【壓縮機(jī)網(wǎng)】電機(jī)設(shè)備的能源耗損問(wèn)題歷來(lái)是讓業(yè)內(nèi)“頭疼”的難題。數(shù)據(jù)顯示，全球電力供應(yīng)總量的70%為工業(yè)用電，而工業(yè)用電總量中的70%是由風(fēng)機(jī)、泵類、壓縮機(jī)等所用電機(jī)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(diǎn)要抓電機(jī)，電機(jī)就是“電老虎”，繞線轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋調(diào)峰發(fā)電機(jī)優(yōu)異的變速恒頻調(diào)節(jié)屬性能根據(jù)負(fù)荷變化調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，為空壓機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵類應(yīng)用節(jié)能降耗帶來(lái)了福音。

 

　　日前，在金路達(dá)有限公司（華中科技大學(xué)與德和泰集團(tuán)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的成果轉(zhuǎn)化平臺(tái)）“繞線轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)系統(tǒng)技術(shù)”發(fā)布會(huì)上，山東省淄博市博山區(qū)政府副區(qū)長(zhǎng)隆小波宣布該技術(shù)正式“產(chǎn)業(yè)化”時(shí)有些激動(dòng)。

 

　　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(dòng)能轉(zhuǎn)換重大工程實(shí)施規(guī)劃的通知》。作為全國(guó)新舊動(dòng)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(xiàng)目的核心，而對(duì)于幾乎占全了“四新”的“繞線轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)系統(tǒng)技術(shù)”項(xiàng)目能被列入重大項(xiàng)目，隆小波在接受采訪時(shí)連說(shuō)了好幾個(gè)“很榮幸”。

 

　　這項(xiàng)技術(shù)是以華中科技大學(xué)教授王雪帆為主的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)的重要研究成果。2012年，該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“繞線轉(zhuǎn)子繞組”技術(shù)在無(wú)刷雙饋電機(jī)應(yīng)用上取得重大突破，實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷雙饋電機(jī)由低壓變頻技術(shù)直接控制高壓電機(jī)轉(zhuǎn)速的產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)。

 

　　王雪帆用“十年磨一劍”來(lái)形容這一突破，但這句話卻不僅僅是簡(jiǎn)單的詩(shī)句引用。從2002年王雪帆課題組獲得國(guó)家自然科學(xué)基金支持，到2012年課題組所攻克的核心技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室，整整花了十年時(shí)間。

 

　　摘到“皇冠上的明珠”

 

　　電機(jī)設(shè)備的能源耗損問(wèn)題歷來(lái)是讓業(yè)內(nèi)“頭疼”的難題。數(shù)據(jù)顯示，全球電力供應(yīng)總量的70%為工業(yè)用電，而工業(yè)用電總量中的70%是由風(fēng)機(jī)、泵類、壓縮機(jī)等所用電機(jī)消耗殆盡，耗電占總發(fā)電量的49%。

 

　　業(yè)內(nèi)有種說(shuō)法，節(jié)能減排要抓工業(yè)，抓工業(yè)重點(diǎn)要抓電機(jī)，電機(jī)就是“電老虎”。

 

　　王雪帆坦言，“如果電機(jī)出現(xiàn)革命性技術(shù)進(jìn)步，那意味著大量火力發(fā)電廠停運(yùn)，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(guó)，我國(guó)電力產(chǎn)能位居世界第一。2017年，全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量17.8億千瓦，其中火電發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)11.1億千瓦。電機(jī)耗電難題如果能夠攻破，其帶來(lái)的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益可想而知。

 

　　無(wú)刷雙饋電機(jī)（Brushless Doubly-fed Machine,簡(jiǎn)稱BDFM）是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型變頻調(diào)速電機(jī)。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：a.由于電機(jī)采用定子雙饋方法，沒(méi)有電刷和滑環(huán)等裝置，增加了運(yùn)行的可靠性，降低了維護(hù)成本；b.變頻電源只需給控制繞組供電，其容量遠(yuǎn)小于電動(dòng)機(jī)的額定容量，降低了調(diào)速系統(tǒng)的成本；c.電機(jī)的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)；d.當(dāng)變頻設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，可以斷開(kāi)控制繞組電源，僅由功率繞組提供電能，進(jìn)行異步運(yùn)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(jī)使用。

 

　　在無(wú)刷雙饋電機(jī)領(lǐng)域，以核心技術(shù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)劃分，國(guó)內(nèi)外的研發(fā)方向和主要技術(shù)流派分為三大陣營(yíng)。分別是，美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)學(xué)者T.A.Lipo領(lǐng)銜的“磁阻轉(zhuǎn)子”技術(shù)、英國(guó)劍橋大學(xué)學(xué)者Williamson領(lǐng)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(shí)踐，制成了“實(shí)驗(yàn)用電機(jī)”。2010年，美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)以“磁阻”式轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)200千瓦的無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，電機(jī)隨著轉(zhuǎn)速變化，其效率為88.96%。2012年，英國(guó)劍橋大學(xué)工程系可再生能源實(shí)驗(yàn)室制成250千瓦無(wú)刷雙饋電機(jī)，試驗(yàn)中效率可達(dá)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(shí)驗(yàn)室樣機(jī)”改進(jìn)階段。王雪帆羅列出制約其技術(shù)應(yīng)用的原因：諧波含量高、隨負(fù)荷波動(dòng)大、噪音大。換言之，兩種“樣機(jī)”的噪音和振動(dòng)較大，對(duì)電網(wǎng)污染嚴(yán)重，電機(jī)運(yùn)行可靠性差。

 

