电机能效对比和节能措施探讨

电机效率是指电机对电能的转化效率，电机能效是对电机效率的评定值。转换效率高的电机，做同样的功需要耗费的电能比较少，属于低能耗电机；转换效率低的电机属于高能耗电机。

本人长期从事三相异步电机节能工作，发现随着异步电机控制技术的提升，能够控制异步电机实现快速响应、低速大转矩、软件闭环的驱动器的产生（异步伺服），有很多的“低能效”异步电机可以不被淘汰，只要通过“异步电机+异步伺服”的方案提升能效水平，就可以实现更好的绿色发展途径。

本文主要想说明两个观点：
• 额定功率下，异步电机本体的效率是有优势的；非额定功率下异步电机的能效是可以解决的。

• 不同环境、不同工艺、不同功率范围内，各种电机的效率表现也有差异，用户需要根据实际情况选择电机种类和节能方案，不一定要“一刀切”的淘汰旧电机。

先来回顾一下电机能效的相关标准，国际电工委员会IEC 60034将电机的能效标准定为IE1、IE2、IE3、IE4、IE5五个等级，越后面的效率越高。国内的GB标准也就是《电动机能效限定值及能效等级》（GB18613），将电机的能效等级分为了能效一级、能效二级、能效三级，一级效率最高。这两种电机的能效等级标准对应关系如下：

再来对比几份国标数据，加深一下对电机本体在额定功率下的能效的认知，摘取3个标准中同类数据进行对比以说明不同种类电机、不同功率段的能效特点。我们选取《电动机能效限定值及能效等级》（GB 18613-2020）、《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》（GB 18613-2012）、《永磁同步电动机能效限定值及能效等级》（GB 30253-2013）等三份标准。
其中异步电机以四级电机为例，同步电机以2000转的能效数据为例。

一、2020年新国标异步电机能效曲线
以四级电机为例，根据《电动机能效限定值及能效等级》（GB 18613-2020）的数据绘制三相异步电机能效曲线，功率范围是0.12kW～315-1000kW。

从图1可以看出两点：
1、三相异步电机在小功率区域的能效比较低，比如功率小于2.2kW的时候；
2、随着功率的增大，异步电机的能效逐步升高，不同能效等级的电机效率差距在缩小。
比如37kW三级电机（IE3）的能效是93.9%，和一级电机（IE5）的能效96.1%的差距是2.2%。超过37kW以后，各个能效级别的差距继续缩小，到160kW以后，一级电机（IE5）和三级电机（IE3）的能效差距缩小到1.4%。

因此，大功率的异步电机如果更换高效能电机，节能效果相对不明显。

二、2020年新国标异步电机与2000转同步电机对比
 以四级异步电机为例，同步电机在2000转时的能效为例，对比从0.55kW～90kW的两份国标的数据（《永磁同步电动机能效限定值及能效等级》国标里只有这个功率范围）。

图2中实线代表异步电机能效数据，虚线代表同步电机能效数据，可以看出：

1、两类电机都是小功率时能效低；
2、一级电机的曲线中，同步电机在小功率时能效略优于异步电机，到30kW开始接近，从45kW开始异步电机的能效反超同步电机，异步电机的能效更高；
3、二级电机能效曲线中，异步电机的能效一直高于同步电机；
4、三级电机能效曲线中，异步电机的能效一直高于同步电机。
可见，额定功率下，从电机本体来看，异步电机的能效多数情况下优于同步电机，如果笼统的把异步电机理解为低效能电机是非常不够精确的。

三、2020年新国标与2012年旧国标异步电机对比
 以四级异步电机为例，2020年新标准和2012年旧标准对比，新标准的电机能效比旧标准整体往上提高了一个等级。新标准的二级与旧标准的一级重叠，新标准的三级与旧标准的二级基本重叠。

四、2012年旧国标异步电机与同步电机对比
 以四级异步电机2012年旧国标能效数据与2000转同步电机做对比。
从图4可以看到：
1、一级标准下同步电机的能效高于异步电机；
2、二级标准下，15kW以内同步电机能效略高，15kW以后两种电机的能效基本持平；
3、三级标准下，异步电机的能效稍微高一点。
即使以旧国标数据做对比，额定功率下，异步电机本体的能效也和同步电机差距不大，越往大功率区，异步电机的能效优势越明显。

五、关于电机能效对比的结论
1、额定功率下，异步电机能效不比同步电机低，即使2012旧国标里的三级标准能效水平都高于同步电机，2020新国标里的一级标准能效数据也高于同步电机。
2、非额定功率下，电机效率的差异主要是因为带变频驱动（伺服）的差异，通常大众以为的同步电机节能，主要不是电机本体的节能，而是“同步电机+同步伺服”的系统节能。
3、同步电机的能效在小功率区有优势（≤15kW），异步电机能效在大功率区有优势（≥30kW）。

六、建议
结合我们20多年的异步电机节能实践经验，如果能够对异步电机配置合适精度的调速驱动器，也可以提高异步电机在非额定功率下的能效。尤其是对于使用过程中负载有变化的场景，采用合适精度的变频（异步伺服）调速可以大幅度提高能效，根据团队的实践数据，在工况相同的液压设备上，“异步电机+异步伺服”的系统节能效果不低于“同步电机+同步伺服”。
鉴于以上内容，在落实电机工业领域节能减排的工作中，从“低碳、绿色”的发展理念出发，提出以下建议：

（一）如果用户购买新电机，可以直接购买高效电机，但不一定要购买同步电机，具体也要考虑功率范围、电机等级、以及应用场景。30kW以上异步电机加上变频（伺服）驱动后通常能效水平不低于同步电机，并且异步电机具备耐用、易维护、环保可回收等优点。

（二）对于老的异步电机可以不用淘汰，直接用“异步电机+异步伺服”系统节能的方式进行升级。从图1可以看出，从15kW往上各种电机之间的能效差异比较小，淘汰老电机的回收期长。建议根据工艺需求配置变频器或者异步伺服就可以满足节能和工艺的需求，减少资源浪费。

（三）根据不同的工艺和环境需求，选择不同的电机和节能方案。

1、加工中心、丝杠、机器人等场合，宜采用“同步电机+同步伺服”节能方案；
2、压铸机、注塑机、油压机等液压设备，宜采用“异步电机+异步伺服”节能方案；
3、空压机、风机、水泵等场合，可采用“异步电机+变频器”节能方案。
总结而言，控制精度要求高、环境清洁度高、功率范围小、负荷比较低的环境，适合用“同步电机+同步伺服”；控制精度要求中等，环境清洁度低、功率范围大、工艺负荷重的环境，适合用“异步电机+异步伺服”；控制精度要求低的场合，只需要“异步电机+变频器”。

参考文献：
1《电动机能效限定值及能效等级》（GB 18613-2020）三相异步电动机各能效等级
2《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》（GB 18613-2012）电动机能效能级
3《永磁同步电动机能效限定值及能效等级》（GB 30253-2013）变频驱动永磁同步电动机能效等级

作者：深圳蓝海华腾异步伺服科技有限公司 许玲娇 胡雁南

来源：荣格-《智能制造纵横》

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