工廠節能改善案例介紹 -...

Copyright 2008 ITRI工業技術研究院沈宗福

高效率馬達應用技術推廣暨工廠節能改善案例研討會

工廠節能改善案例介紹

工業技術研究院機械與系統研究所

沈宗福

2008.4.18

2Copyright 2008 ITRI工業技術研究院沈宗福

馬達系統能源效率改善計畫目標

3廠家示範教材

3廠家示範教材

3廠家示範教材

3廠家示範教材製作示範廠家訓練教材

3家輔導改善

3家輔導改善3家輔導改善擬訂遴選辦法

3家輔導改善

協助工廠執行系統能源效率改善10%以上

10家系統效率檢測分析




馬達系統能源效率改善服務

99年度目標

98年度目標97年度目標96年度目標全程目標

1.公開徵求改善廠商

2.協助工廠檢測分析使用中馬達系統效率，研擬改善計畫

3.甄選改善效益較高計畫輔導完成改善

4. 製作成功改善計畫成案例教材推廣觀摩，複製成功經驗


高效率馬達降低電量損失的設計

損失項目1.電磁損失

轉子和定子的矽鋼片產生

渦電流(eddy current)和

磁阻(hysteresis)的損失2.摩擦和風阻

–軸承和油封的機械摩擦–冷卻風扇動力損失

3.導線電阻(I2R)損失–定子的繞線電阻–轉子的導線電阻–損失等比於輸入電流平方

4.雜散損失(Stray losses)–其他雜項損失–主要為電磁波幅射–損失等比於輸入電流平方

摩擦和風阻= 23%改善風扇效率

定子電磁損失

轉子電磁損失高導磁矽鋼片矽鋼片減薄導線電阻損失= 20%

改善導線充填改善導線電阻

雜散損失= 7%改善導線溝槽設計

50%

資料來源：美國能源局 2005


馬達生命週期成本分析

耗用電能 = (馬達負載) x (操作時數)(馬達操作點效率)

1. 工業用馬達使用壽命可長達20年以上

2. 馬達使用成本：電費占生命週期97%，購置費用僅占2%

資料來源：Baldor Electric電費97.3% 維修成本0.7% 購置成本2%


高效率馬達銘板(5HP,4P,85.5%)

CNS 14400


0.5 ～ 2％5. 馬達維修保養適當

0.5 ～ 3％4. 電力品質改善

1 ～ 5％2. 系統維護調整與潤滑

2 ～ 8％2. 換用高效率馬達

1 ～ 3％3. 馬達規格匹配適當

2 ～ 10％1. 傳動效率改善

10 ～ 50％1. 使用變速控制

節能比例系統改善方法

依據IEA的研究:

改善馬達系統可提昇用電

效率20%~25%，

其影響的因素為：

1.馬達本身的效率2.被帶動旋轉機械的效率3.動力傳動系統的效率4.系統的匹配設計5.系統的控制操作6.系統的管理與維修7.供應電源的品質

資料來源：IEA 資料來源：歐盟Motor Challenge計畫

高效率馬達應用節能潛力

供應電源控制器

馬達

傳動旋轉機械


更換高效率馬達省能試算

1. 舊馬達 175HP, 4P, CNS2934 效率＝90.5％2. 新馬達 175HP, 4P, CNS14400 效率＝94.1％取代

1,921,262960,63181.99 107.61 114.36 840094.1131.3175新馬達

1,997,688998,84481.99 107.61 118.91 840090.5131.3175舊馬達

年耗金額(元)

年耗功(KW-h)

負載比率(%)

輸出功率

(KW)

實測功率

(KW)

年使用時數(hrs)

滿載效率(%)

馬力(KW)

馬力(HP)

序號

3.5回收率(年)=

270,000馬達新購價格=

76,426每年節省費用=

38,213每年節省功率=

4.55 每小時節省功率=

2每度電費(元)＝


更換高效率馬達省能試算表

138,46269,2318400214.29 222.53 94.591270

114,51857,2598400171.36 178.18 94.190.5215

106,74853,3748400139.48 145.83 94.190175

92,50146,2518400120.19 125.70 93.689.5150

86,97143,4858400100.16 105.34 93.689125

60,09230,046840081.17 84.75 92.488.5100

43,32921,665840061.34 63.92 91.78875

39,57319,786840049.07 51.43 91.787.560

31,83015,915840041.21 43.10 918750

23,90111,950840033.26 34.68 90.286.540

17,1898,594840025.14 26.16 89.58630

16,4668,233840020.95 21.93 89.585.525

11,7255,862840016.95 17.65 88.58520

11,4415,720840012.71 13.39 88.58415

7,8073,90484008.57 9.04 87.58310

5,0662,53384004.39 4.69 85.5805

1,02951584001.04 1.10 72681

每年節省電費

(1度=2元)

