电机和变频器尽管很少出现在公众的视野中，但它们几乎无处不在。从制造业的工业泵、风机和传送带、以及交通运输工具中的推进系统，到电气设备中的压缩机和建筑中的暖通空调系统，电机和变频器为现代生活中的大量基础应用和场景提供了动力来源。
在过去十多年间，电机和变频器技术突飞猛进，通过创新设计实现了惊人的能源效率。然而，目前依然有大量运行中的电机驱动系统（全球总计约3亿台）出现效率低下或耗能过高的问题，导致严重的能源浪费。
2021年，中国确立了“双碳”目标的路线图，力争在2030年前达到二氧化碳排放峰值，2060年前实现碳中和。实现“双碳”目标，既是严峻挑战，又是重大机遇。电机产业的高质量发展，可大幅提升能源利用效率，助力企业低碳转型，实现绿色低碳可持续发展。
在“双碳”背景下，传统的高碳行业如钢铁、有色、化工等行业对节能减排降耗的需求最为迫切，电机作为风机、泵、压缩机、机床、传输带等各种机械设备的驱动装置，其耗电量约占中国整个工业电耗的60%以上。
去年，《电机能效提升计划（2021-2023年）》的提出，进一步加强和规范电机能效标准实施和能效市场监管，淘汰低效落后电机，加快高效节能电机应用推广，对落实碳达峰碳中和目标具有实际的推动意义。
2022年，“双碳”工作仍将大力推进，节能减排依旧是各企业十分重要的任务。变频器作为电机控制和节能环保的关键部件，其重要性不容忽视，必将迎来更广阔的发展空间。
电机能效全面提升 助力实现“双碳”目标
在“碳达峰”和“碳中和”的国家目标下，提高能效是各个涉电行业都面临的严峻挑战。电机作为电器和其他各种机械的动力源，不仅广泛应用于各个行业，更是用电大户。
电机是耗电量最大的单种类设备，根据国际能源署最近的一项调查，电机耗电量占据工业领域耗电量的大约2/3，占大约46%的全球耗电量。在我国，这一数据更为触目惊心，根据工信部数据，电机能耗约占整个工业能耗的65％以上，占全国总耗电的60%。电机能效每提高1个百分点，可年节约用电260亿度左右；如果电机系统效率提升5-8个百分点，每年节约的电量相当于2-3个三峡电站的发电量。
2021年6月1日，GB18613-2020《电动机能效限定值及能效等级》实施，设置合理的电机能效限定值，不但有利于中国如期实现“双碳”目标，还能推动电机产品能效升级。
2021年11月22日，工信部、市场监管总局印发了《电机能效提升计划（2021-2023年）》（以下简称《计划》），提出要加快高效节能电机推广应用，其中包括开展存量电机节能改造，加快淘汰不符合现行国家能效标准要求的落后低效电机。此外，还强调要加大高效节能电机应用力度。
《计划》中提出，鼓励钢铁、有色、石化、化工、建材、纺织等重点工业行业开展用能设备节能诊断，结合设备能效水平和运行维护情况，评估先进节能技术装备推广应用潜力。引导企业实施电机等重点用能设备更新升级，优先选用高效节能电机，加快淘汰不符合现行国家能效标准要求的落后低效电机。
细分负载特性及不同工况，针对风机、水泵、压缩机、机床等通用设备，鼓励采用2级能效及以上的电动机。针对变负荷运行工况，推广2级能效及以上的变频调速永磁电机。针对使用变速箱、耦合器的传动系统，鼓励采用低速直驱和高速直驱式永磁电机。大力发展永磁外转子电动滚筒、一体式螺杆压缩机等电动机与负载设备结构一体化设计技术和产品。
到2023年，高效节能电机年产量将达到1.7亿千瓦，在役高效节能电机占比达到20%以上，实现年节电量490亿千瓦时，相当于年节约标准煤1500万吨，减排二氧化碳2800万吨。
有专家指出，《计划》的提出将为永磁电机和驱动永磁电机的变频器市场带来风口。未来，将会有大量的节能高效的永磁电机来替代存量市场中的低效电机，且也会为配套驱动永磁电机的低压变频器带来增长动力。
