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世界焦点!从IE2一跃而上IE4、IE5,高效工业电机迭代刻不容缓
来源:     时间:2022-11-07 10:32:42

电机能效升级,加速推进

2021年6月1日,新版强制性国家标准GB18613-2020《电动机能效限定值及能效等级》(新国标)正式实施,将国际标准IE5效率列为中国三相异步电动机最高的一级能效等级指标;IE4能效为二级能效指标;IE3能效定为三相异步电动机能效限定值,即三级能效——这意味着,IE3以下能效等级的标准工业电机从去年6月起开始强制停产,IE2能效的电机逐步走向被淘汰替换的道路。

今年6月,国家工信部、发改委等六部门联合发布了《工业能效提升行动计划》,提出到2025年,规模以上工业单位增加值能耗比2020年下降13.5%;并且结合产业发展实际,该行动计划还提出了一系列具体目标,其中包括到2025年,新增高效节能电机占比达到70%以上。


(相关资料图)

而根据信达证券的研究指出,现阶段,中国高效节能电机的市场份额仅为3%左右,大多数电机执行的是IE1或IE2能效标准,电机系统的整体运行效率较发达国家低20%左右,电机行业的新旧产能淘汰势在必行。

工业电机应用现况,任重道远

工业电机是能源消耗的“大户”,也是国家重点用能设备能效提升的专项监察对象。根据《工业能效提升行动计划》的要求,今后将围绕电机、变压器、锅炉等通用用能设备,持续开展能效提升专项行动,加大高效用能设备的应用力度,加强重点用能设备系统匹配性节能改造和运行控制优化——高效节能电机技术的发展已到了刻不容缓的时候。

然而,从现阶段来看,大部分国内工业电机企业在实施能效提升的过程中,仍然面临着两大“瓶颈”:

一是,由于我国中小型企业占比较大,受限于这类型企业的技术开发能力、企业资金投入以及政府扶持力度的差异较大,使得许多企业实现工业品全生命周期绿色制造的能力整体较弱,而一批行业领导企业迈出了坚实的第一步,起到先行示范作用;

二是,中国目前单位GDP能耗水平与发达国家相比更高,且各地区和城市的差异也较大,因此如果需要在全国范围内对工业电机行业进行节能提效的话,还有很长的一段路要走。

高效节能电机,百花齐放

从去年6月1日起,西门子已完全停止了在华生产、销售不符合新国标的电机,实际上,早在2014年,西门子就已经在中国推出了IE3能效的电机,并积极帮助客户推进高能效电机转换;2022年5月西门子发布全新SIMOTICS 1LE0 IE4高能效电机,该系列电机针对中国市场需求而生,研发和生产均在中国完成,旨在推动中国制造业低碳转型。

2022年,ABB电机与发电机发布了多款高低压电机产品,能效等级均达到IE4及以上,满足了市场多样化的需求,它们分别是M3BP IE4低压过程用途电机、M2BAX IE4一般用途电机、M3AL/M3BL IE5磁阻同步电机、M2BJX IE5低压超高效永磁同步电机、M3FT/M3ET高动态响应电机。

卧龙电驱在今年推出了WEPM系列变频调速永磁电机,采用稀土磁体,强力永久,转矩密度高、功率密度高、功率因数高,能效水平可覆盖IE4、IE5。

要提升电机能效水平,其关键在于有效降低电机的损耗,从目前这批工业电机生产厂商的技术开发路线来看,总体上表现为以下几点:

从传统的感应电机,向稀土永磁及磁阻电机等类型发展,预计高效感应电机和永磁电机将会成为未来一定时期内的主流产品;

从电机的设计和生产工艺方面入手,例如提升电机本体效率,这主要依赖电机自身的电磁方案优化设计、电机绝缘性能优化、电机系统散热结构优化、低损耗材料选型等,搭载永磁技术的电机设备,将在能效提升上具有不可比拟的明显优势;

使用变频器驱动电机提升整体效率,针对泵和风机等负载应用通常使用的阀门控制而言,使用变频驱动可以大幅降低系统的能效损耗;

针对特定应用场景,采用智能优化算法,协助设计人员快速实现节能型电机的优化,以获取优质的定制化解决方案。

西门子SIMOTICS 1LE0 IE4高能效电机

ABB高能效同步磁阻电机

卧龙电驱WEPM系列变频调速永磁电机

变频传动技术,专机专用

在整体电机运行系统中,与执行电机相配套的驱动系统在能效升级中的作用同样不可忽视。以同步磁阻电机为例,这类电机少量或者不应用稀土资源,令制造成本更低,且效率近乎对等永磁同步电机,能效可达到IE4甚至更高,因此目前备受市场用户的青睐。

在驱动技术方面,尽管同步磁阻与永磁同步电机有着较为相似的数学模型,并且在驱动方式的硬件上与成熟的永磁同步电机驱动平台可完全兼容,降低了同步磁阻电机驱动控制系统的成本费用;但由于同步磁阻电机的参数相比于永磁同步电机变化更为剧烈,这也为驱动控制带来了难题。

为此,伟创电气针对同步磁阻电机开环矢量控制技术进行了深入的研究及优化,在软件上根据同步磁阻电机的数学模型特点,开发出专机专用、能够匹配同步磁阻电机驱动算法的开环矢量控制技术,推出了AC330同步磁阻电机专用驱动器,使得综合节能率可高达5%~35%。

伟创电气AC330同步磁阻电机专用驱动器

定制化开发,降低系统能耗

在某些特殊应用领域,一些电机企业通过加强和设备制造商之间的合作,对电机进行定制化设计,尽可能减少传动链系统的损耗,也是一条十分有效的途径。

例如,在船舶领域,丹佛斯携手康明斯完成的首批香港新建渡轮混合动力高速双体渡轮项目中,共有两艘450客位混合动力的高速双体渡轮,总长40米,设计航速23节,额定载客450人,采用了并联混合动力直流组网系统,全船动力系统主要设备由两台康明斯QSK50主机、两台丹佛斯Editron永磁同步电机、四组总计311.2kW·h的动力电池和多台变频器构成。

丹佛斯Editron永磁同步电机可根据航路上不同的运行区域实现发电、电动两种运行模式的切换。在非排放控制区域航行过程中,船舶由主机驱动,同时驱动电机产生电能向电池充电及供给日用负载;而在排放控制区域,电池作为全船能量源,电机驱动船舶行进实现零排放;在配备充电桩的码头长时间靠泊时,该配置亦可满足岸电向电池组充电要求。该系统方案可实现灵活的船舶电驱动模式,在满足香港地区排放要求的同时,也降低了燃油消耗,减少船舶设备维护成本,经济效益和社会效益显著。

后 记

10月20日,国家工业和信息化部发布2022年第23号公告,批准了《YE2 系列(IP23)三相异步电动机技术规范(机座号 160~400)》等1036项行业标准,与电机产品直接相关的标准14项,其中8项标准为修订版本,6项标准为新制订,要求相关企业对换版标准内容,进一步规范电机的设计、生产和制造。随着一系列电机生产制造、能效监察等新国标的正式实施,将有力推动中国高效节能电机的发展在政策和技术的驱动下迈上一个新台阶,而这也是国家实现“碳达峰、碳中和”目标中的一个很重要的组成部分。

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