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无刷双馈电机帮空压机擒住“电老虎”

   电机设备的能源耗损问题历来是让业内“头疼”的难题。数据显示,全球电力供应总量的70%为工业用电,而工业用电总量中的70%是由风机、泵类、压缩机等所用电机消耗殆尽,耗电占总发电量的49%。
 
  节能减排要抓工业,抓工业重点要抓电机,电机就是“电老虎”,绕线转子无刷双馈调峰发电机优异的变速恒频调节属性能根据负荷变化调节转速,为空压机、风机、泵类应用节能降耗带来了福音。
 
  日前,在金路达有限公司(华中科技大学与德和泰集团产学研结合的成果转化平台)“绕线转子无刷双馈电机系统技术”发布会上,山东省淄博市博山区政府副区长隆小波宣布该技术正式“产业化”时有些激动。
 
  2018年年初,山东省人民政府发布《关于印发山东省新旧动能转换重大工程实施规划的通知》。作为全国新旧动能转换先行先试的省份,“新技术、新产业、新业态、新模式”是山东省推行此次重大项目的核心,而对于几乎占全了“四新”的“绕线转子无刷双馈电机系统技术”项目能被列入重大项目,隆小波在接受采访时连说了好几个“很荣幸”。
 
  这项技术是以华中科技大学教授王雪帆为主的科学家团队的重要研究成果。2012年,该团队研发的“绕线转子绕组”技术在无刷双馈电机应用上取得重大突破,实现了无刷双馈电机由低压变频技术直接控制高压电机转速的产业化目标。
 
  王雪帆用“十年磨一剑”来形容这一突破,但这句话却不仅仅是简单的诗句引用。从2002年王雪帆课题组获得国家自然科学基金支持,到2012年课题组所攻克的核心技术走出实验室,整整花了十年时间。
无刷双馈电机帮空压机擒住“电老虎”
 
  摘到“皇冠上的明珠”
 
  电机设备的能源耗损问题历来是让业内“头疼”的难题。数据显示,全球电力供应总量的70%为工业用电,而工业用电总量中的70%是由风机、泵类、压缩机等所用电机消耗殆尽,耗电占总发电量的49%。
 
  业内有种说法,节能减排要抓工业,抓工业重点要抓电机,电机就是“电老虎”。
 
  王雪帆坦言,“如果电机出现革命性技术进步,那意味着大量火力发电厂停运,可以大幅减少煤炭消耗、降低二氧化碳排量、减少工业废气。”
 
  作为全球制造业大国,我国电力产能位居世界第一。2017年,全国发电装机容量17.8亿千瓦,其中火电发电装机容量达11.1亿千瓦。电机耗电难题如果能够攻破,其带来的环境、经济、社会效益可想而知。
 
  无刷双馈电机(Brushless Doubly-fed Machine,简称BDFM)是近年发展起来的一种新型变频调速电机。它具有以下优点:a.由于电机采用定子双馈方法,没有电刷和滑环等装置,增加了运行的可靠性,降低了维护成本;b.变频电源只需给控制绕组供电,其容量远小于电动机的额定容量,降低了调速系统的成本;c.电机的功率因数可以调节;d.当变频设备出现故障时,可以断开控制绕组电源,仅由功率绕组提供电能,进行异步运行,从而提高系统的安全性和可靠性,另外,BDFM可以作为发电机使用。
 
  在无刷双馈电机领域,以核心技术转子结构划分,国内外的研发方向和主要技术流派分为三大阵营。分别是,美国俄亥俄州立大学学者T.A.Lipo领衔的“磁阻转子”技术、英国剑桥大学学者Williamson领衔的“同芯笼转子”技术以及王雪帆课题组的“绕线转子”技术。
 
  2010年—2012年,全球三大流派分别将各自研发技术用于实践,制成了“实验用电机”。2010年,美国俄亥俄州立大学以“磁阻”式转子设计制作了一台200千瓦的无刷双馈发电机,通过实验室实测数据,电机随着转速变化,其效率为88.96%。2012年,英国剑桥大学工程系可再生能源实验室制成250千瓦无刷双馈电机,试验中效率可达96%。
 
  但迄今为止,“磁阻式转子”和“同芯笼式转子”结构这两大技术流派仍停留于“实验室样机”改进阶段。王雪帆罗列出制约其技术应用的原因:谐波含量高、随负荷波动大、噪音大。换言之,两种“样机”的噪音和振动较大,对电网污染严重,电机运行可靠性差。
 