提高能源效率的措施在帮助工业和基础设施减少排放方面将起到核心作用。数据显示，用于驱动楼宇和工业等应用的电机耗费全球约45%的电力，全球尚在运行的电机约有3亿台，而目前只有23%的电机配备了变频器，升级电机以及配备变频器可使全球降低10%的耗电量。
ABB中国运动控制事业部负责人戚鲁平表示：“ABB提倡使用变频器，因为当变频器和电机结合使用时，通常可以降低至少25%的能耗。”
加快高效节能电机应用推广 变频器市场迎发展良机
在苏州伟创电气科技股份有限公司产品管理部经理王凯看来，《计划》的核心是以电机系统生产制造、技术创新、推广应用和产业服务为重点方向，积极实施节能改造升级和能量系统优化，不断提升电机系统能效，支撑重点行业和领域节能提效，助力实现“双碳”目标。
目前以永磁同步电机、磁阻电机为代表的高效能电机已开始大量生产并广泛应用。高效能电机都需要变频器控制，以永磁同步电机为例，很多情况下都无法直接接入市电，需要配套变频器驱动使用。因此，随着高效能电机的应用越来越广，配套的变频器市场需求将不断增大，这无疑给国内变频器行业的发展注入了一剂强心剂。
另一方面，电机高效能的实现，电机生产企业除了加大节能技改，还需联合变频器生产企业不断适配驱动器来提升电机的性能，拓展电机和变频器配套使用的节能空间，这将进一步促进变频器生产企业的市场参与度，并加速变频器在电机存量市场上的替换步伐。
王凯表示，在高效能电机驱动技术上，伟创电气2021年初就成立了高效智能行业部，提高关键技术的研发和产品迭代，加快变频器在同步磁阻电机、永磁同步电机、同步直驱电机、高速电机等新型高效节能电机的应用，持续提高能源资源利用效率。目前同步电机驱动技术成熟可靠，同步磁阻电机驱动技术也是硕果累累。
伟创电气的AC330同步磁阻电机专用变频器集成了同步磁阻电机的驱动控制理念，开发了全新的矢量控制算法，做了全新的磁链观测器，在纯同步磁阻电机以及永磁辅助式同步磁阻电机场合，均有优良的控制效果，同时兼容了异步电机以及永磁同步电机的控制技术，在确保产品高可靠性基础上，进一步提升了产品的软件集成度，更好地解决了客户在产品选型方面的烦恼，配合丰富的扩展接口以及全面的扩展配件，确保了同步磁阻电机驱动应用场合的高可靠性、高稳定性、高适应性。AC330同步磁阻电机专用变频器目前广泛应用于塑料机械、空压机、机床主轴、纺织机械、制药机械等设备控制，也可用于风机、泵、石油、化工、造纸机械等各种重型机械设备节能。
“电机往往是在工业领域中主要的耗能部分之一，这将推动整个工业领域的双碳战略落地。”北京合康新能科技股份有限公司市场部总监余锦全表示，目前，永磁电机的效率高，应用会越来越广泛，变频器需要考虑满足永磁电机的驱动需求。未来越来越多的变频器将会与永磁电机配套，提升整体节能效率。此外，电机是重要的资产以及生产工具，客户希望电机能够延长生命周期，减少停机故障。所以，很多客户希望未来变频器能加上预测性维护、资产管理等功能，对电机的保护功能进一步加强。
在“碳达峰”和“碳中和”目标备受关注的当下，绿色低碳可持续发展路径成为企业的必然选择，节能高效的电机对制造业企业而言尤为重要。台达在高能效电机方面，自1999年开始关注，逐步在对各个行业领域实施跟进与应用，积累了大量的关键技术经验。根据目前的工业产业现状来看，大多是以节能为核心目的。台达希望新推出的电机产品不仅能获得市场的认可，还希望新产品能够在降低稀土消耗、提升设计标准以及增加功率密度的同时减少的耗材使用，从而达到整个电机产品的供应链节能降耗的目的。
