电机系统节能 让夕阳工业东山再起——专访清华大学电力系统国家重点实验室副主任赵争鸣

文/本刊记者 贾常艳/

赵争鸣：清华大学电机工程与应用电子技术系教授，清华大学电力系统国家重点实验室副主任。主要从事研究方向为：大容量电力电子变换器、电机系统节能、电力电子与电机集成系统、太阳能光伏发电及其应用等。先后在国际学术刊物、国际会议以及国内核心刊物上发表300多篇有关学术论文，编著《太阳能光伏发电及其应用》和《电力电子与电机系统集成分析基础》等科技书籍6本，获得国家发明专利24项；获多项省部级科技成果奖。目前兼任北京电力电子学会副理事长，IEEE电力电子学会北京分部主席，中国电力电子学会副理事长，机械工业教育协会电气工程与自动化学科教学委员会副主任，英国工程与技术学会会士（IET Fellow）等。

19世纪世界上第一台电机问世，其在随后的广泛应用促进了整个工业文明的进步与发展。在中国，电机耗电量日益增大，目前我国一年电机保有量约17亿千瓦，总耗电量约3万亿千瓦，电机成为用电量最大的耗电机械。日前，工信部就《电机能效提升计划（2012-2015年）》召开发布会，力争全面推动电机能效提升，促进工业系统升级。电机能效的提升越来越受到重视。本刊就电机能效的提升问题专访了清华大学电力系统国家重点实验室副主任赵争鸣，他指出了电机系统节能在电机能效提升中的重要性，并全面的阐述了电机系统节能存在的问题及解决方案。

《电器工业》：请您介绍一下我国电机系统节能的发展历程和现状。

赵争鸣：电机行业作为具有一百多年历史的老行业，曾在上世纪五六十年代是一个比较前沿的行业，后来由于信息工业化的发展，电机行业从前沿走向低谷，成为“夕阳工业”。最近几年，随着能源战略地位的提升和信息工业化的发展，节约资源和环境保护成为我国的基本国策，电机行业发生了很大的变化，此时对电机的关注点不再是以前单纯的电机，而是一个电机系统。同时，电机的本体也发生了很大的变化，各种各样新型的电机开始出现，特别是电动机，在电力电子电源的控制下其设计、分析和控制等发生了很大的变化。这个时候，电机的节能不再是简单的电机本体的节能，而是整个电机系统的节能。

中国在70年代后期开始研究电机调速节能技术。从1980年开始到1986年底，可以说是处于初始阶段。1987年初，有专家集体向中央上书，建议在中国大力推行电机的变频调速节能技术和以及相应的电力电子新技术，组织了各种论证会和研讨会。“七五”期间，很多工科院校都开展了以GTR器件为主的电机变频调速装置的研究。与此同时，中国电机制造行业完成了由Y系列取代原JO到JO2系列中小型电动机的生产转型，能效平均提高了2～3个百分点，并开始酝酿更高能效的Y2系列电动机的设计准备。1987～1989年是中国政府对电机系统调速节能技术进行初步决策的重要阶段。

从1989年到2001的12年是中国电机系统调速节能的初步推广阶段。在这个过程中，我国电机制造界完成了Y2系列电动机的设计、鉴定，之后我国电动机制造企业按美国的高效电机标准生产的电动机占到了全国电动机总产量的5%。1998年开始实施的“中国节能法”第39条把变频调速列入通用节能技术加以推广，有力地推动了电机系统节能市场及变频调速技术的开发和推广。

“十一五”时期的十大节能工程中，其中有一项就是电机系统节能。具初步统计，我国一次能源60%以上都转换成电能，而60%以上的电能都是由电动机转换的，电动机制造的能源比例大约占25%。所以电机的节能是非常有意义的。2001年在当时的国家计委节能司的布置下，我们做了一个中国电机能效的分析与评估，强调了电机系统节能的概念，尤其是调速节能。这十多年来进展很大，首推的变频器为电机系统节能带来了很好的效益。

今年3月工信部提出了《2013年工业节能与绿色发展专项行动实施方案》，重点实施推进电机能效提升，其目标为力争推广、淘汰和节能改造电机及电机系统1亿千瓦。6月工信部下发《2013-2015电机能效提升计划》，拟用3年时间，通过政策引导、标准约束、监督检查和市场化机制，在生产、应用和回收利用等方面全面提升电机领域的利用效能。

