電機系統節能 讓夕陽工業東山再起——專訪清華大學電力系統國家重點實驗室副主任趙爭鳴

文/本刊記者 賈常艷/

趙爭鳴：清華大學電機工程與應用電子技術系教授，清華大學電力系統國家重點實驗室副主任。主要從事研究方向為：大容量電力電子變換器、電機系統節能、電力電子與電機集成系統、太陽能光伏發電及其應用等。先后在國際學術刊物、國際會議以及國內核心刊物上發表300多篇有關學術論文，編著《太陽能光伏發電及其應用》和《電力電子與電機系統集成分析基礎》等科技書籍6本，獲得國家發明專利24項；獲多項省部級科技成果獎。目前兼任北京電力電子學會副理事長，IEEE電力電子學會北京分部主席，中國電力電子學會副理事長，機械工業教育協會電氣工程與自動化學科教學委員會副主任，英國工程與技術學會會士（IET Fellow）等。

19世紀世界上第一臺電機問世，其在隨后的廣泛應用促進了整個工業文明的進步與發展。在中國，電機耗電量日益增大，目前我國一年電機保有量約17億千瓦，總耗電量約3萬億千瓦，電機成為用電量最大的耗電機械。日前，工信部就《電機能效提升計劃（2012-2015年）》召開發布會，力爭全面推動電機能效提升，促進工業系統升級。電機能效的提升越來越受到重視。本刊就電機能效的提升問題專訪了清華大學電力系統國家重點實驗室副主任趙爭鳴，他指出了電機系統節能在電機能效提升中的重要性，并全面的闡述了電機系統節能存在的問題及解決方案。

《電器工業》：請您介紹一下我國電機系統節能的發展歷程和現狀。

趙爭鳴：電機行業作為具有一百多年歷史的老行業，曾在上世紀五六十年代是一個比較前沿的行業，后來由于信息工業化的發展，電機行業從前沿走向低谷，成為“夕陽工業”。最近幾年，隨著能源戰略地位的提升和信息工業化的發展，節約資源和環境保護成為我國的基本國策，電機行業發生了很大的變化，此時對電機的關注點不再是以前單純的電機，而是一個電機系統。同時，電機的本體也發生了很大的變化，各種各樣新型的電機開始出現，特別是電動機，在電力電子電源的控制下其設計、分析和控制等發生了很大的變化。這個時候，電機的節能不再是簡單的電機本體的節能，而是整個電機系統的節能。

中國在70年代后期開始研究電機調速節能技術。從1980年開始到1986年底，可以說是處于初始階段。1987年初，有專家集體向中央上書，建議在中國大力推行電機的變頻調速節能技術和以及相應的電力電子新技術，組織了各種論證會和研討會。“七五”期間，很多工科院校都開展了以GTR器件為主的電機變頻調速裝置的研究。與此同時，中國電機制造行業完成了由Y系列取代原JO到JO2系列中小型電動機的生產轉型，能效平均提高了2～3個百分點，并開始醞釀更高能效的Y2系列電動機的設計準備。1987～1989年是中國政府對電機系統調速節能技術進行初步決策的重要階段。

從1989年到2001的12年是中國電機系統調速節能的初步推廣階段。在這個過程中，我國電機制造界完成了Y2系列電動機的設計、鑒定，之后我國電動機制造企業按美國的高效電機標準生產的電動機占到了全國電動機總產量的5%。1998年開始實施的“中國節能法”第39條把變頻調速列入通用節能技術加以推廣，有力地推動了電機系統節能市場及變頻調速技術的開發和推廣。

“十一五”時期的十大節能工程中，其中有一項就是電機系統節能。具初步統計，我國一次能源60%以上都轉換成電能，而60%以上的電能都是由電動機轉換的，電動機制造的能源比例大約占25%。所以電機的節能是非常有意義的。2001年在當時的國家計委節能司的布置下，我們做了一個中國電機能效的分析與評估，強調了電機系統節能的概念，尤其是調速節能。這十多年來進展很大，首推的變頻器為電機系統節能帶來了很好的效益。

今年3月工信部提出了《2013年工業節能與綠色發展專項行動實施方案》，重點實施推進電機能效提升，其目標為力爭推廣、淘汰和節能改造電機及電機系統1億千瓦。6月工信部下發《2013-2015電機能效提升計劃》，擬用3年時間，通過政策引導、標準約束、監督檢查和市場化機制，在生產、應用和回收利用等方面全面提升電機領域的利用效能。

