【壓縮機網(wǎng)】電機設備的能源耗損問題歷來是讓業(yè)內(nèi)“頭疼”的難題。數(shù)據(jù)顯示，全球電力供應總量的70%為工業(yè)用電，而工業(yè)用電總量中的70%是由風機、泵類、壓縮機等所用電機消耗殆盡，耗電占總發(fā)電量的49%。

 

　　節(jié)能減排要抓工業(yè)，抓工業(yè)重點要抓電機，電機就是“電老虎”，繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋調(diào)峰發(fā)電機優(yōu)異的變速恒頻調(diào)節(jié)屬性能根據(jù)負荷變化調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，為空壓機、風機、泵類應用節(jié)能降耗帶來了福音。

 

　　日前，在金路達有限公司（華中科技大學與德和泰集團產(chǎn)學研結(jié)合的成果轉(zhuǎn)化平臺）“繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機系統(tǒng)技術(shù)”發(fā)布會上，山東省淄博市博山區(qū)政府副區(qū)長隆小波宣布該技術(shù)正式“產(chǎn)業(yè)化”時有些激動。

 

　　2018年年初，山東省人民政府發(fā)布《關(guān)于印發(fā)山東省新舊動能轉(zhuǎn)換重大工程實施規(guī)劃的通知》。作為全國新舊動能轉(zhuǎn)換先行先試的省份，“新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式”是山東省推行此次重大項目的核心，而對于幾乎占全了“四新”的“繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機系統(tǒng)技術(shù)”項目能被列入重大項目，隆小波在接受采訪時連說了好幾個“很榮幸”。

 

　　這項技術(shù)是以華中科技大學教授王雪帆為主的科學家團隊的重要研究成果。2012年，該團隊研發(fā)的“繞線轉(zhuǎn)子繞組”技術(shù)在無刷雙饋電機應用上取得重大突破，實現(xiàn)了無刷雙饋電機由低壓變頻技術(shù)直接控制高壓電機轉(zhuǎn)速的產(chǎn)業(yè)化目標。

 

　　王雪帆用“十年磨一劍”來形容這一突破，但這句話卻不僅僅是簡單的詩句引用。從2002年王雪帆課題組獲得國家自然科學基金支持，到2012年課題組所攻克的核心技術(shù)走出實驗室，整整花了十年時間。

 

　　摘到“皇冠上的明珠”

 

　　電機設備的能源耗損問題歷來是讓業(yè)內(nèi)“頭疼”的難題。數(shù)據(jù)顯示，全球電力供應總量的70%為工業(yè)用電，而工業(yè)用電總量中的70%是由風機、泵類、壓縮機等所用電機消耗殆盡，耗電占總發(fā)電量的49%。

 

　　業(yè)內(nèi)有種說法，節(jié)能減排要抓工業(yè)，抓工業(yè)重點要抓電機，電機就是“電老虎”。

 

　　王雪帆坦言，“如果電機出現(xiàn)革命性技術(shù)進步，那意味著大量火力發(fā)電廠停運，可以大幅減少煤炭消耗、降低二氧化碳排量、減少工業(yè)廢氣。”

 

　　作為全球制造業(yè)大國，我國電力產(chǎn)能位居世界第一。2017年，全國發(fā)電裝機容量17.8億千瓦，其中火電發(fā)電裝機容量達11.1億千瓦。電機耗電難題如果能夠攻破，其帶來的環(huán)境、經(jīng)濟、社會效益可想而知。

 

　　無刷雙饋電機（Brushless Doubly-fed Machine,簡稱BDFM）是近年發(fā)展起來的一種新型變頻調(diào)速電機。它具有以下優(yōu)點：a.由于電機采用定子雙饋方法，沒有電刷和滑環(huán)等裝置，增加了運行的可靠性，降低了維護成本；b.變頻電源只需給控制繞組供電，其容量遠小于電動機的額定容量，降低了調(diào)速系統(tǒng)的成本；c.電機的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)；d.當變頻設備出現(xiàn)故障時，可以斷開控制繞組電源，僅由功率繞組提供電能，進行異步運行，從而提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，另外，BDFM可以作為發(fā)電機使用。

 

　　在無刷雙饋電機領域，以核心技術(shù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)劃分，國內(nèi)外的研發(fā)方向和主要技術(shù)流派分為三大陣營。分別是，美國俄亥俄州立大學學者T.A.Lipo領銜的“磁阻轉(zhuǎn)子”技術(shù)、英國劍橋大學學者Williamson領銜的“同芯籠轉(zhuǎn)子”技術(shù)以及王雪帆課題組的“繞線轉(zhuǎn)子”技術(shù)。

 

　　2010年—2012年，全球三大流派分別將各自研發(fā)技術(shù)用于實踐，制成了“實驗用電機”。2010年，美國俄亥俄州立大學以“磁阻”式轉(zhuǎn)子設計制作了一臺200千瓦的無刷雙饋發(fā)電機，通過實驗室實測數(shù)據(jù)，電機隨著轉(zhuǎn)速變化，其效率為88.96%。2012年，英國劍橋大學工程系可再生能源實驗室制成250千瓦無刷雙饋電機，試驗中效率可達96%。

 

　　但迄今為止，“磁阻式轉(zhuǎn)子”和“同芯籠式轉(zhuǎn)子”結(jié)構(gòu)這兩大技術(shù)流派仍停留于“實驗室樣機”改進階段。王雪帆羅列出制約其技術(shù)應用的原因：諧波含量高、隨負荷波動大、噪音大。換言之，兩種“樣機”的噪音和振動較大，對電網(wǎng)污染嚴重，電機運行可靠性差。

 

