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馬達廠競逐客製化應用
產業布局全方位節能減碳
[作者 陳念舜]   2022年08月30日 星期二 瀏覽人次: [6925]

展望馬達控制與傳動系統雖然已是發展多年的基礎技術,但到了如今追求節能減碳時代,為了要製造出體積小、功率更大的高效率馬達時,便考驗各國製造業從設計、分析,乃至於製程上細節能力,是否都具備成熟技術和工藝水準,以及全方位客製化應用服務能力。


考量近年來無論採用何種技術或IEC標準,IE5馬達能耗都會比IE3機種少40%,永磁同步馬達(PMSM)還具有高能量密度與高運轉效率、體積小等優點,在運作過程中的舒適度與動態響應也會大幅提升,卻不會有振動噪音隨之而來,近年來也開始結合直驅系統達到IE5等級能效,廣泛用於各種對於能效要求較高的電動載具、工業製程及自動化設備。


如德商西門子公司(Siemens)目前不僅配合各地「最低能效管制政策(MEPS)」,推廣旗下超高效率節能馬達,均須符合IE3效率等級;甚至對於歐盟要求75kW~200kW馬達在2023年,必須達到IE4等級已做足準備,才可配合產業客戶與機械廠商提升馬達效率,降低企業能源成本及每年排碳量。在最近台北國際自動化展中,也積極推廣旗下節能高效的SIMOTICS IE4(IE5)同步磁阻馬達,將大幅提升效率與變頻驅動系統性能。


進而全面整合無線監測裝置,增加系統運轉透明度,要求對於馬達,甚至是上位的變頻器與機械傳動機構等,都必須能通過有/無線工業網路或藍牙,連結西門子PLC控制器,得以完整、即時且連續不間斷地監測馬達運行狀態;且配合西門子MINDSPERE雲端服務與德國專業技術專業團隊,預診馬達使用壽命,並主動安排保養與維護時程,以協助業者實現零意外停機的目標。


瑞士商ABB公司也在今年會中,展示旗下IE5等級同步磁阻馬達(SynRM)與整合式高效率馬達(EC Titanium),結合同步磁阻與永磁控制技術,提供馬達與驅動器/變頻器的一體式解決方案,減少約40%能耗,實現出色的節能效果。



圖1 : ABB也在今年展示旗下IE5等級同步磁阻馬達(SynRM)與整合式高效率馬達(EC Titanium),並提供一體式解決方案,減少約40%能耗。(攝影:陳念舜)
圖1 : ABB也在今年展示旗下IE5等級同步磁阻馬達(SynRM)與整合式高效率馬達(EC Titanium),並提供一體式解決方案,減少約40%能耗。(攝影:陳念舜)

東元搭配永磁馬達 促冷卻水塔能效達IE5等級

近年來台灣馬達大廠東元電機則受惠於機電系統、智慧能源、智慧家庭3大事業群的組織變革有成,已發揮最大效益,分別於再生能源、儲能、節能與運具電動化等領域皆有對應解決方案,直接鏈結商機。根據東元最新公布2022年Q2營收年成長13.5%、上半年營收年成長16.8%,主因即可歸功於營收占比達五成以上的機電系統事業群,在北美、歐洲與台灣市場年成長13.9%的貢獻。


例如美國O&G輸送站壓縮機過去多採用柴油發電機驅動,但在未來美國若立法通過《清潔競爭法案》(Clean Competition)之後,將推動O&G產業電氣化成長期趨勢,東元現則已取得 E-Skid超過2,000萬美元訂單,並有超過百台商機正在洽談。


因為東元也有能力自製電動車用T Power動力系統,除了2021年便加入MIH聯盟之外,還供應華德動能開發電動巴士,現已累積出貨逾百餘套,等到客戶新廠成立,訂單即可望明顯增加;後續還將用於台灣多家巴士車廠合作開發的智慧電動巴士DMIT計畫,預計年底前完成路測,2023年之後貢獻營收;同時與指標性貨卡車廠合作,並結合東元集團旗下宅配通,開發台灣首輛3.49噸以下電動物流車,現正進行整車測試,計畫明年量產後,未來還可望導入貨卡、自動導引車(AGV)等貨/客運交通領域的智慧電動載具。


