在過去十多年間，電機和變頻器技術突飛猛進，通過創新設計實現了驚人的能源效率。然而，目前依然有大量運行中的電機驅動系統（全球總計約3億臺）出現效率低下或耗能過高的問題，導致嚴重的能源浪費。
2021年，中國確立了“雙碳”目標的路線圖，力爭在2030年前達到二氧化碳排放峰值，2060年前實現碳中和。實現“雙碳”目標，既是嚴峻挑戰，又是重大機遇。電機產業的高質量發展，可大幅提升能源利用效率，助力企業低碳轉型，實現綠色低碳可持續發展。
在“雙碳”背景下，傳統的高碳行業如鋼鐵、有色、化工等行業對節能減排降耗的需求最為迫切，電機作為風機、泵、壓縮機、機床、傳輸帶等各種機械設備的驅動裝置，其耗電量約占中國整個工業電耗的60%以上。
去年，《電機能效提升計劃（2021-2023年）》的提出，進一步加強和規范電機能效標準實施和能效市場監管，淘汰低效落后電機，加快高效節能電機應用推廣，對落實碳達峰碳中和目標具有實際的推動意義。
2022年，“雙碳”工作仍將大力推進，節能減排依舊是各企業十分重要的任務。變頻器作為電機控制和節能環保的關鍵部件，其重要性不容忽視，必將迎來更廣闊的發展空間。
電機能效全面提升 助力實現“雙碳”目標
在“碳達峰”和“碳中和”的國家目標下，提高能效是各個涉電行業都面臨的嚴峻挑戰。電機作為電器和其他各種機械的動力源，不僅廣泛應用于各個行業，更是用電大戶。
電機是耗電量最大的單種類設備，根據國際能源署最近的一項調查，電機耗電量占據工業領域耗電量的大約2/3，占大約46%的全球耗電量。在我國，這一數據更為觸目驚心，根據工信部數據，電機能耗約占整個工業能耗的65％以上，占全國總耗電的60%。電機能效每提高1個百分點，可年節約用電260億度左右；如果電機系統效率提升5-8個百分點，每年節約的電量相當于2-3個三峽電站的發電量。
2021年6月1日，GB18613-2020《電動機能效限定值及能效等級》實施，設置合理的電機能效限定值，不但有利于中國如期實現“雙碳”目標，還能推動電機產品能效升級。
2021年11月22日，工信部、市場監管總局印發了《電機能效提升計劃（2021-2023年）》（以下簡稱《計劃》），提出要加快高效節能電機推廣應用，其中包括開展存量電機節能改造，加快淘汰不符合現行國家能效標準要求的落后低效電機。此外，還強調要加大高效節能電機應用力度。
《計劃》中提出，鼓勵鋼鐵、有色、石化、化工、建材、紡織等重點工業行業開展用能設備節能診斷，結合設備能效水平和運行維護情況，評估先進節能技術裝備推廣應用潛力。引導企業實施電機等重點用能設備更新升級，優先選用高效節能電機，加快淘汰不符合現行國家能效標準要求的落后低效電機。
細分負載特性及不同工況，針對風機、水泵、壓縮機、機床等通用設備，鼓勵采用2級能效及以上的電動機。針對變負荷運行工況，推廣2級能效及以上的變頻調速永磁電機。針對使用變速箱、耦合器的傳動系統，鼓勵采用低速直驅和高速直驅式永磁電機。大力發展永磁外轉子電動滾筒、一體式螺桿壓縮機等電動機與負載設備結構一體化設計技術和產品。
到2023年，高效節能電機年產量將達到1.7億千瓦，在役高效節能電機占比達到20%以上，實現年節電量490億千瓦時，相當于年節約標準煤1500萬噸，減排二氧化碳2800萬噸。
有專家指出，《計劃》的提出將為永磁電機和驅動永磁電機的變頻器市場帶來風口。未來，將會有大量的節能高效的永磁電機來替代存量市場中的低效電機，且也會為配套驅動永磁電機的低壓變頻器帶來增長動力。
