高效電機節能系統推廣與建議

左林岳 朱嘉豪 趙 沂 周薛豹 趙 軍

上海理工大學 能源與動力工程學院

0 引言

國家有關部門對高效電機節能系統的推廣要求是基于國家重點研發計劃項目“先進高效中小型三相異步電動機技術方案和能效標準研究”［1］。電動機拖動系統用途廣泛，用電量大，其中，工業用氣中的風機系統和壓縮空氣系統的耗電量超出了全國總用電量的20%，是“節能減排”工作的關鍵領域。進入“十四五”后，節能工作進入“深度節能”階段，從單個設備的節能擴展到了系統節能，節能更加深入而細致，同時，各種先進的節能技術也亟須在各個領域中進一步推廣應用。

1 國際電機系統使用情況

根據國際能源署(International Energy Agency)的數據，電機用電量占全球總電力消耗45%，因此電機驅動電子設備的可靠性和能效會對世界各地的舒適、便利和環境及各種應用產生影響［2］。

工業上的電機系統(EMDSS)的用電量占全球電力消耗的29%，工業電力消耗的69%［3］。每年電機系統消耗的能源花費估計為3 620億美元。通過使用現有的技術和經驗，工業企業管理決策支持系統（EMDSS）可以使用電效率有效提高20%～30%。這樣的改善有可能每年減少全球電力消耗3.2～4.8 EJ，削減770～1 100 tCO2的排放量，并且節省720億～1 080億美元的費用［4］。

當前運行的電機系統中高效電機的市場占有率偏低，電機和拖動設備效率較低。從國家惠民工程實施情況來看，我國高效電機的市場占有率已從實施前不足5%提高到25%左右，但高效電機的市場占有率仍然偏低［5］。

2 國內外高效電機政策對比

2.1 國內政策

我國從20 世紀90 年代開始，將電機作為重要的用能產品列入節能產品認證。2002 年國家質檢總局批準發布第一版的GB 18613-2002《中小型三相異步電動機能效限定值及節能評價值》，于2006年作了修改，2012年發布了第三版，2020年5月，我國批準發布了新修訂的電機能效標準GB 18613-2020《電動機能效限定值及能效等級》，該標準提高了三相異步電動機能效限定值的要求，已于 2021 年 6 月開始實施。目前，GB 18613 對中小型三相異步電動機效率規定了三個等級，分別是3級（能效限定值）、2級（目標能效限定值）、1級（節能評價值）［6-7］。

我國電機能效標準與國際標準對比如表1 所示。目前的三級能效對應IEC 標準的IE3 效率等級［8］；二級能效對應IEC標準的IE4效率等級；一級能效對應IEC 標準的IE5 效率等級，為最高能效值［9］。

表1 最新電動機能效標準對比

除電機能效標準外，在電機系統節能方面，我國還制定了高效節能電機產品、能效分級、節能改造、綠色制造等標準，涵蓋了高效節能電機設計、制造、測試、應用、評價與認證等各個環節，基本建立了電機系統節能標準體系框架，主要包括設備能效標準、系統經濟運行標準和節能控制標準等。

2.2 國外政策

歐洲高效電機推廣政策。2010 年6 月11 日，歐盟分別發布了 M/470 和 M/476 指令，M/470 指令主要針對電機產品如何執行IEC 60034-30能效分級標準，而M/476指令則針對電機系統PDS的能效要求。由于IEC 也無電機系統能效標準，因此，2012年歐盟啟動了項目23551號，著手進行電機系統能效標準的制訂，標準完成后，IEC有意向將直接引用。2014 年歐盟發布了針對綜合布線系統（Premises Distribution System，PDS）的能效分級標準EN 50598［10］。

從2011 年6 月16 日起，新的針對低壓電機的歐盟最低能效標準法規開始生效。新法規涉及的功率 0.75～375 kW、50 Hz 和 60 Hz 的 2 極、4 極、6極交流電機。

第一階段(從2011年6月16日起)，新法規所涉及的電機在歐盟市場上出售時，都必須至少達到國際能效等級2級(IE2)標準。

第二階段(從2015 年1 月起實施)，要求輸出功率在 7.5～375 kW 的電機必須達到IE3 能效等級，或者在達到IE2等級的同時加裝變頻器。

第三階段(從2017 年1 月起實施)，涉及范圍擴展到輸出功率0.75～375 kW 的電機，它們必須達到IE3 能效等級，或者在達到IE2 等級的同時加裝變頻器。

