IEC 61800-9-22023 可调速电力驱动系统（PDS）.第9-2部分电机系统的生态设计.能效测定和分类标准立项发展报告

可调速电力驱动系统第9-2部分：电机系统的生态设计能效测定和分类标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Adjustablespeedelectricalpowerdrivesystems(PDS)-Part9-2:Ecodesignformotorsystems-Energyefficiencydeterminationandclassification摘要随着全球能源危机与气候变化问题日益严峻，电机系统的能效提升已成为工业领域节能减排的关键路径。电机系统作为工业领域最主要的电力消耗载体，其用电量占全球工业用电总量的60%以上，具有巨大的节能潜力。IEC61800-9-2:2023《可调速电力驱动系统（PDS）第9-2部分：电机系统的生态设计能效测定和分类》是国际电工委员会（IEC）发布的一项重要国际标准，它系统构建了涵盖完整驱动模块（CDM）和电机系统（motorsystem）两个层级的能效测定框架与分类体系。该标准在继承IEC61800-9-1能效定义的基础上，引入参考驱动模块、参考电机系统等概念性基准模型，通过标准化的损耗测定程序和能效指数（IE/IES）分类方法，实现了对不同制造商、不同技术路线驱动系统产品能效水平的可比较、可量化评估。本报告系统梳理了该标准的项目背景、技术框架、核心创新及其与相关国际标准的协调关系，分析了标准对全球电机系统能效提升的推动作用，并重点介绍了主要起草单位在标准制定过程中的技术贡献，以期为我国电机系统能效标准的制修订和相关产业的技术升级提供有益参考。关键词：可调速电力驱动系统；生态设计；能效测定；能效分类；国际电工委员会；电机系统AbstractWiththegrowingglobalenergycrisisandclimatechangechallenges,improvingtheenergyefficiencyofmotorsystemshasbecomeakeypathwayforenergyconservationandemissionreductionintheindustrialsector.Astheprimaryelectricityconsumerinindustry,motorsystemsaccountformorethan60%ofglobalindustrialelectricityconsumption,presentingenormousenergy-savingpotential.IEC61800-9-2:2023,*Adjustablespeedelectricalpowerdrivesystems(PDS)–Part9-2:Ecodesignformotorsystems–Energyefficiencydeterminationandclassification*,isasignificantinternationalstandardpublishedbytheInternationalElectrotechnicalCommission(IEC).Itsystematicallyestablishesanenergyefficiencydeterminationframeworkandclassificationsystemcoveringtwolevels:theCompleteDriveModule(CDM)andthemotorsystem.BuildingupontheenergyefficiencydefinitionsofIEC61800-9-1,thisstandardintroducesconceptualreferencemodelssuchastheReferenceDriveModuleandReferenceMotorSystem,enablingcomparableandquantifiableassessmentofenergyefficiencyacrossproductsfromdifferentmanufacturersandtechnologyroutesthroughstandardizedlossdeterminationproceduresandenergyefficiencyindices(IE/IES).Thisreportsystematicallyreviewstheprojectbackground,technicalframework,coreinnovations,andcoordinationwithrelatedinternationalstandards,analyzesthestandard'sroleinpromotingglobalmotorsystemenergyefficiencyimprovement,andhighlightsthetechnicalcontributionsofkeydraftingorganizations,providingvaluablereferencesfortherevisionofmotorsystemenergyefficiencystandardsandindustrialtechnologyupgradinginChina.Keywords:Adjustablespeedelectricalpowerdrivesystems;Ecodesign;Energyefficiencydetermination;Energyefficiencyclassification;IEC;Motorsystem一、引言1.1研究背景电机系统广泛应用于工业、交通、建筑及基础设施等国民经济各个领域，涵盖风机、水泵、压缩机、输送机械等各类拖动设备。