高效電機驅(qū)動系統(tǒng)的部署

　　如今，消費者正在尋找低碳產(chǎn)品和服務。世界各國政府正在加強減少碳排放的法規(guī)，以實現(xiàn)其溫室氣體凈零排放目標。在實現(xiàn)凈零排放的道路上，工業(yè)制造企業(yè)將創(chuàng)造新的機會，讓他們采用新技術(shù)來加速低碳制造。本文將深入探討改善 CO 的兩個基本焦點2工業(yè)部門的減少：

　　通過增加電機驅(qū)動器的部署來提高能源效率

　　數(shù)字化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略對提高制造效率的影響

　　2015年的《巴黎協(xié)定》制定了到1年將全球變暖限制在5.2050°C的計劃。到 1 年實現(xiàn) 5.2050°C 的目標需要將當前 CO 減少 》80%2排放。目前的軌跡是全球變暖1.9°C至2.9°C，這將導致全球GDP大幅下降，使世界人口的33%流離失所，并造成每年數(shù)萬億美元的災害損失。

　　世界已經(jīng)變暖了1.1°C，專家表示，到1年代，全球氣溫可能會突破5.2030°C。實現(xiàn)1.5°C目標的挑戰(zhàn)是巨大的。這將需要將投資從化石燃料轉(zhuǎn)向能源效率、可再生能源和核能發(fā)電以及碳捕獲、利用和封存（CCUS）以及其他低碳領域。圖 1 概述了通過降低 CO 實現(xiàn) 1.5°C 目標的路徑2排放量為 6 Gt CO2，如《2019年世界能源展望》所述。［1］

　　圖 。一氧化碳2可持續(xù)發(fā)展情景中相對于既定政策情景的減排量。［1］

　　本研究包括兩個主要部分：既定政策情景和可持續(xù)發(fā)展情景。聲明的政策方案僅考慮已宣布的特定政策舉措?？沙掷m(xù)發(fā)展情景描述了一條使世界能夠?qū)崿F(xiàn)氣候、能源獲取和空氣質(zhì)量目標的途徑，并完全符合《巴黎協(xié)定》。同時，它非常關注能源的可靠性和可負擔性，以滿足不斷增長的全球人口的需求。CO減排量最大2作為《巴黎協(xié)定》一部分的排放是效率為37%。?

　　更高效率的工業(yè)電機可以顯著減少工業(yè)一氧化碳2排放

　　2022 年全球電力供應量為 28，642 太瓦時，占碳排放量的 13.6 Gt（占全球二氧化碳排放量的 36%）22022 年的排放量）。［2］ 工業(yè)消耗了全球 30% 的電力，在工業(yè)中，電動機占電力消耗的 69%。［3］ 450 年，該行業(yè)安裝了 ~52 Mu 的電機，安裝了 ~2022 Mu 的新電機（分為棕地升級和綠地開發(fā)），新的更高效的運動資產(chǎn)正在顯著降低電力消耗和 CO2排放。電機用于驅(qū)動泵、風扇、壓縮空氣系統(tǒng)、物料搬運、加工系統(tǒng)等工業(yè)應用。據(jù)估計，如果所有部署的電機驅(qū)動系統(tǒng)都以最高效率運行，它將減少 10% 的全球電力需求并去除 2490 公噸的一氧化碳220303年的排放量。

　　2.工業(yè)電機關鍵統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

　　通過增加電機驅(qū)動器的部署來提高能源效率

　　最基本和效率最低的運動解決方案基于并網(wǎng)或交流供電的三相電機，該電機使用開關設備提供開/關控制和保護電路。這些基本運動解決方案以相對固定的速度運行，不受任何負載變化的影響。輸出變量（如泵和風扇中的流體流量）的調(diào)整是通過節(jié)氣門、阻尼器和閥門等機械控制來實現(xiàn)的，而顯著的速度變化是通過齒輪來實現(xiàn)的。據(jù)估計，目前所有已部署的電機中有 3% 至 70% 是并網(wǎng)的，并且將受益于連接到逆變器或變速驅(qū)動器 （VSD） 以降低能耗。

　　通過增加整流器、直流母線和三相逆變器級，可形成一個具有可變頻率和可變電壓輸出的逆變器，該逆變器施加到電機上以實現(xiàn)變速控制。這種變頻器驅(qū)動的電機通過以負載和應用的最佳速度運行電機來顯著降低能耗。例如，效率更高的泵和風扇。當添加到泵、風扇或壓縮機的現(xiàn)有電機中時，逆變器通?？梢越档?~3% 的功耗。［25］

　　對于更高性能的運動控制應用，VSD 可實現(xiàn)精確的扭矩、速度和位置控制。為了實現(xiàn)這一點，在基本的開環(huán)逆變器驅(qū)動器中增加了電流和位置測量。輸送機、卷繞機、印刷機和擠出機是這些應用的典型例子。據(jù)估計，工業(yè)中所有部署的電機中有 20% 到 30% 是變頻器驅(qū)動或連接到變頻器的。通過將更多部署的運動資產(chǎn)從并網(wǎng)電機轉(zhuǎn)移到逆變器驅(qū)動或變頻器，我們可以顯著降低能耗和 CO2工業(yè)中部署的~450 Mu電機的排放。