《电器工业》：当前，我国电机的能效水平是怎样的？存在哪些问题？

赵争鸣：初步统计分析，目前各类电机的效率加权平均比国外低2～3个百分点，风机和泵的效率要比发达国家低2%～5%，整体在用的电机拖动系统运行效率（由于装备的效率低，设计、选型匹配不合格等原因）比国外低近10～20%。

整体来看，我国电机系统运行效率低、能耗高，主要是电动机及被拖动设备本身效率低，另外系统匹配和调节方式不合理造成系统效率低。我们现在所说的效率通常是指额定点的效率，但是更有意义的应该是整个运行区域的效率，假如电机应用的工况发生变化，效率范围就很重要。在电动机的实际应用中，由于设计裕量、电机选型的过载能力考虑和实际运行中负载率很低等方面的原因，高效电机设计制造的电动机经常处于低效运行状态。低负载率造成的电动机运行效率低下，造成风机、泵类、压缩机等系统能效的大大降低，这种“大马拉小车”的现象比较严重，因此更要求采用调速技术。

此外，电机在设计时的参数匹配不是很好，缺乏匹配原则，为了保证安全性而忽略了效率问题，使这二者没有达到最佳匹配，因此需要在安全性和效率之间找到最优点。

其次，电机本体的损耗（铜耗、铁耗、机械损耗、附加损耗、谐波损耗等）影响了效率的高低。但是损耗的计算和测量都比较难，每个国家的标准不同，效率值也不同，测试的手段和方法也不同。因此效率是个相对概念。尽管效率值通过输入输出的比值来取得，但由于测量方法以及仪器的差异也避免不了误差。

《电器工业》：电机是用电量最大的耗电机械，高效节能电机成为国际发展的趋势。您认为工业领域的电机系统节能应该由哪些主体从哪些方面做起？国外有哪些经验可以借鉴？

赵争鸣：能耗巨大的电机系统是国家节能政策的重点领域,是“十二五”节能减排重点工程之一。我国现有电机能效普遍偏低,节能电机发展潜力巨大。电机是工业领域主要耗电终端产品,装机大约12亿千瓦,占我国工业用电量的75%,电机系统每提高1个百分点,每年可节约260亿度电。初步估计全国电机系统年节电潜力1300亿～2300亿度,相当于2～3个三峡电站的发电量。由此可见，电机系统节能是中国节能市场上最具商业潜力的领域。

电机本体和电机系统的节能共同构成了电机的节能。电机的节能应该由科研机构、制造企业、运行部门以及政府四个主体来带头共同实现。

首先科研机构要明确提出方案来说明哪些方面需要节能，哪些方面是节能的重点，如何评价节能效果等。此外，科研机构在节能技术研发方面起着至关重要的作用。

电机制造企业需要从技术方面提高电机的能效。通过提高材料特性、提高制造工艺水平、改善电机结构、控制电机运行、合理利用电磁转换原理、与提高功率密度相结合、与高功率因数相结合、与散热冷却相结合等途径来提高电机节能的技术水平。企业可以通过增加有效材料，降低绕组损耗和铁耗；采用适用于变频调速的转子结构，减小转子电阻；应用计算机优化设计，降低损耗的方式来改进电机本体结构。在提高材料特性方面，转子损耗约占电动机损耗的20%，减少转子损耗的一半意味着电机的效率可提高0.5%～1.5% ，采用铜转子使电动机效率提高约为2%。主要的问题是铸模的高成本和短寿命——高温模具和压铸工艺。美国，德国，意大利等国家比较多用此方法。日本多选用合适的磁性材料是设计和制造高效率电机的关键，永磁三相同步电动机部分替代三相异步电动机将成为现实，前者的效率比后者高2%～5%，其功率因数接近于1。英国等多采用含硅量适中及低碳、低硫、低氮的坯料和特殊的轧制热处理工艺技术，澳大利亚等国家使用软磁复合材料。在提高工艺制造水平方面，德国、法国采用混合通风结构和轴向通风结构来提高电机的效率值得学习。