2013 年IEC/TC22/SC22G 成立工作組并與IEC/TC2 協調，共同推進歐盟標準EN 50598 轉化為IEC 標準的工作，即IEC 61800-9-2PDS 系統的能效分級及測試標準［11］。

加拿大在1991 年由加拿大標準協會與加拿大電機行業協會共同制訂了推薦性電機最低能效標準。1992年加拿大議會通過了能源效率法令(EEACT)，法案包括了電機的最低能效標準，其電機效率指標和美國EPACT 指標相同，該法案在2010 年作了一次修改。

澳大利亞于1999 年開始針對家用電器和工業設備實施強制性能效標準計劃(Mandatory energy efficiency performance standards)或稱 MEPS 計劃，由澳大利亞政府下屬溫室氣體辦公室和澳大利亞標準委員會管理，電機也在管理范圍內。電機強制性標準于2001 年10 月批準生效，標準號為AS/NZS 1359.5［12］。澳洲和新西蘭生產和進口的電機均需達到或超過此標準所規定的最低效率指標。該標準對應的試驗有2 種：一套為方法A 的指標，對應于美國IEEE 112-B 方法；另一套為B 方法的指標，對應于IEC 34-2，其指標數值與歐盟EU-CEMEP 的Eff2 基本相同。該標準除規定了強制性的最低標準外，還規定了高效率電機指標為推薦性標準，并鼓勵用戶采用。其數值與歐盟EU-CEMEP相近。

因各國測試電機效率的方法有所差異，所以單純地比較效率值是不準確的。即使是同一型號電機，由于評價方法不同，效率值也會產生差異［13］。因此采用了規定同一范圍的標準進行比較。由此可以看出，我國高效電機的能效標準逐步與國際靠攏，但由于我國電機使用需求量大，高效電機的使用率小，導致即使有相似的標準，也無法達到預期的節能效果。

3 高效電機推廣建議

1）制訂更細化的電機系統標準

電機運行系統是一個復雜的系統，其中多種技術的耗能普遍很高，我國電機能效標準規范了總體的效率，導致多數企業為滿足節能需求，僅在單一技術方面進行改造，其他環節管理較少，存在“電機系統節能就是更換高效電機或加變頻器”等誤區。應當將電機能效標準落實到各個技術環節中，可有效解決能源低效率利用的問題?！跋到y節能”和“提高運行效率”，促進電機運行與生產工藝的緊密結合。

2）加強電機系統使用單位與第三方機構的合作

鑒于多數企業缺乏對電機系統的節能改造能力［14］，無法達到上述標準，為加快推行高效電機系統，建議從第三方包括設計、改造、運行、管理等方面入手，分塊跟進節能工作。以市場為導向，個性化設計改造電機系統，對癥下藥，針對不同類型的電機系統，給予獨特的運行及管理方式。推動形成高效電機及電機系統技術研發、成果轉化和技術服務一體化的推廣鏈條。

3）加大補貼政策，加強政府強制性管理

政府應鼓勵企業推進高效電機的改造，安排必要的資金獎勵，對已完成電機改造的企業給予額外的支持，并在后續的運行及維護中持續跟蹤，提供保障。同時政府要加強對企業的管理，建立更嚴格的獎懲制度，貫徹落實方案，給出企業電機改造完畢的最低時間限度，對超出規定時間及改造程度不達標的企業給予相應的處罰，并監督其后續工作。

4）開展關鍵技術的研究

近幾年來，我國持續加大高效電機的研發投入，加強自主創新能力，并已形成較為完整的產業鏈［15］，但生產的電機多數為高能耗的普通電機。為此建議以研發稀土永磁同步電機［16］為例的高效電機（其在高速列車的牽引系統、塞拉門系統等系統上應用），淘汰低效電機及電機系統。要把握住高效電機推廣的黃金時期，推動節能減排，從源頭上帶動電機系統的產業構造升級。

4 總結

通過電機使用情況和國內外高效電機的標準對比，并根據國內外的差距，提出了針對性建議：我國推廣高效電機的阻礙，在于無法將任務細分到指定部門，導致高效電機系統產業鏈中的企業之間無法形成良好的配合，只著重于電機本體的節能改造，忽略了系統中設計、融資等環節對推進節能也有重要作用。建議將節能標準細分，強化運行、管理等部門節能改造工作，在政府的扶持下開展關鍵技術的研究，強化管理，加強監督。