1、电动机系统定义
电动机系统特指电动机传动系统，包括电动机、被拖动装置（负载）、传动控制系统、管网（电源）等，图1为一个典型的电动机系统构成。这是一个典型的弱电控制强电，软件控制硬件，部件融于系统，信息能量互动的系统。
电动机系统节能包括电动机系统各部件自身的能效提高、电动机传动系统的节能，例如风机、泵类变频调速系统节能，采用电动机传动系统使工艺、设备条件改善、效率提高的节能等。
图1 典型的电动机系统构成
2、实施电动机系统节能工程的重要意义
我国近期的能源政策是注重能源资源节约和合理利用。缓解我国能源资源与经济社会发展的矛盾，必须立足国内，显著提高能源资源利用效率。坚决实行开发和节约并举、把节约放在首位的方针。鼓励开发和应用节能降耗的新技术。
200年，我国为电力、煤炭、石油等能源价格上涨而付出的代价高达百亿美元，而能源短缺问接对国民经济造成的经济损失史难以用具体的数值来估量。节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针，也是当前一项极为紧迫的任务。电动机是电能消耗的最大户，也是节电潜力最大的用户。我国电动机总装机容量4亿多kW，其年用电量约为15 000亿kW.h，约占当年全国总发电量21 870亿kW-h的65％～70％。电动机系统节能技术受到各国政府的普遍关注。节约电能意味着发电所需次能源的节约，也就意味着有害气体排放量的减少，温室效应的削弱，有利于环境与气候的改善。为此，美国于1998年提出了“电机挑战计划”，采用高效电动机及采用调速等方法来提高电动机系统效率，节能潜力达14.8％，拟年节电800亿kW.h。而我国电动机系统的能源利用率约比国际先进水平低20％左右，节电潜力更加巨大。近年来，交流电动机变频调速技术在传动系统中普遍应用，风机泵类采用调速技术，可节电30％～50％；大型传动系统如轧钢、牵引、油气输送、船舶推进等采用交流电动机变频调速，大大提高设各和工艺的效能。例如轧钢传动采用交流调速电耗可减少30％以上，船舶推进采用交流电动机变频调速可提高效率超过20％，具有重要的节能效果。我国在“十五”和“十一五”的节能计划中，把“电动机系统节能”列为重点项目［2］，“发展电动机调速节电和电力电子节电技术”，“逐步实现电动机、风机、泵类设备和系统的经济运行”。因此，实施电动机系统节能具有重大的现实意义和深远的可持续发展意义。
3、国内外电动机系统节能发展现状
3.1 电动机系统节能技术发展现状
电动机系统随着电力电子器件、功率变换器、电动机制造，现代控制理论及计算机技术的进步而迅速发展。国际上交流电动机变频调速是电动机传动系统的主流，并形成电力电子、电动机及其控制系统的集成，从设计、制造到运行更紧密地融为一体。
电动机本体节能是电动机系统节能的重要部分。我国目前大部分电动机厂仍然上要生产20世纪70年代末开发的Y系列异步电动机（平均效率84％，平均功率因数0.84）；1996年开始小部分电动机厂试制Y2系列异步电动机，功率范围为0.12～315 kW，平均效率为84.195％，平均功率因数为0.846，平均省材为13.65％～1998年开始个别电动机厂试制适用于变频调速电动机，主要技术措施为增强绝缘、增大体积、降容使用。表l为国内外电动机能效比较。
表1国内外电动机能源效率比较 （单位：％）
从表1中可以看到：我国电动机的效率低于国外平均水平2％～3％，实际运行过程中电动机系统效率低于国外水平10～30％。目前电动机本体节能技术也有新的发展，如提高材料特性，提高制造工艺水平。改进电动机结构，控制电动机运行，合理利用电磁转换原理，与提高功率密度相结合，与高功率因数相结合，与散热冷却相结合等。
电动机系统节能技术促使常规电动机的设计、制造和应用发生变化。国际上高效电动机、变频调速电动机已形成系列，机电一体化将功率变换器和控制系统集成到电动机上，形成智能电动机、网络电动机等.广泛应用十中小功率传动和家用电器。同时，永磁同步电动机、开关磁阻电动机、磁悬浮直线电动机等新型调速电动机应运而生，在机车牵引、电动汽车、大型舰船驱动以及磁悬浮交通等领域中得到应用。它们的共同特点是：突破了原来圆形旋转磁场的概念，电动机本体与控制集成一体，高效，高可靠性，多个电磁力矩混合作用，高功率密度。