据国际能源署（IEA）统计，全球电动机用电量约占全社会总用电量的46%，其中工业领域电机系统用电量占工业总用电量的60%—70%。然而，由于大量在用电机系统长期运行在非经济运行状态，加之系统配置不合理、控制策略落后等因素，实际运行能效远低于额定能效水平，节能潜力巨大。在应对全球气候变化的背景下，主要经济体和国际组织纷纷将电机系统能效提升纳入政策法规框架。欧盟《生态设计指令》（2009/125/EC）及其后续法规（EU）2019/1781对电机和变频器的最低能效要求作出了强制性规定；国际电工委员会（IEC）则致力于通过制定国际标准，为电机系统能效的测定与分类提供统一的技术依据。在此背景下，IEC第22技术委员会（IEC/TC22"电力电子系统和设备"）下属SC22G分技术委员会（可调速电力驱动系统及半导体电力变换器）牵头制定了IEC61800-9系列标准，其中IEC61800-9-2:2023是该系列中关于能效测定与分类的核心标准。1.2标准立项背景IEC61800-9-2标准的制定源于全球对电机系统能效评价方法统一化的迫切需要。在IEC61800-9-2发布之前，电机和驱动系统的能效评价分别依据不同的标准体系：电机能效依据IEC60034-30-1进行IE效率等级划分，而变频器（PDS的组成部分）的损耗评价则依据IEC61800-9-1（原IEC61800-9-2的早期版本或相关技术报告）。这种"电机与驱动分开评价"的模式无法反映整个驱动系统的综合能效水平，也无法为系统层面的节能优化提供完整的量化依据。为实现驱动系统整体能效的可比性评估，IEC/TC22/SC22G启动了IEC61800-9-2标准的编制工作。该标准最初于2017年以技术规范（TS）形式发布（IECTS61800-9-2:2017），经过近六年的应用实践和技术完善，于2023年10月正式转化为国际标准（IS），即IEC61800-9-2:2023。标准的内容框架和技术方法在很大程度上被欧盟生态设计法规（EU）2019/1781所采纳，成为欧盟市场准入中对变速驱动系统能效评价的技术基准。1.3标准范围与定位IEC61800-9-2:2023规定了可调速电力驱动系统（PDS）及其组成部分——包括变频器（CompleteDriveModule,CDM）和电机系统（MotorSystem）——的能效测定方法和能效分类方法。该标准适用于额定电压不超过1000V（50/60Hz交流输入）、额定功率范围涵盖常用工业应用的交流调速驱动系统，包括各类异步电机、同步电机驱动的调速系统。标准的核心技术内容涵盖两个方面：第一，定义了完整驱动模块（CDM）和电机系统（MotorSystem）两个层级的能效评定方法。CDM层级的评定以标准化损耗测定为基础，考虑整流器、直流母线、逆变器及控制电路等各组成部分的损耗；电机系统层级的评定则将电机损耗与CDM损耗合并，形成系统级能效评估结果。第二，建立了电机系统的能效分类体系（IES等级），给出了从IES0到IES2的分类框架。通过引入"参考驱动模块"（ReferenceDriveModule）和"参考电机系统"（ReferenceMotorSystem）的对比评价方法，将实际驱动系统与基于最优可行技术的参考模型进行对比，从而在统一的基准下评定实际系统的能效水平，消除了因电机和驱动分别评估而造成的口径不一致问题。二、标准技术框架与核心内容2.1标准体系定位与结构IEC61800-9-2:2023在IEC61800系列标准中具有承上启下的关键地位。该系列标准整体架构中，IEC61800-9-1定义了电机系统的能效适用方法和边界划分，IEC61800-9-2则细化规定了能效测定和分类的具体技术方案。两者相互配合，共同构成电机系统生态设计评价的完整技术链条。标准正文共分8个条款和5个附录，主要结构如下：-第1条范围：明确标准适用的PDS类型、功率范围、电压等级及评价边界-第2条规范性引用文件：列出IEC60034-2-1（电机损耗测定）、IEC61800-9-1（能效定义）等关键引用标准-第3条术语和定义：界定CDM、PDS、参考驱动模块、参考电机系统等核心概念-第4条能效测定方法：规定CDM损耗的测量条件、测量方法和计算程序-第5条能效分类方法：定义IES能效指数及其计算模型-第6条报告要求：规定能效测定报告的格式和内容-第7条与法规的关联：说明标准与欧盟生态设计指令等法规的衔接关系-第8条附录：提供详细的损耗计算示例、参考模型参数表和应用指南2.2核心技术概念（一）参考驱动模块（ReferenceDriveModule）参考驱动模块是一种概念性标准化模型，用于在统一基准下衡量实际CDM的能效水平。该模型基于行业最优可行技术的平均损耗水平设定，其损耗参数以标准表格形式给出，涵盖不同功率等级（0.12kW—1MW以上）和不同过载能力（低过载、高过载）的组合。参考CDM的损耗分为与负载相关的可变损耗和与负载无关的固定损耗（包括控制电路损耗、辅助电源损耗等），通过对实际CDM与参考CDM的损耗差异进行量化，即可确定实际CDM的相对能效水平。（二）参考电机系统（ReferenceMotorSystem）参考电机系统由参考电机与参考CDM组合而成。参考电机参照IEC60034-30-1中IE2/IE3（取决于功率范围）效率等级对应的损耗值设定，参考CDM则与上述参考驱动模块一致。通过将实际电机系统与参考电机系统进行对比，可得到电机系统层面的综合能效评价结果。