文/本刊記者 賈常艷/

趙爭鳴：清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系教授，清華大學(xué)電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任。主要從事研究方向?yàn)椋捍笕萘侩娏﹄娮幼儞Q器、電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能、電力電子與電機(jī)集成系統(tǒng)、太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用等。先后在國際學(xué)術(shù)刊物、國際會議以及國內(nèi)核心刊物上發(fā)表300多篇有關(guān)學(xué)術(shù)論文，編著《太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用》和《電力電子與電機(jī)系統(tǒng)集成分析基礎(chǔ)》等科技書籍6本，獲得國家發(fā)明專利24項(xiàng)；獲多項(xiàng)省部級科技成果獎(jiǎng)。目前兼任北京電力電子學(xué)會副理事長，IEEE電力電子學(xué)會北京分部主席，中國電力電子學(xué)會副理事長，機(jī)械工業(yè)教育協(xié)會電氣工程與自動化學(xué)科教學(xué)委員會副主任，英國工程與技術(shù)學(xué)會會士（IET Fellow）等。

19世紀(jì)世界上第一臺電機(jī)問世，其在隨后的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了整個(gè)工業(yè)文明的進(jìn)步與發(fā)展。在中國，電機(jī)耗電量日益增大，目前我國一年電機(jī)保有量約17億千瓦，總耗電量約3萬億千瓦，電機(jī)成為用電量最大的耗電機(jī)械。日前，工信部就《電機(jī)能效提升計(jì)劃（2012-2015年）》召開發(fā)布會，力爭全面推動電機(jī)能效提升，促進(jìn)工業(yè)系統(tǒng)升級。電機(jī)能效的提升越來越受到重視。本刊就電機(jī)能效的提升問題專訪了清華大學(xué)電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任趙爭鳴，他指出了電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能在電機(jī)能效提升中的重要性，并全面的闡述了電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能存在的問題及解決方案。

《電器工業(yè)》：請您介紹一下我國電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀。

趙爭鳴：電機(jī)行業(yè)作為具有一百多年歷史的老行業(yè)，曾在上世紀(jì)五六十年代是一個(gè)比較前沿的行業(yè)，后來由于信息工業(yè)化的發(fā)展，電機(jī)行業(yè)從前沿走向低谷，成為“夕陽工業(yè)”。最近幾年，隨著能源戰(zhàn)略地位的提升和信息工業(yè)化的發(fā)展，節(jié)約資源和環(huán)境保護(hù)成為我國的基本國策，電機(jī)行業(yè)發(fā)生了很大的變化，此時(shí)對電機(jī)的關(guān)注點(diǎn)不再是以前單純的電機(jī)，而是一個(gè)電機(jī)系統(tǒng)。同時(shí)，電機(jī)的本體也發(fā)生了很大的變化，各種各樣新型的電機(jī)開始出現(xiàn)，特別是電動機(jī)，在電力電子電源的控制下其設(shè)計(jì)、分析和控制等發(fā)生了很大的變化。這個(gè)時(shí)候，電機(jī)的節(jié)能不再是簡單的電機(jī)本體的節(jié)能，而是整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能。

中國在70年代后期開始研究電機(jī)調(diào)速節(jié)能技術(shù)。從1980年開始到1986年底，可以說是處于初始階段。1987年初，有專家集體向中央上書，建議在中國大力推行電機(jī)的變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)和以及相應(yīng)的電力電子新技術(shù)，組織了各種論證會和研討會?！捌呶濉逼陂g，很多工科院校都開展了以GTR器件為主的電機(jī)變頻調(diào)速裝置的研究。與此同時(shí)，中國電機(jī)制造行業(yè)完成了由Y系列取代原JO到JO2系列中小型電動機(jī)的生產(chǎn)轉(zhuǎn)型，能效平均提高了2～3個(gè)百分點(diǎn)，并開始醞釀更高能效的Y2系列電動機(jī)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)備。1987～1989年是中國政府對電機(jī)系統(tǒng)調(diào)速節(jié)能技術(shù)進(jìn)行初步?jīng)Q策的重要階段。

從1989年到2001的12年是中國電機(jī)系統(tǒng)調(diào)速節(jié)能的初步推廣階段。在這個(gè)過程中，我國電機(jī)制造界完成了Y2系列電動機(jī)的設(shè)計(jì)、鑒定，之后我國電動機(jī)制造企業(yè)按美國的高效電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的電動機(jī)占到了全國電動機(jī)總產(chǎn)量的5%。1998年開始實(shí)施的“中國節(jié)能法”第39條把變頻調(diào)速列入通用節(jié)能技術(shù)加以推廣，有力地推動了電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能市場及變頻調(diào)速技術(shù)的開發(fā)和推廣。

