秦和
上海电器科学研究所(集团)有限公司
1引言
电动机广泛应用于工业、商业、公用设施和家用电器等各种领域，作为风机、水泵、压缩机、机床等各种设备的动力。电动机的用电量一般均占到各国工业用量的70%左右，为其全部用电量的50%左右，因此，电动机系统能效水平的提高将可节约大量的电能。美国1994年统计，仅在工业加工过程中电动机系统就消耗了6790亿kw·h的电能。据估计，如采用目前已成熟的节能技术和产品，可节约11%~18%的电能，也即每年可节约750~1220kw·h，同时每年相应可节约电费36~58亿美元[1]，并且由于电能的节约可大大减缓或减少对电站或发电设备的投资与建设。另外，目前的电力生产，大多数国家仍以火力发电为主，其生产过程中排出的CO2等气体构成地球温室气体的主要部分，对气候环境带来很大影响，英国测算其1995年电动机系统总用电量为1300亿kW·h，为产生这些电能排放到空中的碳为2400万t，相当于英国该年所有能源生产所排放碳总量的17%[2]。根据1997年京都协定书，各国均要需减少温室气体的排放，欧盟在2008~2012年要比1990年排放水平降低8%，其中英国需减少12.5%。电动机系统能效水平的提高所带来的电能节约，可大大减少温室气体的排放。
由于工业部门的用电量往往占据各国总发电量的相当大部分，所以不少国家政府对电机系统在工业部门中的用电情况颇为重视。美国能源部从1993年开始在工业部门中启动了“电动机挑战计划” [3]。预计通过该计划，可使整个工业部门电动机系统的效率提高14.8%，每年可节约电能850亿kW·h，并相应地每年可减少2000万t的碳排放到大气中，由此可见，在工业部门开展电动机系统的节能工作具有重要意义。
2各主要国家和地区电动机效率的发展概况
2.1美国的电动机能效标准
当20世纪70年代初第一次能源危机时，美国电动机制造商如GE公司、Reliance公司等首先推出了高效率电动机产品。为此美国电动机制造商协会（NEMA）根据市场实际产品的效率情况，经与用户组织、电力公司、政府部门等协商后，于1989年确定了第一个高效电动机效率标准，即NEMA12-9。到1990年，NEMA意识到了NEMA12-9尚不能满足多数电力公司和一些部门对效率的要求，对NEMA12-9进行了修订，提出了NEMA12-10新标准。考虑到了有一些使用场合可能需要更高效率的电动机，又推出了一个更高效率的电动机效率标准，称为“NEMA E”标准（NEMA12-11），其效率值平均要比高效率电动机再高2个百分点。图1表示了上世纪90年代初美国市场上开启式普通电机和高效率电机的效率情况和上述NEMA三个标准的对比。
为加快高效率电动机的推广应用，美国会在1992年通过了对“能源政策和节能法令”的修订，并正式成为法律文件。该法令规定在美国生产和进口的电动机必须达到高效率电动机的效率指标，即所谓的EPACT指令。该法令规定了5年的过渡期，即到1997年10月24日起开始正式生效实施。美能源政策法令（EPACT）所规定的电动机最低效率标准指标（见附表1），在所规定的功率和转速范围内，与NEMA的高效率电动机效率标准NEMA12-10的指标相同。其法令所规定的电动机范围为一般用途、NEMAT-机座尺寸、单速、底脚安装的三相笼型异步电动机，为NEMAA和B设计（即一般起动性能要求），连续定额，在230/460V和恒定60Hz的电源下运行的电动机，功率从1~200马力，极数为2极、4极和6级，封闭式电机和开启式电机。实施范围包括防爆电动机。
在表1中列出了1~200马力、4极电机的EPACT指标与当时8大电机制造商所提供的一般电机效率平均值的比较，这8大电机制造商为GE、US、Baldor、Lincon、Marathon、Magnetek、Reliance和Toshiba等公司。从该表数据可见，EPACT指标的效率较一般电机的平均值对应于不同功率升高了1~5.7个百分点，此11个规格效率平均提高了2.7个百分点，损耗分别下降了15%~33%，平均下降了24%[4]。
