中小型交流异步电动机效率发展概述

   

    来源：《电气圈》杂志

    作者：国家中小型电机及系统工程

              技术研究中心/黄坚

摘  要

本文论述了我国中小型交流异步电动机产品的发展分为二个阶段,一是建国初期以采用原苏联标准体系，主要代表产品有J、JO和 J2、JO2系列三相异步电动机；二是改革开放后，采用国际电工委员会组织IEC标准体系，该阶段的主要代表产品有Y、YE2、YE3等系列三相异步电动机。国标GB18613《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》的制定及变更，体现出我国中小型交流异步电动机产品效率的发展变化。

关键词：三相异步电动机，高效率，超高效率。

一、中小型交流异步

电机产品发展概述

电机是量大面广的产品，产品的覆盖面遍及工业、农业、国防、交通、公用设施等各个领域。如果电机按馈电电源的类型进行分类，一般可分为直流电机和交流电机；若按功率的大小进行分类，可分为微特电机、分马力电机、中小型电机和大型电机等；若按产品的类型、功能及用途进行分类，又可分为发电机和电动机，各种功能和用途的电机种类应该说非常多，随着技术的发展和不断进步，各种各样的电机会越来越多。

在电机产品中，中小型交流异步电动机所占的比例最大，产品使用的覆盖面也最广泛。我国中小型交流异步电动机产品的技术发展大致可分为二个阶段。

1）第一个阶段（自1950起）：

由于该阶段处于解放初期，我国尚还没有形成自己的工业基础和标准体系，故主要是学习和采用了原苏联国家标准体系。该阶段主要的代表产品有J、JO和 J2、JO2系列三相异步电动机。1952年我国首个中小型三相异步电动机J、JO系列产品诞生，第一次统一了我国中小型电机工业的技术体系，彻底改变了旧中国遗留的电机产品的混乱局面。通过开展电机的标准化、系列化、通用化工作，使产品达到统一并成系列化发展，为中国电机工业的迅速发展奠定了坚实的基础。1958年开始组织进行J2、JO2系列全国统一设计，1965年J2、JO2系列电机通过鉴定，并在全国进行推广应用。J2、JO2电机延续生产了二十多年，一直延续到1981年Y系列三相异步电动机产品开发完成，1985年国家发布公告正式宣布淘汰。

2）第二个阶段（自1978年起）：

随着我国改革开发政策的实施，我国原有的标准体系已不能适应我国国民经济发展和对外开发的需要，为此，中小型电机行业开始转入采用国际电工委员会组织IEC标准体系。该阶段的主要代表产品有Y、Y2和Y3系列以及YX3、YE2系列高效率、YE3系列超高效率三相异步电动机产品。

1982年我国首个符合IEC标准的Y系列三相异步电动机通过鉴定，并在随后的几年间，在Y系列电机基础上完成了绕线转子式电机、防爆专用电机、起重冶金专用电机、电磁制动电机、变极多速电机、齿轮减速电机等20多个派生专用系列产品的开发,形成了我国中小型电机行业新的产品与标准体系。自1985年起，国家发布公告淘汰J、JO和J2、JO2老系列产品，并推广采用Y系列电机，自此，Y系列及其派生系列产品在全国范围内推广。

为了进一步提高我国中小型异步电动机在国际市场上的竞争能力，九十年代初开始组织Y2系列三相异步电动机的研制，于1996年通过鉴定，Y2系列电机投入市场赢得国外用户市场的欢迎，成为电机出口市场的主要产品。

自2002年1月起，根据国家开展淘汰热轧硅钢片、推广采用冷轧硅钢片（即“以冷代热”）的需要，完成了Y3系列三相异步电动机的研制，2003年3月通过鉴定。Y3系列电机是国内第一个全系列采用冷轧硅钢片设计的系列电机，其效率指标达到了国标(GB18613-2006)《中小型三相异步电动机能效限定值和节能评价值》中能效限定值的规定，同时达到欧洲eff2效率标准。随后又完成了YX3系列高效率三相异步电动机开发，其效率指标满足GB18613《中小型三相异步电动机能效限定值及节能评价》中节能评价要求，同时符合欧洲eff1标准。

自2007年起，按照国际电工委员会IEC组织的有关电机高效和超高效率最新标准体系，开展了YE2高效和YE3超高效三相异步电动机系列产品的开发。近期又在组织行业开展YE4超超高效率三相异步电动机系列产品的开发。

随着中小型电机行业的发展和产品不断的更新换代，国内中小型电机的生产能力基本上能满足我国国民经济各行各业的一般需要。我国已经成为世界上最大的中小型电机生产、使用和出口大国。根据中国电器工业协会中小型电机行业分会对行业中约80家骨干企业年产量的统计结果，其产量的逐年增长情况如图1所示。

图1  2000～2015年电机产量图

 

二、国外高效电机标准的发展

随着能源的日趋紧张，由于电机系统所消耗的电能，约占整个社会总用电量50%左右，因此世界各国政府和国际组织对电机系统的节能均给予了高度重视，美国、欧洲、加拿大、澳大利亚等国家和地区都制订了有关电动机的能效标准。

