高效节能电机的发展现状与趋势

秦洪卫 董 菁

1.中共黑龙江省委党校(省行政学院) 哈尔滨 150080 2.国网黑龙江省哈尔滨呼兰供电有限公司 哈尔滨 150093

1 我国电机能效现状

2020年9月22日,我国在联合国大会上提出,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。

双碳目标作为重大战略决策部署,体现了我国低碳发展的决心与信心,体现了我国作为大国实现节能高效发展的决心与信心,深受国际社会的广泛关注与认可。

电机作为工业生产领域的核心设备,在国民经济发展中占据重要作用。2016年,我国电机装机容量为20亿kW,用电量为3.6万亿kWh,我国电机能效的整体水平比国际先进电机水平仍低10%左右,还有很大提升空间。相比普通电机,高效节能电机具有低损耗、高效率的特点,特别是超高效电机,相比普通电机效率大大提升[1]。实现电机高效节能,对整个国家的节能具有重要意义。

我国工业生产中能源浪费比较严重,其中很大一部分由电机低效的运转所导致。目前,国内市场大多数还是采用普通电机,高效节能电机的应用范围较为有限。从技术上来讲,高效节能电机通过采用新的工艺和新的原材料,优化电机配套系统,能够实现电机系统的整体节能效果。相比普通电机,高效节能电机的节能效果能够提升4个百分点以上。以2020年为例,根据国家能源局发布的《2020年中国全社会用电量数据》,我国全社会用电量为7.5万亿kWh,如果按照4个百分点计算,能够实现全年节电3 000亿kWh以上,换算为标准煤,可以减少燃烧超过1亿t标准煤,相应能够减少二氧化碳和二氧化硫等气体的排放。

纵观发达国家的电机发展,已基本完成高效节能电机的配套标准制定与法令保障,并在大部分地区实现了高效节能电机的推广应用,逐步朝超高效节能电机的方向发展。

因此,我国机电行业要在双碳目标的约束下,积极发展高效节能电机,助力国家经济可持续发展,以高效节能电机助力工业领域节能减排,这也是碳达峰和碳中和重大战略目标决策中的应有之举。

2 高效节能电机概况

电机基于电磁感应定律来实现电能的传递或转换。电机在传递和转换电能的过程中,因损耗、传递转换等因素,会造成输出能量小于输入能量,即存在能效问题。电机系统是由电机及其配套设备而组成的工作系统,配套设备主要包括变频器、伺服器等。高效节能电机的能效比传统电机高,在同样输入能量的情况下,能够获得更多的输出能量。根据数据统计,高效节能电机相比普通电机,能够实现节能4个百分点以上,有的甚至超过10个百分点,近年来出现的永磁稀土高效电机,节能效果甚至超过15个百分点[2]。

电机实现节能有两个层面含义。一是通过减少电机自身能量的损耗,提高电机的效率,达到节能目标。二是通过改善优化电机的运行环境,如提升电机负载率,使系统匹配更加合理,消除大马拉小车现象,从而实现整体效能提升的目标。

高效节能电机相比传统电机具有明显优点。一方面,高效节能电机能实现高效节能,长期运行成本可大大降低。对于一些行业设备,如压缩机、风机、水泵等,节能经济效益明显,在短期内能够实现收回购置成本的目标。以永磁稀土高效电机为例,节能效果超过15个百分点,对于功率为50 kW的电机而言,如果将普通电机换为永磁稀土高效电机,在一年内即可抵消因更换高效节能电机而产生的费用。另一方面,高效节能电机无论是在电机自身能耗传输方面,还是在整个配套系统优化方面,都体现出明显优势,所具有的高传输比、高功率因数都能够优化整个电力传输系统,并且对于上下游控制模块的优化都有牵动作用,可以进一步提升节能效果[3]。

3 高效节能电机发展现状

从国内电机市场整体看,已基本实现了供需平衡,但是细分看,国内高端电机供不应求,而中低端电机产能存在一定过剩。高效节能电机作为高端电机,随着国家能源战略的调整和变化,在市场整合中愈发凸显优势,地位愈加重要。

对于工业而言,电机产品是核心动力。电机对于国家发展水平和产业发展水平关联度较大。一个工业体系较为健全和较为先进的国家或地区,其电机发展水平自然比较高。一个注重节能减排的地区,其工业领域电机的高效节能引导政策肯定会很好。因此,一个国家、一个地区如何在电机发展中紧跟国家和产业发展政策,显得尤为关键。随着我国能源战略的不断调整,加之国家对环保工作的重视,电机逐步走进国家重点关注视线。早在“十三五”时期,电机节能工程就成为国家重点节能工程之一。高效节能电机作为国家节能减排的重点领域之一,处于至关重要的位置。在节能减排大战略背景下,国家出台了电机强制性标准和激励引导性政策,逐步引导上游设计生产企业、中游销售流通、下游生产应用企业更多选择高效节能电机。

节能环保是世界性热点问题,有力推动了电机走向节能高效发展之路。高效节能电机以新的技术和理念,从产品设计到电机材料,从生产技术到设备能源损耗,不断提高电机输出效率,降低过程损耗,以达到节能环保的目的。从世界范围看,各国都面临很高的节能减排压力。发达国家先后制定了较为严格和较为成熟的配套法令法规,走上了以高效节能为主的电机应用推广之路。从市场来看,高效节能电机产地主要分布在欧洲和亚洲,占据世界近三分之二份额[4]。近年来,随着我国经济水平的提升,我国科技水平大幅提升,全球高效节能电机生产布局逐步转向我国,我国的高效节能电机市场占比逐步提高。虽然我国是电机生产大国,但是在高端领域,尤其是高效节能电机方面,推广和应用还面临一些问题和不足。