表1EPACT效率值和一般工业电动机效率平均值的比较
功率 （hp） |
1 |
2 |
3 |
5 |
7.5 |
10 |
25 |
50 |
75 |
100 |
200 |
平均值 |
EPACT效率(%) |
82.5 |
84.0 |
87.5 |
87.5 |
89.5 |
89.5 |
92.4 |
93.0 |
94.0 |
94.5 |
95.0 |
89.95 |
一般工业电动机效率值（%） |
76.8 |
81.1 |
81.4 |
83.9 |
84.7 |
86.4 |
87.7 |
91.5 |
92.1 |
91.9 |
94.0 |
87.25 |
损耗下降值(%) |
24.6 |
15.4 |
32.8 |
22.4 |
31.4 |
22.8 |
27.2 |
17.7 |
24.1 |
32.1 |
16.7 |
24.3 |
EPACT标准92年批准后，有5年的过度期。实际上各主要电机制造商于1995年左右已完成了一般效率电机向高效率电机生产的过渡，由于该标准已上升为法律，附有严历的处罚条款，97年生效后，美各制造商均已按此实施，广大用户也基本接受。
关于该标准实施后的节能效果，美国能源部于90年代末进行了评估，认为通过该标准的实施，到2010年后，可每年节电130亿kwh，相当于电动机总用电量的2.3%，并可相应地节约大量的电费和430万kw发电容量的投资。
如上文所述，美国在高效率电机标准NEMA12-10以后，曾制订一更高效率的电机标准，即所谓“E设计”NEMA12-11，但由于其起动电流偏大，未能得到较大的推广，本世纪初美国电力供应仍然紧张，美国市场上开始出现高于EPACT指标的超高效率电机，于是美国NEMA在2001年与以美国各州电力公司为主组成的能源效率联盟（CEE）联合制定了新的超高效率电机标准，称为NEMA Premium标准，该标准的起动性能要求与EPACT一致，该标准的效率指标基本上反映了目前美国市场上超高效率电机的平均水平。其功率范围为1~500hp，单速，2极、4极和6极，NEMA A设计，为连续定额的三相笼型异步电动机。美国NEMA标准MG1-2003中规定了NEMA Premium的效率指标NEMA12-12和NEMA12-13，其中前者对应于600V及以下的电动机（见附表2），后者对应于中压5kV及以下的电动机。在表2中列出了NEMA Premium与EPACT 4极封闭型电机的效率指标对比。从中可见，NEMA Premium较EPACT效率提高了1~3个百分点，该11个规格率平均提高了1.8个百分点，电动机的损耗各规格下降了14%~24%，损耗平均下降了18.8%。在图2中表示了美国近10年来高效率电机效率指标的进展[5]。
表2NEMAPremium与EPACT效率指标对照表
功率 （hp） |
1 |
2 |
3 |
5 |
7.5 |
10 |
25 |
50 |
75 |
100 |
200 |
平均值 |
NEMA Premium （%） |
85.5 |
86.5 |
89.5 |
89.5 |
91.7 |
91.7 |
93.6 |
94.5 |
95.4 |
95.4 |
96.2 |
91.27 |
EPACT （%） |
82.5 |
84.0 |
87.5 |
87.5 |
89.5 |
89.5 |
92.4 |
93.0 |
94.0 |
94.5 |
95.0 |
89.95 |
损耗下降值(%) |
17.1 |
15.6 |
16.0 |
16.0 |
21.0 |
21.0 |
14.7 |
21.4 |
23.3 |
16.4 |
24.0 |
18.8 |
关于节能潜力方面，美能源部曾作评估，如在EPACT实施的基础上，再实行超高效率能效标准，估计到2010年，可再每年节电68亿kWh，占电动机总用电量的1.2%。
2.2欧盟的电动机能效标准
