能效等級全面升級

       繼在2020年9月22日聯(lián)合國大會上承諾“中國將力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和”之后，中國領導人在2021年4月22日“領導人氣候峰會”上宣布將碳達峰、碳中和納入生態(tài)文明建設整體布局。中國作為目前最大的碳排放國，節(jié)能減排將是未來長期發(fā)展的重點目標之一。

　　從全球碳排放的結構來看，電力、工業(yè)和交通三大行業(yè)是“碳排放”主要的來源，工業(yè)領域碳排放約占38.92%，其中又包括化石能源碳排放和工業(yè)過程碳排放兩部分，工業(yè)過程占總體碳排放總量的8%左右(圖1)，亟需實現(xiàn)提高工業(yè)化程度帶來的產業(yè)結構的變化、落后產能的淘汰和工序設備的優(yōu)化， 以逐步降低能源強度。

　　在這一趨勢下，隨著近年一些世界發(fā)達國家已將電機最低能效限定值設定為IE3水平，也為國內電機能效新標準的制定提供了有益的參考。去年5月發(fā)布的中國最新版強制性國家標準GB 18613—2020《電動機能效限定值及能效等級》， 計劃于今年6月1日起正式實施。新國標將IE5效率列為中國三相異步電動機最高的一級能效等級指標，還規(guī)定自標準實施之日起，IE3效率將成為中國最低的三相異步電動機能效限定值(三級能效)，低于IE3能效限定值的三相異步電動機(如YE2 系列電機等)不允許再生產銷售，這表明中國中小型三相異步電動機效率水平再次提升了一個等級。GB 18613—2020新國標實施后電機能效標識區(qū)別如圖2所示。

　　新國標同時還將IE4效率列為二級節(jié)能評價值指標。在原先標準版本的基礎上，新版標準刪除了電動機目標能效限定值、電動機節(jié)能評價值，提高了對三相異步電動機能效限定值要求，增加了8極三相異步電動機能效等級;對于GB25958- 2010，新版標準提高了對電容起動、電容運轉、雙值電容異步電動機能效指標要求，刪除了房間空調器風扇電動機能效指標要求，增加了空調器風扇用電容運轉電動機、空調器風扇用無刷直流電動機能效指標要求，刪除了單相、三相小功率電動機120W能效等級要求，刪除了小功率電動機目標限定值、節(jié)能評價值的技術要求。

　　圖 1 碳排放主要集中在電力和工業(yè)

　　(資料來源：Global Carbon Atlas、開源證券研究所)

　　對于新版電動機能效標準GB18613-2020，上海電器科學研究所(集團)有限公司總裁特別顧問陳偉華先生認為，風機、水泵配套用電機在GB18613標準范圍內，但風機、水泵機組效率不涵蓋該標準限制范圍內;制動電機、變頻專用電機等特殊設計的電機也不在該標準適用范圍內。就電機企業(yè)而言，自2021年6月1日起，達不到IE3能效限定值的電機就不得生產、銷售，使用單位不得采購，因此電機企業(yè)要從技術、裝備、工藝、材料和銷售等各方面做好生產和銷售IE3及以上能效電機的充分準備。IE3相對于IE2，成本約增加20%左右;IE4相對于IE3，成本也有較大幅度增加。因此，電機企業(yè)要在產品達到所要求能效指標的前提下，從設計、工藝等各方面去挖潛， 以降低成本，目前已有很多電機企業(yè)開始實施智能制造，使得電機產品能夠達到較高的一致性，此外，現(xiàn)有電機產品在工藝(如加工精度)、裝備等方面都可以有更好的提升。

　　高能效電機成新貴

　　螺桿鼓風機與空氣懸浮、磁懸浮離心鼓風機都是新興的節(jié)能環(huán)保鼓風機，目前在很多應用領域都開始替代老一代的鼓風機。對比各自領域的前輩產品，如羅茨鼓風機與螺桿風機，磁懸浮風機單級高速、多級離心風機與空氣懸浮鼓風機，磁懸浮風機螺桿鼓風機與空氣懸浮離心鼓風機無疑在技術以及效率上都有著突出的優(yōu)勢。

