高效智能“动力包”全集成技术发展探讨

0.引言

   现今，环境和能源问题制约着人类社会的进一步发展，已成为我国乃至世界当前迫切需要解决的问题。为此，节能减排战略成为我们国家实现可持续性发展必然选择。电动机是工业装备中最主要的动力源之一，在国民经济工业生产中发挥着重要作用，但同时它也是工业生产中最主要耗能设备，据统计，电机每年消耗的电量约占我国总用电量的60%，其中风机、泵类、压缩机和空调制冷机的用电量分别占全国用电量的10.4%、20.9%、9.4%和6%^［１］。我国80%以上的机电产品效率比国外先进水平低2－5个百分点，；风机、泵、压缩机产品效率比国外先进水平低2－4个百分点［１-2］。由此可见，对于量大面广电机系统，节电潜力是非常巨大。为此，国家有关部委发布了《“十一五”十大重点节能工程实施意见》， 将电机系统节能工程列为十大节能工程之一。

   为了推进电机系统节能,高效电机与高压变频器正被广泛应用于风机、水泵和压缩机等设备上，以改变国内电机系统应用中存在的问题,即：(1)电动机系统效率低，电动机等设备陈旧落后；(2)系统设计手段落后，设计余量过大，系统匹配不合理，“大马拉小车”现象严重等问题。但同时由于高压变频器在电机系统中应用也带来了新的问题，如：谐波污染，电机谐振，甚至断轴，甚至工程技术人员仍然沿用传统管理模式，没能发挥系统最优化。

   由此可见，推进电机系统节能降耗问题，不是简单将高压变频器应用于电机系统中，而需要从电机驱动系统本身，系统设计和运营管理等三个阶段综合考虑，系统化解决；而目前在市场上电机、驱动控制和泵、风机等设备分别由不同设备提供、故设备厂商都是从自身角度出发，提出解决方案，而用户技术水平又有限，故很难从根本上解决以上问题。

   为此，许多国内外跨国公司都在整合资源，推出相应整体解决方案[3]-[4]，如：西门子公司提出全集成系统，施耐德公司提出整体能效解决方案，试图通过将信息技术（IT）与能源技术(ET)融合实现电机系统本身，系统设计和运行管理三个阶段节能 ，但是这些方案都重视信息技术，即重视信息流层面的集成，而对能量流层面集成重视不够。

   鉴于此本文对当前电机驱动技术及信息技术发展趋势和工程实际需要，提出高效智能“动力包”的的理念、优势、系统解决方案，并对实际应用效果进行介绍。所提出的“动力包”不仅可以提高电机系统效率，实现节能目的，而且可以在项目设计、建设和运行维护等方面为用户和设计院等节省大量人力和物力成本，实现用户、设计单位和施工单位等多方共赢，从而推进我们国家节能减排事业发展。

1、概念与优势

高效智能“动力包”是在追求提升电机系统效率和信息技术快速发展的大背景条件下提出的，是对电机系统设计、开发与应用经验的总结和发展，它是ET（能源） 技术和IT（信息）技术高度结合产物。

　　1.1概念

   所谓高效智能“动力包”是在能量流和信息流两个维度的高度集成，在能量流方面：通过将变频器和电机、执行机构（风机或泵或压缩机）等作为一个整体进行统一建模，并进行优化设计，实现系统高效性；在信息流方面：利用现代信息技术、人工智能技术、大数据技术和故障诊断与预警技术等实现系统控制、管理和维护保养的高度集成化和智能化，从而在实际工程项目中为用户提供控制器 变频器 电机＋风机或泵等整体解决方案，实现发挥系统最大优势，更好的为用户提供一揽子解决方案。

   高效智能 “动力包”不是简单将电机、变频器、控制器和执行机构的进行组合，而是将它们进行统一考虑，实现高度有机体，具有如下三个特征：

   (1)电动机和变频器设计一体化：通过二者一体化设计可以实现二者匹配最优，为实现系统控制最优打下基础；

   (2)系统能效与性能控制双优化：在实现的电机驱动系统应用中，除了追求节能、高效性外，还必须提升和泵机阀等设备应用的系统性能，而实际的这些泵机阀等设备应用的系统都有着一定的特殊性，而通过设备商层面不给与解决，在实际工程中系统设计及运行环节就不可能给与解决；