自20世纪70年代起，欧洲一些电动机制造厂如德国Siemens、法国CEM等公司已开发和生产了一些高效率电动机，但一直没有得到较大的发展，1993年欧盟成立后，情况得到了明显的改观。欧盟组织对电动机的节能潜力、政策和市场作用等进行了调研，并于1999年制定了电动机能效标准（EU-CEMEP协议）；在电动机应用方面则组织开发了高效率电动机的数据库（Euro DEEM）[6、7、8]。
欧盟和“欧洲电机与电力电子制造商协会（CEMEP）”达成的EU-CEMEP协议对电动机的效率水平进行了分级和标识。该协议对每一规格电机规定了高、低两档效率指标，产品效率值低于低指标的称为eff3电机，介于低指标与高指标之间的称eff2电机，高于高指标的称eff1电机，图3为该协议4极电机的效率曲线，从图可见，低挡曲线相当于目前欧盟地区实际生产的电机的平均效率值，而高档曲线则是目前实际电机效率分布上限。eff1电动机的损耗较eff3的损耗下降40%，针对电机每年运行时间为6000小时以上的场合设计。eff2电动机的损耗较eff3的损耗下降20%，针对应用于每年运行时间为2000小时以上的场合设计。eff1较eff2效率按不同功率分别提高了1~5个百分点。在附表3中列出了EU-CEMEP协议的效率指标。CEMEP估计，在欧盟范围内如用Eff2电机替代现行的eff3电机，每年可节电60亿kWh，如电费以0.05欧元/kWh计，则每年可节约3亿欧元电费支出。一般把Eff3电机称为低效率（Low efficiency）电机，eff2电机称为改善效率（Improved efficiency）电机，Eff1电机称为高效率（High efficiency）电机。该协议还规定了制造商应在产品铭牌上和样本数据表上列出效率档次的标识，以及效率数值，以便于用户选用和识别。EU-CEMEP协议还规定制造商除列出额定负载时的效率数值外，还应列出3/4负载时的效率数值。
EU-CEMEP协议所覆盖的产品为全封闭扇冷型（IP54和IP55）三相交流笼型异步电动机，功率范围从1.1~90kw，极数为2极和4极，电压为400V、50Hz、S1工作制（即连续定额），标准设计（即其起动性能符合IEC60034—12中N设计的技术要求）。
EU—CEMEP协议由CEMEP成员单位自愿签约后执行，并欢迎非成员的制造商、进口商和零售商参加。目前共有包括德国西门子、瑞士ABB、英国Brook Cromton、法国Leroy-Somer等36家制造公司参加，覆盖了欧洲80%的产量，协议自1999年签订并实施以来，各签约电动机制造商均能按照协议要求，尽力减少eff3低效率电动机的生产，增加effl和eff2效率电动机的市场份额。各欧洲主要电动机制造商也均已投入相当力量开发和生产符合effl级别的高效率电动机系列产品。比如：德国SIEMENS公司开发了1LA9系列和1LG6系列产品。1LA9系列为铝壳电动机，功率范围为0.06~30kW，极数有2极、4极和6极；1LG6系列为铸铁机座电动机，功率范围为11~200kW，极数有2极、4极、6极和8极。防护型式均为IP55，效率均达到effl指标。英国Brook Crompton公司开发的WP Premium efficiency motors系列，功率范围为0.75~400kW，极数有2极、4极、6极和8极，效率符合eff1指标并符合英国政府所规定的最低效率指标。瑞士ABB公司开发的M2/M3系列电动机，功率范围0.25~710kW功率在11kW及以上的电动机的效率均符合eff1指标。
2.3加拿大、墨西哥和巴西的电动机能效标准
加拿大标准协会与加拿大电动机行业协会在1991年制定了一个推荐性的电动机最低能效标准，此标准的效率指标较稍后的美国EPACT指标略低。由于能源问题的重要性，1992年加拿大议会通过了能源效率法令（EEACT），其中包括了电动机的最低能效标准，并规定此标准在1997年开始正式生效。其电动机效率指标和美国的EPACT指标相同。由于此标准依据法令规定强制实施，所以高效率电动机在加拿大得到了迅速推广。加拿大渥太华电动机市场1988年高效率电动机的份额不到4%，1993年其份额已经超过了60%。