　　首先從產品的基本特點來看，螺桿鼓風機與空氣懸浮離心鼓風機都是清潔無油的。螺桿式鼓風機是容積式鼓風機，同樣功率，無法在風量上超越離心式的空氣懸浮離心鼓風機;但由于是單級離心式，所以在壓力上一般不會超過1公斤。兩者都可以通過變頻實現(xiàn)參數(shù)調節(jié)，調節(jié)的范圍上螺桿機比空氣懸浮離心鼓風機更窄。

　　從技術方面來看，空氣懸浮離心鼓風機無疑比螺桿鼓風機更先進，但是也更為“嬌氣”?？諝鈶腋‰x心鼓風機采用的空氣懸浮軸承、高速永磁電機，幾乎無機械摩擦，效率也高，相應地，對工況環(huán)境的質量要求很高，灰塵大、濕度高等情況容易影響設備運行，但目前這些都已經被空氣懸浮離心鼓風機廠家給規(guī)避掉了，只要定期更換過濾器，一般不會產生問題。

　　另外，在實際應用中，螺桿鼓風機的購置便宜，但噪聲、振動以及效率不如空氣懸浮鼓風機。

　　磁懸浮離心鼓風機是目前節(jié)能環(huán)保行業(yè)的新型節(jié)能設備， 應用磁懸浮技術的離心鼓風機擁有高效率、高節(jié)能率、低維護成本、使用壽命長等顯著優(yōu)勢，目前已在市政、工業(yè)污水處理行業(yè)曝氣、水泥行業(yè)工藝風機、石化行業(yè)脫硫脫硝等重點耗能行業(yè)得到了廣泛應用。

圖 2 GB 18613—2020 新國標實施后電機能效標識區(qū)別

　　電機傳控新發(fā)展

　　為了達到高效、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，成為一個新趨勢。但與此同時，面對這類大功率高速電機投用后出現(xiàn)的變頻器溫度過高的問題，需要進行技術優(yōu)化，增設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，從而支持風機長周期穩(wěn)定運行。

　　去年年底，施耐德電氣APML水冷模塊化變頻器暨低壓系統(tǒng)變頻產線落地西安。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)助客戶提高從設計、采購、制造到運維各個環(huán)節(jié)的效率。

　　針對目標行業(yè)的大功率應用需求，APML水冷變頻器單模塊的功率可高達450kW，并通過多個模塊的并聯(lián)拓展至最大2,600kW的總功率，方便用戶根據(jù)應用特點按需配備;大功率變頻器能耗大，散熱要求高，APML水冷模塊化變頻器內置循環(huán)泵，大大簡化冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，克服傳統(tǒng)變頻器尺寸大、冷卻系統(tǒng)復雜的痛點，同時提高其散熱效率，進一步降低能耗， 保障系統(tǒng)良好運行。此外，APML水冷模塊化變頻器通過高效的冷卻系統(tǒng)及優(yōu)化的結構設計，輔以控制單元與功率模塊的簡單組合，最大限度地節(jié)約柜體寬度，有效增強了柜體對受限空間條件的適應能力;模塊結構標準化的設計，幫助APML水冷模塊化變頻器有效降低柜體設計與安裝門檻，輕松實現(xiàn)產品安裝及系統(tǒng)的迅速投產。

　　在成柜結構方面，APML水冷模塊化變頻器支持APML- Universal(通用型)及APML-Compact(緊湊型)兩種成柜結構，均可提供最高IP65的防護等級，供用戶在不同使用場景下自由選擇。除了更加完備與強悍的性能外，APML水冷模塊化變頻器還秉承了Altivar Process御程系列產品以服務為導向的突出優(yōu)勢，內置網頁服務器等服務功能，可以實現(xiàn)資產管理以及工藝性能優(yōu)化;同時，通過提供實時在線數(shù)據(jù)和遠程在線維護，為工業(yè)用戶提供智能化的運營工具和更高的附加值。

