马达用电系统节约能源探讨.doc

馬達用電系統節約能源探討張嘉諳，林哲宇，陳斌魁 教授大同大學 電機工程學系一、 研究動機日益增加的能源需求以及全球石化燃料逐漸耗竭，造成能源價格居高不下。高能源價格將造成生產成本上升、獲利減少，導致國內物價或是經濟成長產生波動。面臨高電價之時代，節約能源及提高能源利用效率兩項工作是降低成本的主要關鍵之一。若節約用電執行得宜，不但可減少CO2之排放量，亦可節省電費。根據台電統計，2001年到2005年間，國內電力使用量由948億度成長至1,176億度。其中製造業用電量歷年均維持在七成的比重，製造業用電中大約有七成的電力是耗用在電動機動力系統。意即馬達動力系統每年耗用了五成的國內用電量。因此提高馬達動力系統能源效率是節約能源的有效方式。目前國內提高馬達用電效率的研究，以工研院能資所彙編的節約能源技術手冊為主，唯皆以個別方法去改進馬達用電的效率，並未給予系統化的方式，使能迅速判斷馬達用電系統是否最佳化。馬達使用者若是可藉由系統化方法檢討馬達用電系統，將能增加系統的可靠度與效率，降低運轉用電成本，並可作為效率差之老舊馬達是否更換為高效率馬達之參考。二、 研究方向實現理想的電力節能，需全方位的考慮，可藉由與同類型商品之單位設備用電量比較分析，再予以檢討，找出改善對策，其改善檢討方向可分為：電力管理方面、作業過程、員工意識、品質管理、規劃設計等，各方面之說明如下：1. 電力管理方面：1.1 電力設備（照明、馬達、空調等）及配線容量是否適當(是否over size)。1.2 電壓展幅（Voltage spread），尖、離峰用電電壓變動是否過大。1.3 功率因素( P.F.)適當否。1.4 負載率是否適當。1.5 電力設備、計量設備故障率是否異常。1.6 設備汰舊換新，高效率省能設備之引入。2. 作業過程2.1 省能源化、省力化之檢討(尖、離峰彈性運轉，機組調度)2.2 佈置、生產瓶頸之檢討2.3 作業過程簡化之檢討2.4 維護管理及環境改善2.5 負載管理3. 員工意識3.1 電力節約意識之提高3.2 成本意識之提高3.3 生產改善提案獎勵制度建立3.4 零缺點、品管週之制度4. 品質管理4.1 不良率減少4.2 產品品質檢討4.3 產能調適檢討，防止生產過剩5. 規劃設計應整體性規劃，並考量未來擴充及日後操作彈性。因國內約五成用電量為馬達動力系統所消耗，且按先進國家之經驗，馬達用電系統最有電力節能空間，本研究即以系統化方式，去補充現有工研院能資所彙編的節能技術手冊上有關馬達用電節能部份，期望藉由一系統化步驟分析、檢查，即能了解電力供應及馬達使用方面是否最適合。關於馬達部份需注意事項如下：1. 負載率(loading)介於80%100%較適當，不宜低於50%，宜選用適當容量的電動機。2. 採用高效率電動機(良質鐵心)。3. 防止空載：運轉過程是否具有間歇性，可考慮用時間電驛控制開關(15分鐘開，5分鐘關，如集塵馬達、抽水泵、加水位控制器)。4. 考慮傳動裝置效率：皮帶輪傳動、鏈條傳動、齒輪傳動、直接連結各有不同效率。5. 了解製程特性，採變頻馬達或採效率高的變速方式：極數變換、二次電阻、電磁耦合。6. 功率因數(power factor)介於0.90.95。針對馬達動力系統做節能改善，須先了解馬達負載率與效率、功率因數間的關係，及服務係數對於高效率馬達電流之影響。三、 馬達負載率與效率、功率因數之關係馬達最高效率點常設計在百分之七十五到百分之百額定負載左右，因此一般馬達都會驅動在百分之五十到百分之百的額定負載之間。如圖1表示不同大小馬達負載率與滿載效率關係，可觀察到以下現象：1. 當馬達在未達額定負載的一半時(50以下)運轉，效率明顯下降。2. 馬達效率範圍隨著其規格不同而變化，馬達最佳效率的操作區域隨著馬達容量的增加，逐漸變得更寬。3. 在負載率偏低的狀況下，效率的表現會比較不好。4. 過低的負載率也會造成功率因數的低落（圖2），進而造成線路損失增加。當馬達負載率低於50時，宜檢查馬達容量是否適當，或適時的調整馬達操作，以防止其在效率較低的情況下運轉，造成額外的能源耗損。馬達在過負載狀況下運轉時，馬達容易過熱、效率降低並且會縮短馬達壽命。圖1馬達負載率與滿載效率關係圖2電動機功率因數與滿載電流之關係 購買馬達時，馬達製造商會將馬達出廠前之測試報告提供給買主，使用者可利用測試報告中馬達特性資料，利用曲線迴歸法(curve fitting)以及負載率與馬達效率之關係曲線，可得到馬達效率、功率因數與負載率之特性關係，再利用量測之電壓及電流值，可相對應到不同馬達負載率之效率、功率因數值。