導(dǎo)語(yǔ)：電力、工業(yè)和交通三大行業(yè)是“碳排放”主要的來(lái)源，中國(guó)要達(dá)成“碳達(dá)峰”、“碳中和”的任務(wù)目標(biāo)，必須要優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局、改善能源結(jié)構(gòu)。而在工業(yè)領(lǐng)域，亟需實(shí)現(xiàn)提高工業(yè)化程度帶來(lái)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化、落后產(chǎn)能的淘汰和工序設(shè)備的優(yōu)化，以逐步降低能源強(qiáng)度。為此，今年6 月1 日起，將正式實(shí)施中國(guó)最新版強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 18613—2020《電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》，全面升級(jí)電機(jī)能效等級(jí)，這也將帶動(dòng)電機(jī)整體設(shè)計(jì)和傳控技術(shù)的新一輪發(fā)展。
能效等級(jí)全面升級(jí)
繼在2020年9月22日聯(lián)合國(guó)大會(huì)上承諾“中國(guó)將力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”之后，中國(guó)領(lǐng)導(dǎo)人在2021年4月22日“領(lǐng)導(dǎo)人氣候峰會(huì)”上宣布將碳達(dá)峰、碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局。中國(guó)作為目前最大的碳排放國(guó)，節(jié)能減排將是未來(lái)長(zhǎng)期發(fā)展的重點(diǎn)目標(biāo)之一。
從全球碳排放的結(jié)構(gòu)來(lái)看，電力、工業(yè)和交通三大行業(yè)是“碳排放”主要的來(lái)源，工業(yè)領(lǐng)域碳排放約占38.92%，其中又包括化石能源碳排放和工業(yè)過(guò)程碳排放兩部分，工業(yè)過(guò)程占總體碳排放總量的8%左右(圖1)，亟需實(shí)現(xiàn)提高工業(yè)化程度帶來(lái)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化、落后產(chǎn)能的淘汰和工序設(shè)備的優(yōu)化， 以逐步降低能源強(qiáng)度。
在這一趨勢(shì)下，隨著近年一些世界發(fā)達(dá)國(guó)家已將電機(jī)最低能效限定值設(shè)定為IE3水平，也為國(guó)內(nèi)電機(jī)能效新標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了有益的參考。去年5月發(fā)布的中國(guó)最新版強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 18613—2020《電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》， 計(jì)劃于今年6月1日起正式實(shí)施。新國(guó)標(biāo)將IE5效率列為中國(guó)三相異步電動(dòng)機(jī)最高的一級(jí)能效等級(jí)指標(biāo)，還規(guī)定自標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施之日起，IE3效率將成為中國(guó)最低的三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值(三級(jí)能效)，低于IE3能效限定值的三相異步電動(dòng)機(jī)(如YE2 系列電機(jī)等)不允許再生產(chǎn)銷(xiāo)售，這表明中國(guó)中小型三相異步電動(dòng)機(jī)效率水平再次提升了一個(gè)等級(jí)。GB 18613—2020新國(guó)標(biāo)實(shí)施后電機(jī)能效標(biāo)識(shí)區(qū)別如圖2所示。
新國(guó)標(biāo)同時(shí)還將IE4效率列為二級(jí)節(jié)能評(píng)價(jià)值指標(biāo)。在原先標(biāo)準(zhǔn)版本的基礎(chǔ)上，新版標(biāo)準(zhǔn)刪除了電動(dòng)機(jī)目標(biāo)能效限定值、電動(dòng)機(jī)節(jié)能評(píng)價(jià)值，提高了對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值要求，增加了8極三相異步電動(dòng)機(jī)能效等級(jí);對(duì)于GB25958- 2010，新版標(biāo)準(zhǔn)提高了對(duì)電容起動(dòng)、電容運(yùn)轉(zhuǎn)、雙值電容異步電動(dòng)機(jī)能效指標(biāo)要求，刪除了房間空調(diào)器風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)能效指標(biāo)要求，增加了空調(diào)器風(fēng)扇用電容運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)、空調(diào)器風(fēng)扇用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)能效指標(biāo)要求，刪除了單相、三相小功率電動(dòng)機(jī)120W能效等級(jí)要求，刪除了小功率電動(dòng)機(jī)目標(biāo)限定值、節(jié)能評(píng)價(jià)值的技術(shù)要求。
圖 1 碳排放主要集中在電力和工業(yè)
(資料來(lái)源：Global Carbon Atlas、開(kāi)源證券研究所)