“十一五”時(shí)期的十大節(jié)能工程中，其中有一項(xiàng)就是電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能。具初步統(tǒng)計(jì)，我國一次能源60%以上都轉(zhuǎn)換成電能，而60%以上的電能都是由電動機(jī)轉(zhuǎn)換的，電動機(jī)制造的能源比例大約占25%。所以電機(jī)的節(jié)能是非常有意義的。2001年在當(dāng)時(shí)的國家計(jì)委節(jié)能司的布置下，我們做了一個(gè)中國電機(jī)能效的分析與評估，強(qiáng)調(diào)了電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能的概念，尤其是調(diào)速節(jié)能。這十多年來進(jìn)展很大，首推的變頻器為電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能帶來了很好的效益。

今年3月工信部提出了《2013年工業(yè)節(jié)能與綠色發(fā)展專項(xiàng)行動實(shí)施方案》，重點(diǎn)實(shí)施推進(jìn)電機(jī)能效提升，其目標(biāo)為力爭推廣、淘汰和節(jié)能改造電機(jī)及電機(jī)系統(tǒng)1億千瓦。6月工信部下發(fā)《2013-2015電機(jī)能效提升計(jì)劃》，擬用3年時(shí)間，通過政策引導(dǎo)、標(biāo)準(zhǔn)約束、監(jiān)督檢查和市場化機(jī)制，在生產(chǎn)、應(yīng)用和回收利用等方面全面提升電機(jī)領(lǐng)域的利用效能。

《電器工業(yè)》：當(dāng)前，我國電機(jī)的能效水平是怎樣的？存在哪些問題？

趙爭鳴：初步統(tǒng)計(jì)分析，目前各類電機(jī)的效率加權(quán)平均比國外低2～3個(gè)百分點(diǎn)，風(fēng)機(jī)和泵的效率要比發(fā)達(dá)國家低2%～5%，整體在用的電機(jī)拖動系統(tǒng)運(yùn)行效率（由于裝備的效率低，設(shè)計(jì)、選型匹配不合格等原因）比國外低近10～20%。

整體來看，我國電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率低、能耗高，主要是電動機(jī)及被拖動設(shè)備本身效率低，另外系統(tǒng)匹配和調(diào)節(jié)方式不合理造成系統(tǒng)效率低。我們現(xiàn)在所說的效率通常是指額定點(diǎn)的效率，但是更有意義的應(yīng)該是整個(gè)運(yùn)行區(qū)域的效率，假如電機(jī)應(yīng)用的工況發(fā)生變化，效率范圍就很重要。在電動機(jī)的實(shí)際應(yīng)用中，由于設(shè)計(jì)裕量、電機(jī)選型的過載能力考慮和實(shí)際運(yùn)行中負(fù)載率很低等方面的原因，高效電機(jī)設(shè)計(jì)制造的電動機(jī)經(jīng)常處于低效運(yùn)行狀態(tài)。低負(fù)載率造成的電動機(jī)運(yùn)行效率低下，造成風(fēng)機(jī)、泵類、壓縮機(jī)等系統(tǒng)能效的大大降低，這種“大馬拉小車”的現(xiàn)象比較嚴(yán)重，因此更要求采用調(diào)速技術(shù)。

此外，電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)的參數(shù)匹配不是很好，缺乏匹配原則，為了保證安全性而忽略了效率問題，使這二者沒有達(dá)到最佳匹配，因此需要在安全性和效率之間找到最優(yōu)點(diǎn)。

其次，電機(jī)本體的損耗（銅耗、鐵耗、機(jī)械損耗、附加損耗、諧波損耗等）影響了效率的高低。但是損耗的計(jì)算和測量都比較難，每個(gè)國家的標(biāo)準(zhǔn)不同，效率值也不同，測試的手段和方法也不同。因此效率是個(gè)相對概念。盡管效率值通過輸入輸出的比值來取得，但由于測量方法以及儀器的差異也避免不了誤差。

《電器工業(yè)》：電機(jī)是用電量最大的耗電機(jī)械，高效節(jié)能電機(jī)成為國際發(fā)展的趨勢。您認(rèn)為工業(yè)領(lǐng)域的電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能應(yīng)該由哪些主體從哪些方面做起？國外有哪些經(jīng)驗(yàn)可以借鑒？

