工廠馬達設備系統能源效率改善作法

摘要：節能已經是工廠必須面對的事，馬達動力設備中，更換馬達為IE3等級效率節能空間2~8%，更換為高效率設備節能空間10~30%，執行馬達系統節能改善節能空間有10~50%。本文說明馬達動力設備節能改善作法，主要包含有採用IE3高效率馬達、採用高效率之馬達動力設備、汰換低效率舊設備、調整相關設備規格、變更系統架構、變更傳動方式、變更控制方式、變更操作方式、修正及落實維護保養計畫、負載合理化等。
Abstract：Energy saving is already a matter that factories must face. In the motor power equipment, the energy saving space of replacing the motor with IE3 level efficiency is about 2~8%, the energy saving space of replacing the equipment with high-efficiency equipment is about 10~30%, and the energy saving space of implementing the motor system is about 10~50%. This article describes the energy-saving improvement methods of motor power equipment, mainly include the use of IE3 high-efficiency motors, the use of high-efficiency motor power equipment, the replacement of low-efficiency old equipment, the adjustment of relevant equipment specifications, the change of system architecture, the change of transmission mode, the change of control mode, the change of operation mode, the correction and implementation of maintenance plans, and the load rationalization, etc.

關鍵詞：高效率馬達、泵浦、空壓機、節能、比功率、單位能耗
Keywords：High efficiency motor, Pump, Air compressor, Energy saving, Specific power, Unit energy consumption

前言
馬達動力設備為工廠主要耗電設備，節電潛力高，據經濟部能源局的統計資料顯示，臺灣電力消費統計工業部門用電量約佔總消費電力的55.57%[1]，工業馬達動力系統用電量約佔65 %-70 %的工業部門用電力，因此提高工廠能源使用效益是節能主要對象，更是能源管理法管制的重點。
節能原則與作法
工廠馬達系統主要為：公用設備與製程設備中使用之馬達驅動設備，例如：空壓機、泵浦、風機、真空泵、熱泵、冰水機、冷卻水塔、射出機等。
工廠馬達系統節能主要原則為：
1.使用高效率設備、讓高效率設備操作在高效率區、維持系統在高效率狀態
2.負載合理化
節能改善作法主要包含採用IE3高效率馬達、採用高效率之馬達動力設備、汰換低效率舊設備、調整相關設備規格、變更系統架構、變更傳動方式、變更控制方式、變更操作方式、修正及落實維護保養計畫、負載合理化等。
實務上，工廠馬達系統節能改善作法進一步說明如下：
1.採用IE3高效率馬達
國內低壓三相鼠籠型高效率感應電動機(簡稱馬達)效率自105年7月1日起實施IE3等級效率[2]，國內工廠依然存在許多非IE3等級效率馬達，如IE1、IE2、甚至無標示IE等級之馬達，目前並無單獨補助購買IE3馬達辦法。
工程師至工廠臨場診斷時若發現非IE3等級效率馬達及設備時即提出對應建議，依多年臨場診斷經驗統計，發現純粹更換馬達為IE3等級效率節能空間2~8%，更換為高效率設備節能空間10~30 %，執行馬達系統節能改善節能空間有10~50%，但是，若為離心式設備(例如：離心泵、軸流泵、多翼送風機、螺槳式風扇等)，更換舊馬達為IE3馬達時會衍生轉速變大，轉速變大依據相似定律耗電會增加之特性，表面看起來沒有省電反而更耗電，甚至，有些製程設備必須保持固定轉速，此時，若用變頻器將轉速降回原轉速，就失去改善意義了！因此必須針對個案，提出適合改善建議。
泵浦相似定律
相似定律不僅可應用於泵浦液態系統，只要是離心設備操作流體介質均適用，當系統流量變化時、揚程(水頭)、摩擦損失及軸功率均會影響，其關係如下：
(1) 改變泵浦轉速S(葉輪直徑不變)
Q α S(轉速與流量成正比)
H α S2(轉速平方與揚程成正比)
P α S3(轉速3次方與功率成正比)
(2) 改變泵浦葉輪直徑D (泵浦轉速不變)
Q α D(直徑與流量成正比)
H α D2(直徑平方與揚程成正比)
P α D3(直徑3次方與功率成正比)
Q：泵浦流量( m3/sec )
S：泵浦轉速( rpm )
D：泵浦葉輪直徑( mm )
H：揚程( m )
P：泵浦軸功率( Watt )
2.採用高效率馬達動力設備、汰換低效率舊設備
工廠設備隨著使用時間增加效率會逐漸降低，盤點工廠現有的設備就可發現使用多年(例如：設置超過15年以上)的老舊設備，這些設備必然效率衰退，只是效率衰退的程度是否必須更新，還需評估，若經量測效率已經明顯衰退就應該汰換，購買全新設備時，其效率應符合國家規定(例如：105年實施IE3效率馬達[2]、110年實施空壓機最低能效（MEPS) [3]、112年將實施水泵最低能效(MEPS) [4]，並盡量購買高效率設備。
能源局已經公告「空氣壓縮機容許耗用能源基準與能源效率分級標示事項、方法及檢查方式(110年1月1日生效)」[3]，實施出口壓力在7-14±0.5 kgf/cm2之三相電動機驅動之空氣壓縮機(空壓機)，包括固定轉速迴轉式空氣壓縮機、可變轉速迴轉式空氣壓縮機及活塞式空氣壓縮機等三種微油空壓機之最低能效(d=-5)要求，不符合最低能效要求之三種微油空壓機不得在國內販售使用。
同樣能源局也已經公告「蒸氣壓縮式冰水機組容許耗用能源基準與能源效率分級標示事項方法及檢查方式(109年7月1日實施)」[5]，實施蒸氣壓縮式冰水機能源效率分級，不符合最低能效要求之蒸氣壓縮式冰水機不得在國內販售使用。
依實際需求換成適合規格之高效率設備就可產生節能效益。以泵、風機、空壓機來說，設置超過15年以上就該考慮是否更新，直接汰舊換新也是一種簡單節能方法。
而內含IE3馬達之3種特定設備(泵、風機、空壓機)，若是配合能源局公布自106年1月1日起「動力及公用設備補助作業要點」[6]申請補助，補助金額可能高達1/3購置設備費用，補助產品皆是符合高效率要求之設備，補助目的以提升產品效率水準及市占率而達到節能之效果，更可以縮短回收年限。
隨著科技及設備產品持續改良，除了3種高效率補助特定設備(泵、風機、空壓機)外，其他馬達動力設備(如磁浮直流變頻離心式冰水機、相變化材料(PCM)乾燥機、變頻真空泵等) 陸陸續續有許多高效率產品發表上市，對節能有很大效益，例如：