  而“绕线转子”则利用绕组磁势齿谐波的自然属性将低效双绕组化为高效单转子绕组,实现了定子对极磁动势幅值及谐波含量的精细控制。这体现在电机效果上的突出优势则表现为“高效率、高可靠、低污染、低成本”。对此,王雪帆说,“中国人捷足先登,摘下了皇冠上的明珠。”
 
  “无刷双馈电机几乎解决了传统电机的所有痛点。”针对这项技术,中国节能协会副秘书长谌树忠如此评价。
 
  分阶段精进、多领域应用
 
  技术成果的取得并不是一蹴而就的。从2004年“一种交流无刷双馈电机” 获得发明专利授权到2016年发明专利“绕线转子无刷双馈电机及变频控制系统”进入商用阶段,王雪帆课题组的技术成果经过了多个阶段的“精进”。
 
  王雪帆介绍,2005年,变极起动无滑环绕线转子感应电机获得实用新型专利,国家发改委将之列入战略新兴产业重点产品和服务指导目录,工信部将之列入“国家重点推广的电机节能先进技术目录”;2013年,绕线转子无刷双馈电机及变频控制系统获奖,其技术及性能得到湖北省科技厅组织的专家团队的鉴定;同年,工信部组织专家再次鉴定,“确认该技术为国际领先,系国际首创”。
 
  “工业泵类、风机、压缩机等中高压电机在绕线转子无刷双馈电机变调速系统中,电网输送的电能分成两路。”王雪帆描述该技术的颠覆性,“一路通常50%以上直达电机,省略耗功器件;另一路则通过小容量变压器和低压变频器,负责电机调速,具有效率高、成本低、安全可靠等显著优点,颠覆传统产业”。
 
  2011年,绕线转子轴带无刷双馈船用发电机开始实船应用,在长航集团5000吨荣江15068号轮船上成功应用,节油效率高达14.7%;2016年,“绕线转子无刷双馈电机及变频控制系统”在中石化集团武汉石化分公司装置投入运行,经第三方认证,系统节电率大于31%。
 
  事实上,该技术的应用范围还涉及多个领域。“绕线转子无刷双馈电机”技术的应用价值逐渐显现。
 
  在发电机领域,绕线转子无刷双馈风力发电机能依据风机转速变化调节励磁电流的频率,实现变速恒压恒频,使得系统所需变频器容量变小,具有更好的低电压穿越能力。王雪帆解释道,“在提高系统稳定性的基础上,使整个风力发电成本降低约20%,且设备维护量降低,特别适用于海上风力发电”。
 
  由风力发电或光伏发电等可再生能源构建的微电网受气候时变影响需增加调峰发电装备,以平衡局域电网的电力负荷波动。现有柴油机发电装置,因采用同步发电机,无论负荷大小,柴油机必须保持恒定转速,能耗极大。王雪帆表示,绕线转子无刷双馈调峰发电机优异的变速恒频调节属性能根据负荷变化调节转速,实现节油20%左右。
 
  科学家愿体现社会价值
 
  近年来,我国科研论文产出和专利申请连年增长,但科技和经济“两张皮”矛盾突出。一方面,科学研究以发论文为“终点”,常年“沉寂纸堆”,科研成果“压箱底”现象广受科研人士诟病,另一方面,大量急需科技“输入”的企业却苦于“一技”难寻。
 
  不过,对于金路达有限公司负责人张恪来说,这种体验却有些陌生。作为华中科技大学与德和泰集团产学研结合的成果转化平台,金路达有限公司得到了山东省淄博市政府和博山区政府的大力支持,这种支持一定程度上保证了科技和经济在这里“碰撞”的高效性。
 
  “目前还没有遇到什么困难。”张恪说,“政府支持,金融机构支持,投资机构也在大力支持,市场也敞开了胸怀,政府的支持与项目的进展是离不开的。”
 
  “把高科技领域作为出发点,以此为基础,我们和国家部委下面的一些节能机构和能源协会多次联系、沟通,让他们给我们推荐好项目。”张恪讲述了选择“绕线转子无刷双馈电机系统技术”的过程。
 
  对于“绕线转子无刷双馈电机”的经济效益,王雪帆说,“2017年中国耗电总量63077亿千瓦时,仅风机、水泵、压缩机等电机耗电约30000多亿千瓦时,如全部应用该项技术,按照降低耗电量30%计算,就能节约近万亿度电,并且去掉了高压变频器及相关配套投资,经济效益巨大。”
 
  王雪帆的估算得到了隆小波和张恪的证实。隆小波表示,目前,以该技术为基础的系列产品“供不应求”。张恪也表示“正在不断地完善产能布局”。
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