高效电机是以材料成本来实现节能，价格比较高，多用材料用好材料造成“节能不节钱”。系统节能包括变频器、风机、水泵、电源等的节能，因此应该针对电机的应用情况来确定其运行方式，具体应用决定了具体的节能方式。而什么样的方式是节能的呢？这就给电机带来了新的问题——电机能效评估。目前电机能效评估缺乏科学的标准，应该有统一的标准从安全、节能、经济等方面来综合考量，而评估最重要的基础之一就是测量。标准不同，测量方式的不统一很容易造成混乱。因此，节能绝不是单一的电机问题，而是系统的问题。这一系列的问题就需要政府来协调，在充分认识到这一问题的基础上，制定科学统一的相关标准，审查监督规范相关评估机构，从源头上保证电机系统节能的真正实现。除此之外，对什么是高效电机，什么是高效电机系统，这些都应该有明确的标准来说明。现在我国绝大部分标准都是采用欧洲IET的标准，政府最重要的就是要抓标准抓评估，同时，制定合理的补贴标准也很有必要。政府原来的补贴都是补贴在高效产品上，但是，高效产品的低效运行并没有起到节能的效果，所以现在看来，补贴更应该补在最终节能效果上面。

《电器工业》：请您分析一下电力行业中电机系统的节能潜力。

赵争鸣：电力系统尤其是发电厂是电动机的应用大户，据统计，一台20万千瓦的汽轮发电机至少需要从33千瓦到1000千瓦的电动机20台以上，折算到20万千瓦功率等级，若全国平均约有500台20万千瓦的发电机，则需要10000台33千瓦到1000千瓦的电动机。电动机的用电占电厂用电量的80%左右。如果电动机的效能提高1%，则每年仅电厂就能节电80亿千瓦时。其次，我国部分电厂在送、引风，灰渣泵，疏水泵，给粉和给煤机上安装变频调速装置后，均取得了较好的效益。从国内电力系统推广应用情况看，还主要局限于中小功率电动机变频调速，大功率电动机变频调速装置为数较少。大功率的风机、泵类电动机虽然数量不多，但在容量上却占了80%以上。再次，我国发电设备高速发展，电力装备制造能力和水平也有了很大的提高。但是电力运行的一些主要指标和装备指标与发达国家仍有差距。比如，我国送到用户的电能比发达国家多耗电9.5%左右，相当于我国22000兆瓦装机的年发电量。因此，大功率变频调速电机及控制装置的应用在国内电力系统的市场前景十分广阔。其中，采用交流变频调速技术来降低厂用电是解决电力行业节能降耗、提高系统技术指标的有力措施之一。

《电器工业》：请您谈谈未来电机系统节能的发展趋势。

赵争鸣：电机系统节能最主要的相关领域产业是电力电子及电气传动，特别是交流电机变频调速产业。我国交流电机变频调速市场发展迅速，每年以12%的速度迅速增长。中国大量的基础设施建设，冶金、煤炭、化工、石油等制造业领域的大量投资为中国电机系统市场创造了巨大的需求，该领域市场前景广阔。电机系统节能将会成为一个颇具发展潜力的产业。但是电机系统节能的发展将会是一个长期而艰巨的任务。

当前，我国现有存量电机中高效电机比重不到5%，因此用高效电机替代低效电机，用高效电机运行替代低效电机运行成为电机产业转型升级的重要方面。此外，电机系统的发展还需要有技术转型、产品转型、体制转型、人才转型的全面配合。

未来，电机系统节能技术促使常规电动机的设计、制造和应用发生变化。国际上高效电机、变频调速电机已形成系列。机电一体化将功率变换器和控制系统集成到电机上，形成智能电机、电子电机等，广泛应用于中小功率传动和家用电器。永磁同步电机、开关磁阻电机、磁悬浮直线电机等新型调速电机应运而生，在机车牵引、电动汽车、大型舰船驱动以及磁悬浮交通等领域中得到应用。

在今后的发展中，我们应该明确认识电机系统节能的系统性，人才的知识结构要全面而系统，基地建设和科研方面也要从系统的角度出发，从而使得电机系统节能乃至整个电机产业的发展更加蒸蒸日上。