2019 全球馬達節能推動現況與趨勢

前言

根據Rita Werle在2018年馬達峰會引用IEA 2016年出版的全能源概覽，全球有53%電力用於馬達設備，相較於2011年已提升了7%，這些馬達設備主要用於泵浦、風機、壓縮機、運輸和製程。

在2017年全球馬達節能推動現況與趨勢[1]概要介紹了IEC60034主要的幾個標準，本文進一步將所有的標準概要內容，更新說明如附表，對詳細內容有需求者可洽IEC購買。其中，近期最新的有2019年IEC 60034-23(針對維修)、2018年的IEC 60034-27-4(繞阻絕緣)與IEC 60034-4-1(電勵磁同步電機試驗)。以下將為各位介紹標準內容。   CEMEP(European Committee of Manufacturers of Electrical Machines and Power Electronics，歐盟電機與電子製造商委員會)。

根據市場調查機構IHS Markit的Preston Reine統計[2]，2017年全球低壓馬達總量約4千1百萬顆，最大的市場亞洲佔了46%(較2015年降低2%)，其次為EMEA(歐洲、中東與非洲)，佔35%(較2015年增加11%)，美洲則是19%(較2015年降低9%)，最大的應用泵浦超過2千5百萬顆，其次是風機將近1千5百萬顆，壓縮機則是超過5百萬顆。2017至2022年，預期亞洲將會有4.2%的成長、美洲會有1.7%的成長、EMEA則是會有1.5%的成長，總體市場會有3%的年成長率。

2019年6月19日Pumps &Systems發布了從Fact.MR取得的採礦泵銷售市場統計與預測短訊，2018年銷售量為350萬台，其中，小於500gpm的採礦泵達到240萬台以上，進一步從全球採礦業從低點復甦的情況來看，預計採礦泵市場將從2018年到2028年以約2.9%的複合年增長率增長。在Fact.MR公開資料中提到，一級與二級的廠商佔了市場60~70%，其中前6大廠商就佔了40~48%，2006到2015年，美國採礦業增加了75.9%。

在IEA 4E計畫進展方面[3]，新公布的2018年年報中，關於馬達系統部分的章節內容中提到了全球電力消耗有53%用於馬達系統，節能潛力有20~30%，有必要持續關注推動。在重要時程內容中，2018年4月，中國大陸加入了IEA 4E，5月同期發布年報，同時完成馬達驅動系統政策指引第二部分，6月完成馬達驅動系統能源審計指引報告，11月舉辦馬達高峰會。此外，與IEC訂定了IEC61800-9-2的草案、完成了轉換器循環賽(Round Robin for Converters)第一階段、與歐盟、美國與中國大陸推動泵浦、風機與空壓機效率標準與管制、在IEC ACEEE合作推動IEC與ISO效率分級與測試標準、推動歐盟Lot 30、與IHS合作建立馬達與驅動器市場模型。其中，在2019年1月25日發表的泵浦、風機與壓縮機的政策指引。前述提到全球有35%的電力用在泵浦、風機與壓縮機，相當於中國大陸、印度與日本用電的總和，據IEA的預估，2040年可能用電量會翻倍。政策指引中對於政策制定的建議中提到，這三種設備將逐步被歐美中等國採取強制規範措施，為了有效推動節能，包含：必須購用節能的三種設備、將市場銷售納入管理、最佳化產品生命週期、讓消費端買到需要的產品與擴大推廣到應用這三類設備的產品等5項措施。

IEC與ISO能因應全球推動需求訂定遵循的標準，進一步由各國所共同採納，為此，必須各國在測試方法、應用場域規範、效率量測能力、產品上市基本門檻與製造商訊息的公開與揭露等各方面，都能夠一致。在這份指引中，以2017年為止的法規、歐美中為例，泵浦法規在歐盟與中國大陸已生效，美國則是在2020年納入馬達驅動設備管制。風機管制上，中國大陸已納管，歐盟則是納入馬達驅動設備管理、美國則是納入發展中驅動設備管理草案。