提高能源效率的措施在幫助工業和基礎設施減少排放方面將起到核心作用。數據顯示，用于驅動樓宇和工業等應用的電機耗費全球約45%的電力，全球尚在運行的電機約有3億臺，而目前只有23%的電機配備了變頻器，升級電機以及配備變頻器可使全球降低10%的耗電量。
ABB中國運動控制事業部負責人戚魯平表示：“ABB提倡使用變頻器，因為當變頻器和電機結合使用時，通常可以降低至少25%的能耗。”
加快高效節能電機應用推廣 變頻器市場迎發展良機
在蘇州偉創電氣科技股份有限公司產品管理部經理王凱看來，《計劃》的核心是以電機系統生產制造、技術創新、推廣應用和產業服務為重點方向，積極實施節能改造升級和能量系統優化，不斷提升電機系統能效，支撐重點行業和領域節能提效，助力實現“雙碳”目標。
目前以永磁同步電機、磁阻電機為代表的高效能電機已開始大量生產并廣泛應用。高效能電機都需要變頻器控制，以永磁同步電機為例，很多情況下都無法直接接入市電，需要配套變頻器驅動使用。因此，隨著高效能電機的應用越來越廣，配套的變頻器市場需求將不斷增大，這無疑給國內變頻器行業的發展注入了一劑強心劑。
另一方面，電機高效能的實現，電機生產企業除了加大節能技改，還需聯合變頻器生產企業不斷適配驅動器來提升電機的性能，拓展電機和變頻器配套使用的節能空間，這將進一步促進變頻器生產企業的市場參與度，并加速變頻器在電機存量市場上的替換步伐。
王凱表示，在高效能電機驅動技術上，偉創電氣2021年初就成立了高效智能行業部，提高關鍵技術的研發和產品迭代，加快變頻器在同步磁阻電機、永磁同步電機、同步直驅電機、高速電機等新型高效節能電機的應用，持續提高能源資源利用效率。目前同步電機驅動技術成熟可靠，同步磁阻電機驅動技術也是碩果累累。
偉創電氣的AC330同步磁阻電機專用變頻器集成了同步磁阻電機的驅動控制理念，開發了全新的矢量控制算法，做了全新的磁鏈觀測器，在純同步磁阻電機以及永磁輔助式同步磁阻電機場合，均有優良的控制效果，同時兼容了異步電機以及永磁同步電機的控制技術，在確保產品高可靠性基礎上，進一步提升了產品的軟件集成度，更好地解決了客戶在產品選型方面的煩惱，配合豐富的擴展接口以及全面的擴展配件，確保了同步磁阻電機驅動應用場合的高可靠性、高穩定性、高適應性。AC330同步磁阻電機專用變頻器目前廣泛應用于塑料機械、空壓機、機床主軸、紡織機械、制藥機械等設備控制，也可用于風機、泵、石油、化工、造紙機械等各種重型機械設備節能。
“電機往往是在工業領域中主要的耗能部分之一，這將推動整個工業領域的雙碳戰略落地。”北京合康新能科技股份有限公司市場部總監余錦全表示，目前，永磁電機的效率高，應用會越來越廣泛，變頻器需要考慮滿足永磁電機的驅動需求。未來越來越多的變頻器將會與永磁電機配套，提升整體節能效率。此外，電機是重要的資產以及生產工具，客戶希望電機能夠延長生命周期，減少停機故障。所以，很多客戶希望未來變頻器能加上預測性維護、資產管理等功能，對電機的保護功能進一步加強。
在“碳達峰”和“碳中和”目標備受關注的當下，綠色低碳可持續發展路徑成為企業的必然選擇，節能高效的電機對制造業企業而言尤為重要。臺達在高能效電機方面，自1999年開始關注，逐步在對各個行業領域實施跟進與應用，積累了大量的關鍵技術經驗。根據目前的工業產業現狀來看，大多是以節能為核心目的。臺達希望新推出的電機產品不僅能獲得市場的認可，還希望新產品能夠在降低稀土消耗、提升設計標準以及增加功率密度的同時減少的耗材使用，從而達到整個電機產品的供應鏈節能降耗的目的。
臺達-中達電通變頻器產品經理李成剛介紹，臺達現有的成熟產品，以“電機高能效控制”為核心的傳動系統是提升產品線競爭力的重要途徑之一。目前全系變頻器產品均能夠以最佳的效率驅動臺達現有的“永磁同步磁阻電機”產品。臺達不僅從電機能效等級方面進行了提升，還將變頻器本身的控制損耗降低到了最低。