电动机系统应用遍及工业、国防和家用电器等国民经济各领域，主要为：
1）高精度、高性能的交流调速应用于钢铁、煤炭、造纸、起重等工业机械调速，提高工艺设备能效。
2）高性能、高效率、高集成的交流调速应用于电动汽车、电力机车牵引、磁浮交通、船舶电驱动等，取代传统交通运输的燃机直接驱动，实现快捷、安全、节能。
3）风机、泵类机械变速节能系统。
4）机电一体化、智能电动机等家用电器节能传动。
3.2 相关领域产业发展现状［3］
电动机系统节能最主要的相关领域产业是电力电子及电气传动，特别是交流电动机变频调速产业。国际2004年电力电子及电气传动的市场销售额约940亿美元。我国交流电动机变频调速市场发展迅速，每年以12％的速度迅速增长。我国大量的基础设施建设，如冶金、煤炭、化工、石油等制造业领域的大量投资为我国电动机系统市场创造了巨大的需求，该领域市场前景广阔。
电力电子器件正向着大功率、高电压、高频化和智能模块化方向发展，普通晶闸管逐步让位于新型口可关断电力电子器件。近儿年山现的集成门极换流晶闸管（IGCT），已取代可关断晶闸管（GTO）成为大功率高压变频的主流器件：绝缘栅双极晶体管（IGBT）在中小功率交流调速中普遍应用；电子促进绝缘栅取极晶体管（IEGT）研制成功，并开始应用，大功率高压变频领域。此外，将微电子集成电路与电力电子器件组合在一起形成的功率集成电路（power IC），智能功率模块（IPM），功率电力电子集成模块（PEBB）等广泛应用于中小功率变频和家用电器的电动机调速。该领域进一步发展的革命性研究课题是碳化硅材料电力电子器件。
中小功率电动机调速普遍应用IGBT电压型脉宽调制（PWM）变频器，而在大功率高压变频领域，由于供电与电动机的多样性，交交变额、H桥级联变频器、IGBT和IGCT多电平变频器、IGCT元件串联的变频器等都有其应用场合。
交流电动机矢量控制与直接转矩控制理论已成熟并应用到变流电动机调速系统中。同时，自适应、模拟控制、人工神经元网络等现代智能控制理论与方法已开始运用于电动机调速系统中。
国际电动机系统技术开发和制造商主要集中在欧州、美洲和日本，德国西门子、瑞士ABB、日本东芝、美国罗克韦尔等电气公司的产品代表电动机调速技术和制造的世界水平。
我国中小电动机投计与制造能力强，产品已能批量出口。我国能生产5 in 以下各类普通晶闸管，大功率晶闸管已经达到国际先进水平，并应用于各个领域。
以普通晶闸管为功率器件的大功率交交变频、电气牵引、高压同步电动机软起动等技术已有相当的基础，可以实现国产化，广泛应用于冶金、矿山、牵引等领域近年来，我周低压通用变频器蓬勃发展，已经涌现了上百家企业，2004年总产-值已达到20亿元。高压变频器是电动机节能热点，国内十儿家高薪技术企业已开发并制造级联型高压变频器，我国已掌握中小匀率变频器的集成组装和制造技术，经济型调速装置，如内反馈电动机调速等已应用于电动机系统节能。
2003年我国电气工业总产值3716亿，与电动机系统节能相关领域产业的电动机制造、电气设备元件、电力电子及控制设备等产值约400亿。
3.3存在的主要问题
电动机系统是一个面大量广的应用产业。2003年各类电动机总装机容量约为4.2亿kW，年耗电1万亿kW•h以上，约占全国刷电量的60％，运行效率比国外先进水平低10％～20％，相当于每年浪费电能约1560亿kW•h。2003年我国电动机年产量约为4 500亿kW，平均效率比发达国家低2％～3％，电动机拖动系统效率比发达国家低10％～30％，相当于国际20世界七八十年代的水平，在使用寿命、可靠性、材料消耗、噪声及振动方面有都一定的差距我国2003年电力消费19031.6亿kW•h，工业消费占73％。其中通用设备占行业电耗的44％，效率比发达国家低20％～25％.
