高效節(jié)能電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

秦洪衛(wèi) 董 菁

1.中共黑龍江省委黨校(省行政學(xué)院) 哈爾濱 150080 2.國(guó)網(wǎng)黑龍江省哈爾濱呼蘭供電有限公司 哈爾濱 150093

1 我國(guó)電機(jī)能效現(xiàn)狀

2020年9月22日,我國(guó)在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出,二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值,努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。

雙碳目標(biāo)作為重大戰(zhàn)略決策部署,體現(xiàn)了我國(guó)低碳發(fā)展的決心與信心,體現(xiàn)了我國(guó)作為大國(guó)實(shí)現(xiàn)節(jié)能高效發(fā)展的決心與信心,深受國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注與認(rèn)可。

電機(jī)作為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的核心設(shè)備,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)重要作用。2016年,我國(guó)電機(jī)裝機(jī)容量為20億kW,用電量為3.6萬億kWh,我國(guó)電機(jī)能效的整體水平比國(guó)際先進(jìn)電機(jī)水平仍低10%左右,還有很大提升空間。相比普通電機(jī),高效節(jié)能電機(jī)具有低損耗、高效率的特點(diǎn),特別是超高效電機(jī),相比普通電機(jī)效率大大提升[1]。實(shí)現(xiàn)電機(jī)高效節(jié)能,對(duì)整個(gè)國(guó)家的節(jié)能具有重要意義。

我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中能源浪費(fèi)比較嚴(yán)重,其中很大一部分由電機(jī)低效的運(yùn)轉(zhuǎn)所導(dǎo)致。目前,國(guó)內(nèi)市場(chǎng)大多數(shù)還是采用普通電機(jī),高效節(jié)能電機(jī)的應(yīng)用范圍較為有限。從技術(shù)上來講,高效節(jié)能電機(jī)通過采用新的工藝和新的原材料,優(yōu)化電機(jī)配套系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)的整體節(jié)能效果。相比普通電機(jī),高效節(jié)能電機(jī)的節(jié)能效果能夠提升4個(gè)百分點(diǎn)以上。以2020年為例,根據(jù)國(guó)家能源局發(fā)布的《2020年中國(guó)全社會(huì)用電量數(shù)據(jù)》,我國(guó)全社會(huì)用電量為7.5萬億kWh,如果按照4個(gè)百分點(diǎn)計(jì)算,能夠?qū)崿F(xiàn)全年節(jié)電3 000億kWh以上,換算為標(biāo)準(zhǔn)煤,可以減少燃燒超過1億t標(biāo)準(zhǔn)煤,相應(yīng)能夠減少二氧化碳和二氧化硫等氣體的排放。

縱觀發(fā)達(dá)國(guó)家的電機(jī)發(fā)展,已基本完成高效節(jié)能電機(jī)的配套標(biāo)準(zhǔn)制定與法令保障,并在大部分地區(qū)實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能電機(jī)的推廣應(yīng)用,逐步朝超高效節(jié)能電機(jī)的方向發(fā)展。

因此,我國(guó)機(jī)電行業(yè)要在雙碳目標(biāo)的約束下,積極發(fā)展高效節(jié)能電機(jī),助力國(guó)家經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展,以高效節(jié)能電機(jī)助力工業(yè)領(lǐng)域節(jié)能減排,這也是碳達(dá)峰和碳中和重大戰(zhàn)略目標(biāo)決策中的應(yīng)有之舉。

2 高效節(jié)能電機(jī)概況

電機(jī)基于電磁感應(yīng)定律來實(shí)現(xiàn)電能的傳遞或轉(zhuǎn)換。電機(jī)在傳遞和轉(zhuǎn)換電能的過程中,因損耗、傳遞轉(zhuǎn)換等因素,會(huì)造成輸出能量小于輸入能量,即存在能效問題。電機(jī)系統(tǒng)是由電機(jī)及其配套設(shè)備而組成的工作系統(tǒng),配套設(shè)備主要包括變頻器、伺服器等。高效節(jié)能電機(jī)的能效比傳統(tǒng)電機(jī)高,在同樣輸入能量的情況下,能夠獲得更多的輸出能量。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),高效節(jié)能電機(jī)相比普通電機(jī),能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能4個(gè)百分點(diǎn)以上,有的甚至超過10個(gè)百分點(diǎn),近年來出現(xiàn)的永磁稀土高效電機(jī),節(jié)能效果甚至超過15個(gè)百分點(diǎn)[2]。