趙爭鳴：能耗巨大的電機(jī)系統(tǒng)是國家節(jié)能政策的重點(diǎn)領(lǐng)域,是“十二五”節(jié)能減排重點(diǎn)工程之一。我國現(xiàn)有電機(jī)能效普遍偏低,節(jié)能電機(jī)發(fā)展?jié)摿薮?。電機(jī)是工業(yè)領(lǐng)域主要耗電終端產(chǎn)品,裝機(jī)大約12億千瓦,占我國工業(yè)用電量的75%,電機(jī)系統(tǒng)每提高1個(gè)百分點(diǎn),每年可節(jié)約260億度電。初步估計(jì)全國電機(jī)系統(tǒng)年節(jié)電潛力1300億～2300億度,相當(dāng)于2～3個(gè)三峽電站的發(fā)電量。由此可見，電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能是中國節(jié)能市場上最具商業(yè)潛力的領(lǐng)域。

電機(jī)本體和電機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能共同構(gòu)成了電機(jī)的節(jié)能。電機(jī)的節(jié)能應(yīng)該由科研機(jī)構(gòu)、制造企業(yè)、運(yùn)行部門以及政府四個(gè)主體來帶頭共同實(shí)現(xiàn)。

首先科研機(jī)構(gòu)要明確提出方案來說明哪些方面需要節(jié)能，哪些方面是節(jié)能的重點(diǎn)，如何評價(jià)節(jié)能效果等。此外，科研機(jī)構(gòu)在節(jié)能技術(shù)研發(fā)方面起著至關(guān)重要的作用。

電機(jī)制造企業(yè)需要從技術(shù)方面提高電機(jī)的能效。通過提高材料特性、提高制造工藝水平、改善電機(jī)結(jié)構(gòu)、控制電機(jī)運(yùn)行、合理利用電磁轉(zhuǎn)換原理、與提高功率密度相結(jié)合、與高功率因數(shù)相結(jié)合、與散熱冷卻相結(jié)合等途徑來提高電機(jī)節(jié)能的技術(shù)水平。企業(yè)可以通過增加有效材料，降低繞組損耗和鐵耗；采用適用于變頻調(diào)速的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，減小轉(zhuǎn)子電阻；應(yīng)用計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低損耗的方式來改進(jìn)電機(jī)本體結(jié)構(gòu)。在提高材料特性方面，轉(zhuǎn)子損耗約占電動機(jī)損耗的20%，減少轉(zhuǎn)子損耗的一半意味著電機(jī)的效率可提高0.5%～1.5% ，采用銅轉(zhuǎn)子使電動機(jī)效率提高約為2%。主要的問題是鑄模的高成本和短壽命——高溫模具和壓鑄工藝。美國，德國，意大利等國家比較多用此方法。日本多選用合適的磁性材料是設(shè)計(jì)和制造高效率電機(jī)的關(guān)鍵，永磁三相同步電動機(jī)部分替代三相異步電動機(jī)將成為現(xiàn)實(shí)，前者的效率比后者高2%～5%，其功率因數(shù)接近于1。英國等多采用含硅量適中及低碳、低硫、低氮的坯料和特殊的軋制熱處理工藝技術(shù)，澳大利亞等國家使用軟磁復(fù)合材料。在提高工藝制造水平方面，德國、法國采用混合通風(fēng)結(jié)構(gòu)和軸向通風(fēng)結(jié)構(gòu)來提高電機(jī)的效率值得學(xué)習(xí)。

高效電機(jī)是以材料成本來實(shí)現(xiàn)節(jié)能，價(jià)格比較高，多用材料用好材料造成“節(jié)能不節(jié)錢”。系統(tǒng)節(jié)能包括變頻器、風(fēng)機(jī)、水泵、電源等的節(jié)能，因此應(yīng)該針對電機(jī)的應(yīng)用情況來確定其運(yùn)行方式，具體應(yīng)用決定了具體的節(jié)能方式。而什么樣的方式是節(jié)能的呢？這就給電機(jī)帶來了新的問題——電機(jī)能效評估。目前電機(jī)能效評估缺乏科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)從安全、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)等方面來綜合考量，而評估最重要的基礎(chǔ)之一就是測量。標(biāo)準(zhǔn)不同，測量方式的不統(tǒng)一很容易造成混亂。因此，節(jié)能絕不是單一的電機(jī)問題，而是系統(tǒng)的問題。這一系列的問題就需要政府來協(xié)調(diào)，在充分認(rèn)識到這一問題的基礎(chǔ)上，制定科學(xué)統(tǒng)一的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，審查監(jiān)督規(guī)范相關(guān)評估機(jī)構(gòu)，從源頭上保證電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能的真正實(shí)現(xiàn)。除此之外，對什么是高效電機(jī)，什么是高效電機(jī)系統(tǒng)，這些都應(yīng)該有明確的標(biāo)準(zhǔn)來說明?，F(xiàn)在我國絕大部分標(biāo)準(zhǔn)都是采用歐洲IET的標(biāo)準(zhǔn)，政府最重要的就是要抓標(biāo)準(zhǔn)抓評估，同時(shí)，制定合理的補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)也很有必要。政府原來的補(bǔ)貼都是補(bǔ)貼在高效產(chǎn)品上，但是，高效產(chǎn)品的低效運(yùn)行并沒有起到節(jié)能的效果，所以現(xiàn)在看來，補(bǔ)貼更應(yīng)該補(bǔ)在最終節(jié)能效果上面。