C2000Plus系列產品，具備磁場矢量變頻驅動技術，支持有/無編碼器回授的應用情境，為傳動系統提供高性能的速度、轉矩及位置控制。相較于前代機種，C2000Plus系列大幅增強過載能力，最大功率段可達560kW，為各類重型定轉矩負載應用提供最佳的驅動能力與穩定性。豐富的產業應用功能及簡易維修低故障率的自我診斷特色，為終端客戶有效節省建構及營運成本，替用戶掌握致勝先機，提升產業競爭力。
匯川技術在電機領域也深耕多年。擁有汽車級電機平臺，在新能源汽車電機工業，永磁電機領域，市場份額穩居前列；為軌道交通制造牽引電機，并在國內多個城市十余條軌交線路中落地；并為風電變槳、塑料機械、紡織機械等細分行業提供電機專機定制化服務。
作為高精密伺服電機領導者，匯川國內電機市場占有率第一，先后推出MS1小功率永磁伺服電機、ESMG大功率永磁伺服電機、MX無框式直驅電機、MV31通用型永磁同步電機等高效節能電機產品，結合匯川驅動、控制等產品組成優秀的變頻解決方案，助力工業生產效率大幅提升的同時，相較于傳統解決方案平均節能25%以上。
2021年1-10月，出貨高效節能永磁電機300萬臺以上，累計功率300萬千瓦左右，每年為社會節電約50億度電，相當于節能150萬噸標準煤，減排二氧化碳280萬噸。
高效電機、變頻器打組合拳 可顯著節約能源
變頻器是用來控制電機速度的設備，在使用變頻器之前，電機只能分級中斷或是全速運轉，而變頻器則可以將電機無級調節到合適的速度，其廣泛應用可以明顯降低工業能耗，比如在水泵和風機中，變頻器可以將水壓調整到合適的水平，連續調節建筑中的溫度。大約75%的工業電機用于驅動泵、風機和壓縮機，這類設備效率提升潛力巨大。當高效電機與可調節轉速和扭矩的變頻器組合時，可以達到最佳效果。電機只需以實際所需的速度運行來滿足功能要求，從而避免能源浪費以達到節約電能的目的。
從技術角度看，目前單獨提升電機能效的空間有限。北京合康新能科技股份有限公司首席工程師田凱認為，電機的節能是多維度，一是提高電機以及變頻器效率，另外，需要結合生產，自適應輸出。對于變頻器而言，關鍵點是采用新技術、新算法、新拓撲。
李成剛表示，對于臺達而言，技術的關鍵點是提升電機本身的能效。主要難點更多的在于持續不斷的努力將已經擁有100多年歷史沉淀的“電機”產品，通過使用更可靠的技術來優化電機本身的性能與結構，而電機本身的優化也只是“電機能效提升”中的一環，更多的努力還需要優化變頻器的電機控制策略。目前臺達一直在不斷地投入和整合大量的研發資源將精力集中在極具潛力的“永磁同步磁阻電機”產品上，繼而深耕更多的企業客戶。
“驅動同步電機能效，關鍵點之一是在同步電機的參數適配。現階段同步電機與磁阻電機都沒有類似異步電機的國家標準。功率段、型號也是眾多，而且很多高效能電機為定制化產品，所以面對種類繁多的電機類型，變頻器的適配性顯得格外重要。”王凱表示，針對同步電機適配問題，偉創電氣積極尋求和電機生產企業合作，參與電機生產企業新產品的技術研發和功能適配，開發匹配各企業所需電機的自學習方式。通過自主開發的電感參數飽和自學習技術，可獲得不同磁場飽和程度下的電機D、Q軸電感飽和特性參數，并通過MTAP在產生相同轉矩的情況下，最優地分配d-q軸定子電流，使定子電流最小，進而使定子銅耗最小以達到效率最優。
“在市場推廣過程中，我們能夠充分理解用戶關于成本方面的顧慮，但從投資回報看，能效升級所帶來的收益更加明顯。”李成剛指出，目前，臺達將多個領域的研發資源投入到高能效永磁同步磁阻電機和控制方式上，并把二者整合成為“高能效傳動系統”，其具有的現實意義是通過“整合”以降低系統能耗。