墨西哥和巴西也分别制定了电动机最低能效标准。墨西哥1997年制定的效率标准与美国早期的高效率电动机标准（即NEMA12-9标准）相同，到2002年在与美国签订自由贸易协定后，对该标准进行了修订，效率标准与美国EPACT相同。该标准从2003年3月开始生效执行。巴西的电动机最低能效标准仍保持与美国NEMA12-9相同，略低于美国EPACT效率指标。
2.4澳大利亚和新西兰的电动机能效标准
澳大利亚政府为节约能源和保护环境，自1999年起开始对家用电器和工业设备，实施强制能效标准计划（MandatoryenergyefficiencyperformanceStandards）或称MEPS计划，由澳大利亚政府下属温室气体办公室会同澳大利亚标准委员会进行管理。据统计澳大利亚电动机使用了澳全国用电量的30%，对应于11%的温度气体的排放。考虑到市场机制很难自发推进这类节能产品的应用，因此政府决定干预。
澳大利亚的电动机强制性标准于2001年10月批准生效，标准号为AS/NZS1359.5[9]。新西兰也执行此标准。该标准功率范围为0.73~185kW，具有2、4、6、8极。需要在澳洲和新西兰生产和进口的电机均需达到或超过此标准所规定的最低效率指标。该标准可用两种试验方法进行试验，因此规定了两套指标，一套为方法A（AS/NZS 1359.102.3）的指标，对应于美国IEEE112—B方法；另一套为方法B（AS/NZS 1359.102.1）的指标，对应于IEC34-2，其指标数值与欧盟EU—CEMEP的eff2基本相同。该标准除了规定了强制性的最低标准外，还规定了高效率电机指标，为推荐性标准，并鼓励用户采用。其数值与欧盟EU-CEMEP的eff1及美国的EPACT相近。该标准效率值见附表5。
近年，根据环境保护政策，澳大利亚对2001年开始实施的电动机MEPS计划进行了审议。在对国际上实施的电动机最低能效标准的状况进行了分析后认为，美国和加拿大等北美国家采取强制性措施，推行最低能效标准，取得较好效果。而欧盟采取的自愿性能效标准，高效率电机推行速度慢，这是由于这一类节能产品的市场机制存在较大的缺陷，无力通过市场来完成从一般效率电机到高效率电机的转变。认为澳大利亚从2001年开始实施的电动机强制性措施是正确的，但当时所定的效率水平应予提高。考察国际上不同地区情况，美国和加拿大采用强制性标准，效率也较高，但美国和加拿大是60Hz，澳大利亚、新西兰是50Hz，而且澳大利亚、新西兰相当一部分贸易伙伴是50Hz的国家和地区，这些国家大多采用IEC和欧盟的标准，并且EU—CEMEP effl指标与美国的EPACT指标属同一水平，所以，确定以EU-CEMEP effl为基础作为下阶段的强制性电动机能效标准。实施时间定为2006年开始，以便使制造商、进口商和用户有一个准备时期 [10]。
2.5中国的电动机能效标准
中国于1998年颁发了“节约能源法”，并从20世纪90年代后期开始，对若干重要用能产品规定了最低能效限值，鼓励节能产品的生产和应用，实施了节能产品的认证制度。电动机作为重要的用能产品也于本世纪列入了上述的节能认证计划。2002年1月正式颁发了“中小型的三相异步电动机能效限定值和节能评价值（GB18613-2002）”标准[13]。该标准规定了两套电动机效率指标，一为最低效率限值，为强制性指标；另一为节能效率评价值，为推荐性指标。前者为目前所产生的电动机的平均效率水平，后者比前者提高2~3个百分点，为节能电动机的效率水平。该标准的目的是通过最低效率限值的实施，淘汰目前冲击市场正常秩序的劣质耗能产品，逐步实现市场从一般效率电动机向最效率电动机的过渡，由于中国目前的电动机基本技术要求符合IEC标准，因此中国的电动能效标准以欧盟EU-CEMEP的eff2指标作为最低效率限值，以欧盟EU-CEMEP的eff1指标作为节能评价值。该标准效率指标见附表4。