《電器工業》：當前，我國電機的能效水平是怎樣的？存在哪些問題？

趙爭鳴：初步統計分析，目前各類電機的效率加權平均比國外低2～3個百分點，風機和泵的效率要比發達國家低2%～5%，整體在用的電機拖動系統運行效率（由于裝備的效率低，設計、選型匹配不合格等原因）比國外低近10～20%。

整體來看，我國電機系統運行效率低、能耗高，主要是電動機及被拖動設備本身效率低，另外系統匹配和調節方式不合理造成系統效率低。我們現在所說的效率通常是指額定點的效率，但是更有意義的應該是整個運行區域的效率，假如電機應用的工況發生變化，效率范圍就很重要。在電動機的實際應用中，由于設計裕量、電機選型的過載能力考慮和實際運行中負載率很低等方面的原因，高效電機設計制造的電動機經常處于低效運行狀態。低負載率造成的電動機運行效率低下，造成風機、泵類、壓縮機等系統能效的大大降低，這種“大馬拉小車”的現象比較嚴重，因此更要求采用調速技術。

此外，電機在設計時的參數匹配不是很好，缺乏匹配原則，為了保證安全性而忽略了效率問題，使這二者沒有達到最佳匹配，因此需要在安全性和效率之間找到最優點。

其次，電機本體的損耗（銅耗、鐵耗、機械損耗、附加損耗、諧波損耗等）影響了效率的高低。但是損耗的計算和測量都比較難，每個國家的標準不同，效率值也不同，測試的手段和方法也不同。因此效率是個相對概念。盡管效率值通過輸入輸出的比值來取得，但由于測量方法以及儀器的差異也避免不了誤差。

《電器工業》：電機是用電量最大的耗電機械，高效節能電機成為國際發展的趨勢。您認為工業領域的電機系統節能應該由哪些主體從哪些方面做起？國外有哪些經驗可以借鑒？

趙爭鳴：能耗巨大的電機系統是國家節能政策的重點領域,是“十二五”節能減排重點工程之一。我國現有電機能效普遍偏低,節能電機發展潛力巨大。電機是工業領域主要耗電終端產品,裝機大約12億千瓦,占我國工業用電量的75%,電機系統每提高1個百分點,每年可節約260億度電。初步估計全國電機系統年節電潛力1300億～2300億度,相當于2～3個三峽電站的發電量。由此可見，電機系統節能是中國節能市場上最具商業潛力的領域。

電機本體和電機系統的節能共同構成了電機的節能。電機的節能應該由科研機構、制造企業、運行部門以及政府四個主體來帶頭共同實現。

首先科研機構要明確提出方案來說明哪些方面需要節能，哪些方面是節能的重點，如何評價節能效果等。此外，科研機構在節能技術研發方面起著至關重要的作用。

電機制造企業需要從技術方面提高電機的能效。通過提高材料特性、提高制造工藝水平、改善電機結構、控制電機運行、合理利用電磁轉換原理、與提高功率密度相結合、與高功率因數相結合、與散熱冷卻相結合等途徑來提高電機節能的技術水平。企業可以通過增加有效材料，降低繞組損耗和鐵耗；采用適用于變頻調速的轉子結構，減小轉子電阻；應用計算機優化設計，降低損耗的方式來改進電機本體結構。在提高材料特性方面，轉子損耗約占電動機損耗的20%，減少轉子損耗的一半意味著電機的效率可提高0.5%～1.5% ，采用銅轉子使電動機效率提高約為2%。主要的問題是鑄模的高成本和短壽命——高溫模具和壓鑄工藝。美國，德國，意大利等國家比較多用此方法。日本多選用合適的磁性材料是設計和制造高效率電機的關鍵，永磁三相同步電動機部分替代三相異步電動機將成為現實，前者的效率比后者高2%～5%，其功率因數接近于1。英國等多采用含硅量適中及低碳、低硫、低氮的坯料和特殊的軋制熱處理工藝技術，澳大利亞等國家使用軟磁復合材料。在提高工藝制造水平方面，德國、法國采用混合通風結構和軸向通風結構來提高電機的效率值得學習。