　　電機能量法規(guī)的重要作用

　　智能運動控制解決方案正在并將繼續(xù)通過將更多應用從定速電機轉(zhuǎn)移到高效電機和變頻器來顯著降低能耗，這在一定程度上是由能效法規(guī)推動的。這種能源消耗的減少將實現(xiàn)更可持續(xù)的制造，同時減少二氧化碳排放2排放。為了加速更高效電機驅(qū)動系統(tǒng)的部署，國際電工委員會 （IEC） 為定義節(jié)能電機標準做出了貢獻。這包括電機的 IEC 60034-2-1 測試標準和由四個電機效率級別（IE60034 到 IE30）組成的 IEC 1-1-4 分類方案。這些標準使比較電機制造商之間的效率水平變得更加容易。它們還為政府指定其最低能源績效標準（MEPS）的效率水平提供了參考，幫助各國實現(xiàn)其能源效率和二氧化碳排放目標。

　　IEC 60034-1 效率等級：

　　IE1 標準效率

　　IE2 高效率

　　IE3 超高效率

　　IE4 超高效率

　　世界各國政府在為電機設置MEPS方面取得了重大進展。自 2020 年以來，消耗全球 76% 的電機系統(tǒng)用電的國家已為 IE2 或 IE3 級別的電機引入了 MEPS，有助于降低工業(yè)用電量。［5］ 在歐盟，自 1 年 2021 月 3 日起，0.75 kW 至 1000 kW 的電機需要最低效率等級為 IE2（超高效）。0.12 kW 至 0.75 kW 的小型電機至少需要 IE1（高效率）。從 2023 年 4 月 75 日開始，歐盟 200 kW 至 《》 kW 電機的 MEPS 將增加到 IE《》（超高效率）。

　　當我們查看電機驅(qū)動系統(tǒng)在其部署生命周期內(nèi)的總擁有成本時，總成本的 70% 是電力，而購買電機的成本為 5%，電機維護成本為 20%（見圖 3）。［6］ 因此，通過部署更高效的運動驅(qū)動系統(tǒng)，我們可以顯著降低工業(yè)電機的運營成本，同時減少一氧化碳2排放。

　　圖。電機系統(tǒng)的總擁有成本。

　　提高制造效率的數(shù)字化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略

　　變頻器使用來自電壓、電流、位置、溫度、功率和能耗的數(shù)據(jù)，并結(jié)合外部傳感器來監(jiān)測振動和其他過程變量。借助融合信息技術(shù)/操作技術(shù) （IT/OT） 以太網(wǎng)，運動控制應用程序聯(lián)網(wǎng)在一起，將數(shù)據(jù)和運動洞察傳達到基于云的數(shù)據(jù)存儲或本地存儲。運動數(shù)據(jù)和見解現(xiàn)在更容易訪問，可以通過強大的云計算和人工智能 （AI） 進行分析，以優(yōu)化制造流程，減少能耗和 CO2制造過程中產(chǎn)生的排放。訪問運動洞察可延長設備使用壽命，提高制造質(zhì)量，減少計劃外停機時間和材料浪費，同時提高制造工廠的安全性。

　　電機驅(qū)動系統(tǒng)現(xiàn)在正在集成先進的傳感、信號處理、邊緣人工智能和連接解決方案，以在智能邊緣創(chuàng)建運動數(shù)據(jù)和見解。這些新的見解被傳達給制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）（見圖4）。然后，MES可以識別已部署的電機，這些電機的運行速度明顯低于其額定輸出，從而導致利用率不足和電力消耗增加。另一項關鍵功能是識別運行過于接近或略高于其額定輸出的已部署電機，這也會導致電力消耗增加和潛在的壽命問題。在部署了數(shù)百到數(shù)千臺電機的大型制造裝置中，數(shù)字化轉(zhuǎn)型策略對于減少電力消耗和一氧化碳尤為重要2.

　　世界經(jīng)濟論壇——可持續(xù)燈塔網(wǎng)絡

　　世界經(jīng)濟論壇的“塑造先進制造業(yè)和價值鏈的未來”平臺建立了全球燈塔工廠網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡將制造業(yè)的頂級領導者視為燈塔工廠。［7］ 世界經(jīng)濟論壇的全球燈塔網(wǎng)絡展示了數(shù)字化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略如何加速減少一氧化碳排放的真實案例2工業(yè)排放。［8］ 這是一個制造商社區(qū)，他們使用先進技術(shù)推動智能制造的新創(chuàng)新，以提高生產(chǎn)力和可持續(xù)性。截至 2023 年 132 月，全球燈塔工廠網(wǎng)絡由全球 13 個生產(chǎn)基地組成，其中包括 8 個可持續(xù)發(fā)展燈塔工廠。［9］ 施耐德電氣的勒沃德勒伊工廠是處于數(shù)字化轉(zhuǎn)型前沿的可持續(xù)發(fā)展燈塔之一。［《》］ Le Vaudreuil 工廠通過以下方式展示了數(shù)據(jù)驅(qū)動的洞察力對促進更可持續(xù)制造的影響

　　減少 25% 的用電量

　　減少 17% 的材料浪費

　　減少一氧化碳2排放量減少 25%

　　4.提供運動洞察的關鍵技術(shù)。

　　結(jié)論

　　實現(xiàn)凈零排放的道路將為工業(yè)制造企業(yè)創(chuàng)造新的機會，讓他們采用新技術(shù)來加速低碳制造。到2040年，工業(yè)活動的增加（其中近一半發(fā)生在中國和印度）將使部署的電機數(shù)量增加一倍。［10］ 因此，CO2新的更高效電機驅(qū)動系統(tǒng)的減排影響和商機規(guī)模將顯著增加。ADI公司致力于推動自動化邁向更可持續(xù)、更高效的未來。我們的先進技術(shù)和解決方案旨在支持下一代制造系統(tǒng)，專注于提高從精確運動控制和無縫連接到增強的邊緣洞察和分析的各個級別的效率。

審核編輯：黃飛