高效率馬達全球法規發展

摘要：馬達動力設備所耗用電力占工業用電達64 ~70%，有效提高或改善馬達效率，對於工業節電能產生顯著的效益，在全球減少二氧化碳排放量的議題下，馬達效率提升計畫，為各國推動工業節能的首要項目。本文主要探討高效率馬達國際標準發展及全球推動高效率馬達情形，以協助主管機關及業者掌握國際資訊，及早因應，並作為國內推動馬達效率發展之參考。
Abstract：Motor-driven power equipment consumes 64% to 70% of overall industrial electricity. Effective ways of increasing or improving motor efficiency have provided significant benefits to not only the energy saving for industries but also the reduction of emissions. Under the on-going global efforts and attempts in reducing CO2 emission, the programs associated with improving motor efficiency are becoming the primary focuses, for every nation, in pushing towards industrial energy saving. The focuses of this article are to discuss the development of international standards for high-efficiency motors, the present status of the global promotion of high-efficiency motors, in an attempt to assist the government authorities and private sectors in the motor business are on top of the latest international information, take proper actions far in advance, and serve as valuable references to domestic efforts to improving motors’ efficiency.

關鍵詞：馬達效率等級、國際馬達法規、全球高效率馬達效率實施
Keywords：Motor efficiency grades, International motor regulations, Global implementation of high-efficiency motor regulations

前言
馬達是推動機械設備運轉主要的元件，依據國際能源總署分析，馬達與其動力設備用電量約占全球總電量約46%，占工業用電約64~70%。在溫室效應造成全球暖化日趨嚴重下，節約能源降低二氧化碳排放量已成為全球急迫性的共同課題，在採取節約能源的各種方案中，有效提高或改善馬達及其驅動系統效率，最能產生重大的節能效益，因此美國、歐盟、日、韓及中國紛紛成立馬達挑戰計畫(Motor Challenge Program)，規範馬達最低能源效率與相關的管理措施，推廣使用高效率馬達與發展相關節能應用技術，以提升境內的馬達能源使用效能。
目前國際上的馬達效率主要依據國際電工委員會制定之IEC 60034-30系列國際標準為主，隨著馬達技術的發展，IEC也制定出更高效率讓國際上參考，各國也依據IEC標準制定其國內的最低能源效率基準及測試方法。變頻系統通過提供精確的電機控制，達到最佳的運行效率，節電效益佳，因此，IEC 60034-30系列包括單速馬達與變速馬達之效率標準及測試標準。
高效率馬達國際標準
IEC 60034-30系列第一部分，為IEC於2014年發布IEC 60034-30-1 [1]，該標準是適用於正弦波電壓供電的單速馬達的分級效率，規範範圍為額定輸出功率0.12 kW~1000 kW，額定電壓50 V~1000 V，極數2P、4P、6P、8P，馬達效率分為IE1 (Standard,標準)、IE2 (High,高)、IE3 (Premium,優級)及IE4 (Super Premium,超優級)等級，並在附錄中提及IE5的目標是在IE4基礎上降低約20%的損耗，由於IE5技術尚在發展中，所以IEC也尚未訂出IE5的效率值。正弦波電壓供電的單速馬達包括感應馬達以及自啟動永磁同步馬達。
IEC 60034-30-1擴大了第一版IEC 60034-30所涵蓋的產品範圍，不僅是第一版中的三相鼠籠型感應馬達，只要馬達的額定在線(On-line)運轉，所有技術結構的馬達都涵蓋在內。
圖1為IEC 60034-30-1中極數4P、額定輸出功率0.75~200 kW、60 Hz之馬達各級效率間的差異。以7.5 kW之電動機為例，IE2比IE1效率高2.5%，IE3比IE2效率高2.2%，IE4比IE3效率高0.7%，顯示出馬達越往高效率，效率提升的幅度越小，技術難度增大。

圖1 IEC 60034-30-1 中4P，60 Hz，0.75~200 kW馬達各級效率間的差異

IEC針對適用於IEC 60034-30-1範圍內的單速馬達於2014公布修正後的測試方法IEC 60034-2-1 [2]讓各國參考引用。
IEC 60034-30系列的第二部分是IEC於2016年發布的技術規範IEC TS 60034-30-2 [3]，該規範針對變速運轉的各種低壓交流馬達、由變頻器(Frequency Converter)改變電壓及頻率的馬達制訂分級效率，規範範圍為額定輸出功率0.12 kW~1000 kW，額定電壓50 V~1000 V，額定轉速600 rpm~6000 rpm。
IEC TS 60034-30-2涵蓋的馬達包括永磁同步馬達有或沒有附加磁阻轉矩、正弦波磁阻同步馬達，以及專門設計為變速運轉的馬達，但不包含開關磁阻同步馬達(Switched Reluctance Synchronous Machines)。變速馬達的效率值與單速馬達不同處，在於單速馬達是指滿載轉速及轉矩下的效率，變速馬達則指90%滿載轉速及100%滿載轉矩(n=90% , T=100%)時的η90效率，η90效率應大於或等於指定效率等級的標稱效率ηn，計算如下式：

附加諧波損失因子γHL定義為：
γHL= 0.15（15%），用於額定輸出功率不超過90 kW的馬達。
γHL= 0.25（25%），用於額定輸出功率超過90 kW的馬達。
ηref 是參考效率分為IE1~IE5，其中IE1~IE4依據IEC 60034-30-1在50 Hz下效率值，IE5則是新訂。
由上述公式計算，變速馬達由於考慮額外的變頻器供電損失，效率要求比定速馬達低。
IEC針對適用於IEC60034-30-2範圍內的變速馬達，於2020公布測試方法IEC 60034-2-3 [4]讓各國參考引用。