高效電機是以材料成本來實現節能，價格比較高，多用材料用好材料造成“節能不節錢”。系統節能包括變頻器、風機、水泵、電源等的節能，因此應該針對電機的應用情況來確定其運行方式，具體應用決定了具體的節能方式。而什么樣的方式是節能的呢？這就給電機帶來了新的問題——電機能效評估。目前電機能效評估缺乏科學的標準，應該有統一的標準從安全、節能、經濟等方面來綜合考量，而評估最重要的基礎之一就是測量。標準不同，測量方式的不統一很容易造成混亂。因此，節能絕不是單一的電機問題，而是系統的問題。這一系列的問題就需要政府來協調，在充分認識到這一問題的基礎上，制定科學統一的相關標準，審查監督規范相關評估機構，從源頭上保證電機系統節能的真正實現。除此之外，對什么是高效電機，什么是高效電機系統，這些都應該有明確的標準來說明。現在我國絕大部分標準都是采用歐洲IET的標準，政府最重要的就是要抓標準抓評估，同時，制定合理的補貼標準也很有必要。政府原來的補貼都是補貼在高效產品上，但是，高效產品的低效運行并沒有起到節能的效果，所以現在看來，補貼更應該補在最終節能效果上面。

《電器工業》：請您分析一下電力行業中電機系統的節能潛力。

趙爭鳴：電力系統尤其是發電廠是電動機的應用大戶，據統計，一臺20萬千瓦的汽輪發電機至少需要從33千瓦到1000千瓦的電動機20臺以上，折算到20萬千瓦功率等級，若全國平均約有500臺20萬千瓦的發電機，則需要10000臺33千瓦到1000千瓦的電動機。電動機的用電占電廠用電量的80%左右。如果電動機的效能提高1%，則每年僅電廠就能節電80億千瓦時。其次，我國部分電廠在送、引風，灰渣泵，疏水泵，給粉和給煤機上安裝變頻調速裝置后，均取得了較好的效益。從國內電力系統推廣應用情況看，還主要局限于中小功率電動機變頻調速，大功率電動機變頻調速裝置為數較少。大功率的風機、泵類電動機雖然數量不多，但在容量上卻占了80%以上。再次，我國發電設備高速發展，電力裝備制造能力和水平也有了很大的提高。但是電力運行的一些主要指標和裝備指標與發達國家仍有差距。比如，我國送到用戶的電能比發達國家多耗電9.5%左右，相當于我國22000兆瓦裝機的年發電量。因此，大功率變頻調速電機及控制裝置的應用在國內電力系統的市場前景十分廣闊。其中，采用交流變頻調速技術來降低廠用電是解決電力行業節能降耗、提高系統技術指標的有力措施之一。

《電器工業》：請您談談未來電機系統節能的發展趨勢。

趙爭鳴：電機系統節能最主要的相關領域產業是電力電子及電氣傳動，特別是交流電機變頻調速產業。我國交流電機變頻調速市場發展迅速，每年以12%的速度迅速增長。中國大量的基礎設施建設，冶金、煤炭、化工、石油等制造業領域的大量投資為中國電機系統市場創造了巨大的需求，該領域市場前景廣闊。電機系統節能將會成為一個頗具發展潛力的產業。但是電機系統節能的發展將會是一個長期而艱巨的任務。

當前，我國現有存量電機中高效電機比重不到5%，因此用高效電機替代低效電機，用高效電機運行替代低效電機運行成為電機產業轉型升級的重要方面。此外，電機系統的發展還需要有技術轉型、產品轉型、體制轉型、人才轉型的全面配合。

未來，電機系統節能技術促使常規電動機的設計、制造和應用發生變化。國際上高效電機、變頻調速電機已形成系列。機電一體化將功率變換器和控制系統集成到電機上，形成智能電機、電子電機等，廣泛應用于中小功率傳動和家用電器。永磁同步電機、開關磁阻電機、磁懸浮直線電機等新型調速電機應運而生，在機車牽引、電動汽車、大型艦船驅動以及磁懸浮交通等領域中得到應用。

在今后的發展中，我們應該明確認識電機系統節能的系統性，人才的知識結構要全面而系統，基地建設和科研方面也要從系統的角度出發，從而使得電機系統節能乃至整個電機產業的發展更加蒸蒸日上。