0.引言

   現今，環境和能源問題制約著人類社會的進一步發展，已成為我國乃至世界當前迫切需要解決的問題。為此，節能減排戰略成為我們國家實現可持續性發展必然選擇。電動機是工業裝備中最主要的動力源之一，在國民經濟工業生產中發揮著重要作用，但同時它也是工業生產中最主要耗能設備，據統計，電機每年消耗的電量約占我國總用電量的60%，其中風機、泵類、壓縮機和空調制冷機的用電量分別占全國用電量的10.4%、20.9%、9.4%和6%^［１］。我國80%以上的機電產品效率比國外先進水平低2－5個百分點，；風機、泵、壓縮機產品效率比國外先進水平低2－4個百分點［１-2］。由此可見，對于量大面廣電機系統，節電潛力是非常巨大。為此，國家有關部委發布了《“十一五”十大重點節能工程實施意見》， 將電機系統節能工程列為十大節能工程之一。

   為了推進電機系統節能,高效電機與高壓變頻器正被廣泛應用于風機、水泵和壓縮機等設備上，以改變國內電機系統應用中存在的問題,即：(1)電動機系統效率低，電動機等設備陳舊落后；(2)系統設計手段落后，設計余量過大，系統匹配不合理，“大馬拉小車”現象嚴重等問題。但同時由于高壓變頻器在電機系統中應用也帶來了新的問題，如：諧波污染，電機諧振，甚至斷軸，甚至工程技術人員仍然沿用傳統管理模式，沒能發揮系統最優化。

   由此可見，推進電機系統節能降耗問題，不是簡單將高壓變頻器應用于電機系統中，而需要從電機驅動系統本身，系統設計和運營管理等三個階段綜合考慮，系統化解決；而目前在市場上電機、驅動控制和泵、風機等設備分別由不同設備提供、故設備廠商都是從自身角度出發，提出解決方案，而用戶技術水平又有限，故很難從根本上解決以上問題。

   為此，許多國內外跨國公司都在整合資源，推出相應整體解決方案[3]-[4]，如：西門子公司提出全集成系統，施耐德公司提出整體能效解決方案，試圖通過將信息技術（IT）與能源技術(ET)融合實現電機系統本身，系統設計和運行管理三個階段節能 ，但是這些方案都重視信息技術，即重視信息流層面的集成，而對能量流層面集成重視不夠。

   鑒于此本文對當前電機驅動技術及信息技術發展趨勢和工程實際需要，提出高效智能“動力包”的的理念、優勢、系統解決方案，并對實際應用效果進行介紹。所提出的“動力包”不僅可以提高電機系統效率，實現節能目的，而且可以在項目設計、建設和運行維護等方面為用戶和設計院等節省大量人力和物力成本，實現用戶、設計單位和施工單位等多方共贏，從而推進我們國家節能減排事業發展。

1、概念與優勢

高效智能“動力包”是在追求提升電機系統效率和信息技術快速發展的大背景條件下提出的，是對電機系統設計、開發與應用經驗的總結和發展，它是ET（能源） 技術和IT（信息）技術高度結合產物。

　　1.1概念

   所謂高效智能“動力包”是在能量流和信息流兩個維度的高度集成，在能量流方面：通過將變頻器和電機、執行機構（風機或泵或壓縮機）等作為一個整體進行統一建模，并進行優化設計，實現系統高效性；在信息流方面：利用現代信息技術、人工智能技術、大數據技術和故障診斷與預警技術等實現系統控制、管理和維護保養的高度集成化和智能化，從而在實際工程項目中為用戶提供控制器 變頻器 電機＋風機或泵等整體解決方案，實現發揮系統最大優勢，更好的為用戶提供一攬子解決方案。

   高效智能 “動力包”不是簡單將電機、變頻器、控制器和執行機構的進行組合，而是將它們進行統一考慮，實現高度有機體，具有如下三個特征：

   (1)電動機和變頻器設計一體化：通過二者一體化設計可以實現二者匹配最優，為實現系統控制最優打下基礎；

   (2)系統能效與性能控制雙優化：在實現的電機驅動系統應用中，除了追求節能、高效性外，還必須提升和泵機閥等設備應用的系統性能，而實際的這些泵機閥等設備應用的系統都有著一定的特殊性，而通過設備商層面不給與解決，在實際工程中系統設計及運行環節就不可能給與解決；

   (3) 設備維護與運行管理的智能化：通過信息技術、先進控制技術和人工智能等技術實現設備維護和運行管理的智能化，從而擺脫過于依賴有經驗的工程師來完成設備維護和運行管理，加快設備市場推廣和應用。

   1.2“動力包”提出基礎

   高效智能 “動力包”提出不僅要有雄厚技術基礎，而且要有著完備產業基礎，二者缺一不可，否則很難建立設計與研制出具有高度集成動力包系統。

   (1)技術基礎：

   高效智能 “動力包”的技術基礎在于必須掌握電機、變頻器、控制器和執行設備（風機、水泵）等獨立設計、開發和制造及工程應用各項技術，并要結合當前快速發展的信息技術，如人工智能、大數據等技術從而使設備實現在能量流和信息流雙維度上的優化，進而使其成為有機整體。