對(duì)于新版電動(dòng)機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)GB18613-2020，上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司總裁特別顧問(wèn)陳偉華先生認(rèn)為，風(fēng)機(jī)、水泵配套用電機(jī)在GB18613標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，但風(fēng)機(jī)、水泵機(jī)組效率不涵蓋該標(biāo)準(zhǔn)限制范圍內(nèi);制動(dòng)電機(jī)、變頻專(zhuān)用電機(jī)等特殊設(shè)計(jì)的電機(jī)也不在該標(biāo)準(zhǔn)適用范圍內(nèi)。就電機(jī)企業(yè)而言，自2021年6月1日起，達(dá)不到IE3能效限定值的電機(jī)就不得生產(chǎn)、銷(xiāo)售，使用單位不得采購(gòu)，因此電機(jī)企業(yè)要從技術(shù)、裝備、工藝、材料和銷(xiāo)售等各方面做好生產(chǎn)和銷(xiāo)售IE3及以上能效電機(jī)的充分準(zhǔn)備。IE3相對(duì)于IE2，成本約增加20%左右;IE4相對(duì)于IE3，成本也有較大幅度增加。因此，電機(jī)企業(yè)要在產(chǎn)品達(dá)到所要求能效指標(biāo)的前提下，從設(shè)計(jì)、工藝等各方面去挖潛， 以降低成本，目前已有很多電機(jī)企業(yè)開(kāi)始實(shí)施智能制造，使得電機(jī)產(chǎn)品能夠達(dá)到較高的一致性，此外，現(xiàn)有電機(jī)產(chǎn)品在工藝(如加工精度)、裝備等方面都可以有更好的提升。
高能效電機(jī)成新貴
螺桿鼓風(fēng)機(jī)與空氣懸浮、磁懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)都是新興的節(jié)能環(huán)保鼓風(fēng)機(jī)，目前在很多應(yīng)用領(lǐng)域都開(kāi)始替代老一代的鼓風(fēng)機(jī)。對(duì)比各自領(lǐng)域的前輩產(chǎn)品，如羅茨鼓風(fēng)機(jī)與螺桿風(fēng)機(jī)，磁懸浮風(fēng)機(jī)單級(jí)高速、多級(jí)離心風(fēng)機(jī)與空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)，磁懸浮風(fēng)機(jī)螺桿鼓風(fēng)機(jī)與空氣懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)無(wú)疑在技術(shù)以及效率上都有著突出的優(yōu)勢(shì)。
首先從產(chǎn)品的基本特點(diǎn)來(lái)看，螺桿鼓風(fēng)機(jī)與空氣懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)都是清潔無(wú)油的。螺桿式鼓風(fēng)機(jī)是容積式鼓風(fēng)機(jī)，同樣功率，無(wú)法在風(fēng)量上超越離心式的空氣懸浮離心鼓風(fēng)機(jī);但由于是單級(jí)離心式，所以在壓力上一般不會(huì)超過(guò)1公斤。兩者都可以通過(guò)變頻實(shí)現(xiàn)參數(shù)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的范圍上螺桿機(jī)比空氣懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)更窄。
從技術(shù)方面來(lái)看，空氣懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)無(wú)疑比螺桿鼓風(fēng)機(jī)更先進(jìn)，但是也更為“嬌氣”。空氣懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)采用的空氣懸浮軸承、高速永磁電機(jī)，幾乎無(wú)機(jī)械摩擦，效率也高，相應(yīng)地，對(duì)工況環(huán)境的質(zhì)量要求很高，灰塵大、濕度高等情況容易影響設(shè)備運(yùn)行，但目前這些都已經(jīng)被空氣懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)廠(chǎng)家給規(guī)避掉了，只要定期更換過(guò)濾器，一般不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。
另外，在實(shí)際應(yīng)用中，螺桿鼓風(fēng)機(jī)的購(gòu)置便宜，但噪聲、振動(dòng)以及效率不如空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)。
磁懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)是目前節(jié)能環(huán)保行業(yè)的新型節(jié)能設(shè)備， 應(yīng)用磁懸浮技術(shù)的離心鼓風(fēng)機(jī)擁有高效率、高節(jié)能率、低維護(hù)成本、使用壽命長(zhǎng)等顯著優(yōu)勢(shì)，目前已在市政、工業(yè)污水處理行業(yè)曝氣、水泥行業(yè)工藝風(fēng)機(jī)、石化行業(yè)脫硫脫硝等重點(diǎn)耗能行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。
圖 2 GB 18613—2020 新國(guó)標(biāo)實(shí)施后電機(jī)能效標(biāo)識(shí)區(qū)別
電機(jī)傳控新發(fā)展