每年節省度數

每年運轉時數

(H)

CNS144003600, 2P

全閉型輸入(KW)

CNs2394 3600, 2P

全閉型輸入(KW)

CNS144003600, 2P

全閉型效率

CNS2394 3600, 2P

全閉型效率HP

註：(負載100%計算)


高效率馬達應用節能潛力(空壓系統 )

資料來源: ：威鐘公司-黃茂興


壓縮空氣系統能源效率改善作法

維護與監視減少空氣洩漏當不使用時關掉系統修改或改善壓縮機控制系統換掉空氣驅動的設備降低系統壓力至最小需要值減少系統壓降降低吸入空氣溫度裝設速度調整裝置改善供氣管路系統佈局方式回收及使用廢熱...


容調、加卸載與變頻控制之空壓機在部分負載下的耗電比較圖

資料來源: ：空壓機節能管理系統與效益驗證.ppt ，財團法人中技社，林文祥

螺旋式空壓機容調-加卸載與變頻控制排氣量之耗電比較圖

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

排氣百分比

耗電

百分

比

容調控制

變頻控制

註:容調控制為5台同型空壓機之檢測資料容調控制為統計台同型空壓機之檢測資料

加卸載控制


高效率馬達應用節能潛力(幫浦系統 )

改善作法省能效果以儲槽均衡系統流量消除旁通和非必要迴路擴大管徑減少流動阻力減少設計安全流量裕度以並聯系統對應變動流量對應固定負荷減速，修改葉片、齒輪以變速控制取代節流閥對應變動負荷

10%-20% 10%-20% 5%-20% 5%-10% 10%-30% 5%-40% 5%-50%

採用高效率 pump 取代原本普通 pump 以聯軸器取代皮帶傳動以高效率馬達取代原本普通馬達

1%- 2% ~1% 1%- 3%

更換磨損葉輪 1%- 5%

資料來源：美國馬達動力系統省能方案


工廠節能改善案例介紹(96年度)

英德公司空壓系統節能改善案例

沅水公司空壓系統節能改善案例

台吉公司泵浦系統節能改善案例


馬達系統能源效率改善

1.FY96由電機電子和機械公會發函公開徵求意願廠商

2.回函183家、臨廠訪談12家、完成系統檢測分析10家

3.甄選改善效益較高計畫輔導完成改善3家

1.161107494.8油壓系統更換高效

率馬達及泵台吉

2.24320 43143.0空壓系統變頻控制

及管路查漏沅水

2.43137027580.6空壓系統變頻控制及管路重新配置

英德

年數仟元% 仟元

回收投資金額省電比例每年省電系統改善說明公司


英德公司空壓系統改善實例

英德公司為全自動化機械加工生產製造各類冷打螺帽、線材捲狀棒鋼、模光盤元與相關銷售業務。目前員工150人，產品90％出口外銷，年出口金額2500萬美金。原有3台100HP與2台50HP空壓機分散廠區無法有效運用。

改善措施:整合分散各地空壓機集中至空壓機室全廠管路相連、查漏加裝100HP變頻器控制

134,736元預估改善後每月耗電費

48,384元每月節省電費

183,120元改善前每月耗電費

回收年限:投入經費： NT$ 1,370,000預估回收年限 : 2.43 年

每年抑低CO2排放量︰155.6 公噸/年

(CO2換算值，每KWH為 0.67Kg)



約定契約容量1000 kW ，因製造量減少，96年8月契約容量改為920kW 最高需量882~1054kW都在契約容量附近功率因數98﹪，整年電費839萬元

電費單

0

100,000

200,000

300,000

400,000

500,000

600,000

700,000

800,000

900,000

1,000,000

1,100,000

95年

11月

95年

12月

96年

1月

96年

2月

96年

3月

96年

4月

96年

5月

96年

6月

96年

7月

96年

8月

96年

9月

96年

10月

元

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

電費金額

契約容量

kW

最高需量

kW

功率因數

%

%, KW



改善前狀況說明五台定頻螺旋空壓機分散在各廠區，廠房面積遼闊，無法彼此支援。空氣管路小，末端用氣不足，影響生產。各空壓機僅能以空重載來控制，空載時能源浪費。壓縮空氣洩漏、儲氣槽手動排水耗能。