電機(jī)實(shí)現(xiàn)節(jié)能有兩個(gè)層面含義。一是通過減少電機(jī)自身能量的損耗,提高電機(jī)的效率,達(dá)到節(jié)能目標(biāo)。二是通過改善優(yōu)化電機(jī)的運(yùn)行環(huán)境,如提升電機(jī)負(fù)載率,使系統(tǒng)匹配更加合理,消除大馬拉小車現(xiàn)象,從而實(shí)現(xiàn)整體效能提升的目標(biāo)。

高效節(jié)能電機(jī)相比傳統(tǒng)電機(jī)具有明顯優(yōu)點(diǎn)。一方面,高效節(jié)能電機(jī)能實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能,長(zhǎng)期運(yùn)行成本可大大降低。對(duì)于一些行業(yè)設(shè)備,如壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵等,節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益明顯,在短期內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)收回購(gòu)置成本的目標(biāo)。以永磁稀土高效電機(jī)為例,節(jié)能效果超過15個(gè)百分點(diǎn),對(duì)于功率為50 kW的電機(jī)而言,如果將普通電機(jī)換為永磁稀土高效電機(jī),在一年內(nèi)即可抵消因更換高效節(jié)能電機(jī)而產(chǎn)生的費(fèi)用。另一方面,高效節(jié)能電機(jī)無論是在電機(jī)自身能耗傳輸方面,還是在整個(gè)配套系統(tǒng)優(yōu)化方面,都體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì),所具有的高傳輸比、高功率因數(shù)都能夠優(yōu)化整個(gè)電力傳輸系統(tǒng),并且對(duì)于上下游控制模塊的優(yōu)化都有牽動(dòng)作用,可以進(jìn)一步提升節(jié)能效果[3]。

3 高效節(jié)能電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

從國(guó)內(nèi)電機(jī)市場(chǎng)整體看,已基本實(shí)現(xiàn)了供需平衡,但是細(xì)分看,國(guó)內(nèi)高端電機(jī)供不應(yīng)求,而中低端電機(jī)產(chǎn)能存在一定過剩。高效節(jié)能電機(jī)作為高端電機(jī),隨著國(guó)家能源戰(zhàn)略的調(diào)整和變化,在市場(chǎng)整合中愈發(fā)凸顯優(yōu)勢(shì),地位愈加重要。

對(duì)于工業(yè)而言,電機(jī)產(chǎn)品是核心動(dòng)力。電機(jī)對(duì)于國(guó)家發(fā)展水平和產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平關(guān)聯(lián)度較大。一個(gè)工業(yè)體系較為健全和較為先進(jìn)的國(guó)家或地區(qū),其電機(jī)發(fā)展水平自然比較高。一個(gè)注重節(jié)能減排的地區(qū),其工業(yè)領(lǐng)域電機(jī)的高效節(jié)能引導(dǎo)政策肯定會(huì)很好。因此,一個(gè)國(guó)家、一個(gè)地區(qū)如何在電機(jī)發(fā)展中緊跟國(guó)家和產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策,顯得尤為關(guān)鍵。隨著我國(guó)能源戰(zhàn)略的不斷調(diào)整,加之國(guó)家對(duì)環(huán)保工作的重視,電機(jī)逐步走進(jìn)國(guó)家重點(diǎn)關(guān)注視線。早在“十三五”時(shí)期,電機(jī)節(jié)能工程就成為國(guó)家重點(diǎn)節(jié)能工程之一。高效節(jié)能電機(jī)作為國(guó)家節(jié)能減排的重點(diǎn)領(lǐng)域之一,處于至關(guān)重要的位置。在節(jié)能減排大戰(zhàn)略背景下,國(guó)家出臺(tái)了電機(jī)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)和激勵(lì)引導(dǎo)性政策,逐步引導(dǎo)上游設(shè)計(jì)生產(chǎn)企業(yè)、中游銷售流通、下游生產(chǎn)應(yīng)用企業(yè)更多選擇高效節(jié)能電機(jī)。

