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马达驱动永续运行不止
聚焦低碳制造新应用
[作者 陳念舜]   2023年10月27日 星期五 浏览人次: [2508]

面对2026年欧盟将正式上路的碳关税机制(CBAM),与台湾已成立的碳权交易所、2025年的碳费制度势在必行。对於在工业用电占比举足轻重的马达和相关设备、系统等厂商,也必须思考该如何协助客户引进创新材料、变频技术,实践增效低碳生产,兼顾效能和品质,以确保企业永续营运。


根据国际能源总署(International Energy Agency;IEA)2050净零排放路径规划(Net-Zero Emissions by 2050 Scenario;NZE),工业部门的排碳量在2030年必须下降20%,2050年下降93%。未来30年达成全球能源系统脱碳的主要支柱为:能源效率提升、行为改变、电气化、再生能源、氢及氢基燃料、生质能源、碳捕获再利用与封存(Carbon Capture, Utilization and Storage;CCUS)等。



图一 : :根据IEA对於2050净零排放路径规划,包括高效率马达在内的的能源效率提升,将是最先被导入的措施。(source:ABB)
图一 : :根据IEA对於2050净零排放路径规划,包括高效率马达在内的的能源效率提升,将是最先被导入的措施。(source:ABB)

包括高效率马达在内的能源效率提升也是最先被导入的措施,促成各国陆续订定马达最低能效标准(MEPS),台湾也在2016年将马达最低能效提升至IE3等级;并随着欧盟自2023年起,要求100kW以上功率马达皆须达到IE4等级之後,中国大陆也宣示将於2024年跟进,台湾与新加坡则订於2025年实行。国际上主流马达制造商因此纷纷致力於开发更高效率马达,除了现已广泛使用的感应马达之外,还有永磁马达及同步磁阻马达等选项。


其中感应马达常被认为已达到瓶颈,难以达到更高能效,却可透过先进的电脑辅助设计优化磁路、高度自动化设备提升品质稳定性,以及低铁损与薄型矽钢片的发展。永磁马达则因毋须通电就带有磁场且磁通密度高,所以马达高效且体积小於感应马达,可在短时间内即达到高转速、出力更快、耗能更少。


由於永久磁铁需要使用??铁硼等稀土金属打造,导致制造成本及供应链风险较高,早期以低转速直驱应用场域为主,差别在於磁铁摆放位置、来源,以及量产的品质、效率,还要考虑变频技术。问世已有30年以上的同步磁阻马达,则经过最隹化的磁障层设计、与驱动器间搭配的优化後,可在无磁石辅助的条件下达到IE5能效,又因近年来成功量产而普及。


台湾市场上大多数马达虽然均已达到IE3能效等级,或跟进日本以采用永磁马达居多,但因为执行并不严格,还有不少业者因为主要是搭配OEM设备出囗东南亚等地,所以经常只提供IE1/IE2马达。



图二 : :国际上主流马达制造商因此纷纷致力於开发更高效率马达,除了现已广泛使用的感应马达之外,还有永磁马达及同步磁阻马达等选项。(摄影:陈念舜)
图二 : :国际上主流马达制造商因此纷纷致力於开发更高效率马达,除了现已广泛使用的感应马达之外,还有永磁马达及同步磁阻马达等选项。(摄影:陈念舜)

ABB马达推陈出新 达到IE4/IE5能效标准

ABB集团也呼应全球节能减碳的趋势,分别从范畴(Stage)1~3布局净零碳排策略,包括已在ABB波兰工厂开始建置太阳能发电站,利用再生能源以减少电力排碳;同时在台北淡海轻轨导入ABB回生型逆变器(INVERTER)及马达,可将减速所生的电力回??到供电系统;多年来也由原厂供应马达等Motion运动控制系统,并搭配国外OEM设备进囗到台湾,组装成陆域/离岸风机或应用於自动化货柜码头的门/桥式起重机(ARMG)、船上吊臂。


在产品方面,则除了符合欧盟自2023年7月始进囗当地0.75~200kW感应马达,都须达到IE4年能效等级的CE规范;并陆续推出永磁马达、同步磁阻马达+驱动/变频器(VSD)控制的IE5高效解决方案。後者因为采用有别於传统马达堆叠矽钢片的转子设计,可对应定/转子不同滑差,并配合周边变频器等运动控制系统配置,满足不同产业、领域需求。


早期较适用於经常改变转矩的泵、风扇等流体机械,而非大扭力场域,如今才逐渐导入於工厂连续生产线上,满足业者更重视马达品质,避免意外停机的需求;且其效能不仅优於IE1/IE2马达,更加快投资回收报酬率(ROI),相对提高终端使用者和OEM设备厂商导入意愿。