1）我国电动机系统节能技术与装各水平距离节能的目标相差很远，采用变频调速的电动机系统仍为少数，小到总量的10％：我国电力电于及电气传动产业的技术水平落后，规模小，成本高，产品司靠性差。技术与产品落后与迅速发展的节能市场需求反差巨大，严重制约了我国电动机系统节能目标的实现。
2）我国中小电动机基本是通用常规类型，还没能形成变频调速电动机系列.变频器电动机集成、智能电动机、机电一体化技术差距很大。
3）国产中小功率变频器多为U/f比控制方式，很少采用先进的矢量控制及直接转矩控制方式，其控制性能、保护技术、可靠性等方面与国外产品差距很大，只能采取低成本、低价格的市场策略，占低端市场。
4）新型可关断电力电子器件取代普通晶闸管已成为趋势，而采用IGBT／IGCT等新型电力电子器件的变频器已成为电动机系统节能的主流。但我国电力电子器件技术及制造水平与国际水平差距很大，除普通晶闸管外还不能制造IGBT/IGCT等新型电力电子器件，因此国产变频器的IGBT/IGCT电力电子器件及电容等配套部件绝大部分依赖进口。
5）国产普通晶闸管的交一交变频器虽已经成熟，但应用范围局限。国外变频调速技术与产品占中国电动机系统节能市场的主导地位。特别是国家重大工程项目的高性能、大功率变频调速系统基本上被国外产品占据。采用新型电力电子器件的国产大功率高性能变频调速系统还是空白。
6）在电动机系统节能领域还缺少系统节能的设计方法和评估手段，变频调速还没有完善的技术标准、测试规范和测试手段。
7）电力电子及变频调速技术是高新技术，先进国家在该领域的研究开发投入很大。我国该领域技术在总体上与国际水平相差5～10年。尽管我国政府对电动机系统节能十分重视，但在该领域的基础，即电力电子及变频调速技术的科研投入少，且有限的投入也大多是低水平的重复开发。国家还没有形成电力电子及变频调速领域技术和产品研发的平台，无法形成产业规模。
4、对实施电动机系统节能工程的建议
1）应鼓励制造高效电动机，强制淘汰低效电动机。按照目前电动机效率分类及国际IEC电动机标准，高效电动机的效率一般定义为91％～96％，低效电动机的效率一般为75％～89％。目前我国实际运行中的电动机主要集中在为0.55～100kW功率等级，为总运行台数的95％以上，其中70％为Y系列异步电动机，10％的为Y2系列异步电动机，20％其他各种电动机，平均效率为89.3％。从全寿命期的费用最低、耗能最少的观点优化设计通用型高效电动机，确立适合中国国情的高效电动机标准，将0.55～100kW功率等级电动机的平均效率提高为92％；开发并应用变频调速用电动机，并形成产业化：对与常规电动机的同功率、同体积、同材料的变频调速电动机，效率提高l％～3％；紧跟国际发展趋势，开发和研制智能化电动机，即把电动机、变频器和控制系统集成到起的电动机系统，使该电动机系统节能达20％～30％。
2）变频器是电动机系统节能中的重要部件，采用变频调速后的电动机系统效率可以节能10％～15％。技术目标也分三个层次进行：①加速通用变频器的产业化，提高产品的技术性能和可靠性，形成规模生产，提高国产化市场占有率。目前我国通用变频器的国产率已超过50％，但其技术性能（如变频器本身效率、控制精度、材料消耗和谐波分量等）和可靠性与国外先进通用变频器相比仍有较大差距。②支持对高压变频器的关键技术进行攻关，尽快提高产品可靠性，并逐步扩大市场。高压变频器（3.3～10 kV）前在国际上也正处在产业化完善阶段，国内已有少量国外产品，但远远不能满足市场的需要。而高压电动机系统是与大容量电动机系统相对应的，尽管台数不多，当所占容量却不比低压电动机小，是电动机节能的主要部分。高压变频器技术难度大、开发周期长、资金投入大，需要重点攻关。重点攻关1～5 MW、6kV的高压变频器，着重提高其可靠性和减低成本。③鼓励经济型变频器的研发和产业化，要求采用高新技术来解决低成本、高性能、高可靠性的问题。电动机调速节能潜力大，但只靠变频调速是不够的。冈此，针对特殊应用和特定范围，采用其他有效调速方法将更体现经济性。