美国于1992年通过了电动机有关节能的新能源法令（EPACT），规定自1997年10月24日起，在美国生产和进口到美国市场的电动机必须要达到该法令所规定的效率标准，否则就不能进入市场。该法令所规定的电动机为一般用途、单速、在230/460V和恒定60Hz的电源下运行的三相笼型异步电动机，功率范围为1～200马力，极数为2、4、6P。该法令所规定的电动机最低效率标准比当时一般工业用电动机的效率平均提高了2.7%，电动机损耗分别下降了15～33%，平均下降了24.3%。2001年美国又制定了超高效率电机标准（NEMA Premium标准），其功率范围为1～500hp，单速，2、4、6P，为连续定额的三相笼型异步电动机，并自2011年起在全球范围内率先强制推行超高效率电动机。

欧盟于1999年制订了电动机能效标准（EU—CEMEP协议），将电动机的效率水平分为Eff1、Eff2和Eff3三级，其中Eff3电机为低效率（Low efficiency）电动机，Eff2电动机为效率改善（Improved efficiency）电动机，Eff1电动机为高效率（High efficiency）电动机。该协议规定制造商应在产品铭牌和样本数据表上列出效率级别的标识及效率数值，以便于用户选用和识别。该协议还规定，制造商除应标明电动机在额定负载时的效率数值外，还应标明电动机在3/4负载时的效率数值。该协议所覆盖的产品为全封闭扇冷型（IP54或IP55）三相交流笼型异步电动机，功率范围为1.1～90kW，极数为2、4P，电压为400V、50Hz、S1工作制（即连续定额），标准设计（即其起动性能符合IEC60034—12中N设计的技术要求）。

鉴于世界上许多国家和地区都相继制订了低压三相异步电动机的能效标准，如美国、加拿大、欧盟、澳大利亚和新西兰、巴西、中国等，由于在有关高效电机的标准定义方面存在较大的差异，给各国对高效电机的认同及全球贸易带来了一些障碍，为此，国际电工委员会IEC组织于2008年10月颁布了IEC60034-30“单速、三相笼型感应电动机的能效分级”标准，统一了全球的电机效率标准。

根据各国不同的情况，IEC60034-30统一将电动机能效标准分为IE1、IE2、IE3、IE4四个等级，其中IE1为标准效率、IE2为高效率、IE3为超高效率、IE4为最高效率等级，并制订了50Hz和60Hz两套标准体系，分别用于电源频率50Hz和60Hz的国家和地区；同时统一了效率的测试方法。该标准适用范围为：额定电压为1000V及以下，输出功率为0.75～375kW，极数为2、4、6P，S1连续工作制或S3断续工作制（负载持续率为80%及以上）。

2014年国际电工委员会IEC颁布了IEC60034-30-1《在线运行交流电机能效分级（IE代码）》，效率分为IE1、IE2、IE3、IE4、IE5五个等级（其中IE5仅为概念，未有具体数值）。该标准规定范围为：额定电压为1000V及以下，输出功率为0.12～1000kW，极数为2、4、6、8极，适用于所有在线运行的交流电动机。同时，IEC组织还在考虑制订IEC60034-30-2《变速交流电机能效分级（IE代码）》，对于在变频器供电下的各种变频调速电机规定相应的效率标准。

三、我国高效电机标准的发展

我国最早的高效率电机标准应该是始于1985年，当时为了满足我国工业领域节能的需要，在Y系列三相异步电动机产品基础上，开发了YX系列高效率三相异步电动机产品，效率平均比Y系列提高3.5%左右。该产品的额定电压为380V、输出功率为0.55～90kW，极数为2、4、6极，并制订了行业标准《YX系列高效率三相异步电动机技术条件》，该标准的制订早于美国的高效电机（EPACT）标准。由于该产品的成本较高，在当时也没有相应的配套政策进行推广，该标准也随之被废止。

1995年在开发Y2系列三相异步电动机产品的同时，也完成了Y2-E系列高效率三相异步电动机产品的开发，Y2-E系列效率平均比Y2系列提高1.8%左右。根据Y2和Y2-E系列产品编制了行业标准《Y2系列三相异步电动机技术条件》，该标准的效率指标分为Y2和Y2-E两个部分，应该说这是最早的效率分级标准，也早于欧盟于1999年制订的电动机能效分级标准（EU—CEMEP协议）。

进入本世纪后，跟随国际上有关电动机效率标准的发展趋势，以及配合我国节能减排政策的落实，我国开始制订国家标准GB18613《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》。2002发布第一版国标GB18613-2002，2006年又推出了第二版GB18613-2006。第一版与第二版相差不大，两个标准中的能效限定值和节能评价值或高效率标准，主要参考了欧洲EFF2和EFF1效率等级标准。

根据国际电工委员会IEC组织于2008年10月颁布的IEC60034-30“单速、三相笼型感应电动机的能效分级”标准，我国也相应对国标GB18613《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》进行了修订，第三版国标GB18613-2012于2012年5月发布，自2012年9月1日起开始实施。