目前中国中小型电动机约有300多个系列，近1500个品种，随着中国经济的持续发展，近年来交流电动机的产量增长较快，尤其是2003年产量达到8920万kW，比2002年增长了26.2%。目前国内生产的主要是Y系列三相异步电动机，年产量占电动机总产量的3/4。该系列产品是20世纪80年代初期开发的国内第一个符合IEC标准的系列产品，其功率范围为0.55~250kW，机座号范围为80~315在Y系列电动机的基础上，还开发了绕线转子型电动机，变极多速电动机、电动制动电动机等18个低生系列产品。90年代，为了进一步提高中国低压三相相步电动机在国际市场上的竞争能力，更好地满足国内外用户的需要，又组织开发完成了Y2系列三相异步电动机。该系列产品功率范围为0.12~315kW，机座号范围为63~355，形成了一个完整的低压三相异步电动机系列。本世纪初，为响应国家保护环境，淘汰热轧硅钢片，推广采用冷轧硅钢片的相关政策。根据冷轧硅钢片的特点，完成了采用冷轧硅钢片的Y3新系列三相相步电动机的开发，该系列产品的效率指标符合2002年1月颁发的“中小型三相异步电动机能效限定值和节能评价值（GB18613—2002）”标准中的能效限定值。应该指出的是，这三个系列产品均为一般效率电动机。对于高效率电动机，目前国内生产的产品主要用于出口。随着中国经济的不断发展，能源供应日趋紧张，因此目前中国正在对上述电动机能效标准进行修订，拟在若干年后将能效限定值的指标提高到高效率电机的指标，以使能较多地节约电能。
3不同国家电动机效率标准及其执行方式的比较
综上所述，电动机系统具有巨大的节能潜力，电动机能效标准已引起不少国家的重视，现已制订电动机能效标准的国家和地区有美国、欧盟、中国、加拿大、墨西哥、巴西、澳大利亚、新西兰和波兰等，标准的执行方式除欧盟为自愿协议执行外，其他均为强制执行，目前正在制订电动机能效标准的还有印度、泰国和马来西亚等。在现行电动机能效标准中较有代表的是美国EPACT标准，欧盟EU-CEMEP协议标准和澳大利亚AS/NZS 1359.5-2000标准。美国EPACT标准为北美所采用；欧盟EU-CEMEP协议为欧盟25国所执行，并对欧洲其他国家和非美州地区发生较大影响；澳大利亚标准则在吸取EPACT标准和EU-CEMEP协议经验的基础上，结合本国的国情，有其特点。兹将这三个标准与中国电动机能效标准特点列于表3中，以作比较。
表3美国EPACT、欧盟EU-CEMEP、澳大利亚AS/NZS1359.5—2000
和中国GB18613-2002标准执行方式和实施范围等特点的比较
电动机能效标准 |
美国EPACT |
欧盟EU-CEMEP |
澳大利亚 AS/NZS1359.5-2000 |
中国 GB 18613-2002 |
执行方式 |
通过立法，强制实施 |
行业协议，自愿实施 |
通过立法，强制实施 |
强制性标准 |
频率（Hz） |
60 |
50 |
50 |
50 |
机械尺寸 |
英制 |
公制 |
公制 |
公制 |
功率范围 |
1~200hp |
1.1~90kW |
0.73~＜185kW |
0.55~315kW |
同步转速(转/分) |
3600/1800/1200 |
3000/1500 |
3000/1500/1000/750 |
3000/1500/1000 |
机座中心高 |
143T~449T(90~280mm) |
80~280mm |
80~315mm |
80~355mm |
功率等级与安装尺寸的对应关系 |
NEMA—T系列 |
IEC72-1，DIN42673 |
IEC72-1，DIN42673 |
IEC72-1，DIN42673 |
起动性能 |
A或B设计 |
N设计 |
N设计 |
N设计 |
试验方式 |
IEEE112-B |
IEC60034-2 |
IEEE112-B和IEC60034-2 |
IEC60034-2 |
型式 |
无放型、封闭扇冷型 |
封闭扇冷型 |
封闭扇冷型 |
封闭扇冷型 |
效率指标 |
一档 |
分3级 |
分高低两档* |
分高低两档 |
*注：低档为强制执行标准，高档为自愿执行标准。 |
||||
