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采用先进电机技术的电机系统有助于提高工业能效、降低成本和减少二氧化碳排放。据估计，到2050年，全球人口将从2019年的77亿增加到97亿，预计同期全球经济将翻一番以上。2050年全球城镇人口的占比将从2021年的56%上升至68%。快速城市化，再加上自动化和生活水平的提高，会导致全球对能源的需求急剧增加。为了在不影响经济增长的情况下保护环境，我们需要减少能源和自然资源的消耗。
电能需求的增长导致能源成本的相应增加。在过去四年中，工业领域的电价上涨了18%。电价增加会直接影响运营费用并增加生产成本，从而带来广泛的影响。严重依赖电力的行业，如化工、金属和基本材料，正在重新评估其成本结构，以保持盈利能力。
电价上涨导致电力密集型制造业的商品和服务的投入成本上升，从而导致价格上涨。为了应对这些挑战，工业企业正在考虑采用节能技术、能源多样化以及与政策制定者合作推广负担得起的能源等战略。与此同时，通过采用优化的高效设备（如高效的工业电机），也有助于实现能源消耗的显著降低。
全球电气化的发展趋势
伴随着全球电气化的发展趋势，预计对电机驱动系统的需求将大幅增长。根据国际能源署的数据，在全球能源消耗中，工业领域占37%，建筑行业约占30%。其中大部分能源是由电机消耗的。据估计，在工业领域消耗的电力中，约有70%用于电机系统。
电机应用已经有150多年了。小型电机主要用于空调和冰箱、电脑打印机、电子电器冷却风扇和其它常见设备中所使用的压缩机中。中型电机主要用于供暖、通风和空调（HVAC）系统以及电梯和电动汽车中。它们在工业应用中也获得广泛部署；适用于泵、输送机、风扇和各种机械运动。大型电机则应用于铁路发动机、缆车、船舶推进系统以及用于压缩机或材料加工的重型设备。虽然大型电机仅占所有使用电机的0.03%，但它们消耗的电量却占全球电机总耗电量的23%，而输出功率小于0.75千瓦的小型电机，仅占电机能耗的9%左右。
工业设计趋势是使用更多更小尺寸的电机，并针对特定任务进行优化。将电机的输出功率与任务所需的最大功率相匹配，这是朝着实现更高能效迈出的重要一步。
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ABB SP4 NEMA Super Premium电机的内部结构展示了一种有助于提高能效的非传统设计。
电机设计与效率提升
随着时间的推移，各种规格的电机都在稳步改进。在过去的10年里，它们经历了一段异常快速的技术进步时期，这也为降低工业和商业领域电机的能耗带来了机会。现在市场上的先进节能电机越来越多，而且这些电机的采用率也在不断提高。
现代感应电机具有非常高的运行效率。美国和欧洲的电机效率分别根据美国电气制造商协会（NEMA）和国际电工委员会（IEC）公布的标准进行评定。几乎所有在美国销售的工业电机，其能效等级都必须达到NEMA Premium，而在欧盟它们必须达到IEC IE3，这意味着在这些市场运行和销售的电机需要具有很高的效率。
举个例子，符合NEMA高级效率（IE3）标准的200千瓦交流感应电机，其效率约为96%。与其它类型的电机相比，如内燃机（效率为20-40%）或液压泵（效率为80%），此类电机的效率要高出很多。一些最先进的电机可以达到更高的效率标准，即NEMA Super Premium（IE4）标准。符合此标准的电机比NIE3电机的能量损失低约15%，而最新的IE5电机则代表了当前设计所能达到的最高效率水平。
很多目前正在使用的电机都是老旧且效率较低的设计，而且往往尺寸过大，这会浪费较多的能源。只需针对相关应用正确选择效率更高的电机，就能大大提高效率。在美国的很多老旧设施中，电机每年将超过10800亿千瓦时的电能转化为动能，每年的运营成本超过1123亿美元。只需通过改用IE4电机，仅美国工业领域每年就可以节省约16.8亿美元。
很明显，随着世界寻求降低成本、提高能源效率和减少二氧化碳排放，部署高效电机代表着巨大的机遇；然而，电机运营商还可以采取更多措施来实现更高水平的节能、控制和精度。现代高效电机与变频器配合使用，可进一步降低能耗。
实现脱碳目标的四种方法