傳統的變頻器與電機分離的產業模式，無法有效地達到“目標一致”的整合效果。比如在特定節能場景中，面臨變頻需要適應電機、電機設計特性需要微調等問題，根據以往的經驗，都是通過企業客戶為紐帶，需要分別聯系變頻與電機廠家，而如果使用臺達的“高能效傳動系統”，則僅僅需要考慮此系統的效率，無需分開對比變頻器與電機各自的能效，也無需考慮“高能效電機”與變頻器的匹配問題。
在高耗能企業遇到節能降耗的挑戰之下，臺達也能通過整合各行業、各設備的應用經驗，為企業提供一個“高能效傳動系統”的降耗方案，由企業主導選擇產品方案，臺達再根據方案內容逐步地推進，進而協助企業實施落地，以達到雙方共贏。
以針對二次供水需求為例，臺達推出背負式水泵一體機MPD系列，承襲了臺達產品智能化的發展理念，采用一體化整體設計，更融合驅動器、電機、PLC等功能，產品更加智能，符合變頻恒壓供水系統需求，推動供水技術進入高效、智能、便捷的新時代。
背負式水泵一體機MPD系列順應如今廣泛應用的變頻恒壓供水系統需求，具備多泵冗余、流量估測、汽蝕及高低水壓保護等智能化功能，以及高能效、低噪音、省電柜等優點，是臺達落實智能制造、深悉用戶需求的體現。尤其在能效上，MPD系列達到了系統能效的IES2等級，符合新的IEC61800-9-2標準。配合IE5的臺達同步磁阻電機，為恒壓供水領域帶來了更加智能、節能的成長契機。
如何助力下游企業節能并提升能效，田凱提出，先進的PWM調制技術，比如載波移相技術，可以在保證產品性能的前提下，降低變頻器損耗，提高變頻器效率。此外，變頻器有多種運行模式，比如最小能耗模式，根據現場不同工藝狀況，可以調整輸出電壓、電流，以合適的功率對電機進行輸出，整體降低電機損耗，提升能效。另外還必須要貼合實際工藝，提供整體解決方案，包括變頻器、電機、負載等因素，整體提高能效。比如，合康在某冶金球磨應用上，采用高壓永磁直驅變頻器+高壓永磁電機方案。客戶原來采用的是普通異步電機+減速機+輔傳組成+減速機油站+軟啟動柜油站，整體機構復雜，耗能大，功率因素低。通過合康的方案改造后，在63.5%載荷情況下，電機功率因數已達到0.95，綜合節電率為25%，運行一年多以來，中間只停機2小時，其余時間該設備一直在正常運行中，設備穩定性得到極大提升，故障率大為降低。
企業的核心就是給用戶創造價值，所以在王凱看來，助力下游企業提升能效最好的辦法就是算經濟賬，解決用戶痛點的最優方式就是提供一份《節能方案》。王凱以132kW、380V的異步電機應用現場為例，將其改造成變頻器加同步電機控制器后，綜合節電率在15％左右。以每天工作20小時，全年運行320天，電費為0.7元/度，電機工作效率90%，節電效果暫按最低節電率15%計算，年節省電費=132kW×20小時/天×320天/年×0.7元/度×90%電機工作效率×15%節電效果=79833.6元。
結語
2022年，各項環保、節能的趨勢和政策都在緊鑼密鼓地推進中，特別是高耗能制造企業積極響應節能減排號召，開展新一輪轉型升級，從傳統制造向智能制造過渡，企業生產對于工業設備的性能提出了更高要求。高效能電機的技術突破和應用推廣，需要各大變頻器與電機生產企業，共同協作、優勢互補、不斷創新來推動和落實。
我們相信，隨著全面節能降耗、綠色可持續發展的理念逐漸深入，變頻器企業必將迎來一個發展的黃金時期。
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