節(jié)能環(huán)保是世界性熱點(diǎn)問題,有力推動(dòng)了電機(jī)走向節(jié)能高效發(fā)展之路。高效節(jié)能電機(jī)以新的技術(shù)和理念,從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到電機(jī)材料,從生產(chǎn)技術(shù)到設(shè)備能源損耗,不斷提高電機(jī)輸出效率,降低過程損耗,以達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。從世界范圍看,各國(guó)都面臨很高的節(jié)能減排壓力。發(fā)達(dá)國(guó)家先后制定了較為嚴(yán)格和較為成熟的配套法令法規(guī),走上了以高效節(jié)能為主的電機(jī)應(yīng)用推廣之路。從市場(chǎng)來看,高效節(jié)能電機(jī)產(chǎn)地主要分布在歐洲和亞洲,占據(jù)世界近三分之二份額[4]。近年來,隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的提升,我國(guó)科技水平大幅提升,全球高效節(jié)能電機(jī)生產(chǎn)布局逐步轉(zhuǎn)向我國(guó),我國(guó)的高效節(jié)能電機(jī)市場(chǎng)占比逐步提高。雖然我國(guó)是電機(jī)生產(chǎn)大國(guó),但是在高端領(lǐng)域,尤其是高效節(jié)能電機(jī)方面,推廣和應(yīng)用還面臨一些問題和不足。

整體來說,我國(guó)電機(jī)的整體效率低于歐美等發(fā)達(dá)地區(qū)。近年來,隨著國(guó)家節(jié)能環(huán)保政策的調(diào)整變化,政府大力推廣高效節(jié)能電機(jī)的研發(fā)、推廣,出臺(tái)了一系列政策。在政府層面,我國(guó)做了大量工作,從頂層設(shè)計(jì)到具體微觀市場(chǎng),采取了一系列具體舉措,由此使高效節(jié)能電機(jī)的推廣應(yīng)用取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。但與此同時(shí),社會(huì)對(duì)于高效節(jié)能電機(jī)缺乏充分全面認(rèn)知,在高效節(jié)能電機(jī)的研發(fā)投入、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、節(jié)能改造方面主觀能動(dòng)性不足,成為阻礙高效節(jié)能電機(jī)推廣應(yīng)用的因素。一是對(duì)發(fā)展高效節(jié)能電機(jī)重要意義認(rèn)識(shí)不夠。部分企業(yè)對(duì)于推廣發(fā)展高效節(jié)能電機(jī)缺乏全面正確的認(rèn)知,尤其是不能站在節(jié)能減排角度考量思考,不能站在國(guó)家整體戰(zhàn)略大局來思考問題。二是在政策落實(shí)方面效果不佳。在電機(jī)應(yīng)用行業(yè),缺乏統(tǒng)一協(xié)調(diào),未能實(shí)現(xiàn)資源的最大化配置。市場(chǎng)存在根據(jù)個(gè)人意愿選擇現(xiàn)象,而沒有遵循行業(yè)的引導(dǎo)和宣傳[5]。在下游領(lǐng)域,具體使用者往往根據(jù)個(gè)人意愿,更多從經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)際生產(chǎn)角度來選擇電機(jī),缺乏融入整體意識(shí)。在這樣的現(xiàn)狀下,高效節(jié)能電機(jī)很難做到真正的普及推廣。

4 高效節(jié)能電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

隨著新材料、新技術(shù)、新工藝的發(fā)展,電機(jī)的生產(chǎn)技術(shù)、工作流程等得到進(jìn)一步優(yōu)化,電機(jī)朝著能效更高、結(jié)構(gòu)更優(yōu)、體積更小、兼容更強(qiáng)的方向發(fā)展[6]。隨著關(guān)鍵核心技術(shù)的攻破,許多新型電機(jī)問世,如無刷直流電機(jī)、永磁同步或異步電機(jī)等。隨著世界各國(guó)工業(yè)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí),高效節(jié)能電機(jī)呈現(xiàn)了新的發(fā)展趨勢(shì)。

4.1 新型電機(jī)工藝技術(shù)

隨著科技的發(fā)展,新型工藝技術(shù)推動(dòng)了電機(jī)的高效節(jié)能發(fā)展,出現(xiàn)了諸多新型工藝電機(jī)產(chǎn)品,以更高的傳遞轉(zhuǎn)換效能和更低的能耗,實(shí)現(xiàn)更高效節(jié)能。以永磁同步電機(jī)為例,避免了傳統(tǒng)激勵(lì)系統(tǒng)損耗,大大提高了電機(jī)效率,特別是稀土永磁高效電機(jī),能夠做到更輕質(zhì)量、更小體積、更緊湊結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)尺寸和形狀靈活,降低環(huán)境污染,節(jié)省能耗,提升效能。如山東精創(chuàng)開發(fā)的新型高性能永磁無刷電機(jī),能夠以更小體積、更輕質(zhì)量、更緊湊結(jié)構(gòu)、更高密度達(dá)到更高效節(jié)能的目的。