壓縮機管制上，中國大陸已納管，美國已擬好草案，歐盟持續發展中。最後這份指引提出了政策同步的效益，包含了因而比現階段不劃一的政策步伐有更大的節能空間，製造商降低了產品測試與適應不同法規的成本，因而惠及購買者。各國能夠更快速評估彼此間的推動成本並進行分析比較，同時能夠在同樣的基礎下直接推動各樣的合作方案，影響所及可能達到全球馬達驅動系統的27~53%，對於全球市場影響深遠。

IEA在2018年6月發布了一則關於轉換器(converter)的短訊，提到在所屬工作小組，經過10年的馬達測試標準與效率分級經驗，隨著馬達效率的提升，轉換器應用變得越來越重要，其中全負載與部分負載的消耗變成很重要的課題。在IEC61800中，IEC61800-9-2第一版就有模擬與測試轉換器的耗損與分級，涵蓋了0.12到1MW之間。在第2版修訂時，EMSA(Electric Motor Systems Annex，電動馬達附屬組織)與IEC共同推動所屬成員投入轉換器的國際循環賽(round robin)，或稱之為輪流諮詢測試程序，簡稱RR'C。

第一階段在2017年11月至2019年2月，會討論UTP，就是統一測試協議的定義。第二階段是2019年3月至2020年10月，擴大涵蓋到更多的實驗室。在第一階段中會完成可使用的電機測試並送至下一個實驗室進行，等到所有的實驗室都輪過一波後，整個測試工作就告一段落完成，所以稱之為循環賽。截至2018年5月公開的測試，有8個轉換器、17種不同電機產品在4個獨立實驗室完成了26次測試。

2.各國推動現況與未來發展方向

美國能源部[4]轄下、能源效率與再生能源的先進製造辦公室、出版的工業資源系列手冊中，有一本介紹改善馬達與驅動系統性能的手冊。本手冊主要分為：馬達與驅動系統基礎、性能機會藍圖、馬達系統經濟與尋找協助資源。第一部分：馬達與驅動系統基礎中，提到各類馬達設備佔了美國54%的用電，然而卻有很多設備在沒有效率與高成本的運轉中。因此使用系統性的方法、找出這些點來，這需要工程師使用符合效率與系統需求，特別是避免過度設計的狀況，同時也要因應動態需求及時進行調整，例如：泵浦是否運作在最佳效率點和風機的流場是否符合所需、運作在不合適的狀態下是否造成使用成本提高、是否容易故障、系統性能是否低落…等現象。馬達選擇也要因應設備與使用情境合理的選擇，像是馬達類型有交流直流、單相、三相、感應、同步、永磁...等等，不同負載的使用狀況，電壓、轉速、轉矩的需求，適配到設備上的轉換效率。

手冊第二部分的性能機會藍圖，在這部分列出7個機會，第1個機會就是評估馬達驅動系統運作狀況，手冊提出從上到下，也就是公司、整廠、馬達大小與運轉時數、資料分析圖、紀錄。第2個機會就是建立馬達管理系統，列出各個馬達在保養或故障時，要採取維修或更換的措施。更換時採用更高效率與合適大小的馬達。第3個機會是提供基礎的維護，這裡手冊舉了NEMA MG 1-2011馬達與發電機的建議內容，包含使用溫度需界於0~40度C、不能與設備互相干擾，包含震動與電磁波、運作在額定電壓10%範圍內、使用高度在3300英尺以下、頻率變動在5%以內、不平衡電壓在1%以下...等等。另外還有每週、每季、每半年與每年的維護。第4個機會是選擇正確的馬達，如手冊第一部分所提到馬達的類型、馬力大小、轉速、負載、效率與損失等。第5個機會是使用變頻驅動設備，像是油壓、材料處理、各式馬達有變動轉速需求的場合。當然手冊也有提到，若是屬於全載的需求，變頻反而可能會耗能。第6個機會是評估廠內電力配置與品質，包含過電壓與低電壓、線路老舊、相位不平衡、功因、電磁干擾。第7個是應用政府、專案等資源進行性能評估，這在包含美國在內許多國家地區都有共同或個別的資源提供。