為了達(dá)到高效、低耗、低噪音的目的，使用高效節(jié)能的空氣懸浮、磁懸浮電機(jī)，成為一個(gè)新趨勢(shì)。但與此同時(shí)，面對(duì)這類(lèi)大功率高速電機(jī)投用后出現(xiàn)的變頻器溫度過(guò)高的問(wèn)題，需要進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，增設(shè)變頻器冷卻裝置解決方案，有效控制變頻器溫升，降低能耗，提高效率，從而支持風(fēng)機(jī)長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。
去年年底，施耐德電氣APML水冷模塊化變頻器暨低壓系統(tǒng)變頻產(chǎn)線(xiàn)落地西安。施耐德電氣重磅推出APML水冷模塊化變頻器具備諸多優(yōu)異特性，并以靈活、緊湊、穩(wěn)定為特色，協(xié)助客戶(hù)提高從設(shè)計(jì)、采購(gòu)、制造到運(yùn)維各個(gè)環(huán)節(jié)的效率。
針對(duì)目標(biāo)行業(yè)的大功率應(yīng)用需求，APML水冷變頻器單模塊的功率可高達(dá)450kW，并通過(guò)多個(gè)模塊的并聯(lián)拓展至最大2,600kW的總功率，方便用戶(hù)根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)按需配備;大功率變頻器能耗大，散熱要求高，APML水冷模塊化變頻器內(nèi)置循環(huán)泵，大大簡(jiǎn)化冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，克服傳統(tǒng)變頻器尺寸大、冷卻系統(tǒng)復(fù)雜的痛點(diǎn)，同時(shí)提高其散熱效率，進(jìn)一步降低能耗， 保障系統(tǒng)良好運(yùn)行。此外，APML水冷模塊化變頻器通過(guò)高效的冷卻系統(tǒng)及優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，輔以控制單元與功率模塊的簡(jiǎn)單組合，最大限度地節(jié)約柜體寬度，有效增強(qiáng)了柜體對(duì)受限空間條件的適應(yīng)能力;模塊結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)，幫助APML水冷模塊化變頻器有效降低柜體設(shè)計(jì)與安裝門(mén)檻，輕松實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品安裝及系統(tǒng)的迅速投產(chǎn)。
在成柜結(jié)構(gòu)方面，APML水冷模塊化變頻器支持APML- Universal(通用型)及APML-Compact(緊湊型)兩種成柜結(jié)構(gòu)，均可提供最高IP65的防護(hù)等級(jí)，供用戶(hù)在不同使用場(chǎng)景下自由選擇。除了更加完備與強(qiáng)悍的性能外，APML水冷模塊化變頻器還秉承了Altivar Process御程系列產(chǎn)品以服務(wù)為導(dǎo)向的突出優(yōu)勢(shì)，內(nèi)置網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器等服務(wù)功能，可以實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)管理以及工藝性能優(yōu)化;同時(shí)，通過(guò)提供實(shí)時(shí)在線(xiàn)數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程在線(xiàn)維護(hù)，為工業(yè)用戶(hù)提供智能化的運(yùn)營(yíng)工具和更高的附加值。
另?yè)?jù)悉，由施耐德電氣作為主要起草單位編制的GB/T 12668.902-2021(簡(jiǎn)稱(chēng)GB/T 902標(biāo)準(zhǔn))調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已正式發(fā)布，并將于2021年10月1日起正式實(shí)施。與作為基礎(chǔ)的GB/T 12668.901-2021標(biāo)準(zhǔn)(簡(jiǎn)稱(chēng)GB/T 901標(biāo)準(zhǔn)) 相配合，該標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布不僅彌補(bǔ)了調(diào)速電氣系統(tǒng)能效國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的空白，更有效推動(dòng)后續(xù)相應(yīng)產(chǎn)品充分發(fā)揮社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益以及優(yōu)化工程設(shè)計(jì)，助力行業(yè)能效管理朝更高標(biāo)準(zhǔn)邁進(jìn)，GB/T 902標(biāo)準(zhǔn)將為調(diào)速電氣系統(tǒng)損耗和節(jié)能計(jì)算提供可靠同一的衡量標(biāo)準(zhǔn)，并以其示范性、前瞻性，指引新興節(jié)能材料、器件和設(shè)備的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)。
施耐德電氣 APML-Universal(通用型)及 APML-Compact(緊湊型)兩種成柜結(jié)構(gòu)實(shí)機(jī)展示
第三代寬禁帶功率器件
