管理，加强监督。