拯救地球，从每一台电机做起
电动马达自19世纪末以来便一直是制造应用中的常见设备。与之前的方式相比，它们提供了众多优点，包括瞬时扭矩、更高的可控性以及更低的维护需求。虽然马达技术多年来确实有所改进，但仍有许多重大进展尚待实现。这篇来自Analog Devices的文章探讨了如何通过提高电动马达的效率来帮助减少导致气候变化的排放。
2015年的《巴黎协定》制定了到2050年将全球变暖限制在1.5°C以内的计划。要在2050年实现1.5°C的目标，需要将2018年的二氧化碳排放量减少约70%。目前全球变暖的趋势可能会导致重大经济、社会和环境的破坏。全球已经变暖了1.1°C，专家表示很可能在2030年代突破1.5°C。
图1概述了通过将二氧化碳排放量降低到10 Gt CO2以下，以实现1.5°C目标的路径，该内容来源于《2019世界能源展望》。在该报告中，国际能源署（IEA）分析了全球排放轨迹的两种情景。第一种是公布政策情景（Stated Policies Scenario），该情景基于政府公开宣布的政策估算排放量。第二种是可持续发展情景（Sustainable Development Scenario），该情景探讨了减少排放的其他可能路径。在IEA的可持续发展情景中，减少二氧化碳排放量的最大机会来源于能源效率的提升，与公布政策情景相比，可持续发展情景中的减少量有37%归因于能源效率的提升。由于2022年工业部门占二氧化碳排放量的25%[2]，加速工业能源效率投资将成为实现2050年净零排放目标的重要部分。
图 1：减少二氧化碳排放的路径
为什么工业电机重要
2022年全球电力供应达到28,642太瓦时，产生了13.2亿吨碳排放量。据估计，工业消耗了全球电力的30%，而在工业领域中，电动机约占电力消耗的70%。显然，这些组件的效率对图1中所列的效率节约具有潜在的重要贡献。最基础且效率最低的运动解决方案基于直接连接交流电网的三相电动机，这些电动机使用开关装置提供开/关控制以及基本保护。这些运动解决方案以相对固定的速度运行，与负载变化无关。输出变量的调整（例如泵和风扇中的流量）通过机械控制装置（如节流阀、阻尼器和阀门）来实现，而显著的速度变化则是通过齿轮实现的。
图 2：工业电机在全球能源使用中的作用
如图 3(b) 所示，增加整流器、直流母线和三相逆变器级，可以实现一个具有可变频率和可变电压输出的逆变器，应用于电机以实现变速控制。该逆变器驱动的电机通过根据负载和应用运行在最佳速度下，显著降低了系统能耗。例如，高效泵和风扇。在现有的泵、电机或压缩机上添加逆变器时，根据电机和应用的不同，可以潜在地将功耗降低 25% 至 60%。对于高性能运动控制应用，VSD（图 3(c)）可以实现精确的扭矩、速度和位置控制。
图3: (a) 并网交流电机 (b) 逆变器供电电机 (c) 可变速电机驱动
据估计，工业中所有安装使用的电机中，仅约六分之一是由逆变器驱动或连接到变频驱动器 (VSD)。通过将更多安装的运动设备从直接连接电网的电机转变为逆变器驱动或连接到变频驱动器 (VSD)，可以显著减少能源消耗和二氧化碳排放。这种能源消耗的减少将促进更加可持续的制造业，同时减少二氧化碳排放。据估计，如果所有安装使用的电机驱动系统都以最高效率运行，全球电力需求将减少10%，并在2030年减少2490百万吨的二氧化碳排放。
电动机效率标准
为了加速高效电机驱动系统的部署，国际电工委员会 (IEC) 为能效电机标准的定义做出了贡献。这包括 IEC 60034-2-1 电机测试标准以及由四个电机能效等级（IE1 到 IE4）组成的 IEC 60034-30-1 分类方案，未来还将引入 IE5 等级。更高级别的标准可以通过更高效的电机设计实现，也可以通过在标准电机设计中添加变频器或变速驱动器 (VSD) 来实现。随着能效等级要求变得越来越严格，仅通过改进电机设计来达到标准将变得愈加具有挑战性且成本更高。再加上在实际应用中由变速控制提供的额外优势，为大多数工业电机配备 VSD 的理由变得越发具有吸引力。
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