ABB更在旗下IE5 SynRM系列同步磁阻马达新加入了增安型马达,强调专为在各种对变速要求严格的工业应用而开发,让目前在危险区域行业运营的客户部署,能比传统IE2/IE3马达降低40%能源损失,同时确保安全和提高能效,在全球尚属首例。


即使在部分负载下,SynRM马达也能在整个速度范围内提供精确的控制和高效率,使之成为泵浦、风扇和压缩机中标准感应马达的理想升级选择,适用於可能存在爆炸性气体、蒸汽或灰尘的产业,例如石油和天然气、化学品、木材加工和面粉加工等。


SynRM马达还结合了永磁技术的效能优势,以及感应马达的简单性和服务友善性,让新型增安型马达可以指定对客户更具成本效益的安装。例如在需要使用安全性更高的马达时,可选择具有特殊外壳的隔爆马达;若是特别要求提高马达负载能力的场合,也能透过与感应马达相同的尺寸提供更高功率(缩框),甚至是更小、成本更低的马达来完成相同任务,减省设备空间及客户部署的时间。


如今IE5 SynRM增安型马达的输出功率为5.5~315kW、外形尺寸为IEC132-315,其中优点之一,是SynRM的运作温度比标准设计更低,轴承温度最多可降低15。C、绕组温度最多可降低30。C,不仅提高了可靠性,延长马达的使用寿命,也减少了停机维护的需求。



图三 : :ABB更在IE5 SynRM系列新加入了增安型同步磁阻马达,强调专为在各种对变速要求严格的工业应用而开发,兼顾安全和提高能效,在全球尚属首例。(source:mesures.com)
图三 : :ABB更在IE5 SynRM系列新加入了增安型同步磁阻马达,强调专为在各种对变速要求严格的工业应用而开发,兼顾安全和提高能效,在全球尚属首例。(source:mesures.com)

导入低碳再生设计 加速循环经济闭环

此外,ABB在马达本体制造方面,还从采用低碳材料开始,直到永续设计、组装及营运行销等垂直整合。正与瑞典采矿和冶炼公司Boliden建立战略合作关系,在其电磁搅拌(EMS)设备和高效能马达中使用Boliden非使用化石能源开采,并使用回收产品的二次原料生产的低碳足迹铜,以减少排放排放温室气体(GHG),使之产品碳足迹减少65%,同时推动朝向循环经济转型,成为ABB策略目标的重要组成部分。


从2023年开始,ABB透过采购Boliden的低碳和再生铜,以满足其在欧洲生产的IE5超高效SynRM和电动汽车马达的需求。双方还签署了一份谅解备忘录,ABB将支持Boliden识别其营运部门的低效低压马达,为Boliden的再生铜提供原料,还可在ABB回收升级框架内更换为高效能电机。


除了使用再生铜外,ABB还承诺增加使用再生电工钢(e-steel)和再生铝的比例,构成闭??路式循环经济,目前已将其马达设计的可回收率提高至98%,其馀2%的材料可进行焚烧并回收热,估计可节省75%~95%的能源。



图四 : :ABB在马达本体制造方面,ABB还从采用低碳材料开始,直到永续设计、组装及营运行销等垂直整合。(source:ABB)
图四 : :ABB在马达本体制造方面,ABB还从采用低碳材料开始,直到永续设计、组装及营运行销等垂直整合。(source:ABB)

东元持续研发IE5/IE6高能效马达 实现低碳制造

在全球制造业都迈向净零碳排的趋势下,台湾的东元电机不仅提供产品与服务,也扮演最核心的整合角色,能够协助用电大户落实节能减排,提供客制化专业评估与智慧化数据分析;同时透过创新的一站式服务模式,从厂务设备到生产制程,提供全方位的绿色智慧解决方案,协助企业强化永续竞争力。


东元电机公司零碳机电系统发展处长孙健荣指出,现今10kW以下马达要达到IE5等级,并利用马达节能来实现低碳制造,还有许多待提升能效的空间,估计约有10%以上机械损失可排除,超高效率马达(>=IE5)、永磁马达(PM)及同步磁阻马达将成主流。


东元除了已提供客户IE3马达之外,也逐渐跟上国际趋势,加速实现IE4最低能效标准;进而推出超高效IE5感应及永磁马达,凭藉IE5感应马达不需驱动器启动的优势,在危险环境的防爆应用上仍为首选;并持续开发IE5同步磁阻马达、IE6永磁马达及磁石辅助(PMA磁石用铁氧体,而非稀土的艏铁硼)同步磁阻马达发展,减少对於稀土磁铁依赖。