自從今年七月起台電平均調漲電價8.4%,用電大戶更達到15%之後,促使企業能源及用電成本劇增。東元從去年便針對工廠節能需求,推出低碳智能工廠解決方案,將可協助企業大幅降低用電成本,並且逐步達成減碳的目標。預估今年以來東元推出在節能方面的產品及服務,將比去年同期成長約三成,全年相關營收貢獻可望挑戰新台幣40億元。


表1 不同的工廠設備及產品的節能省電效率

工廠設備

產品

節能省電效率

高效率馬達驅動系統

高效率感應馬達(IE3/IE4)

2~8%

高效率永磁馬達(IE4)

較IE4感應馬達效率再提升4~5%以上

中、低壓變頻器

最高50%

冷卻水塔

IE5超高效冷卻水塔永磁直驅系統

最高15%


東元電機公司機電系統暨自動化事業群處長孫健榮也表示,尤其是在現今台灣的鋼鐵、石化、電子、水泥、造紙或紡織化纖大廠等排碳大戶更感興趣,東元還可針對客戶既有設備的能耗與能效狀況,提供汰換成本由低到高等不同解決方案。


例如在工商界各行各業都會有的高效率冷卻水塔,就是一個相當耗能的設備,很有必要提升效能,業者可從最簡單的維持既有系統,但將馬達換成高效率產品;或是將既有的傳動系統簡化改造為永磁直驅系統而提升效率,還可以大幅減少如減速機等機械傳動元件定期保養和週期性(Life cycle)汰換成本。


藉此完全顛覆了傳統驅動冷卻水塔風扇,必須經由馬達連結聯軸器再搭配減速機,才能組成低轉速、高扭力的完整驅動系統。孫健榮指出,如今透過直驅系統,既降低了相關機械損失,還最少提升傳動系統效率約5~15%;若搭配永磁馬達在低轉速下,高效率的特性,比起傳統感應馬達差異更大。


經過分析依照環境溫度變化,再搭配變頻器對水塔風扇進行變速控制的節能效果更佳。孫健榮也推薦業者,可採用東元針對高效率冷卻水塔開發的整套專用變頻節能控制系統,透過內建AI演算法的變頻器精準控制溫度,在負載明顯變化時,節能效果將比一般通用型變頻器提高40%以上!


「雖然牽扯到既有設備的改造看似複雜,但是對於降低電費及設備維護等總體運轉成本的效果,也顯而易見!」孫健榮表示,由於能源效率提高且少了這些機械可動件之後,將能完全省下馬達定期保養和週期性汰換的成本;在冷卻水塔導入東元IE5高效永磁直驅系統,則有助於企業,降低設備在整個生命週期內的總體營運成本,讓許多業者感到興趣而踴躍下單。


結合東訊感測器即時監控 確保馬達能效長期穩定

同時考量現今製造業打造智慧工廠,導入工業物聯網(IIoT)需求,但因為馬達在正常運轉時不會「講話」,所以通常業界認定的馬達效率都是在健康狀態下測得,於購入時決定。卻忽略了在不健康運轉時,馬達能效會變得差異極大,傳統只能透過人工巡檢、抄表來比較數據,或是在事後分析才會發現。


東元現也與關係企業東訊公司合作,針對馬達、鼓風機、空壓機、泵浦,還有冰水主機的冷媒壓縮機等旋轉設備建立數位分身(Digital twin)監測系統,再利用外接式感測器取得其振動與溫度資訊後,再通過Wi-Fi上傳Gateway。經過內建機器學習的演算法建立或比對關鍵上下限指標,以即時顯示目前馬達是否處於健康運轉狀態;或是依客戶需求,將從Edge端或是收集到中央控制系統的數據長期累積,用於未來紀錄分析。