　　而“繞線轉(zhuǎn)子”則利用繞組磁勢齒諧波的自然屬性將低效雙繞組化為高效單轉(zhuǎn)子繞組，實現(xiàn)了定子對極磁動勢幅值及諧波含量的精細控制。這體現(xiàn)在電機效果上的突出優(yōu)勢則表現(xiàn)為“高效率、高可靠、低污染、低成本”。對此，王雪帆說，“中國人捷足先登，摘下了皇冠上的明珠。”

 

　　“無刷雙饋電機幾乎解決了傳統(tǒng)電機的所有痛點。”針對這項技術(shù)，中國節(jié)能協(xié)會副秘書長諶樹忠如此評價。

 

　　分階段精進、多領域應用

 

　　技術(shù)成果的取得并不是一蹴而就的。從2004年“一種交流無刷雙饋電機” 獲得發(fā)明專利授權(quán)到2016年發(fā)明專利“繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機及變頻控制系統(tǒng)”進入商用階段，王雪帆課題組的技術(shù)成果經(jīng)過了多個階段的“精進”。

 

　　王雪帆介紹，2005年，變極起動無滑環(huán)繞線轉(zhuǎn)子感應電機獲得實用新型專利，國家發(fā)改委將之列入戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)重點產(chǎn)品和服務指導目錄，工信部將之列入“國家重點推廣的電機節(jié)能先進技術(shù)目錄”；2013年，繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機及變頻控制系統(tǒng)獲獎，其技術(shù)及性能得到湖北省科技廳組織的專家團隊的鑒定；同年，工信部組織專家再次鑒定，“確認該技術(shù)為國際領先，系國際首創(chuàng)”。

 

　　“工業(yè)泵類、風機、壓縮機等中高壓電機在繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機變調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)輸送的電能分成兩路。”王雪帆描述該技術(shù)的顛覆性，“一路通常50%以上直達電機，省略耗功器件；另一路則通過小容量變壓器和低壓變頻器，負責電機調(diào)速，具有效率高、成本低、安全可靠等顯著優(yōu)點，顛覆傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)”。

 

　　2011年，繞線轉(zhuǎn)子軸帶無刷雙饋船用發(fā)電機開始實船應用，在長航集團5000噸榮江15068號輪船上成功應用，節(jié)油效率高達14.7%；2016年，“繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機及變頻控制系統(tǒng)”在中石化集團武漢石化分公司裝置投入運行，經(jīng)第三方認證，系統(tǒng)節(jié)電率大于31%。

 

　　事實上，該技術(shù)的應用范圍還涉及多個領域。“繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機”技術(shù)的應用價值逐漸顯現(xiàn)。

 

　　在發(fā)電機領域，繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋風力發(fā)電機能依據(jù)風機轉(zhuǎn)速變化調(diào)節(jié)勵磁電流的頻率，實現(xiàn)變速恒壓恒頻，使得系統(tǒng)所需變頻器容量變小，具有更好的低電壓穿越能力。王雪帆解釋道,“在提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎上，使整個風力發(fā)電成本降低約20%，且設備維護量降低，特別適用于海上風力發(fā)電”。

 

　　由風力發(fā)電或光伏發(fā)電等可再生能源構(gòu)建的微電網(wǎng)受氣候時變影響需增加調(diào)峰發(fā)電裝備，以平衡局域電網(wǎng)的電力負荷波動。現(xiàn)有柴油機發(fā)電裝置，因采用同步發(fā)電機，無論負荷大小，柴油機必須保持恒定轉(zhuǎn)速，能耗極大。王雪帆表示，繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋調(diào)峰發(fā)電機優(yōu)異的變速恒頻調(diào)節(jié)屬性能根據(jù)負荷變化調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)節(jié)油20%左右。

 

　　科學家愿體現(xiàn)社會價值

 

　　近年來，我國科研論文產(chǎn)出和專利申請連年增長，但科技和經(jīng)濟“兩張皮”矛盾突出。一方面，科學研究以發(fā)論文為“終點”，常年“沉寂紙堆”，科研成果“壓箱底”現(xiàn)象廣受科研人士詬病，另一方面，大量急需科技“輸入”的企業(yè)卻苦于“一技”難尋。

 

　　不過，對于金路達有限公司負責人張恪來說，這種體驗卻有些陌生。作為華中科技大學與德和泰集團產(chǎn)學研結(jié)合的成果轉(zhuǎn)化平臺，金路達有限公司得到了山東省淄博市政府和博山區(qū)政府的大力支持，這種支持一定程度上保證了科技和經(jīng)濟在這里“碰撞”的高效性。

 

　　“目前還沒有遇到什么困難。”張恪說，“政府支持，金融機構(gòu)支持，投資機構(gòu)也在大力支持，市場也敞開了胸懷，政府的支持與項目的進展是離不開的。”

 

　　“把高科技領域作為出發(fā)點，以此為基礎，我們和國家部委下面的一些節(jié)能機構(gòu)和能源協(xié)會多次聯(lián)系、溝通，讓他們給我們推薦好項目。”張恪講述了選擇“繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機系統(tǒng)技術(shù)”的過程。

 

　　對于“繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機”的經(jīng)濟效益，王雪帆說，“2017年中國耗電總量63077億千瓦時，僅風機、水泵、壓縮機等電機耗電約30000多億千瓦時，如全部應用該項技術(shù)，按照降低耗電量30%計算,就能節(jié)約近萬億度電,并且去掉了高壓變頻器及相關(guān)配套投資，經(jīng)濟效益巨大。”

 

　　王雪帆的估算得到了隆小波和張恪的證實。隆小波表示，目前，以該技術(shù)為基礎的系列產(chǎn)品“供不應求”。張恪也表示“正在不斷地完善產(chǎn)能布局”。