要提高電機(jī)的能效，核心器件的升級(jí)也必不可少，基于第三代寬禁帶器件(如：SiC碳化硅、GaN氮化鎵)的高頻化電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)正成為行業(yè)關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)。這類(lèi)寬禁帶半導(dǎo)體器件的應(yīng)用令到電力電子系統(tǒng)的性能全面提升，具有高效率、高溫高頻、優(yōu)越的動(dòng)態(tài)性能、小體積低成本、高功率密度、高穩(wěn)定可靠性等特點(diǎn)。采用基于第三代寬禁帶器件的電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器一體化系統(tǒng)，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到40kHz時(shí)，驅(qū)動(dòng)器所需電容體積為10kHz開(kāi)關(guān)頻率時(shí)的25%。此外，基于寬禁帶器件的高頻化電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出功率900W，效率可達(dá)到99%。從高速電機(jī)的角度來(lái)看，可增加逆變器的開(kāi)關(guān)頻率，改善控制效果;還可增加離散化頻率，減小離散化誤差。
實(shí)際上，安川電機(jī)早在2017年就推出了使用GaN功率半導(dǎo)體的驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置型伺服電機(jī)，體積是以往的伺服驅(qū)動(dòng)器部的二分之一，可以在高溫下動(dòng)作，絕緣破壞電場(chǎng)強(qiáng)度高;且與使用SiC材料的功率半導(dǎo)體相比，能夠高速開(kāi)關(guān)，具有飽和電子移動(dòng)度高等性能方面的優(yōu)勢(shì)。
而近期國(guó)產(chǎn)廠(chǎng)商部分也動(dòng)作頻頻，例如，麥格米特去年參股的瞻芯電子是一家致力于碳化硅功率器件與配套芯片的產(chǎn)業(yè)化高科技公司，目前已經(jīng)完成了國(guó)內(nèi)第一個(gè)基于6英寸碳化硅晶圓的SiCMOSFET和SBD工藝平臺(tái)開(kāi)發(fā)，將會(huì)有一款碳化硅MOSFET器件通過(guò)工業(yè)級(jí)可靠性認(rèn)證，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)產(chǎn)品空白。
匯川技術(shù)據(jù)悉也開(kāi)始參與培育國(guó)產(chǎn)SiC產(chǎn)業(yè)鏈。今年初， 上海瀚薪科技有限公司宣布完成Pre-A輪融資，本輪融資由上
海半導(dǎo)體裝備材料基金領(lǐng)投，跟投方包括上汽集團(tuán)旗下尚頎資本和恒旭資本、匯川技術(shù)的全資投資平臺(tái)匯創(chuàng)投等。上海瀚薪是一家致力于研發(fā)與生產(chǎn)第三代寬禁帶半導(dǎo)體功率器件及功率模塊的高科技企業(yè)，是國(guó)內(nèi)唯一一家能大規(guī)模量產(chǎn)車(chē)規(guī)級(jí)碳化硅MOS管、二極管并規(guī)模出貨給全球知名客戶(hù)的本土公司。
此外，針對(duì)目前市場(chǎng)上已有的變頻器和電動(dòng)機(jī)的一體化組合機(jī)，對(duì)于器件的開(kāi)關(guān)頻率、體積、散熱器尺寸的考驗(yàn)都極為嚴(yán)苛，為此，偉創(chuàng)電氣結(jié)合碳化硅材料功率元器件的特性，成功開(kāi)發(fā)了一款碳化硅驅(qū)動(dòng)器來(lái)應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求，解決了市場(chǎng)產(chǎn)品體積小、高防護(hù)等級(jí)、散熱好及開(kāi)關(guān)頻率高等產(chǎn)品需求。該碳化硅驅(qū)動(dòng)器采用全新的永磁高速電機(jī)控制算法，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)環(huán)控制下0Hz 的200%額定力矩的輸出;運(yùn)用先進(jìn)的空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)頻率可達(dá)到2500Hz，載波20KHz~40KHz;采取精準(zhǔn)的高速電機(jī)轉(zhuǎn)矩勵(lì)磁解耦，因而獲得了出色的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。
作為當(dāng)前最大的碳排放國(guó)，中國(guó)要按計(jì)劃達(dá)成“碳達(dá)峰” 和“碳中和”，可以說(shuō)，是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)目標(biāo)。在工業(yè)領(lǐng)域，推廣高效節(jié)能電機(jī)已刻不容緩，電機(jī)能效新標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，不但是工業(yè)企業(yè)適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需求，同時(shí)也是電機(jī)技術(shù)、傳控技術(shù)新發(fā)展的一個(gè)契機(jī)。隨著6月1日中國(guó)最新版強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 18613—2020《電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》的正式實(shí)施，意味著中國(guó)電動(dòng)機(jī)行業(yè)全面進(jìn)入到高效時(shí)代，新材料、新設(shè)計(jì)、新工藝以及新型傳控方案為電機(jī)行業(yè)的全新升級(jí)奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
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