孫健榮說:「一旦建立這些指標,就等於提醒業者密切關注,以及早發現馬達可能在不正常情況下持續運轉,導致能效和能耗表現不佳,甚至是主動安排維修保養,據統計在安裝了這項設備後,能源效率約可提升3%~7%。」未來等到設備皆可預診分析後,下一階段才會視客戶需求,逐步導入5G、AR/VR等工具,實現無人巡檢、遠距維修作業,精省人員質量。


目前東元還能整合集團內的能源管理系統,首先用於協助客戶,盤查現有設備能效是否較差?接著進行效益分析,評估若更換一顆高效率馬達或設備,能帶來的好處;客戶還應該知道耗用的能源到了何處、有什麼重大耗能設備?接下來才能建立基本能效資料,得知耗能狀況與產品比對。倘若發現產值不高,卻仍有較高能耗時,就代表可能出現浪費或不明使用狀況,必須加以改善。


孫健榮表示,其能源管理系統不僅可以串聯設備提升能效,或是再生能源等節能減碳解決方案,最後還會再加入一些智動化、數位化管理工具,讓操作更有效率。藉此取得可視化數據之後,還能形成碳排放的具體管制策略,進而結合東元集團相關產品,提供企業所需的完整解決方案。


包括東元現有多種方式協助企業回收廢熱再利用,除了可用於業者最有興趣的發電之外,也會替客戶評估實際廠內需求,包括溫度、流量和產熱時間等。若是熱源條件適合,廠內也有蒸汽需求,就能將廢氣轉換為蒸汽,省下燃油或天然氣產生蒸汽的成本,或是用來滿足於廠內冷凍機或冰水機的製冷需求。


在今年台北國際自動化展上,東元便以ESG永續概念,打造低碳智慧未來工廠為主軸,攜手關係企業東捷資訊及東訊,聚焦提供以馬達為核心的低碳工業解決方案。亮點產品包括:首度亮相的「次世代小型化變頻器E710」、永磁同步直驅馬達,以凸顯節能效益;AC/DC伺服馬達,可二次開發應用於天車、AGV或協作機器人關節,降低構成智慧工廠的門檻。


同時提供高效率冷卻水塔專用AI變頻控制驅動器、廠內廢熱回收等客製化服務解決方案,經分析選用後導入,才能以最小代價得到最佳利益。進而搭配與東捷資訊、東訊合作的碳資產管理與IoT可視化監控系統,以即時追蹤保養馬達健康與維修,協助客戶提升設備能效、降低能耗;透過軟體計算出口設備、產品的碳足跡,最終實現數位化、可視化碳盤查管理。



圖2 : 透過結合東元永磁馬達直驅系統用來改造高效冷卻水塔,既降低了相關機械損失,還最少提升傳動系統效率約5~15%。(source:東元)
圖2 : 透過結合東元永磁馬達直驅系統用來改造高效冷卻水塔,既降低了相關機械損失,還最少提升傳動系統效率約5~15%。(source:東元)

大同攜手減速機 跨足重電及車用領域

另一家老牌馬達大廠大同公司,旗下則仍有10大事業體,分為重電、電纜、馬達、智慧電表、太陽能、智慧能源、系統整合、家電製造、家電品牌、先端電子等。近年來也發揮在客製化長期累積的經驗優勢,配合市場產業發展潮流,規劃開發馬達方向。


在節能減碳方面,除了2016年即推出IE3系列馬達外,也超前部署推出0.75kW~150kW更高階的IE4鼠籠式轉子感應馬達,可直接採取商用電源啟動運轉,提高能效及降低能耗。且因為馬達仍採特殊設計的電磁鋼片、鑄鋁框架和轉子等模組化設計,安裝尺寸皆採IEC國際標準,具備高度互換性,使得馬達維修更為便利,毋須重新更換產線設備。


大同公司馬達開發處副處長藍寶琳表示,目前該公司IE3、IE4永磁同步馬達系列的輕量小型化產品,不僅搭配驅動器節能效果佳,在速度及定位變化更為精準;並投入開發一體式IE5同步磁阻馬達,將廣泛用於變速負載空壓機、泵浦、風機等機械設備上,現也與日本廠商技術合作,將同步發電機導入水力發電設備應用,符合淨零碳排趨勢。