图五 : :东元也逐渐跟上国际趋势,推出超高效IE5感应及永磁马达,在同转速下,永磁马达将可省下转速差所流失的6~8%效率,将有更显着的节能效益。(source:东元)
图五 : :东元也逐渐跟上国际趋势,推出超高效IE5感应及永磁马达,在同转速下,永磁马达将可省下转速差所流失的6~8%效率,将有更显着的节能效益。(source:东元)

迎合设备变速需求 聚焦永磁直驱马达

孙建荣表示,目前用来生产的工厂及其设备,其实都是针对产能满载或扩充而选用、设定较高安全系数,却忽略了中小型马达未必都要全负载运行,而须采用变速(1200rpm~1800rpm)控制来调整节能,以达到IE2/IE3/IE4不同等级的功率输出范围。


其中高效率马达驱动系统的变速(频)控制节电原理,在流体机械的泵扬程或风扇压力、流量下,与转速一次方、压力与转速二次方成正比。惟当马达降转速至83.3%(50Hz)运转时,因耗电量与马达转速三次方成正比(50/60Hz),转速变化不大,但耗电量仅需原来的57.9%。


且因为永磁马达属於同步马达,少了感应马达为异步马达的转速差,所以在全速域范围内效率较隹。当负载转速越低则差异越大,节能效果越隹;在同转速下,永磁马达将可省下转速差所造成的6~8%效率差异。使得若需要怠/变速的产业机械,为了降低设备成本,若更换永磁马达将有更显着的节能效益。


有别於过去设备马达若须调整高/低转速,而搭配联轴器和减速机时,却仍须承担机械损失不同,倘若能改由马达直驱将达到低转速、高扭矩将有所改善;还能经由驱动器直接控制马达、耦合到扇叶,达到最隹速度控制和整体效能,以实现变速运转节能、降低保养成本,东元现已将其IE5超高效率马达直驱系统导入冷却水塔应用。


打造能源管理核心平台 提升制造业导入意愿

目前东元除了提供IE3/IE4/PM高效率马达及变频器(INV/LVD/MVD),提升或控制设备效率之外;还进一步与异业结盟,导入空压、空调、泵、风机系统解决方案;最终打造智慧能源与碳资产管理系统,让节能减碳资讯搜集更轻松,进而达成数位化管理行为及需求。


并为此提出低碳制造数位化管理方案,以东元ESG基础管理平台为核心,包含:企业用电管理模组EMS、温室气体管理盘查模组CNm、设备效率管理模组CEm、设备健康管理模组MHm-P等,皆是透过管理机制及提升设备效能,达成企业节能减碳目标的数位管理工具。


其中独有的电力浪费管理模组EWm,系针对运转超过5年以上、能效可能下降的设备,利用数位化智慧模组即时侦测设备运行效率值,是否低於原厂设定?同时提供可视化碳管理功能,而具备独有马达老(劣)化警示功能,显示用电浪费%,进而维持能效最隹化、减省电费。


但孙健荣也坦言,要让企业愿意汰旧换新还须纳入考量ROI,东元因此与客户深入沟通,了解其使用能源的真实状况,以及设备、马达的型式、能效等级、运转时间和负载变化。例如曾有客户选购120HP马达,实际却只用到100HP时,将会导致运行低效不彰,进而针对整体考量提出建议更换的马达,并依实际需求缩小风扇、泵等规格,而得到更高ROI的可执行方案。


未来也希??政府能将制订IE4为马达最低能效标准的时程提前,会更有助於台湾马达制造厂商的技术能力提升,以及更高效使用马达而加速汰旧换新。东元则可提供制造业更多的创新应用,协助产业晋升绿色工厂的实绩与步骤,为客户打造高效节能的智慧低碳生产线。


近期为鼓励节能改善投资、缩短回收年限,经济部也推出随到随审「动力与公用设备补助」,配合欧美最新趋势将IE4感应马达列入今年度最新的补助范围,包括微油式空压机、水泵、通风机,和1~270HP的IE4低压三相鼠笼型感应马达。


根据设备类别和额定功率的不同,每kW补助700~5,000元,中小企业更会额外加码20%,每家公司补助上限为500万元;年营业额超过1亿元的公司上限,则提升至1,500万元。除了采书审优先、不得重复申请外,并无次数或购买数量限制,最晚至2024年1月15日为止。



图六 : :东元电机公司零碳机电系统发展处长孙健荣表示,未来也希??政府能将制订IE4为马达最低能效标准的时程提前,会更有助於台湾马达制造厂商的技术能力提升,以及更高效使用马达而加速汰旧换新。(摄影:陈念舜)
图六 : :东元电机公司零碳机电系统发展处长孙健荣表示,未来也希??政府能将制订IE4为马达最低能效标准的时程提前,会更有助於台湾马达制造厂商的技术能力提升,以及更高效使用马达而加速汰旧换新。(摄影:陈念舜)
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