　　而“繞線轉(zhuǎn)子”則利用繞組磁勢(shì)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(shí)現(xiàn)了定子對(duì)極磁動(dòng)勢(shì)幅值及諧波含量的精細(xì)控制。這體現(xiàn)在電機(jī)效果上的突出優(yōu)勢(shì)則表現(xiàn)為“高效率、高可靠、低污染、低成本”。對(duì)此，王雪帆說(shuō)，“中國(guó)人捷足先登，摘下了皇冠上的明珠。”

 

　　“無(wú)刷雙饋電機(jī)幾乎解決了傳統(tǒng)電機(jī)的所有痛點(diǎn)。”針對(duì)這項(xiàng)技術(shù)，中國(guó)節(jié)能協(xié)會(huì)副秘書(shū)長(zhǎng)諶樹(shù)忠如此評(píng)價(jià)。

 

　　分階段精進(jìn)、多領(lǐng)域應(yīng)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(wú)刷雙饋電機(jī)” 獲得發(fā)明專利授權(quán)到2016年發(fā)明專利“繞線轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)及變頻控制系統(tǒng)”進(jìn)入商用階段，王雪帆課題組的技術(shù)成果經(jīng)過(guò)了多個(gè)階段的“精進(jìn)”。

 

　　王雪帆介紹，2005年，變極起動(dòng)無(wú)滑環(huán)繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)獲得實(shí)用新型專利，國(guó)家發(fā)改委將之列入戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)產(chǎn)品和服務(wù)指導(dǎo)目錄，工信部將之列入“國(guó)家重點(diǎn)推廣的電機(jī)節(jié)能先進(jìn)技術(shù)目錄”；2013年，繞線轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)及變頻控制系統(tǒng)獲獎(jiǎng)，其技術(shù)及性能得到湖北省科技廳組織的專家團(tuán)隊(duì)的鑒定；同年，工信部組織專家再次鑒定，“確認(rèn)該技術(shù)為國(guó)際領(lǐng)先，系國(guó)際首創(chuàng)”。

 

　　“工業(yè)泵類、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等中高壓電機(jī)在繞線轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)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(dá)電機(jī)，省略耗功器件；另一路則通過(guò)小容量變壓器和低壓變頻器，負(fù)責(zé)電機(jī)調(diào)速，具有效率高、成本低、安全可靠等顯著優(yōu)點(diǎn)，顛覆傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)”。

 

　　2011年，繞線轉(zhuǎn)子軸帶無(wú)刷雙饋船用發(fā)電機(jī)開(kāi)始實(shí)船應(yīng)用，在長(zhǎng)航集團(tuán)5000噸榮江15068號(hào)輪船上成功應(yīng)用，節(jié)油效率高達(dá)14.7%；2016年，“繞線轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)及變頻控制系統(tǒng)”在中石化集團(tuán)武漢石化分公司裝置投入運(yùn)行，經(jīng)第三方認(rèn)證，系統(tǒng)節(jié)電率大于31%。

 

　　事實(shí)上，該技術(shù)的應(yīng)用范圍還涉及多個(gè)領(lǐng)域。“繞線轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)”技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值逐漸顯現(xiàn)。

 

　　在發(fā)電機(jī)領(lǐng)域，繞線轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)能依據(jù)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的頻率，實(shí)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(chǔ)上，使整個(gè)風(fēng)力發(fā)電成本降低約20%，且設(shè)備維護(hù)量降低，特別適用于海上風(fēng)力發(fā)電”。

 

　　由風(fēng)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(shí)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(fù)荷波動(dòng)?，F(xiàn)有柴油機(jī)發(fā)電裝置，因采用同步發(fā)電機(jī)，無(wú)論負(fù)荷大小，柴油機(jī)必須保持恒定轉(zhuǎn)速，能耗極大。王雪帆表示，繞線轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋調(diào)峰發(fā)電機(jī)優(yōu)異的變速恒頻調(diào)節(jié)屬性能根據(jù)負(fù)荷變化調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)節(jié)油20%左右。

 

　　科學(xué)家愿體現(xiàn)社會(huì)價(jià)值

 

　　近年來(lái)，我國(guó)科研論文產(chǎn)出和專利申請(qǐng)連年增長(zhǎng)，但科技和經(jīng)濟(jì)“兩張皮”矛盾突出。一方面，科學(xué)研究以發(fā)論文為“終點(diǎn)”，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(guò)，對(duì)于金路達(dá)有限公司負(fù)責(zé)人張恪來(lái)說(shuō)，這種體驗(yàn)卻有些陌生。作為華中科技大學(xué)與德和泰集團(tuán)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的成果轉(zhuǎn)化平臺(tái)，金路達(dá)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(jì)在這里“碰撞”的高效性。

 

　　“目前還沒(méi)有遇到什么困難。”張恪說(shuō)，“政府支持，金融機(jī)構(gòu)支持，投資機(jī)構(gòu)也在大力支持，市場(chǎng)也敞開(kāi)了胸懷，政府的支持與項(xiàng)目的進(jìn)展是離不開(kāi)的。”

 

　　“把高科技領(lǐng)域作為出發(fā)點(diǎn)，以此為基礎(chǔ)，我們和國(guó)家部委下面的一些節(jié)能機(jī)構(gòu)和能源協(xié)會(huì)多次聯(lián)系、溝通，讓他們給我們推薦好項(xiàng)目。”張恪講述了選擇“繞線轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)系統(tǒng)技術(shù)”的過(guò)程。

 

　　對(duì)于“繞線轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)”的經(jīng)濟(jì)效益，王雪帆說(shuō)，“2017年中國(guó)耗電總量63077億千瓦時(shí)，僅風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等電機(jī)耗電約30000多億千瓦時(shí)，如全部應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，按照降低耗電量30%計(jì)算,就能節(jié)約近萬(wàn)億度電,并且去掉了高壓變頻器及相關(guān)配套投資，經(jīng)濟(jì)效益巨大。”

 

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