《電器工業(yè)》：請您分析一下電力行業(yè)中電機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能潛力。

趙爭鳴：電力系統(tǒng)尤其是發(fā)電廠是電動機(jī)的應(yīng)用大戶，據(jù)統(tǒng)計(jì)，一臺20萬千瓦的汽輪發(fā)電機(jī)至少需要從33千瓦到1000千瓦的電動機(jī)20臺以上，折算到20萬千瓦功率等級，若全國平均約有500臺20萬千瓦的發(fā)電機(jī)，則需要10000臺33千瓦到1000千瓦的電動機(jī)。電動機(jī)的用電占電廠用電量的80%左右。如果電動機(jī)的效能提高1%，則每年僅電廠就能節(jié)電80億千瓦時(shí)。其次，我國部分電廠在送、引風(fēng)，灰渣泵，疏水泵，給粉和給煤機(jī)上安裝變頻調(diào)速裝置后，均取得了較好的效益。從國內(nèi)電力系統(tǒng)推廣應(yīng)用情況看，還主要局限于中小功率電動機(jī)變頻調(diào)速，大功率電動機(jī)變頻調(diào)速裝置為數(shù)較少。大功率的風(fēng)機(jī)、泵類電動機(jī)雖然數(shù)量不多，但在容量上卻占了80%以上。再次，我國發(fā)電設(shè)備高速發(fā)展，電力裝備制造能力和水平也有了很大的提高。但是電力運(yùn)行的一些主要指標(biāo)和裝備指標(biāo)與發(fā)達(dá)國家仍有差距。比如，我國送到用戶的電能比發(fā)達(dá)國家多耗電9.5%左右，相當(dāng)于我國22000兆瓦裝機(jī)的年發(fā)電量。因此，大功率變頻調(diào)速電機(jī)及控制裝置的應(yīng)用在國內(nèi)電力系統(tǒng)的市場前景十分廣闊。其中，采用交流變頻調(diào)速技術(shù)來降低廠用電是解決電力行業(yè)節(jié)能降耗、提高系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的有力措施之一。

《電器工業(yè)》：請您談?wù)勎磥黼姍C(jī)系統(tǒng)節(jié)能的發(fā)展趨勢。

趙爭鳴：電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能最主要的相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)是電力電子及電氣傳動，特別是交流電機(jī)變頻調(diào)速產(chǎn)業(yè)。我國交流電機(jī)變頻調(diào)速市場發(fā)展迅速，每年以12%的速度迅速增長。中國大量的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，冶金、煤炭、化工、石油等制造業(yè)領(lǐng)域的大量投資為中國電機(jī)系統(tǒng)市場創(chuàng)造了巨大的需求，該領(lǐng)域市場前景廣闊。電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能將會成為一個(gè)頗具發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)業(yè)。但是電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能的發(fā)展將會是一個(gè)長期而艱巨的任務(wù)。

當(dāng)前，我國現(xiàn)有存量電機(jī)中高效電機(jī)比重不到5%，因此用高效電機(jī)替代低效電機(jī)，用高效電機(jī)運(yùn)行替代低效電機(jī)運(yùn)行成為電機(jī)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要方面。此外，電機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展還需要有技術(shù)轉(zhuǎn)型、產(chǎn)品轉(zhuǎn)型、體制轉(zhuǎn)型、人才轉(zhuǎn)型的全面配合。

未來，電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)促使常規(guī)電動機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用發(fā)生變化。國際上高效電機(jī)、變頻調(diào)速電機(jī)已形成系列。機(jī)電一體化將功率變換器和控制系統(tǒng)集成到電機(jī)上，形成智能電機(jī)、電子電機(jī)等，廣泛應(yīng)用于中小功率傳動和家用電器。永磁同步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、磁懸浮直線電機(jī)等新型調(diào)速電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，在機(jī)車牽引、電動汽車、大型艦船驅(qū)動以及磁懸浮交通等領(lǐng)域中得到應(yīng)用。

在今后的發(fā)展中，我們應(yīng)該明確認(rèn)識電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能的系統(tǒng)性，人才的知識結(jié)構(gòu)要全面而系統(tǒng)，基地建設(shè)和科研方面也要從系統(tǒng)的角度出發(fā)，從而使得電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能乃至整個(gè)電機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展更加蒸蒸日上。