高效電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的部署

　　如今，消費(fèi)者正在尋找低碳產(chǎn)品和服務(wù)。世界各國政府正在加強(qiáng)減少碳排放的法規(guī)，以實(shí)現(xiàn)其溫室氣體凈零排放目標(biāo)。在實(shí)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(jī)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(gè)基本焦點(diǎn)2工業(yè)部門的減少：

　　通過增加電機(jī)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(jì)劃。到 1 年實(shí)現(xiàn) 5.2050°C 的目標(biāo)需要將當(dāng)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(dǎo)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(zāi)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(shí)現(xiàn)1.5°C目標(biāo)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(lǐng)域。圖 1 概述了通過降低 CO 實(shí)現(xiàn) 1.5°C 目標(biāo)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(gè)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。可持續(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(biāo)的途徑，并完全符合《巴黎協(xié)定》。同時(shí)，它非常關(guān)注能源的可靠性和可負(fù)擔(dān)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(jī)可以顯著減少工業(yè)一氧化碳2排放

　　2022 年全球電力供應(yīng)量為 28，642 太瓦時(shí)，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(jī)占電力消耗的 69%。［3］ 450 年，該行業(yè)安裝了 ~52 Mu 的電機(jī)，安裝了 ~2022 Mu 的新電機(jī)（分為棕地升級和綠地開發(fā)），新的更高效的運(yùn)動資產(chǎn)正在顯著降低電力消耗和 CO2排放。電機(jī)用于驅(qū)動泵、風(fēng)扇、壓縮空氣系統(tǒng)、物料搬運(yùn)、加工系統(tǒng)等工業(yè)應(yīng)用。據(jù)估計(jì)，如果所有部署的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)都以最高效率運(yùn)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(jī)關(guān)鍵統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

　　通過增加電機(jī)驅(qū)動器的部署來提高能源效率

　　最基本和效率最低的運(yùn)動解決方案基于并網(wǎng)或交流供電的三相電機(jī)，該電機(jī)使用開關(guān)設(shè)備提供開/關(guān)控制和保護(hù)電路。這些基本運(yùn)動解決方案以相對固定的速度運(yùn)行，不受任何負(fù)載變化的影響。輸出變量（如泵和風(fēng)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(jī)械控制來實(shí)現(xiàn)的，而顯著的速度變化是通過齒輪來實(shí)現(xiàn)的。據(jù)估計(jì)，目前所有已部署的電機(jī)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(gè)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(jī)上以實(shí)現(xiàn)變速控制。這種變頻器驅(qū)動的電機(jī)通過以負(fù)載和應(yīng)用的最佳速度運(yùn)行電機(jī)來顯著降低能耗。例如，效率更高的泵和風(fēng)扇。當(dāng)添加到泵、風(fēng)扇或壓縮機(jī)的現(xiàn)有電機(jī)中時(shí)，逆變器通?？梢越档?~3% 的功耗。［25］

　　對于更高性能的運(yùn)動控制應(yīng)用，VSD 可實(shí)現(xiàn)精確的扭矩、速度和位置控制。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，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(jī)、卷繞機(jī)、印刷機(jī)和擠出機(jī)是這些應(yīng)用的典型例子。據(jù)估計(jì)，工業(yè)中所有部署的電機(jī)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(yùn)動資產(chǎn)從并網(wǎng)電機(jī)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(jī)的排放。

　　電機(jī)能量法規(guī)的重要作用

　　智能運(yùn)動控制解決方案正在并將繼續(xù)通過將更多應(yīng)用從定速電機(jī)轉(zhuǎn)移到高效電機(jī)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(shí)現(xiàn)更可持續(xù)的制造，同時(shí)減少二氧化碳排放2排放。為了加速更高效電機(jī)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(jī)標(biāo)準(zhǔn)做出了貢獻(xiàn)。這包括電機(jī)的 IEC 60034-2-1 測試標(biāo)準(zhǔn)和由四個(gè)電機(jī)效率級別（IE60034 到 IE30）組成的 IEC 1-1-4 分類方案。這些標(biāo)準(zhǔn)使比較電機(jī)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(biāo)準(zhǔn)（MEPS）的效率水平提供了參考，幫助各國實(shí)現(xiàn)其能源效率和二氧化碳排放目標(biāo)。

　　IEC 60034-1 效率等級：

　　IE1 標(biāo)準(zhǔn)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(jī)設(shè)置MEPS方面取得了重大進(jìn)展。自 2020 年以來，消耗全球 76% 的電機(jī)系統(tǒng)用電的國家已為 IE2 或 IE3 級別的電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的 MEPS 將增加到 IE《》（超高效率）。

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

　　圖。電機(jī)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(yùn)動控制應(yīng)用程序聯(lián)網(wǎng)在一起，將數(shù)據(jù)和運(yùn)動洞察傳達(dá)到基于云的數(shù)據(jù)存儲或本地存儲。運(yùn)動數(shù)據(jù)和見解現(xiàn)在更容易訪問，可以通過強(qiáng)大的云計(jì)算和人工智能 （AI） 進(jìn)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(yùn)動洞察可延長設(shè)備使用壽命，提高制造質(zhì)量，減少計(jì)劃外停機(jī)時(shí)間和材料浪費(fèi)，同時(shí)提高制造工廠的安全性。

　　電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)現(xiàn)在正在集成先進(jìn)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(yùn)動數(shù)據(jù)和見解。這些新的見解被傳達(dá)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(jī)，這些電機(jī)的運(yùn)行速度明顯低于其額定輸出，從而導(dǎo)致利用率不足和電力消耗增加。另一項(xiàng)關(guān)鍵功能是識別運(yùn)行過于接近或略高于其額定輸出的已部署電機(jī)，這也會導(dǎo)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(jī)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(jì)論壇——可持續(xù)燈塔網(wǎng)絡(luò)

　　世界經(jīng)濟(jì)論壇的“塑造先進(jìn)制造業(yè)和價(jià)值鏈的未來”平臺建立了全球燈塔工廠網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)將制造業(yè)的頂級領(lǐng)導(dǎo)者視為燈塔工廠。［7］ 世界經(jīng)濟(jì)論壇的全球燈塔網(wǎng)絡(luò)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(shí)案例2工業(yè)排放。［8］ 這是一個(gè)制造商社區(qū)，他們使用先進(jìn)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(luò)由全球 13 個(gè)生產(chǎn)基地組成，其中包括 8 個(gè)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(jìn)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(fèi)

　　減少一氧化碳2排放量減少 25%

　　4.提供運(yùn)動洞察的關(guān)鍵技術(shù)。

　　結(jié)論

　　實(shí)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(jī)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(jī)數(shù)量增加一倍。［10］ 因此，CO2新的更高效電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的減排影響和商機(jī)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(jìn)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(yùn)動控制和無縫連接到增強(qiáng)的邊緣洞察和分析的各個(gè)級別的效率。

審核編輯：黃飛