在全球能源消耗中工业领域占三分之一，其中供热和旋转设备占大头。化石燃料仍然是工业领域的主要能源，使其成为比发电和运输行业更大的温室气体排放源。随着可再生能源发电量的增加，以及从内燃机到电动汽车的过渡CONTROL ENGINEERING China版权所有，发电和运输行业的排放量有可能下降，但预计在未来十年，工业排放量仍将继续增长。通过可扩展且负担得起的脱碳解决方案来减少工业领域的二氧化碳排放，对于实现净零排放至关重要。
要在能源密集型行业实现脱碳目标，请考虑以下四种方法：
■可再生能源：转向风能或太阳能等可再生能源发电。
■电气化：用电气解决方案取代旋转设备或供热中基于化石燃料的应用，例如用电力驱动电机传动系统取代燃气轮机。
■新兴技术和应用：部署利用碳捕集、利用和储存（CCUS）或氢气来实现近零排放的生产过程。
■能源效率：通过使用高效电动机和变频器来减少能源损耗。
解决可再生能源不稳定性的挑战
风能、太阳能和水力发电等可再生能源提供了一种生产清洁电力的方法。直到最近，这类能源一直难以扩大规模，使其与化石燃料相比价格昂贵。由于供应的可用性取决于来源，这对交付的一致性构成了挑战。技术的进步以及捕集和能源输送系统的发展，再加上在需求高峰期或某一能源不可用时提供电力的电力系统，使可再生能源的使用在工业中变得更加可行。据预测，到 2035 年，可再生能源可提供全球 50%以上的电力，且价格低于化石燃料。
可再生能源作为电力应用越来越普遍www.cechina.cn，其电力供应的不稳定以及基于位置和时间的需求波动会导致电网的不稳定，这是一个需要解决的问题。使用电池存储、转换器和需求管理程序等技术，可以最大限度地减少电网稳定性的挑战。
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ABB ACS5000中压变频器可根据过程需求控制大功率应用，如压缩机、泵和风机等。变频器优化了功耗和过程效率，有助于节省能源并减少二氧化碳排放。
通过电气化实现能源密集型产业脱碳
能源密集型产业的脱碳可以通过电气化来实现。通过电气化实现脱碳意味着用电气化解决方案取代基于化石燃料的应用。旋转设备（如压缩机）可以由电动传动系统（电动机与变频器相结合）驱动，而不是由燃气轮机或蒸汽轮机驱动。除了消除过程中的碳排放外，与机械解决方案相比，电动传动系统还具有其他优势，例如增强个人安全功能、减少维护、降低噪音排放或更好的过程控制。
除了旋转设备，工业供热的电气化也为脱碳带来了巨大的潜力。热量的产生占工业部门总能耗的四分之三；其中90%的热量是通过燃烧化石燃料产生的。工业热泵或等离子炬加热等技术的发展，将扩大电发热的应用。结合储热解决方案和合适的过程控制，电热生产有助于负载平衡，这将对电网稳定性做出积极贡献，并抵消可再生能源组合增加所带来的电力供应波动。
通常，碳密集型设备可以直接用电气替代品代替。对于旋转设备，这种解决方案通常由变频器驱动的电动机组成，或者用于电加热，直流电由使用与变频器类似技术的电力电子转换设备提供。根据应用的不同，整个系统可能包括其它组件，如电气室、低压或中压开关设备或附加设备。在很多情况下，通过直接更换来实施电气解决方案使过渡更容易，而在其它情况下，需要新的基础设施，并在设施升级或改造中部署。电气化还具有其它好处控制工程网版权所有，如提高可靠性、易于维护以及更好的电机控制和效率。
如果解决方案利用可再生能源，电气化对脱碳工作的影响更大。然而，转向利用完整的电机驱动系统来生产电能，无论初始能源如何，都可以减少碳足迹。
采用新兴技术助力过程工业脱碳
采用新兴应用和新技术是过程工业脱碳的另一个机会。氢气、可再生天然气和可持续航空燃料等低碳燃料都属于这个领域。在无法直接电气化的情况下，利用电解法生产绿色氢气弥补了电力与化学能载体之间的差距。电解电源依赖于电加热应用中使用的类似功率转换技术。该技术与变频器相同，几十年来已在许多行业得到广泛应用。氢、可再生天然气和可持续航空燃料等低碳燃料是类似领域。电解生产绿色氢气，弥合了电力和化学能源载体之间的差距，因为直接电气化是不可行的。电解电源依赖于电加热应用的类似功率转换技术。该技术在变频器中很常见，在很多行业中已经广泛应用几十年了。