進而在客製化服務上,大同也推出甫獲2022台灣精品獎的鋼鐵廠專用的軋鋼馬達,並搭配2020年台灣精品獎TiMS大同智慧馬達感測器(Tatung Intelligent Motor Sensor),可採用業界首創Bluetooth及LoRa合併的雙架構無線傳訊系統,無論新舊馬達皆可安裝監測,可透過PC、手機App監控之外,還能搭配專用無線閘道器,使之監測範圍廣達數公里,讓客戶得以最經濟方式達成設備常態監測。


再經過公有雲結合微軟Azure工業物聯網平台,建置專屬大數據分析系統,以提供加值服務,將涵括馬達運轉狀態、溫度、三軸振動、電機頻率、運轉時數、異常告警、保養提醒等項目,以兼顧確保設備健康的智能化監控及故障預知診斷功能,確保馬達使用狀態及維持高可靠度,以延長設備使用壽命,避免異常停機造成產線不必要的損失,也浪費工時、材料與能耗。



圖3 : 大同也推出鋼鐵廠專用的軋鋼馬達,並搭配TiMS大同智慧馬達感測器,以提供加值服務、維持高可靠度。(攝影:陳念舜)
圖3 : 大同也推出鋼鐵廠專用的軋鋼馬達,並搭配TiMS大同智慧馬達感測器,以提供加值服務、維持高可靠度。(攝影:陳念舜)

同時攜手旗下大同住重減速機,順利掌握台商回流帶來的自動化、節能減碳商機,在今年睽違20年重回台灣參展,演示其減速機內部專利曲線板設計,實現簡易結構、省空間,以及高強度、長壽命等優勢,並結合在地保修服務。尤其是在廠內有多部設備的鋼鐵、食品產業等碳排大戶,搭配高效馬達的節能效果更為明顯。


此外,因應政府積極推動2030年公車與客運全面電動化,大同除了自力開發生產EV馬達,,現也與政府及學研單位合作,開發大型電動巴士用250kW馬達驅動器,搭配自製高效率馬達用於台灣市區12m公車,滿足安全、續航遠等需求,現已取得唐榮大型電動巴士動力系統訂單;未來還將透過DMIT產創計畫,開發台灣城際客運用電動巴士動力系統,且為物流車、中小巴士等國內外商用車市場規劃客製化設計生產。



圖4 : 透過大同住重減速機產品,實現簡易結構、省空間,以及高強度、長壽命等優勢,順利掌握台商回流帶來的自動化、節能減碳商機。(攝影:陳念舜)
圖4 : 透過大同住重減速機產品,實現簡易結構、省空間,以及高強度、長壽命等優勢,順利掌握台商回流帶來的自動化、節能減碳商機。(攝影:陳念舜)

結語

自從近年來各國紛紛推出各項措施來落實淨零碳排路徑目標。包括歐盟要求2030年排碳量,須比1990年降低55%,於2050年達到碳中和;且將從2027年元旦起,開徵碳邊境調整機制關稅(Carbon border adjustment mechanism;CBAM),並納入計算用電產生的間接排碳,而全面擴大徵稅規模。


美國同時則須比2005年降低50%排碳量,且由參議院提出《清潔競爭法案》(Clean Competition Act;CCA)中設定課徵碳稅的時程,預計2024年就要上路,甚至比歐盟更快。未來包括南韓、大陸、日本等地為免自家產業遭受不公平競爭,也勢必會開始跟進加徵碳稅,台灣也必須急起直追,才能不被全球市場排除在外。


回顧馬達雖然已是成熟工藝產品,佔有工業用電超過60%比例,對了現代工業要求智慧化、節能減碳趨勢,更面臨成本增加、靈活生產、新舊產線整合的挑戰。台灣廠商雖然在高效馬達既少了材料優勢,除了原先已有海外基礎的廠商相對更具優勢潛力,也仰賴用電、排碳大戶企業透過「以大帶小」策略,帶動零組件、OEM設備供應鏈廠商對於節能減碳要求,打造智能工廠及大型電動車,以減少碳足跡。


*刊頭圖(source:assets.new.siemens.com)


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