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馬達驅動永續運行不止
聚焦低碳製造新應用
[作者 陳念舜]   2023年10月27日 星期五 瀏覽人次: [2296]

面對2026年歐盟將正式上路的碳關稅機制(CBAM),與台灣已成立的碳權交易所、2025年的碳費制度勢在必行。對於在工業用電佔比舉足輕重的馬達和相關設備、系統等廠商,也必須思考該如何協助客戶引進創新材料、變頻技術,實踐增效低碳生產,兼顧效能和品質,以確保企業永續營運。


根據國際能源總署(International Energy Agency;IEA)2050淨零排放路徑規劃(Net-Zero Emissions by 2050 Scenario;NZE),工業部門的排碳量在2030年必須下降20%,2050年下降93%。未來30年達成全球能源系統脫碳的主要支柱為:能源效率提升、行為改變、電氣化、再生能源、氫及氫基燃料、生質能源、碳捕獲再利用與封存(Carbon Capture, Utilization and Storage;CCUS)等。



圖一 : :根據IEA對於2050淨零排放路徑規劃,包括高效率馬達在內的的能源效率提升,將是最先被導入的措施。(source:ABB)
圖一 : :根據IEA對於2050淨零排放路徑規劃,包括高效率馬達在內的的能源效率提升,將是最先被導入的措施。(source:ABB)

包括高效率馬達在內的能源效率提升也是最先被導入的措施,促成各國陸續訂定馬達最低能效標準(MEPS),台灣也在2016年將馬達最低能效提升至IE3等級;並隨著歐盟自2023年起,要求100kW以上功率馬達皆須達到IE4等級之後,中國大陸也宣示將於2024年跟進,台灣與新加坡則訂於2025年實行。國際上主流馬達製造商因此紛紛致力於開發更高效率馬達,除了現已廣泛使用的感應馬達之外,還有永磁馬達及同步磁阻馬達等選項。


其中感應馬達常被認為已達到瓶頸,難以達到更高能效,卻可透過先進的電腦輔助設計優化磁路、高度自動化設備提升品質穩定性,以及低鐵損與薄型矽鋼片的發展。永磁馬達則因毋須通電就帶有磁場且磁通密度高,所以馬達高效且體積小於感應馬達,可在短時間內即達到高轉速、出力更快、耗能更少。


由於永久磁鐵需要使用釹鐵硼等稀土金屬打造,導致製造成本及供應鏈風險較高,早期以低轉速直驅應用場域為主,差別在於磁鐵擺放位置、來源,以及量產的品質、效率,還要考慮變頻技術。問世已有30年以上的同步磁阻馬達,則經過最佳化的磁障層設計、與驅動器間搭配的優化後,可在無磁石輔助的條件下達到IE5能效,又因近年來成功量產而普及。


台灣市場上大多數馬達雖然均已達到IE3能效等級,或跟進日本以採用永磁馬達居多,但因為執行並不嚴格,還有不少業者因為主要是搭配OEM設備出口東南亞等地,所以經常只提供IE1/IE2馬達。



圖二 : :國際上主流馬達製造商因此紛紛致力於開發更高效率馬達,除了現已廣泛使用的感應馬達之外,還有永磁馬達及同步磁阻馬達等選項。(攝影:陳念舜)
圖二 : :國際上主流馬達製造商因此紛紛致力於開發更高效率馬達,除了現已廣泛使用的感應馬達之外,還有永磁馬達及同步磁阻馬達等選項。(攝影:陳念舜)

ABB馬達推陳出新 達到IE4/IE5能效標準

ABB集團也呼應全球節能減碳的趨勢,分別從範疇(Stage)1~3布局淨零碳排策略,包括已在ABB波蘭工廠開始建置太陽能發電站,利用再生能源以減少電力排碳;同時在台北淡海輕軌導入ABB回生型逆變器(INVERTER)及馬達,可將減速所生的電力回饋到供電系統;多年來也由原廠供應馬達等Motion運動控制系統,並搭配國外OEM設備進口到台灣,組裝成陸域/離岸風機或應用於自動化貨櫃碼頭的門/橋式起重機(ARMG)、船上吊臂。


在產品方面,則除了符合歐盟自2023年7月始進口當地0.75~200kW感應馬達,都須達到IE4年能效等級的CE規範;並陸續推出永磁馬達、同步磁阻馬達+驅動/變頻器(VSD)控制的IE5高效解決方案。後者因為採用有別於傳統馬達堆疊矽鋼片的轉子設計,可對應定/轉子不同滑差,並配合周邊變頻器等運動控制系統配置,滿足不同產業、領域需求。


早期較適用於經常改變轉矩的泵、風扇等流體機械,而非大扭力場域,如今才逐漸導入於工廠連續生產線上,滿足業者更重視馬達品質,避免意外停機的需求;且其效能不僅優於IE1/IE2馬達,更加快投資回收報酬率(ROI),相對提高終端使用者和OEM設備廠商導入意願。