四、 服務係數與高效率馬達之關係美國馬達製造廠家，習慣上有所謂額定輸出功率及服務係數(SERVICE FACTOR)，如銘板上額定輸出功率為100HP的馬達，其服務係數若為1.15，意指在滿載運轉時馬達出力可短時連續運轉至115HP，且不超過美國NEMA標準中容許該絕緣等級下的溫升。國內製造的馬達服務係數通常都訂在1，亦即馬達最大出力為其銘牌額定。國內產業界現有馬達，同時存在此兩種規格(服務係數為1和服務係數為1.15)，不同服務係數規格的馬達將會對輸出功率大小及輸出電流產生差距。服務係數為1.15的馬達其最大電流較服務係數為1的馬達還大，因此當服務係數為1.15的高效率馬達啟動時，其啟動電流較易造成壓降問題。選用服務係數大於1的高效率馬達時，需注意電動機所造成的電壓降及對系統上各個電力設備所造成的影響。五、 馬達節能評估公式高效率電動機以額定頻率及電壓運轉進行滿載特性試驗，使達到額定輸出（），測量其轉矩、轉速、輸入功率（）、電壓以及電流，即可評估耗能程度。以一般標準效率馬達（CNS293標準）以及高效率馬達（CNS14400標準）為例，計算如下：1. 以CNS14400高效率馬達標準中200KW-4P-3-220V-60Hz-F class全閉型馬達為例，其 、， 、 。2. CNS2934一般用途低壓三相鼠籠型感應電動機中 200KW-4P-3-220V-60Hz-F class全閉型，其 、，則 3. 由1.、2.可知，可節約能源。亦即高效率感應電動機由於其損失減少，其效率有效的提高，達到節約能源之目的。傳統上，計算高效率馬達之成本效益是以滿載效率為依據，但馬達運轉並非固定在滿載工作點，尚需考慮到負載率對馬達效率的影響，因此高效率馬達與標準馬達其間的能源節省，可由下列馬達節能評估公式(1)計算，且、可使用曲線迴歸法並搭配馬達特性與負載率關係圖，找出效與負載（L）的關係方程式。此公式較符合產業界實際情況，因馬達負載率常隨製程變動，而跟著不同，欲評估實際節能，此點應予考慮。 (1)=節省之電能（kW）=馬達輸出馬力（HP）=一般馬達負載率時之效率（%）=高效率馬達負載率時之效率（%）=馬達之負載率（%）六、 成本回收時間由(1)式可推導出高效率馬達能夠節省下的功率，但此式忽略與經常契約（demand charge）及時間電價（energy charge）的關係，若由(2)、(3)式計算出所能節省的電能成本（total saving），配合(4)式，可迅速地大略估計出裝置更高效率電動機之成本回收時間。 (2) = 馬達之每年運轉時數 (3) (4)雖然簡易回收法(4式)相當簡易且快速，但此式忽略了投資成本以及通貨膨脹率對電價成本的影響，為了改善此缺點，可利用現值的生命週期分析（Present Worth Life Cycle Analysis），得知投資新馬達是否恰當，分析方式如下：1. 獲取所需數值：內部報酬率（r1，internal rate of return）、電能成本的通貨膨脹率（r2，inflation rate of energy cost）以及電動機被期望的工作壽命（n）2. 決定有效利率（i） : effective interest rate : required internal rate of return : inflation rate of energy cost3. 計算更換高效率電動機所能節省之電能成本(參考式子3)4. 計算出電動機所回收電能成本之現值 n : operating lifetime of motor5. 以此現值計算出回收時間七、 結論馬達每年電費大約是購置費用的九到十一倍左右，並且工業用感應馬達壽命長達二十年以上，馬達的總耗電成本為馬達價格的數百倍。一般廠家在決定更換高效率馬達是否具經濟效益時，會以成本回收時間作為關鍵考量，若能在兩至三年內回收，產業界皆會更換新馬達。傳統上，計算高效率馬達之成本效益是以滿載效率為計算依據，但馬達並非固定在滿載工作點，需考慮馬達負載率，才能較精確計算高效率馬達的成本效益，再利用高效率馬達節省電能、經常契約及時間電價之間的關係，可大略估計出成本回收時間，並將馬達不同負載率運轉之工作時數及對應之電價也考慮進去，才能更精確評估所節省的電能成本，亦能藉此評估老舊馬達是否應更新或重新繞線。高效率馬達其效率較一般馬達效率佳，但是其啟動電流也較大，易造成功率因數較低或線路壓降較大(尤其在服務係數大於1的情況)，於啟動時可能因電壓驟降造成其它負載停俥，瞭解服務係數與電流之間的關係，才能選用合適的電動機，以減緩壓降對系統上各個電力設備所造成的影響。八、 作者簡介張嘉諳大同大學 電機工程研究所博士生E-MAIL：.tw林哲宇大同大學 電機工程研究所碩士生E-MAIL：.tw陳斌魁大同大學 電機工程學系教授E-MAIL：bkchenttu.ed