台达-中达电通变频器产品经理李成刚介绍，台达现有的成熟产品，以“电机高能效控制”为核心的传动系统是提升产品线竞争力的重要途径之一。目前全系变频器产品均能够以最佳的效率驱动台达现有的“永磁同步磁阻电机”产品。台达不仅从电机能效等级方面进行了提升，还将变频器本身的控制损耗降低到了最低。
C2000Plus系列产品，具备磁场矢量变频驱动技术，支持有/无编码器回授的应用情境，为传动系统提供高性能的速度、转矩及位置控制。相较于前代机种，C2000Plus系列大幅增强过载能力，最大功率段可达560kW，为各类重型定转矩负载应用提供最佳的驱动能力与稳定性。丰富的产业应用功能及简易维修低故障率的自我诊断特色，为终端客户有效节省建构及营运成本，替用户掌握致胜先机，提升产业竞争力。
汇川技术在电机领域也深耕多年。拥有汽车级电机平台，在新能源汽车电机工业，永磁电机领域，市场份额稳居前列；为轨道交通制造牵引电机，并在国内多个城市十余条轨交线路中落地；并为风电变桨、塑料机械、纺织机械等细分行业提供电机专机定制化服务。
作为高精密伺服电机领导者，汇川国内电机市场占有率第一，先后推出MS1小功率永磁伺服电机、ESMG大功率永磁伺服电机、MX无框式直驱电机、MV31通用型永磁同步电机等高效节能电机产品，结合汇川驱动、控制等产品组成优秀的变频解决方案，助力工业生产效率大幅提升的同时，相较于传统解决方案平均节能25%以上。
2021年1-10月，出货高效节能永磁电机300万台以上，累计功率300万千瓦左右，每年为社会节电约50亿度电，相当于节能150万吨标准煤，减排二氧化碳280万吨。
高效电机、变频器打组合拳 可显著节约能源
变频器是用来控制电机速度的设备，在使用变频器之前，电机只能分级中断或是全速运转，而变频器则可以将电机无级调节到合适的速度，其广泛应用可以明显降低工业能耗，比如在水泵和风机中，变频器可以将水压调整到合适的水平，连续调节建筑中的温度。大约75%的工业电机用于驱动泵、风机和压缩机，这类设备效率提升潜力巨大。当高效电机与可调节转速和扭矩的变频器组合时，可以达到最佳效果。电机只需以实际所需的速度运行来满足功能要求，从而避免能源浪费以达到节约电能的目的。
从技术角度看，目前单独提升电机能效的空间有限。北京合康新能科技股份有限公司首席工程师田凯认为，电机的节能是多维度，一是提高电机以及变频器效率，另外，需要结合生产，自适应输出。对于变频器而言，关键点是采用新技术、新算法、新拓扑。
李成刚表示，对于台达而言，技术的关键点是提升电机本身的能效。主要难点更多的在于持续不断的努力将已经拥有100多年历史沉淀的“电机”产品，通过使用更可靠的技术来优化电机本身的性能与结构，而电机本身的优化也只是“电机能效提升”中的一环，更多的努力还需要优化变频器的电机控制策略。目前台达一直在不断地投入和整合大量的研发资源将精力集中在极具潜力的“永磁同步磁阻电机”产品上，继而深耕更多的企业客户。
“驱动同步电机能效，关键点之一是在同步电机的参数适配。现阶段同步电机与磁阻电机都没有类似异步电机的国家标准。功率段、型号也是众多，而且很多高效能电机为定制化产品，所以面对种类繁多的电机类型，变频器的适配性显得格外重要。”王凯表示，针对同步电机适配问题，伟创电气积极寻求和电机生产企业合作，参与电机生产企业新产品的技术研发和功能适配，开发匹配各企业所需电机的自学习方式。通过自主开发的电感参数饱和自学习技术，可获得不同磁场饱和程度下的电机D、Q轴电感饱和特性参数，并通过MTAP在产生相同转矩的情况下，最优地分配d-q轴定子电流，使定子电流最小，进而使定子铜耗最小以达到效率最优。