3）普通晶闸管制造和应用技术已经成熟，应进一步扩大规模和应用范围。对丁IGBT/IGCT等新型电力电子器件，应以应用技术研发和推广应用为上，同时积极组织新型器件的研发。以普通晶闸管及GTO制造技术为基础，尽快研发国产IGCT及伙速软恢复二极管。对于IGBT器件采取先封装集成及测试，再过渡到芯片制造的思路，积极引导和支持国内微电子制造技术和电力电子制造技术相结合，逐步形成和提高我国新型电力电子器件的研发和制造能力。对配套元器件，如无感电阻、箝位吸收及高压直流电容、层叠无感母线等进行研究开发，并逐步形成批量供货能力，确保电动机系统节能产品的产业化需要。可先从封装、测试开始，再逐步过渡到开发、生产芯片。
4）重点研究开发采用新型电力电子器件研制高性能、污染小的大功率变频调速系统，在钢铁、煤炭、机车牵引等树立一批国产化样板工程，替代进口，带动电动机系统节能国产化装各技术的发展。
5）应对电动机系统节能技术和应用技术进行研究，建立电动机系统节能的技术标准、测试标准和测试规范。
6）支持电动机系统节能领域的新技术、新方法，鼓励自主创新、原始创新、集成创新，形成电动机系统节能技术创新平台。支持电动机节能控制系统的开发。
要全而推广应用电动机系统节能技术，大幅度提高我国电动机系统的能效，应强化创新能力建设，建立电动机系统节能技术创新和产业化的基础支撑条件。应以企业为丰体，以具有市场前景的技术为核心，吸引高等院校、科研单位等相关机构，通过技术、资本和资产的重组，彤成与产业紧密结合的科研和工程化开发条件，解决电动机系统节能的共性、关键技术问题，并为行业的发展提供技术直撑和技术服务。将具有自主知识产权的电力电子及装置的关键技术进行整合，形成完善的可用于产品系列组接的电力电子功率平台，实旌平台战略，突出软硬什的应用技术及工程实际经验的可复用性，使产品组成部件及技术的可组接性大为提高，形成可以满足不同用户需求的全方位的标准化、系列化电力电子及电气传动装置产品，形成产品开发、制造的可持续发展平台。同时，在重大项目和重大工程中树立国产高技术、高水平变频器系统样板工程。以市场为导向，结合先进工艺和技术改造，在若干应用领域推广应用一批技术指标先进、性能可靠实州的电动机变频调速系统，以显示我国电动机系统节能技术的主要品牌和竞争实力，起到示范作用，加速研究、开发、工程、产业化的一体化进程，带动整个行业的发展。当前电动机系统节能重点改造领域包括以下几个方面。
1）电力用变频、永磁调速及计算机控制改造风机、水泵系统，重点是20万kW以上火力发电机组。
2）冶金鼓风机、除尘风机、冷却水泵、加热炉风机、铸造除鳞水泵等设备的变频、永磁调速。
3）有色、除尘系统自动化控制及风机调速。
4）煤炭、矿井通风机、排水泵调速改造及计算机控制系统。
5）石油、石化、化工、工艺系统流程泵变频调速及自动化控制。
6）机电研发制造节能型电动机、电动机系统及配套设备。
7）轻工、注塑机、液压油泵的变频、永磁调速。
8）其他企业空调和通风、楼宇集中空调的电动机系统政造等。
5、结束语
电动机系统节能是一项长期而艰巨的任务，它涉及到节能意识和管理、节能技术、节能标准和节能效益评估等方方面面。电动机系统节能工程的实施将有力地推动我国的整体节能进步。按照国家“十一五”十大节能工程地实施要求：围绕实现“十一五”GDP能耗降低20％左右的目标，以提高能源利用效率为核心，以企业为实施主体，大力调整和优化结构，加快推进节能技术进步，建立严格的管理制度和有效的激励机制，加大政府资金的引导力度，充分发挥市场配置资源的基础性作用，调动市场主体节约能源资源的自觉性，尽快形成稳定可靠的节能能力，为实现国家节能目标奠定坚实的基础。
参考文献
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【2】王正元，戴林，赵争鸣，李崇坚，等中国电动机系统能源效率与市场潜力分析【c】。北京：机械工业出版，2001。
【3】赵争鸣，李崇坚，等电动机系统节能高技术产业化，技术报告，2005-3。