改善措施集中建置中央供氣的空壓站，統一供應全場需求。改裝一台100HP為變頻器，降低空車運轉能源浪費。修改全廠空壓為環狀管路，穩定壓力供應。利用非上班日(或夜間)，獨立讓空壓機運轉，全面檢修空壓機管路及全廠機器設備洩漏氣部位，將洩漏氣部位作維修處理及實施改善。加裝無耗氣式排水裝置。



改善前空壓機位置與管路示意圖

48m

原 3” 管線

原 2” 管線

30 m

144m

30 m

10 m

54 m

42 m

78 m

原1.5” 管線

30 m

72 M

NO:350HP

NO:2100HP

NO:1100HP

NO:4 50HPNO:5 100HP



改善後增設管路示意圖

48m

空壓機房18 x 6 m

原 3” 管線

原 2” 管線

30 m

144m

30 m

10 m

54 m

42 m

78 m

原11/ 2” 管線

30 m

7.5 m

72 M

3”施工管路

NO.350HP

NO.450HP

NO.1100HP

NO.2100HP

NO.5100HP

空壓機室



-48384134736160.4改善後總計183120218改善前總計

750967509610089.4改善後:100HP 空壓機000改善前:100HP 空壓機NO5

-31920000改善後:50HP 備用空壓機3192010038改善前:50HP 空壓機NO4

-31920000改善後:50HP備用空壓機3192010038改善前:50HP 空壓機NO3

-72240000改善後:當備用機7224010086改善前:100HP 空壓機NO2

1260059640變頻71改善後:100HP 變頻空壓機

470405556改善前:100HP 空壓機NO1

月節省電費(1度=2.5元)

月能源費用NT(月28日)

稼動率%(重車率)

輸入功率kW空壓機

改善前後節能比較



改善後 _ 空壓系統節能計算改善前狀況

五台空壓機同時運轉(稼動率介於38～86 %) ，平均輸入功率218 kW全年耗電約: 878,976 kW-h(實耗功率 × 12 H × 28 D × 12 M)

改善後狀況加裝100HP變頻控制器，並實施管路洩漏檢測等維護。

空壓機運轉 + 變頻控制，平均輸入功率160.4 kW 。全年耗電約: 646,732 kW-h (實耗功率 × 12 H × 28 D × 12 M) 。



空壓系統節能改善效益：(1)每年改善後節能: 878,976-646,732=232,244 kW-h

每年改善後節能比率：27 %(改善後節能 ÷ 改善前年總耗電度)

(2)每年改善後節省流動電費: NT$ 580,608(每kW-h 設為NT$2.5)

(3)投入經費：NT$ 1,370,000

預估回收年限 : 2.43 年 (經補助後回收年限



改善後空壓機室全景

變頻器控制箱

新裝鋼管

加裝無耗氣式排水裝置

現場施工作業實景


沅水公司空壓系統改善實例

57,334元預估改善後每月電費


69,241元改善前每月電費

沅水企業是一家工業清潔工程服務業公司，公司位於高雄市小港區，在雲林台西設立全自動噴砂與噴漆工廠，專業表面清除加工、大工作物之加工、前處理加工、應力消除加工等服務的廠商。使用1台定頻50HP空壓機。

改善措施:加裝50HP變頻器控制全廠管路查漏契約容量(250千瓦 )檢討

KW

0

50

100

150

200

250

300

95_1

095

_11

95_1

296

_196

_296

_396

_496

_596

_696

_796

_896

_9

月

契約容量KW

尖峰最高需量KW

沅水公司需量與實際用電量比較

回收年限:投入經費： NT$ 320,000預估回收年限 : 2.24 年



重車

空車

能源浪費能源浪費

能源浪費

能源浪費

重車重車空車空車

能源消耗

100%

70%

50%

變頻控制



電費單

0

10,00020,000

30,000

40,000

50,00060,000

70,000

80,00090,000

100,000

95年

10月

95年

11月

95年

12月

96年

1月96

年2月

96年

3月96

年4月

96年

5月96

年6月

96年

7月96

年8月

96年

9月

元

0

50100

150

200

250300

350

400450

500

電費金額

契約容量

kW

尖峰最高

需量kW

功率因數

%

%, KW

功因 73%



改善前狀況說明50HP CECCATO CSC-50螺旋空壓機(氣冷/微油式)