   (3) 设备维护与运行管理的智能化：通过信息技术、先进控制技术和人工智能等技术实现设备维护和运行管理的智能化，从而摆脱过于依赖有经验的工程师来完成设备维护和运行管理，加快设备市场推广和应用。

   1.2“动力包”提出基础

   高效智能 “动力包”提出不仅要有雄厚技术基础，而且要有着完备产业基础，二者缺一不可，否则很难建立设计与研制出具有高度集成动力包系统。

   (1)技术基础：

   高效智能 “动力包”的技术基础在于必须掌握电机、变频器、控制器和执行设备（风机、水泵）等独立设计、开发和制造及工程应用各项技术，并要结合当前快速发展的信息技术，如人工智能、大数据等技术从而使设备实现在能量流和信息流双维度上的优化，进而使其成为有机整体。

   (2)产业基础：

   高效智能 “动力包”的提出和实施必须要有着强大产业基础，拥有控制器、变频器、电机和执行机构（风机或泵等）等设备的完整的产业链。同时，要在相关领域拥有强大的工程经验作为支撑，否则也很难实施。

   由此可见，国外一些跨国公司拥有强大技术基础，但缺乏相关产业基础作为支撑，也很难实现能量流和信息流的双维度集成，故他们提出相应整体解决方案也仅仅停留于信息流层面集成。。

   1.3优势分析

   高效智能 “动力包”使工程系统设计、施工和设备运行管理及维护保养等方面存在的问题都有效得到了解决，在商业运作、工程应用和用户运行使用等方面都有着明显的优势。

   (1)由于采用跨专业和跨产业的联合设计，有效提升了系统性能、实现系统节能最优。比如：对电机和变频器统一建模，进行联合设计，从而在花费最小代价下使变频电源的共模电压、du/dt和谐波对电机的影响降低到最小，从而提升系统性能，优化控制。比如：将泵、风机等设备在进行系统设计之初，就能结合工程实际进行系统优化设计，能够很好的提升系统控制性能，避免如：扭振等问题；

   (2)由于能够为用户提供从变频器、电机和泵和风机等主设备及控制系统等整体解决方案，从而简化系统设计成本、工程采购与管理成本，可以提高工程实施进度；

   (3)由于实现信息流高度集成，从而实现了设备的全生命周期管理，为用户节省了运行管理、设备维护成本。

   总之，高效智能 “动力包”将会极大促进相关产业发展，为用户、设计院和施工单位带来方便，可以极大节省人力和经济等成本。

2、系统组成

   高效智能 “动力包”不仅涉及到技术的集成，而且包含一系列产品作为工程实施、市场推广的支撑。

   2.1系统总体构成

   “高效智能驱动系统”是在统一系统建模基础上，进行联合系统设计的驱动系统，它主要包括：高效电机、高性能变频器和控制器及监控与诊断系统。

   “动力包”是在高效智能驱动系统基础上，将风机、泵等执行设备引入到系统，实现为用户提供整体解决方案及商务供货模式。

   高效智能“动力包”它们系统构成示意图如图１所示，其中：横向集成主要代表以能源（ET）技术为支撑，实现能量流高效化；纵向集成主要以信息（IT）技术为支撑，实现信息流集成的智能化。

图1. 系统构成

   通过系统示意图1，可见高效智能 “动力包”是ET技术和IT技术发展必然产物，必将成为主流的商业模式，为广大工程技术人员和企业所接受。动力包设计与开发主要主要集中于两个方面，即：能效优化设计和控制及管理的信息的优化，故在此重点对此进行阐述。

图2. 系统能效优化过程

   2.2 系统能效优化

   “动力包”系统能效优化主要从三个方面进行优化设计，即：电机与负载集成优化，电机与变频器集成优化和运行控制优化。其能效集成优化设计流程如图2所示。

   1、电机与负载集成优化关键在电机与负载参数匹配，其主要包括：机械运动方程参数和等效电路方程参数匹配[3]；

   2、电机与变频器集成优化主要采用一体化设计，重点解决变频器输出电压，变频器损耗、电机绝缘等问题；

   3、运行控制优化主要结合具体工艺进行控制优化设计，并针对不同控制工艺形成专用优化控制软件，在实现性能提高基础上，实现能效最优控制。

   2.3信息全集成与设计模型

   信息全集成主要基于四级模型构建，其主要包括：驱动层，控制层、管理层和远程维护层等四个层面。其四级系统示意图如图3所示。

图3. 基于四层信息全集成网络架构

   1、现场驱动层：该层信息集成主要是为完成电机驱动控制所进行的信息集成，其层面的以控制实时性控制信息为主，其核心设备在于变频器；

   2、控制层；主要以完成基于工艺控制要求为主的信息集成，其核心设备在于DCS或PLC等控制器，驱动层与控制层信息通过主要通过现场总线，如： profibus ,Modbus或RS485等总线实现；