整体来说,我国电机的整体效率低于欧美等发达地区。近年来,随着国家节能环保政策的调整变化,政府大力推广高效节能电机的研发、推广,出台了一系列政策。在政府层面,我国做了大量工作,从顶层设计到具体微观市场,采取了一系列具体举措,由此使高效节能电机的推广应用取得了长足进步。但与此同时,社会对于高效节能电机缺乏充分全面认知,在高效节能电机的研发投入、产品设计、节能改造方面主观能动性不足,成为阻碍高效节能电机推广应用的因素。一是对发展高效节能电机重要意义认识不够。部分企业对于推广发展高效节能电机缺乏全面正确的认知,尤其是不能站在节能减排角度考量思考,不能站在国家整体战略大局来思考问题。二是在政策落实方面效果不佳。在电机应用行业,缺乏统一协调,未能实现资源的最大化配置。市场存在根据个人意愿选择现象,而没有遵循行业的引导和宣传[5]。在下游领域,具体使用者往往根据个人意愿,更多从经济效益和实际生产角度来选择电机,缺乏融入整体意识。在这样的现状下,高效节能电机很难做到真正的普及推广。

4 高效节能电机发展趋势

随着新材料、新技术、新工艺的发展,电机的生产技术、工作流程等得到进一步优化,电机朝着能效更高、结构更优、体积更小、兼容更强的方向发展[6]。随着关键核心技术的攻破,许多新型电机问世,如无刷直流电机、永磁同步或异步电机等。随着世界各国工业制造业的转型升级,高效节能电机呈现了新的发展趋势。

4.1 新型电机工艺技术

随着科技的发展,新型工艺技术推动了电机的高效节能发展,出现了诸多新型工艺电机产品,以更高的传递转换效能和更低的能耗,实现更高效节能。以永磁同步电机为例,避免了传统激励系统损耗,大大提高了电机效率,特别是稀土永磁高效电机,能够做到更轻质量、更小体积、更紧凑结构,实现尺寸和形状灵活,降低环境污染,节省能耗,提升效能。如山东精创开发的新型高性能永磁无刷电机,能够以更小体积、更轻质量、更紧凑结构、更高密度达到更高效节能的目的。

4.2 电机体系节能化发展

电机高效节能发展之路已是大势所趋,值得注意的是,对于电机而言,节能不仅仅是电机本身的高效节能,更大意义在于电机系统的节能化发展。如果仅仅将电机升级为高效节能电机,而其配套的系统并没有优化升级,那么整个系统的节能效果也不会理想。电机系统中除了电机本身,还有上下游配套的变频器、伺服器等,这些配置也是电机实现能量传递和转换的必不可少的环节,要实现节能高效,也要在这方面下功夫。变频器是电机系统实现节能的重要路径之一,对于泵类和风机等设备而言,选用变频器后,能够通过改变供电频率,实现设备转速的变化,从而控制功率。同时,变频器采用交替交直流变化供电方式,由异步电机吸收无功功率,再经过变频器供电,从而提升整个体系的功率因数,使整个电机系统降低过程损耗。针对伺服系统,采用更先进的工艺技术和材料,以更低的能耗,实现功率传输和转换,从而提升整个电机系统的能效。

4.3 电机系统高效化发展

对于电机控制系统而言,不仅用于实现能量变换与传输,还体现信息的沟通与传递。企业可以将电机控制系统融入整个工厂运转系统的信息传递与获取中,如主动采集记录电压、电流、功率、温度等参数的改变情况,实时传输至系统终端,为整个工厂运转系统的诊断与分析提供数据支持,使操作人员实时掌握和调用诊断信息,提升整体效率。使用分布式电机控制系统,系统中的数据、程序、外设等资源都可以由子系统共享。采用模块化结构,根据环境和用户需求,实时动态分配和管理系统,提升系统效能。采用多轴操控电机技术,实现电机操控的灵敏性和精准化,进一步优化电机的分布与结构,实现高效节能。

4.4 电机系统集成化发展

随着技术的进步,产品生产线变得更加复杂。对于复杂工艺产品,在生产的各个环节都需要用到变频器、伺服系统等,来配合完成相应工序。在这一过程中,电机及其配套系统如果能够实现集成化,那么将大大优化电机系统,与传统系统相比,以更小体积、更轻质量、更高功率密度、更高效能完成相关任务。同时,可以对集成概念进一步扩展,实现电机系统与整个工业控制体系的集成,改变传统分立器件方案,使整个工业控制体系以更小的占地面积、更优的空间布局、更高的效能,实现整体高效节能。

4.5 电机系统智能化发展

随着新一代信息技术的发展,智能化成为影响行业发展的重要因素。在电机领域也是如此,发达国家已经在电机系统智能化方面开展了卓有成效的深入研究,并取得相应成果。通过更加智能化的控制技术,能够更加精准地实现电机控制,以更加高效的模式实现模糊控制,使被控对象参数变化更具鲁棒性。根据产品工艺特性,匹配更加智能化的控制方案,实现精准控制,以最低能耗、最高效率实现电机控制。