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Maurice O'Brien
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通过提升电机效率减少工业排放：（可持续发展系列#3）
本文为系列文章的第三篇。此系列文章旨在阐明创新技术平台和软件解决方案如何支持清洁科技，并邀请其他各方就能源和可持续发展的未来展开对话。点击此处查看第二篇文章“展望电气化的未来。
应对气候变化是一项严峻的挑战，需要克服的问题可谓是铺天盖地。具有可持续发展意识的民众会尽力通过采用公共交通、驾驶电动汽车、减少能源使用等方式来减少个人碳足迹。但碳排放的主要源头实际上是工业，在美国估计占所有温室气体排放量的23%。1值得庆幸的是，工业部门为大规模解决关键排放源带来了特别的商机，电气化有助于节约成本，相关法规在不断完善，市场需要更具弹性的能源网络，这些都促使业界采取相应的纠正措施。据估计，电机能耗约占工业用电量2的70%，主要用于驱动泵、风扇、压缩空气系统、物料搬运、加工系统等。这使得电机有望产生新的商机，可通过提高电机运行效率的技术来解决碳排放问题，特别是对于愿意投资改造设备以提升能效的大型制造商而言，这是一个不错的解决方案。
全球各界齐心协力，应对全球挑战
减少碳排放是一项全球性的重大挑战，《巴黎协定》充分体现了这一严峻形势。巴黎协定设定的气候目标是到2050年将全球升温限制在1.5°C，要求CO2排放量比2018年减少约70%。2
要实现1.5°C控温目标，投资须从化石燃料转向能效提升、可再生能源与核能发电，以及碳捕集、利用与封存(CCUS)和其他低碳领域。然而，尽管可再生能源受到广泛关注，ADI公司认为提升能效可能更为关键。通过提高效率和减少对电网的需求，制造商或许能够提高运营弹性、节省成本并减少排放。
可持续发展情景与既定政策情景中的CO2减排量。2
该图显示了到2050年将CO2排放量减至100亿吨以下，以实现1.5°C控温目标的途径，详见《2019年世界能源展望》。2该研究主要包括两个部分。第一部分是既定政策情景，仅考虑已经宣布的具体政策举措。第二部分是可持续发展情景，它阐释了世界能够实现气候、能源获取和空气质量目标以及《巴黎协定》愿景的途径。与此同时，它始终高度关注能源的可靠性和经济性，以满足全球不断增长人口的需求。值得注意的是，可持续发展情景中确定的减少CO2排放的可能突破口是提高能效，相对于既定政策情景，占可持续发展情景减排量的37%。2
更高的电机效率意味着更低的排放
扩大电机驱动器部署才能提高能效
由于能效是应对排放挑战的核心，技术人员和制造商必须确定从哪些方面着手具有实际意义，而工业电机是一个完美的起点。
基本的低效运动解决方案通常在打开或关闭位置运行，无论任务要求如何变化，都采用一个输出水平。这些解决方案基于并网或交流三相电机，利用开关设备进行开/关控制并提供保护电路。然而，使用变速驱动技术，电机能够更好地将输出与负载要求相匹配。随着世界寻求实现更高的能效和减少CO2排放，部署更高效的电机和驱动器，并采用数字化技术，将伴随着更大的商机。
在美国，据估计，大约六分之一的电机采用了变速驱动技术。5由此可见，市场还需求大量并网电机，并且将通过连接逆变器或变速驱动器(VSD)来降低能耗，以实现效率提升。
通过添加整流器、直流母线和三相逆变器级等技术，还能以适合负载和应用的优化速度运行电机，从而大幅降低能耗。根据不同的电机和应用，在现有电机上添加逆变器或驱动器可将功耗降低25%至60%。6,7对于更高性能的运动控制应用，借助VSD可实现对扭矩、速度和位置的准确控制。为加速部署更高效的电机驱动系统，国际电工委员会(IEC)推动制定了节能电机标准，包括IEC 60034-2-1电机测试标准和涵盖四级电机效率（IE1到IE4）的IEC 60034-30-1分类方案，这些标准便于比较不同电机制造商的效率水平，并为政府确定其最低能耗性能标准(MEPS)的效率水平提供了参考。随着监管机构寻求高效节能减排放方案，ADI预计这些标准的普及将进一步推动对更高效电机技术的持续投资。