（三）能效指数IESIES（InternationalEnergyefficiencyclassificationforSystem）是本标准定义的电机系统能效分类指数。IES等级划分以相对偏差δ（实际系统损耗相对于参考系统损耗的偏差百分比）为判定依据：-IES0：实际系统损耗显著高于参考系统（δ≥+20%），表示产品能效水平低于当前行业基准-IES1：实际系统损耗接近参考水平（−20%≤δ<+20%），表示产品能效达到行业一般水平-IES2：实际系统损耗显著低于参考水平（δ<−20%），表示产品能效处于行业领先水平此外，标准中也规定，实际CDM相对于参考CDM的损耗偏差按同样的δ阈值进行分类。需要指出的是，IES分类以相对偏差δ为核心判定依据，其阈值设定（±20%）是在综合考虑测定不确定度、制造公差和不同技术路线差异的基础上确定的，既保持了分类的区分度，又避免了因测量误差导致的误判。2.3损耗测定方法标准对CDM损耗的测定规定了三种可选择的路径：（1）直接测定法：通过功率分析仪直接测量CDM输入端和输出端的有功功率差，得到总损耗值。该方法适用于各功率等级，但对测量仪器的精度要求较高，需满足标准规定的测量不确定度要求。（2）分量求和法（间接测定法）：将CDM总损耗分解为整流器损耗、直流母线损耗、逆变器损耗和控制电路损耗等各组成部分，分别通过计算或测量确定，再求和得到总损耗。该方法便于分析各组成部分的损耗占比，有利于指导优化设计。（3）损耗查表法（参考值法）：在无法进行实际测量时（如大功率设备受测试条件限制），允许采用标准附录中提供的参考损耗值表，按功率等级和过载能力查表确定CDM损耗。该方法提供了一种简化但保守的评估途径。标准对测定条件（电压、频率、温度、开关频率等）和不确定度评定方法也作出了明确规定，要求测量结果须在95%置信水平下满足±5%以内的相对扩展不确定度（具体限值随功率等级有所调整），以确保不同实验室间测试结果的可比性。2.4能效分类计算模型电机系统的能效分类计算遵循以下程序：第一步：确定参考CDM损耗（根据实际CDM的额定功率和过载类型，从标准附录A中的参考CDM损耗表查取）。第二步：确定参考电机损耗（根据电机的额定功率和极数，参照IEC60034-30-1规定的IE2/IE3效率等级确定参考电机损耗）。第三步：确定参考电机系统总损耗（参考CDM损耗与参考电机损耗之和，扣除机械输出功率的重叠部分）。第四步：确定实际电机系统总损耗（实际CDM损耗按标准规定的测定方法确定，实际电机损耗参照IEC60034-2-1标准测定）。第五步：计算相对损耗偏差δ，并按δ值判定IES等级。值得特别强调的是，标准中的参考CDM损耗表是基于当前IEC61800-9-1基准的PDS损耗数据，结合行业技术发展趋势加权拟合得到的。该方法的创新之处在于既保证了不同类型产品间能效的可比性，又为技术持续进步预留了升级空间。2.5与其他标准的协调IEC61800-9-2:2023与以下关键标准和技术文件保持协调一致：-IEC61800-9-1：定义了PDS的能效边界和术语体系，确立了参考模型的基本框架，是第9-2部分的上位标准-IEC60034-2-1：规定了旋转电机损耗和效率的测定方法，是电机损耗测定的基础标准-IEC60034-30-1：规定了单速三相笼型感应电机IE能效等级，为参考电机损耗的设定提供了基准-IEC61800-4：对PDS的一般性能要求进行了规定，与第9-2部分在试验条件等方面保持一致性-欧盟法规（EU）2019/1781：该法规直接引用了IEC61800-9-2的能效测定和分类方法，作为其变速驱动系统生态设计要求的测试技术依据这种多层次、多标准的协调机制确保了IEC61800-9-2在更广泛的标准体系和法规框架中能够有效发挥技术支撑作用。三、标准的创新性与应用价值3.1技术创新的核心体现IEC61800-9-2:2023的技术创新主要体现在以下三个层面：第一，从"单机评价"走向"系统评价"。传统能效评价仅针对电机或变频器单台设备，而本标准将评价对象拓展至完整驱动模块和整个电机驱动系统，准确反映了实际工况下"电机+变频器"协同运行的综合能效表现。这一视角的转变对于推动系统节能优化具有重要意义。第二，概念性参考模型的引入。参考驱动模块和参考电机系统并非实际物理产品，而是根据行业平均先进水平构建的基准模型。这种"虚拟基准"的评价方式既能消除因功率等级、过载能力等规格差异造成的不可比问题，又能为各类产品提供清晰的能效定位参考。第三，针对部分负载工况的能效评估扩展。标准不仅评价100%额定负载工况下的能效，还引入了部分负载（如50%、25%负载）和过载工况的损耗评估方法，使评定结果更贴近实际运行工况，弥补了传统额定工况评价的局限。3.2应用价值从应用角度来看，该标准的实施具有多维度的价值：-为制造商提供设计导向：通过标准化的损耗分解方法，帮助制造商识别产品能效短板，明确优化方向，推动高效拓扑结构、新型功率器件和先进控制算法的工程应用-为终端用户提供选型依据：通过统一的IES分类等级，帮助用户在采购时直观比较不同品牌、不同方案的驱动系统能效水平，引导用户优先选择高效产品-为政策制定者提供技术工具：为各国制定电机系统能效法规和最低能效标准（MEPS）提供国际公认的测试和分类方法，消除技术壁垒-为节能改造提供量化手段：为在用电机系统的节能诊断和改造效果评估提供标准化测量与计算方法，增强了节能量审核的透明度和可信度3.3国际影响力与应用前景自发布以来，IEC61800-9-2已被欧盟、东南亚多国及主要经济体在能效法规制定中采用或参考。欧盟在（EU）2019/1781法规的修订过程中，明确以IEC61800-9-2的能效测定方法为基础制定变速驱动器的生态设计要求；国际标准化组织（ISO）在制定电机