“在市场推广过程中，我们能够充分理解用户关于成本方面的顾虑，但从投资回报看，能效升级所带来的收益更加明显。”李成刚指出，目前，台达将多个领域的研发资源投入到高能效永磁同步磁阻电机和控制方式上，并把二者整合成为“高能效传动系统”，其具有的现实意义是通过“整合”以降低系统能耗。
传统的变频器与电机分离的产业模式，无法有效地达到“目标一致”的整合效果。比如在特定节能场景中，面临变频需要适应电机、电机设计特性需要微调等问题，根据以往的经验，都是通过企业客户为纽带，需要分别联系变频与电机厂家，而如果使用台达的“高能效传动系统”，则仅仅需要考虑此系统的效率，无需分开对比变频器与电机各自的能效，也无需考虑“高能效电机”与变频器的匹配问题。
在高耗能企业遇到节能降耗的挑战之下，台达也能通过整合各行业、各设备的应用经验，为企业提供一个“高能效传动系统”的降耗方案，由企业主导选择产品方案，台达再根据方案内容逐步地推进，进而协助企业实施落地，以达到双方共赢。
以针对二次供水需求为例，台达推出背负式水泵一体机MPD系列，承袭了台达产品智能化的发展理念，采用一体化整体设计，更融合驱动器、电机、PLC等功能，产品更加智能，符合变频恒压供水系统需求，推动供水技术进入高效、智能、便捷的新时代。
背负式水泵一体机MPD系列顺应如今广泛应用的变频恒压供水系统需求，具备多泵冗余、流量估测、汽蚀及高低水压保护等智能化功能，以及高能效、低噪音、省电柜等优点，是台达落实智能制造、深悉用户需求的体现。尤其在能效上，MPD系列达到了系统能效的IES2等级，符合新的IEC61800-9-2标准。配合IE5的台达同步磁阻电机，为恒压供水领域带来了更加智能、节能的成长契机。
如何助力下游企业节能并提升能效，田凯提出，先进的PWM调制技术，比如载波移相技术，可以在保证产品性能的前提下，降低变频器损耗，提高变频器效率。此外，变频器有多种运行模式，比如最小能耗模式，根据现场不同工艺状况，可以调整输出电压、电流，以合适的功率对电机进行输出，整体降低电机损耗，提升能效。另外还必须要贴合实际工艺，提供整体解决方案，包括变频器、电机、负载等因素，整体提高能效。比如，合康在某冶金球磨应用上，采用高压永磁直驱变频器+高压永磁电机方案。客户原来采用的是普通异步电机+减速机+辅传组成+减速机油站+软启动柜油站，整体机构复杂，耗能大，功率因素低。通过合康的方案改造后，在63.5%载荷情况下，电机功率因数已达到0.95，综合节电率为25%，运行一年多以来，中间只停机2小时，其余时间该设备一直在正常运行中，设备稳定性得到极大提升，故障率大为降低。
企业的核心就是给用户创造价值，所以在王凯看来，助力下游企业提升能效最好的办法就是算经济账，解决用户痛点的最优方式就是提供一份《节能方案》。王凯以132kW、380V的异步电机应用现场为例，将其改造成变频器加同步电机控制器后，综合节电率在15％左右。以每天工作20小时，全年运行320天，电费为0.7元/度，电机工作效率90%，节电效果暂按最低节电率15%计算，年节省电费=132kW×20小时/天×320天/年×0.7元/度×90%电机工作效率×15%节电效果=79833.6元。
结语
2022年，各项环保、节能的趋势和政策都在紧锣密鼓地推进中，特别是高耗能制造企业积极响应节能减排号召，开展新一轮转型升级，从传统制造向智能制造过渡，企业生产对于工业设备的性能提出了更高要求。高效能电机的技术突破和应用推广，需要各大变频器与电机生产企业，共同协作、优势互补、不断创新来推动和落实。
我们相信，随着全面节能降耗、绿色可持续发展的理念逐渐深入，变频器企业必将迎来一个发展的黄金时期。
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