半导体技术是支持现代驱动器实现节能转型的重要推动因素。ABB和ADI公司等领军企业正投资开发适合运动应用的节能技术、解决方案和产品。业界认为，仅靠改进电机设计无法确保获得理想的能效。因此，ABB等领军企业寻求继续推动先进电机驱动技术的发展，包括控制算法、理想的开关频率和数字建模。从设计、建模、确定尺寸到动力总成优化操作和控制，对于电机驱动系统的生命周期管理，这些全面广泛的技术是不可或缺的关键要求。数字化转型和人工智能技术将有助于实现更加可持续的制造业未来所需的节能电机驱动系统。
“ABB以及其他全球科技公司都在寻求实现更远大的ESG目标的方法，供应商则致力于提供支持和加速达成这些目标的技术。供应商将采用节能电机驱动器视为这项任务的基础，这意味着精密测量和控制技术将非常关键。”Matti Kauhanen
副总裁、技术经理| ABB
数字化转型促进提高生产效率
然而，提升电机运行效率的机会并不仅限于电机本身。VSD使用电压、电流、位置、温度、功率和能耗数据，并结合使用外部传感器来监测振动和其他过程变量。利用融合了信息技术/操作技术(IT/OT)的以太网网络，从运动应用中捕获的各种数据彼此互联，还可将数据和运动洞察传输到云端数据存储或本地存储设施，借助强大的云计算和人工智能(AI)，使其更易于访问和操作。这样，或许还能更大规模地优化制造流程、降低能耗以及减少制造过程中的CO2排放量。此外，利用运动洞察可延长设备使用寿命，提高生产质量，减少计划外停机时间和材料浪费，同时增强制造工厂的安全性。
另一个关键功能是识别工作输出过于接近或略高于额定输出的已部署电机，这种情况也会导致耗电量增加，影响使用寿命。在部署了数百至数千台电机的大型制造设施中，数字化转型战略对于确定这些可减少电力消耗和CO2排放的机会尤为重要。
电机驱动系统集成先进的传感、信号处理、边缘AI和连接解决方案，可在智能边缘产生运动数据和洞察。这些新洞察将传至制造执行系统(MES)，该系统将基于洞察信息识别运行效率较低，致使利用率不足且用电量增加的电机。
世界经济论坛：可持续灯塔网络
为了说明科技对制造业的影响，世界经济论坛的“塑造先进制造和价值链的未来”平台建立了全球灯塔网络，制造业佼佼者将入选灯塔。该网络展示了数字化转型战略如何加速降低能耗以及在工业领域采用更可持续运营方式的真实案例。8
促进实现净零排放的生态系统解决方案
减排之路很复杂，但工业制造企业有望借助新技术加速制造业低碳转型。预计到2040年，工业活动的增加将会使电机系统需求增长近一倍。9因此，新的高效电机驱动系统有望为CO2 减排做出更大贡献，同时创造大量商机。对于制造商来说，各种经验和联系对于大规模部署节能电机技术非常重要，因此关键在于如何与生态系统内的公司开展合作。挑战涉及的范围很广，而在工业、技术和政府领域拥有合适的合作伙伴对于实现工业和全球的能效目标非常重要。
参考资料
1 “温室气体排放源”。美国环保局。
2 “2019年世界能源展望”。国际能源署，2019年。
3 “2023年电力市场报告”。国际能源署，2023年2月。
4 “工业能源报告”。国际能源署。
5 “美国工业和商业电机系统市场评估报告，第1卷”。劳伦斯伯克利国家实验室，2021年1月。
6 “实现《巴黎协定》：高效电机和驱动器在降低能源消耗方面的重要作用。”ABB，2021。
7 R. Saidur、S. Mekhilef、M. B. Ali、A. Safari和H. A. Mohammed。“变速驱动(VSD)在电机节能中的应用。”可再生和可持续能源审查，2012年1月。
8 《全球灯塔网络：塑造第四次工业革命的新篇章。”世界经济论坛，2023年1月。
9 “2017年世界能源展望”。国际能源署，2017年。
前瞻性声明
本文章包含前瞻性声明，这些前瞻性声明依据美国《1933年证券法》及其修订案和美国《1934年证券交易法》及其修订案中的其他安全港条款制定。除历史事实外，其他所有声明均可视为前瞻性声明。了解详情 >>