空壓機置放空間 → 在噴砂噴漆設備旁廠內環境關係 → 空氣混濁、落塵量大、進氣口易堵塞。唯一連續性運轉設備(每日至少8個小時以上)

壓縮空氣洩漏嚴重廠內有二套自動噴漆與噴砂清理設備手工噴漆設備

改善措施利用非上班日(或夜間)，獨立讓空壓機運轉，全面檢修空壓機管路及全廠機器設備洩漏氣部位，將洩漏氣部位作維修處理及實施改善。另加裝50HP變頻器降低空車運轉能源浪費。降低契約容量。(建議)



節能效益計算

76,1216,343837718.21實際改善後: 50HP 變頻空壓機

──────14,72032改善前: 50HP 定頻空壓機

年節省電費(1度=2.3元)

月節省電費(1度=2.3元)

月能源費用NT(月25日)

輸入功率kW

CECCATO CSC—5050HP 37KW

註：月能源費用=輸入功率* 8 * 25 * 2.3月節省電費=改善前費用-改善後費用



改善後 _ 空壓系統節能計算改善前狀況

平均輸入功率 32 kW(稼動率57 %) 。全年耗電約: 76,800 kW-h(實耗功率 × 8 H × 25 D × 12 M) 。

改善後狀況加裝50HP變頻控制器，並實施管路洩漏檢測維護。空壓機運轉 + 變頻控制，平均輸入功率18.21kW 。全年耗電約: 43,704 kW-h(實耗功率 × 8 H × 25 D × 12 M) 。



空壓系統節能改善效益：(1)每年改善後節能: 76,800-43,704=33,096 kW-h

每年改善後節能比率：43 % (改善後節能 ÷ 改善前年總耗電度)

(2)每年改善後節省流動電費: NT$ 76,121(每kW-h 設為NT$2.3)

契約容量由250kW降低至220kW，節省基本電費

=(250-220)*(223.6*4+166.9*8)= NT$ 66,888

故每年電費總節省金額=空壓系統改善節能電費+契約容量節省電費

=76,121+66,888 = NT$ 143,009

(3)投入經費：NT$ 320,000

預估回收年限 : 2.24 年 (經補助後回收年限



空壓機馬達

變頻控制操作面板

空氣儲存桶壓力感知器安裝

馬達皮帶傳動設備



台吉公司幫浦系統改善實例

2,647元預估改善後每月耗電費


10,551元改善前每月耗電費

台吉機械公司主要開發懸臂鑚床、車床等工具機及相關產業半成品代工製造(如鋁製品、鑄件品等零件)為主。油壓幫浦一直全載運轉。

改善措施:5套油壓幫浦更改為可變柱塞幫浦5套一般馬達更改為高效率馬達全廠管路查漏

原有油壓系統改善後油壓系統

回收年限:投入經費： NT$ 110,000預估回收年限 : 1.16 年




約定契約容量為40千瓦，整年總電費55萬元。功率因數從95年7月後即為100﹪，這顯示進相電容加的太大所致。超約附加費每個月平均要13971元

C公司電費單

0

10,000

20,000

30,000

40,000

50,000

60,000

70,000

95年

6月95

年7月

95年

8月95

年9月

95年

10月

95年

11月

95年

12月

96年

1月96

年2月

96年

3月96

年4月

96年

5月元

0

20

40

60

80

100

120

140

總用電(元)

超約附加

費(元)

契約容量

(kw)

最高需量

(kw)

功率因

素%

%, KW

功因100%

相位超前

超約罰款金額



耗能總表

550057100166120總計

167652----------超約附加費(元)

29020.61119雜項

59321.52579電燈

187594.98156風扇

951352541363油壓幫浦系統

6540117.128435冷卻系統

533881423212空氣壓縮機

14088836.961256工具機

費用($)

總電力使用百分比(%)

電力使用(kWh)