现将这几个标准的主要特点分析比较如下：
A、在标准执行方式上，美国和澳大利亚均将电动机能效标准作为最低限值强制执行，低于限值的产品不准在本国生产，也不能进口，而欧盟则是自愿协议，行业约定到2003年降低低效率的eff3电机比1999年产量下降50%，同时鼓励制造商生产eff2和eff1级别的电机。由于前者为强制执行，高效率电机的推广必然会较快。
B、在电动机与外部的接合上，即电源频率和电动机的功率与安装尺寸关系方面，美国标准为60Hz，功率与安装尺寸关系对应于英制尺寸的NEMA-T系列；而欧盟和澳大利亚标准为50Hz，功率与安装尺寸关系为对应公制尺寸的DI N42673标准，与美国的对应关系有较大不同，即相同功率的电机与美国标准的电机在传动系统中不能互换。由于国际贸易的需要，采用60Hz和英制尺寸的国家就会较多考虑采用美国EPACT 标准，如加拿大、墨西哥等北美国家；而采用50Hz和公制尺寸的国家就会较多采用欧盟标准和IEC标准，如大多数的亚洲、大洋州以及欧洲非欧盟的其他国家。
C、在标准覆盖的电机功率和速转范围上，中国和澳大利亚标准覆盖面相对较大。
D、在能效标准的效率指标上，澳大利亚现行强制性标准基本上与欧盟eff2相同；澳大利亚现高效率电机指标，也即拟在2006年转入强制性最低限值的指标，基本与欧盟eff1相同。由于电动机已是国际贸易中的一项重要产品，因此在50Hz和公制尺寸的国家或地区，纷纷将欧盟EU-CEMEP eff1指标作为本国高效率电机限值的参照依据。而60Hz和英制尺寸国家则纷纷将美国EPACT指标作为本国高效率电机限值的参照依据。
由于欧盟EU-CEMEP协议标准和美国EPACT标准所采用的试验方法不同，因此这两标准的效率标准指标值不能直接相比较。所用试验方法的差别，关键是对电动机中负载杂散损耗的确定方法不同，欧盟所采用的IEC60034-2规定负载杂散损耗为输入功率的0.5%计算，美国EPACT则按IEEE112-B方法规定杂耗用输入输出法测定，为此二者效率指标需经一定的计算后才能比较。近年在国际开发署的支持下，欧美电机工作者进行了较大规模样本的统计分析，对高效率电机为主的781台不同规格电机进行试验，测得负载杂耗的平均值为输入功率的1.3%[11]，为此将欧盟eff 1的效率指标，通过把杂耗按IEC60034-2规定的0.5%输入功率改成1.3%输入功率进行折算，从而使比较接近实际。在表4中给出经过折算后的欧盟EU-CEMEP eff1标准和美国EPACT标准的效率平均值。
表4欧盟EU-CEMEP eff1与美国EPACT效率指标平均值比较
标准 |
欧盟EU-CEMEP eff1 |
美国EPACT |
效率（%） |
90.05 |
90.30 |
从表4数据可见，EU-CEMEP eff1指标与美国EPACT指标平均值仅相差0.25个百分点，因此可以认为欧盟EU-CEMEP effl标准与美国EPACT标准的效率水平基本相当。
根据上述分析可以看出，目前在国际上高效率电动机相对于50Hz电机和60Hz电机已各自形成了两个标准，一是以欧盟EU-CEMEP effl为代表，一是以美国EPACT为代表，这两个标准的效率水平基本相当。在执行方法中存在着强制执行和自愿执行两种，前者以美国为代表，后者以欧盟为代表。
4结束语
综上所述，电动机的能效标准已引起了不少国家和地区的重视，纷纷将该标准的实施作为电动机系统节能工作中一个重要环节。由于电动机又是国际贸易中的大宗商品，随着贸易全球化的发展，电动机能效标准有向着地区性或国际性标准发展的趋势。因此密切关注各主要国家和地区电动机能效标准的变化和发展，对于电机制造业发展高效率电机乃至超高效率电机具有重要的参考意义。另外由于能源供应的持续紧张，开发制造出具有更高效率的电动机是放在电机制造业面前一个光荣而艰巨的任务。相信通过各国电机制造业的不断努力，电动机的效率将会达到一个新的更高的水平。
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