   3、管理层： 主要将控制系统与企业管理系统集成，实现企业对设备使用、设备维护的全生命周期管理，控制层与管理层信息通过主要通过企业局域网实现；

   4、远程维护层：该层面的信息集成主要为实现设备远程维护，远程故障诊断等而进行的信息集成，其主要通过以太网或无线通讯等实现信息互通。

   2.4核心技术和产品

   高效智能 “动力包”正如前面所说它不是将变频器、电机和风机、泵机及控制器等简单集成，它是多年设计开发经验积累和现代信息技术等多项新技术应用结晶，其中主要关键技术有：

  .系统统建建模与优化，解决了在变频电源下的电机系统集成优化问题；

  .多物理场联合仿真设计，解决了电、磁、机械和流场等强耦合问题；

  .故障诊断与预警，解决了产品全生命周期的管理与维护问题；

   除了在系统优化设计方面突破一些关键技术外，并形成了一些核心产品：

 .专用化优化软件，比如：针对电站一次风机系统控制优化软件；

  .设备在线维护系统，实现产品设备的全生命周期管理与维护；

  .基于智能终端的运行与管理系统，利用现有智能终端实现系统随时维护和管理，提升系统监管便利性。

   随着ET和IT技术发展，所提出的“高效智能电机驱动系统”和“动力包”也将更加完善，更加会为用户、设计院、工程施工等单位带来便利，也会更加具有高效性和智能化。

3、工程应用

   在2013年本文所提出的高效智能“动力包”被成功应用于电站的凝结水泵中,不仅在工程实施中很好保证了工程进度节约了成本，而且很好的实现了节能的目的。  

   3.1凝结水泵工艺特点

   凝结水泵是火力发电厂主要动力设备之一，对机组安全型有着重大影响，其功能是将热力循环中凝汽器中的工质水提升压力，注入除氧器。凝结水泵通常以2X100%或3X50%形式配置，采用定速电机直连驱动，定速泵特性不可调节，随着机组低负荷运行时减小流量的需求，将导致泵出口压头提高。为了与管路系统阻力匹配，通常用泵出口调节阀节流方式来实现水量调节控制，调阀节流造成了巨大的能量损失。

   为了既能保证电站安全性，又能实现降低能源消耗的影响在某电厂中，系统选用本文上节提到的“高效智能驱动系统”。

   3.2系统配置

   JHH电厂采用是一用一备的配置形式，采用了上海电气提出的“高效智能驱动系统解决方案”，系统主要设备配置情况如下表1：

表1：高效智能驱动系统配置表

   通过采用上海电气所提出的“高效智能驱动系统”不仅采用统一建模理论进行系统优化设计，而且针对电站用凝结水泵工艺特殊性进行系统研究，开发的专用控制软件，不但可以更好保证系统安全运行，而且很好完成系统能量流的优化设计，很好提升系统效率，节电率达30%。

4、结论

   本文主要针对我国当前电机系统应用存在问题，系统介绍了所提出的高效智 “动力包”整体解决方案的理念，特征、优势和提出基础及方案构成，并在实际工程应用中取得很好的经济和技术效果，为用户、设计院和施工单位都带来便利，受到各方欢迎，代表着未来电机系统发展方向。

参考文献

[1] 国家发改委：“十一五”十大重点节能工程实施意见。2006.7，14-15

[2] Pillay,P.,Fendly,K.A, The contribution of Energy Efficient Motors to Demand and Energy Savings in the Petrochemical Industry[J]。IEEE Transactions on Power Systems,1995.10(2):pp1085-1093;

[3] 赵争鸣，袁立强，电力电子与电机系统集成分析基础[B]。机机械工业出版社，2008。8:pp137-153

[4] Ferria Jan A, Wyk J,D Van，Electromagnetic energy Propagation in power electron converters :toward future electromagnetic integration[C],Proceedings of IEEE, 2001, 89(6): 876-889