国标GB18613第三版与前两版相比变化较大，一是效率数值发生了变化，二是效率的考核方法也不一样，新国标按112B法实测杂散损耗计算效率， 第一、二版标准则是按杂散损耗为0.5%推荐值计算效率。

按照我国的习惯，第三版国标（GB18613）中的能效等级的高低顺序与IEC的不一样，我们的1级效率为最高值，而IEC的1级效率为最低值。新、老国标（GB18613）与IEC标准的效率对应关系如表1所示，其中新国标（GB18613）中的2级、3级效率数据与IE3和IE2完全一致，新国标（GB18613）中的1级效率数据与IEC中的IE4不完全一致。

表1中同时还列出了我国近些年所开发的Y、Y2、Y3、YX3、YE2、YE3等系列三相异步电动机产品与国际IEC60034-30和国标GB18613能效等级的基本对应关系，其中Y、Y2、Y3等系列电机基本为IE1级效率等级产品，YE2、YX3等系列电机基本为IE2级类高效率等级产品，YE3、YZTE3等系列电机为IE3级超高效率等级产品，目前正在组织开发的YE4、YZTE4等系列电机为IE4级超超高效率等级产品，YE4、YZTE4系列电机应该说是目前效率最高的三相异步电动机系列产品。

新标准的实施表明我国三相异步电动机产品的整体效率水平进行了提升, 平均约提升了3%左右。同时也表明，我国三相异步电动机进行了一次产品的更新换代，目前我国还在大量使用的Y、Y2、Y3系列三相异步电动机应该全部停止生产，将由YE2、YX3、YE3系列等产品来替代，YE2系列高效率三相异步电动机等产品应该说已成为行业的主导产品。

国际电工委员会IEC于2014年最新颁布的IEC60034-30-1《在线运行交流电机能效分级（IE代码）》，已等同转化为国标。按照该标准的最新变化，国标GB18613-2012也已开始考虑进行修订。

GB18613-2012新标准	GB18613-2006老标准	IEC60034-30	平均效率 (%)	备注
效率标准1级	无	IE4--超超高效率等级	93.1	对应YE4、YZTE4等系列电机
节能评价值或效率标准2级	超高效率标准(1级)	IE3--超高效率等级	91.5	对应YE3、YZTE3等系列电机
能效限定值标准3级	节能评价值或高效率标准(2级)	IE2--高效率等级	90.0	对应YE2、YX3 等系列电机
无（已废止）	能效限定值标准(3级)	IE1--普通效率等级	87.0	对应Y、Y2、Y3 等系列电机

表1   GB18613-2012

与IEC60034-30的对应关系

四、一点感想

近几年，随着国家在推广高效率电机方面不断的加大力度，以及政策的引导和惠民工程的实施，推广和使用高效率电机的理念已深入人心。对于高效率电机的推广和应用，谈谈个人的一点感想如下：

近一段时间，许多行业同仁对GB18613-2012的4.4条中提及的效率升级问题有些困惑，该条的内容为：“电动机目标能效限定值在额定输出功率的效率应不低于表1中2级的规定，在表1中7.5kW～375kW的目标能效限定值在本标准实施之日4年后开始实施，7.5kW以下的目标能效限定值在本标准实施之日5年后开始实施，并替代表1中3级的规定。”

但在该标准中的前言部分，有“本标准的4.3为强制性的，其余为推荐性的”说明，这表明4.4条不是必须的，是推荐性质的，可由用户来进行自由的选择。我本人也认为，电机效率适当的提高是应该的，也是可能的。但无限的提高则是不可能的，也是不经济、不合理的。GB18613-2012的发布和实施，已经将我国的电机效率提升了一个等级，这也是这些年来在国家的倡导下，在行业同仁的共同努力下，水到渠成的结果。但在短短的4年间，电机的效率再提升一级，这对于社会资源的合理利用及电机行业标准体系的建立，也不是特别有利的。

采用高效率电机总体来说对国家能源的节约和环境的改善是非常有利的，但并不是说在所有的场合采用高效率电机都会取得预期的节能效果。比如对于一些使用水泵或风机的场合，由于高效率电机在效率提高的同时，电机的输出转速一般也会提高，可能会出现采用高效率电机会并不节能或节能效果不佳的情况，而水泵和风机配用电机的使用场合占的比例也相当高，占比约占电机总产量的30%左右。对于这一特殊情况，也是必须引起我们重视的。

自2012年起，在推广高效率电机的同时，也开始逐步淘汰Y、Y2和Y3系列电机。由于目前的高效率电机及其标准仅有2、4、6P相应的产品，而Y、Y2和Y3系列电机有2、4、6、8、10P产品。由于8、10P产品的存在，在淘汰Y、Y2和Y3系列电机的同时，其对应的标准还不能废除。近期YE2系列高效率电机标准已进行了快速修订，8、10P等相关规格也已列入该标准中。这一困惑局面将会得到很快解决。同时，对于IE3和IE4效率等级的8、10P产品及其标准也已在考虑当中。

以上为个人见解，仅供行业同仁参考。如有不妥之处，敬请指正。