ABB更在旗下IE5 SynRM系列同步磁阻馬達新加入了增安型馬達,強調專為在各種對變速要求嚴格的工業應用而開發,讓目前在危險區域行業運營的客戶部署,能比傳統IE2/IE3馬達降低40%能源損失,同時確保安全和提高能效,在全球尚屬首例。


即使在部分負載下,SynRM馬達也能在整個速度範圍內提供精確的控制和高效率,使之成為泵浦、風扇和壓縮機中標準感應馬達的理想升級選擇,適用於可能存在爆炸性氣體、蒸汽或灰塵的產業,例如石油和天然氣、化學品、木材加工和麵粉加工等。


SynRM馬達還結合了永磁技術的效能優勢,以及感應馬達的簡單性和服務友善性,讓新型增安型馬達可以指定對客戶更具成本效益的安裝。例如在需要使用安全性更高的馬達時,可選擇具有特殊外殼的隔爆馬達;若是特別要求提高馬達負載能力的場合,也能透過與感應馬達相同的尺寸提供更高功率(縮框),甚至是更小、成本更低的馬達來完成相同任務,減省設備空間及客戶部署的時間。


如今IE5 SynRM增安型馬達的輸出功率為5.5~315kW、外形尺寸為IEC132-315,其中優點之一,是SynRM的運作溫度比標準設計更低,軸承溫度最多可降低15°C、繞組溫度最多可降低30°C,不僅提高了可靠性,延長馬達的使用壽命,也減少了停機維護的需求。



圖三 : :ABB更在IE5 SynRM系列新加入了增安型同步磁阻馬達,強調專為在各種對變速要求嚴格的工業應用而開發,兼顧安全和提高能效,在全球尚屬首例。(source:mesures.com)
圖三 : :ABB更在IE5 SynRM系列新加入了增安型同步磁阻馬達,強調專為在各種對變速要求嚴格的工業應用而開發,兼顧安全和提高能效,在全球尚屬首例。(source:mesures.com)

導入低碳再生設計 加速循環經濟閉環

此外,ABB在馬達本體製造方面,還從採用低碳材料開始,直到永續設計、組裝及營運行銷等垂直整合。正與瑞典採礦和冶煉公司Boliden建立戰略合作關係,在其電磁攪拌(EMS)設備和高效能馬達中使用Boliden非使用化石能源開採,並使用回收產品的二次原料生產的低碳足跡銅,以減少排放排放溫室氣體(GHG),使之產品碳足跡減少65%,同時推動朝向循環經濟轉型,成為ABB策略目標的重要組成部分。


從2023年開始,ABB透過採購Boliden的低碳和再生銅,以滿足其在歐洲生產的IE5超高效SynRM和電動汽車馬達的需求。雙方還簽署了一份諒解備忘錄,ABB將支持Boliden識別其營運部門的低效低壓馬達,為Boliden的再生銅提供原料,還可在ABB回收升級框架內更換為高效能電機。


除了使用再生銅外,ABB還承諾增加使用再生電工鋼(e-steel)和再生鋁的比例,構成閉迴路式循環經濟,目前已將其馬達設計的可回收率提高至98%,其餘2%的材料可進行焚燒並回收熱,估計可節省75%~95%的能源。



圖四 : :ABB在馬達本體製造方面,ABB還從採用低碳材料開始,直到永續設計、組裝及營運行銷等垂直整合。(source:ABB)
圖四 : :ABB在馬達本體製造方面,ABB還從採用低碳材料開始,直到永續設計、組裝及營運行銷等垂直整合。(source:ABB)

東元持續研發IE5/IE6高能效馬達 實現低碳製造

在全球製造業都邁向淨零碳排的趨勢下,台灣的東元電機不僅提供產品與服務,也扮演最核心的整合角色,能夠協助用電大戶落實節能減排,提供客製化專業評估與智慧化數據分析;同時透過創新的一站式服務模式,從廠務設備到生產製程,提供全方位的綠色智慧解決方案,協助企業強化永續競爭力。


東元電機公司零碳機電系統發展處長孫健榮指出,現今10kW以下馬達要達到IE5等級,並利用馬達節能來實現低碳製造,還有許多待提升能效的空間,估計約有10%以上機械損失可排除,超高效率馬達(>=IE5)、永磁馬達(PM)及同步磁阻馬達將成主流。


東元除了已提供客戶IE3馬達之外,也逐漸跟上國際趨勢,加速實現IE4最低能效標準;進而推出超高效IE5感應及永磁馬達,憑藉IE5感應馬達不需驅動器啟動的優勢,在危險環境的防爆應用上仍為首選;並持續開發IE5同步磁阻馬達、IE6永磁馬達及磁石輔助(PMA磁石用鐵氧體,而非稀土的銣鐵硼)同步磁阻馬達發展,減少對於稀土磁鐵依賴。