其它应用的解决方案，如碳捕集、利用和储存（CCUS）和可再生天然气（RNG）等方法，也至关重要。简而言之，CCUS是捕集、储存和再利用二氧化碳的过程。碳捕集在难以减排的行业中尤其具有吸引力。RNG是从垃圾填埋场和其它废物处理中产生的沼气，如畜牧场、废水和食品生产作业。
数字化赋能的系统，包括变频器和电机，以及其它管理和优化过程的技术CONTROL ENGINEERING China版权所有，使这些应用能够为不同行业提供能源。在这里，与了解挑战、能够提供合适设备以及设计、执行和交付解决方案的合作伙伴合作也很重要。
生命周期评估工具为企业的节能维护和设备风险防范提供了洞察力。
如何实现能源效率的提升？
制造企业需要有效利用能源来减少对环境的影响，因此选择合适的设备对于更快地提高效率至关重要。在系统中使用高效电机，可以直接降低电力消耗。通过在传动系统中添加变频器，可实现更显著的节能效果。
如果没有变频器，电机就会一直全速运行，整个过程通过阀门和阻尼器进行控制。这就导致了严重的效率低下，因为无论工艺要求如何，电机都以接近额定功率的速度运行。变频器可根据工艺流程的实际需求调整电机转速，降低电机能耗。因此，系统运行效率更高，尤其是在部分负载的运行点。在电机系统中添加变频器可节省大量能源。以风扇为例，将旋转设备的转速降低 20%，可将输入功率需求降低约 50%。
尽管有这样的好处，但平均而言，只有16%的美国工业电机系统使用了变频器。在电气化系统中添加变频器可以优化能耗，使电机驱动系统的启动更平稳，可靠性更高。
如果全球能源需求如目前所显示的那样持续上升，企业就必须采取必要措施努力减少排放和能源使用。可再生能源和电气化技术，包括高效电机、变频器、储能系统和其它先进技术，为降低整体能耗和实现脱碳目标提供了解决方案。
在不断发展的工业领域中，追求效率（包括优化能源消耗）始终是一项艰巨的任务，对先进的电机驱动技术的投入有助于更快实现能源效率的提升。企业领导者需要将能源效率作为一项战略要务，并将工业能源效率视为一种节省成本的措施以及实现弹性和可持续性的途径。
最近的一份报告显示，美国工业部门的能源支出通常占总生产成本的5%至20%，其中很大一部分用于维持24/7不间断的动力传动系统运行。这凸显了能源效率在提高成本效益和运营可靠性方面的关键作用。然而，实现最佳能源效率需要的不仅仅是意愿，它需要基于数据驱动的洞察力和专家指导的战略措施。
企业越来越认识到高效能源管理的必要性，并将能源和安装基础的风险审计作为制定稳健、面向未来的战略工具。风险审计为评估能源利用、识别效率低下和实施有针对性的解决方案，提供了一个全面的框架。
在提高能源效率的过程中，最重要的是致力于创新与合作。具有前瞻性思维的公司利用先进技术和专业领域知识，提供量身定制的解决方案CONTROL ENGINEERING China版权所有，在提高运营绩效的同时优化能源使用。这种全面的方法可以满足各行业工业企业的不同需求，提高效率和可持续性。
这些能效产品的一个关键方面，在于它们将动力传动系统作为一个系统、变频器和电机的组合。通过设备和配置来优化动力传动系统，制造企业可以显著减少能源消耗并最大限度地提高生产率。
此外，预测性维护解决方案能够在潜在问题升级为代价高昂的停机事件之前，对其进行主动识别。这可以提高运营可靠性，最大限度地减少与机械性能低效相关的能源浪费，在延长关键资产寿命的同时达到新的效率水平。
寻找变革性的电机驱动技术
除了优化现有系统外，电机和驱动技术供应商正在开拓旨在重新定义工业能源管理的变革性技术。从集成可再生能源到智能电网解决方案，这些创新使企业能够实现前所未有的能源效率和可持续性水平，为行业卓越设定新的标准。
软件工具使企业能够量化实施节能解决方案可以实现的潜在节能。通过输入与其运营相关的特定参数，用户可以实时估计潜在的节能效果，并收到优化能源应用的定制建议。此外，生命周期评估工具还提供了对节能维护和设备风险的业务见解。生成的报告包含降低和解决关键操作风险的指导措施。
工业能效是提高成本效率和运营可靠性的一种关键的手段，但往往是隐含的。通过采用节能举措和先进的解决方案，企业可以在推进可持续发展目标的同时提高效率。通过合作、创新和战略干预，工业企业可以踏上通往更高效、更有弹性和可持续未来的旅程。
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