設備



改善前狀況說明原設計工件夾持油壓系統之油壓幫浦一直產生90bar油壓，使幫浦與馬達溫度上升，造成油壓系統效率低，耗能高。

冷卻系統一直連續動作，電流4.4A，設定要32℃，實際是36℃，無法降低至設定溫度。

管路漏氣。

最高需量超過契約容量40kW ，常遭罰款。

改善措施5套油壓幫浦更改為可變柱塞幫浦。5套一般馬達更改為高效率馬達。全廠管路查漏。

調升契約容量40kW -> 49kW 。



62228總計

8150214058 %0.673.31高效率馬達2HP+可變柱塞幫浦

6215106 %1.935.882HP馬達+幫浦5

16358197660 %0.613.4高效率馬達2HP+可變柱塞幫浦

10155109 %3.1510.43HP馬達+幫浦4

16030210858 %0.663.37高效率馬達2HP+可變柱塞幫浦

10123103 %3.149.743HP馬達+幫浦3

13244208256 %0.643.26高效率馬達2HP+可變柱塞幫浦

870492 %2.78.83HP馬達+幫浦2

8446190259 %0.593.39高效率馬達2HP+可變柱塞幫浦

6125103 %1.96.142HP馬達+幫浦1

改善後設備

年節省電費(1度=2元)

元

年能源費用kW

負載比例%

輸入功率kW

輸入電流Ai

改善前設備套數

5套馬達+幫浦設備改善前後比較表



改善後 _ 油壓系統節能計算改善前狀況

五套油壓系統與冷卻系統持續全載運行，平均輸入功率25.36 kW 。全年耗電約: 63,306 kW-h(實耗功率 × 48 H/週× 52週/年)

改善後狀況

原來搭配2HP馬達更改為2HP高效率感應馬達，可將油壓幫浦持壓電流降低由6A降至3.5A，仍維持原先功能。另外3台3HP一般馬達可用2HP高效率感應馬達取代，油壓幫浦持壓電流降低由9A降至3.5A，平均輸入功率6.36 kW 。全年耗電約: 15,882 kW-h (實耗功率 × 48 H/週× 52週/年) 。



幫浦系統節能改善效益

每年改善後節能: 63,306-15,882= 47,424 kW-h

每年改善後節能比率：74 % (改善後節能 ÷ 改善前年總耗

電度)

每年改善後節省流動電費: NT$ 94,848(每kw-h 設為NT$2)

投入經費：NT$ 110,000

預估回收年限 : 1.16年 (經補助後回收年限


更新前原有油壓系統

漏氣檢查

更新後油壓系統

實際裝置漏氣例子




結論

馬達更換為高效率馬達可提升效率，節省電費。

除馬達之外，系統改善更重要且佔節能大部分。

馬達使用電力費用遠大於購置費用，購買時即需購

買高效率馬達才划算。

壓縮空氣系統的節能，主要為降低用氣量及提升運

轉效率，部分負載時變頻控制是有效的方法。

針對系統事前診斷出主要問題，對症下藥，可收事

半功倍效果。


謝謝!敬請指教

1.輔導相關辦法請至高效率馬達資訊交流網站下載 http://hem.org.tw/

2. 工研院機械所沈宗福 tel: (03) 5917767 fax: (03) 5826121310 新竹縣竹東鎮中興路四段195號22館301室 K100

電子信箱：[email protected]


－－－－94.594.594.194.5270200

－－93.694.194.194.193.694.1215160

－－93.694.194.194.193.694.1175132

92.492.493.694.194.194.192.493.6150110

92.492.493.093.093.693.692.493.612590

92.491.793.093.093.093.691.792.410075

92.491.792.492.493.093.091.791.77555

91.092.092.492.492.492.491.791.76045

90.290.291.791.791.791.791.091.05037

89.589.591.791.791.791.790.290.24030

89.589.591.090.291.091.089.589.53022

88.587.590.290.290.291.089.589.52518.5

88.587.589.588.589.589.588.588.52015

87.586.588.588.589.589.587.588.51511

87.586.588.587.587.587.586.587.5107.5

86.582.586.587.586.587.585.586.57.55.5

85.582.585.585.585.585.582.585.55.54

85.582.585.585.585.585.582.585.553.7

84.081.584.085.584.085.581.582.543

84.081.584.085.584.085.581.582.532.2

82.580.082.584.081.581.581.581.521.5

70.070.077.077.080.080.072.07210.75

68.068.068.068.070.070.068.068.00.750.55

66.066.066.066.068.068.066.066.00.50.37

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工廠節能改善案例介紹 -...

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