　　另據(jù)悉，由施耐德電氣作為主要起草單位編制的GB/T 12668.902-2021(簡稱GB/T 902標準)調速電氣傳動系統(tǒng)國家標準已正式發(fā)布，并將于2021年10月1日起正式實施。與作為基礎的GB/T 12668.901-2021標準(簡稱GB/T 901標準) 相配合，該標準的發(fā)布不僅彌補了調速電氣系統(tǒng)能效國家標準的空白，更有效推動后續(xù)相應產品充分發(fā)揮社會經濟效益以及優(yōu)化工程設計，助力行業(yè)能效管理朝更高標準邁進，GB/T 902標準將為調速電氣系統(tǒng)損耗和節(jié)能計算提供可靠同一的衡量標準，并以其示范性、前瞻性，指引新興節(jié)能材料、器件和設備的設計與生產。

　　施耐德電氣 APML-Universal(通用型)及 APML-Compact(緊湊型)兩種成柜結構實機展示

　　第三代寬禁帶功率器件

　　要提高電機的能效，核心器件的升級也必不可少，基于第三代寬禁帶器件(如：SiC碳化硅、GaN氮化鎵)的高頻化電機驅動系統(tǒng)的開發(fā)正成為行業(yè)關注的一個重點。這類寬禁帶半導體器件的應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。采用基于第三代寬禁帶器件的電機與驅動器一體化系統(tǒng)，當開關頻率達到40kHz時，驅動器所需電容體積為10kHz開關頻率時的25%。此外，基于寬禁帶器件的高頻化電機驅動系統(tǒng)的輸出功率900W，效率可達到99%。從高速電機的角度來看，可增加逆變器的開關頻率，改善控制效果;還可增加離散化頻率，減小離散化誤差。

　　實際上，安川電機早在2017年就推出了使用GaN功率半導體的驅動器內置型伺服電機，體積是以往的伺服驅動器部的二分之一，可以在高溫下動作，絕緣破壞電場強度高;且與使用SiC材料的功率半導體相比，能夠高速開關，具有飽和電子移動度高等性能方面的優(yōu)勢。

　　而近期國產廠商部分也動作頻頻，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業(yè)化高科技公司，目前已經完成了國內第一個基于6英寸碳化硅晶圓的SiCMOSFET和SBD工藝平臺開發(fā)，將會有一款碳化硅MOSFET器件通過工業(yè)級可靠性認證，填補國內產品空白。

　　匯川技術據(jù)悉也開始參與培育國產SiC產業(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

　　海半導體裝備材料基金領投，跟投方包括上汽集團旗下尚頎資本和恒旭資本、匯川技術的全資投資平臺匯創(chuàng)投等。上海瀚薪是一家致力于研發(fā)與生產第三代寬禁帶半導體功率器件及功率模塊的高科技企業(yè)，是國內唯一一家能大規(guī)模量產車規(guī)級碳化硅MOS管、二極管并規(guī)模出貨給全球知名客戶的本土公司。

　　此外，針對目前市場上已有的變頻器和電動機的一體化組合機，對于器件的開關頻率、體積、散熱器尺寸的考驗都極為嚴苛，為此，偉創(chuàng)電氣結合碳化硅材料功率元器件的特性，成功開發(fā)了一款碳化硅驅動器來應對市場需求，解決了市場產品體積小、高防護等級、散熱好及開關頻率高等產品需求。該碳化硅驅動器采用全新的永磁高速電機控制算法，實現(xiàn)了開環(huán)控制下0Hz 的200%額定力矩的輸出;運用先進的空間矢量脈寬調制技術，電機的驅動頻率可達到2500Hz，載波20KHz~40KHz;采取精準的高速電機轉矩勵磁解耦，因而獲得了出色的動態(tài)響應性能。

       作為當前最大的碳排放國，中國要按計劃達成“碳達峰” 和“碳中和”，可以說，是一項非常艱巨的任務目標。在工業(yè)領域，推廣高效節(jié)能電機已刻不容緩，電機能效新標準的出臺，不但是工業(yè)企業(yè)適應社會發(fā)展的需求，同時也是電機技術、傳控技術新發(fā)展的一個契機。隨著6月1日中國最新版強制性國家標準GB 18613—2020《電動機能效限定值及能效等級》的正式實施，意味著中國電動機行業(yè)全面進入到高效時代，新材料、新設計、新工藝以及新型傳控方案為電機行業(yè)的全新升級奠定堅實的技術基礎。