4.2 電機(jī)體系節(jié)能化發(fā)展

電機(jī)高效節(jié)能發(fā)展之路已是大勢(shì)所趨,值得注意的是,對(duì)于電機(jī)而言,節(jié)能不僅僅是電機(jī)本身的高效節(jié)能,更大意義在于電機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能化發(fā)展。如果僅僅將電機(jī)升級(jí)為高效節(jié)能電機(jī),而其配套的系統(tǒng)并沒有優(yōu)化升級(jí),那么整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能效果也不會(huì)理想。電機(jī)系統(tǒng)中除了電機(jī)本身,還有上下游配套的變頻器、伺服器等,這些配置也是電機(jī)實(shí)現(xiàn)能量傳遞和轉(zhuǎn)換的必不可少的環(huán)節(jié),要實(shí)現(xiàn)節(jié)能高效,也要在這方面下功夫。變頻器是電機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的重要路徑之一,對(duì)于泵類和風(fēng)機(jī)等設(shè)備而言,選用變頻器后,能夠通過改變供電頻率,實(shí)現(xiàn)設(shè)備轉(zhuǎn)速的變化,從而控制功率。同時(shí),變頻器采用交替交直流變化供電方式,由異步電機(jī)吸收無功功率,再經(jīng)過變頻器供電,從而提升整個(gè)體系的功率因數(shù),使整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)降低過程損耗。針對(duì)伺服系統(tǒng),采用更先進(jìn)的工藝技術(shù)和材料,以更低的能耗,實(shí)現(xiàn)功率傳輸和轉(zhuǎn)換,從而提升整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的能效。

4.3 電機(jī)系統(tǒng)高效化發(fā)展

對(duì)于電機(jī)控制系統(tǒng)而言,不僅用于實(shí)現(xiàn)能量變換與傳輸,還體現(xiàn)信息的溝通與傳遞。企業(yè)可以將電機(jī)控制系統(tǒng)融入整個(gè)工廠運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)的信息傳遞與獲取中,如主動(dòng)采集記錄電壓、電流、功率、溫度等參數(shù)的改變情況,實(shí)時(shí)傳輸至系統(tǒng)終端,為整個(gè)工廠運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)的診斷與分析提供數(shù)據(jù)支持,使操作人員實(shí)時(shí)掌握和調(diào)用診斷信息,提升整體效率。使用分布式電機(jī)控制系統(tǒng),系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)、程序、外設(shè)等資源都可以由子系統(tǒng)共享。采用模塊化結(jié)構(gòu),根據(jù)環(huán)境和用戶需求,實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分配和管理系統(tǒng),提升系統(tǒng)效能。采用多軸操控電機(jī)技術(shù),實(shí)現(xiàn)電機(jī)操控的靈敏性和精準(zhǔn)化,進(jìn)一步優(yōu)化電機(jī)的分布與結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能。

4.4 電機(jī)系統(tǒng)集成化發(fā)展

隨著技術(shù)的進(jìn)步,產(chǎn)品生產(chǎn)線變得更加復(fù)雜。對(duì)于復(fù)雜工藝產(chǎn)品,在生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)都需要用到變頻器、伺服系統(tǒng)等,來配合完成相應(yīng)工序。在這一過程中,電機(jī)及其配套系統(tǒng)如果能夠?qū)崿F(xiàn)集成化,那么將大大優(yōu)化電機(jī)系統(tǒng),與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比,以更小體積、更輕質(zhì)量、更高功率密度、更高效能完成相關(guān)任務(wù)。同時(shí),可以對(duì)集成概念進(jìn)一步擴(kuò)展,實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)與整個(gè)工業(yè)控制體系的集成,改變傳統(tǒng)分立器件方案,使整個(gè)工業(yè)控制體系以更小的占地面積、更優(yōu)的空間布局、更高的效能,實(shí)現(xiàn)整體高效節(jié)能。

4.5 電機(jī)系統(tǒng)智能化發(fā)展

隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展,智能化成為影響行業(yè)發(fā)展的重要因素。在電機(jī)領(lǐng)域也是如此,發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)在電機(jī)系統(tǒng)智能化方面開展了卓有成效的深入研究,并取得相應(yīng)成果。通過更加智能化的控制技術(shù),能夠更加精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制,以更加高效的模式實(shí)現(xiàn)模糊控制,使被控對(duì)象參數(shù)變化更具魯棒性。根據(jù)產(chǎn)品工藝特性,匹配更加智能化的控制方案,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制,以最低能耗、最高效率實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。