圖五 : :東元也逐漸跟上國際趨勢,推出超高效IE5感應及永磁馬達,在同轉速下,永磁馬達將可省下轉速差所流失的6~8%效率,將有更顯著的節能效益。(source:東元)
圖五 : :東元也逐漸跟上國際趨勢,推出超高效IE5感應及永磁馬達,在同轉速下,永磁馬達將可省下轉速差所流失的6~8%效率,將有更顯著的節能效益。(source:東元)

迎合設備變速需求 聚焦永磁直驅馬達

孫建榮表示,目前用來生產的工廠及其設備,其實都是針對產能滿載或擴充而選用、設定較高安全係數,卻忽略了中小型馬達未必都要全負載運行,而須採用變速(1200rpm~1800rpm)控制來調整節能,以達到IE2/IE3/IE4不同等級的功率輸出範圍。


其中高效率馬達驅動系統的變速(頻)控制節電原理,在流體機械的泵揚程或風扇壓力、流量下,與轉速一次方、壓力與轉速二次方成正比。惟當馬達降轉速至83.3%(50Hz)運轉時,因耗電量與馬達轉速三次方成正比(50/60Hz),轉速變化不大,但耗電量僅需原來的57.9%。


且因為永磁馬達屬於同步馬達,少了感應馬達為異步馬達的轉速差,所以在全速域範圍內效率較佳。當負載轉速越低則差異越大,節能效果越佳;在同轉速下,永磁馬達將可省下轉速差所造成的6~8%效率差異。使得若需要怠/變速的產業機械,為了降低設備成本,若更換永磁馬達將有更顯著的節能效益。


有別於過去設備馬達若須調整高/低轉速,而搭配聯軸器和減速機時,卻仍須承擔機械損失不同,倘若能改由馬達直驅將達到低轉速、高扭矩將有所改善;還能經由驅動器直接控制馬達、耦合到扇葉,達到最佳速度控制和整體效能,以實現變速運轉節能、降低保養成本,東元現已將其IE5超高效率馬達直驅系統導入冷卻水塔應用。


打造能源管理核心平台 提升製造業導入意願

目前東元除了提供IE3/IE4/PM高效率馬達及變頻器(INV/LVD/MVD),提升或控制設備效率之外;還進一步與異業結盟,導入空壓、空調、泵、風機系統解決方案;最終打造智慧能源與碳資產管理系統,讓節能減碳資訊蒐集更輕鬆,進而達成數位化管理行為及需求。


並為此提出低碳製造數位化管理方案,以東元ESG基礎管理平台為核心,包含:企業用電管理模組EMS、溫室氣體管理盤查模組CNm、設備效率管理模組CEm、設備健康管理模組MHm-P等,皆是透過管理機制及提升設備效能,達成企業節能減碳目標的數位管理工具。


其中獨有的電力浪費管理模組EWm,係針對運轉超過5年以上、能效可能下降的設備,利用數位化智慧模組即時偵測設備運行效率值,是否低於原廠設定?同時提供可視化碳管理功能,而具備獨有馬達老(劣)化警示功能,顯示用電浪費%,進而維持能效最佳化、減省電費。


但孫健榮也坦言,要讓企業願意汰舊換新還須納入考量ROI,東元因此與客戶深入溝通,瞭解其使用能源的真實狀況,以及設備、馬達的型式、能效等級、運轉時間和負載變化。例如曾有客戶選購120HP馬達,實際卻只用到100HP時,將會導致運行低效不彰,進而針對整體考量提出建議更換的馬達,並依實際需求縮小風扇、泵等規格,而得到更高ROI的可執行方案。


未來也希望政府能將制訂IE4為馬達最低能效標準的時程提前,會更有助於台灣馬達製造廠商的技術能力提升,以及更高效使用馬達而加速汰舊換新。東元則可提供製造業更多的創新應用,協助產業晉升綠色工廠的實績與步驟,為客戶打造高效節能的智慧低碳生產線。


近期為鼓勵節能改善投資、縮短回收年限,經濟部也推出隨到隨審「動力與公用設備補助」,配合歐美最新趨勢將IE4感應馬達列入今年度最新的補助範圍,包括微油式空壓機、水泵、通風機,和1~270HP的IE4低壓三相鼠籠型感應馬達。


根據設備類別和額定功率的不同,每kW補助700~5,000元,中小企業更會額外加碼20%,每家公司補助上限為500萬元;年營業額超過1億元的公司上限,則提升至1,500萬元。除了採書審優先、不得重複申請外,並無次數或購買數量限制,最晚至2024年1月15日為止。



圖六 : :東元電機公司零碳機電系統發展處長孫健榮表示,未來也希望政府能將制訂IE4為馬達最低能效標準的時程提前,會更有助於台灣馬達製造廠商的技術能力提升,以及更高效使用馬達而加速汰舊換新。(攝影:陳念舜)
圖六 : :東元電機公司零碳機電系統發展處長孫健榮表示,未來也希望政府能將制訂IE4為馬達最低能效標準的時程提前,會更有助於台灣馬達製造廠商的技術能力提升,以及更高效使用馬達而加速汰舊換新。(攝影:陳念舜)
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