能源效率：对现有电机效率标准的不断超越
本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2017年4月刊，原标题为：能源效率：对现有电机效率标准的不断超越
电机效率法规获得了越来越多的重视，更新的节能标准也在不断完善和定制中，对更高效率的追求永无止境。新制定和修订中的法规将对自动化行业产生深远的影响。
自从1975年节能政策法（EPCA）颁布以来，美国能源部一直致力于为消费领域、商业领域、工业产品和设备制定节能标准。不断更新的能源效率标准影响了90%的家庭能源利用，60%的商业能源利用和30%的工业能源利用。
该标准涵盖家电和设备，如加热器、空调、冰箱、炉灶、洗衣机、烘干机、灯，以及工业设备，如电动机、泵、和压缩机。美国的电机驱动系统法规，不断进行着升级，以便能够提高整体效率而不是单个电机效率，这可以在联邦政府规定的“节能法规10 第431部分-特定商业和工业设备的能源效率计划”中找到相应的条款。
图1：企业在生产和购买高效电机时要注意，现在需要满足新电机效率标准的要求。图片来源：Automation Direct
现在，运动控制和驱动系统领域的法规，已经处于电机效率改进的前沿。本文表中所罗列的内容是美国能源部能源法规所涉及的一些项目，这些内容会受到新能效标准的影响。
新规则的制定过程
新的电机效率和电机驱动系统规则的制定过程已经完成，并于2016年6月1日生效。在修改或创建一个新标准时，美国能源部必须考虑几件事，包括经济影响、运营成本节约、预期的能源节约、性能影响、竞争、能源节约和其它因素。
美国设备节能标准涉及的内容
根据节能政策法，当美国能源部建立或修订法规时，需要遵循规则制定过程的四个阶段。每个阶段开始时，都需要发通知，并提供支持文档和注释，每个阶段（除了最后一个）都会给出一定的时间来征求意见。
完成规则制定过程的四个阶段，大概需要3年的时间，在此期间，美国能源部鼓励有关各方参与。1、从框架阶段开始，这一阶段需要搜集信息和测试程序，来评估能源消耗；2、第二阶段是对技术和标准的经济性进行初步分析；3、第三阶段是规则制定和创建的通知以及规则推荐；4、第四阶段则是发布规则。在不同的阶段，对系统的效率要求是不同的。
电机能源效率
美国能源部的最新法规要求电机制造商遵守效率目标。修改后的电机效率标准重新定义电机并按照10 CFR 第431部分附录B，对电机类型重新进行了分级，并于2014年5月定稿。其生效日期是2016年6月1日。这些新规则涵盖了从1到 200马力电机的能效要求。
修订后的标准，要求大部分1至500马力的单速异步电动机，符合国家电气制造商协会（NEMA）最高的能效水平。虽然最高能效标准并没有改变太多，但是新标准弥补了不足，并将适用范围扩大覆盖到一系列以前没有涵盖的电机。还有一些电机尚未受此修订标准的影响。
图2：Automation Direct公司的Durapulse变频器装置，能够提高电机驱动系统的效率。
修订后的标准只影响直接启动电动机的设计。由于技术原因，变频电机（inverter quality motors）目前被排除在外。新增的一些电机包括分段电动机（齿轮电动机）、全封闭无通风（TENV）电机、侵入式电机、和U型电动机。修订后的标准，通过为具有非标基准或安装地脚的电机、具有非标底盘和法兰的电机、具有特殊轴承的电机以及无脚电机提出更高的效率水平，来帮助消除薄弱环节。
让电机适应新规则
目前许多电机还没有被覆盖到，因此未来的能效标准会继续扩大，很可能覆盖那些未被涵盖的电机，包括伺服电机、交流同步电机、中压电机、直流电动机、单相封闭电机。
新规则对原始设备制造商和最终用户的应用与形式、匹配和功能有影响。为了符合效率要求，一些电机将变得更大（通常更长），以便保持NEMA额定值。有些可能必须使用比以前所使用的电机更大的NEMA规格。由于增加了铜和钢铁的使用，很多电机的重量会增加。
许多具有较高效率的电机具有较少的转速偏移，也就意味着具有更高的基础速度。这可能需要对配置电机的一些机器重新设计或做适当的调整。以前为其它用途设计的一些电机，现在可能需要重新做一些调整。有些电机具有更高的浪涌电流，需要进行设计变更。
对于采购成本较高的生产制造商来讲，高效电机占到它们生产成本的20%以上。较高的成本往往是因为所用的叠片需要更多的铜和高档钢材。美国政府推动这些效率规则的实施，美国的制造商们也响应迅速，而其它国家的一些制造商在获取达标规格的钢材上可能有一定的困难。
实现能源和成本的节省
美国能源部表示，最低效率标准所制定的法律为美国的消费者节省了630亿美元的水电费，减少了26亿吨的二氧化碳排放量。要统计出更精确的节约费用，需要对应用做深入的研究，包括对电机类型、效率、运行时间、负载范围、能源成本和其它因素进行分析。不过可以肯定的是，由于效率较高的电机在生命周期内可以节省更多的费用，因此无论是更换电机还是电机上的新设备，其投资回报期可能只有短短的数年。