   (2)產業基礎：

   高效智能 “動力包”的提出和實施必須要有著強大產業基礎，擁有控制器、變頻器、電機和執行機構（風機或泵等）等設備的完整的產業鏈。同時，要在相關領域擁有強大的工程經驗作為支撐，否則也很難實施。

   由此可見，國外一些跨國公司擁有強大技術基礎，但缺乏相關產業基礎作為支撐，也很難實現能量流和信息流的雙維度集成，故他們提出相應整體解決方案也僅僅停留于信息流層面集成。。

   1.3優勢分析

   高效智能 “動力包”使工程系統設計、施工和設備運行管理及維護保養等方面存在的問題都有效得到了解決，在商業運作、工程應用和用戶運行使用等方面都有著明顯的優勢。

   (1)由于采用跨專業和跨產業的聯合設計，有效提升了系統性能、實現系統節能最優。比如：對電機和變頻器統一建模，進行聯合設計，從而在花費最小代價下使變頻電源的共模電壓、du/dt和諧波對電機的影響降低到最小，從而提升系統性能，優化控制。比如：將泵、風機等設備在進行系統設計之初，就能結合工程實際進行系統優化設計，能夠很好的提升系統控制性能，避免如：扭振等問題；

   (2)由于能夠為用戶提供從變頻器、電機和泵和風機等主設備及控制系統等整體解決方案，從而簡化系統設計成本、工程采購與管理成本，可以提高工程實施進度；

   (3)由于實現信息流高度集成，從而實現了設備的全生命周期管理，為用戶節省了運行管理、設備維護成本。

   總之，高效智能 “動力包”將會極大促進相關產業發展，為用戶、設計院和施工單位帶來方便，可以極大節省人力和經濟等成本。

2、系統組成

   高效智能 “動力包”不僅涉及到技術的集成，而且包含一系列產品作為工程實施、市場推廣的支撐。

   2.1系統總體構成

   “高效智能驅動系統”是在統一系統建模基礎上，進行聯合系統設計的驅動系統，它主要包括：高效電機、高性能變頻器和控制器及監控與診斷系統。

   “動力包”是在高效智能驅動系統基礎上，將風機、泵等執行設備引入到系統，實現為用戶提供整體解決方案及商務供貨模式。

   高效智能“動力包”它們系統構成示意圖如圖１所示，其中：橫向集成主要代表以能源（ET）技術為支撐，實現能量流高效化；縱向集成主要以信息（IT）技術為支撐，實現信息流集成的智能化。

圖1. 系統構成

   通過系統示意圖1，可見高效智能 “動力包”是ET技術和IT技術發展必然產物，必將成為主流的商業模式，為廣大工程技術人員和企業所接受。動力包設計與開發主要主要集中于兩個方面，即：能效優化設計和控制及管理的信息的優化，故在此重點對此進行闡述。

圖2. 系統能效優化過程

   2.2 系統能效優化

   “動力包”系統能效優化主要從三個方面進行優化設計，即：電機與負載集成優化，電機與變頻器集成優化和運行控制優化。其能效集成優化設計流程如圖2所示。

   1、電機與負載集成優化關鍵在電機與負載參數匹配，其主要包括：機械運動方程參數和等效電路方程參數匹配[3]；

   2、電機與變頻器集成優化主要采用一體化設計，重點解決變頻器輸出電壓，變頻器損耗、電機絕緣等問題；

   3、運行控制優化主要結合具體工藝進行控制優化設計，并針對不同控制工藝形成專用優化控制軟件，在實現性能提高基礎上，實現能效最優控制。

   2.3信息全集成與設計模型

   信息全集成主要基于四級模型構建，其主要包括：驅動層，控制層、管理層和遠程維護層等四個層面。其四級系統示意圖如圖3所示。

圖3. 基于四層信息全集成網絡架構

   1、現場驅動層：該層信息集成主要是為完成電機驅動控制所進行的信息集成，其層面的以控制實時性控制信息為主，其核心設備在于變頻器；

   2、控制層；主要以完成基于工藝控制要求為主的信息集成，其核心設備在于DCS或PLC等控制器，驅動層與控制層信息通過主要通過現場總線，如： profibus ,Modbus或RS485等總線實現；

   3、管理層： 主要將控制系統與企業管理系統集成，實現企業對設備使用、設備維護的全生命周期管理，控制層與管理層信息通過主要通過企業局域網實現；

   4、遠程維護層：該層面的信息集成主要為實現設備遠程維護，遠程故障診斷等而進行的信息集成，其主要通過以太網或無線通訊等實現信息互通。

   2.4核心技術和產品

   高效智能 “動力包”正如前面所說它不是將變頻器、電機和風機、泵機及控制器等簡單集成，它是多年設計開發經驗積累和現代信息技術等多項新技術應用結晶，其中主要關鍵技術有：

?  .系統統建建模與優化，解決了在變頻電源下的電機系統集成優化問題；

?  .多物理場聯合仿真設計，解決了電、磁、機械和流場等強耦合問題；

?  .故障診斷與預警，解決了產品全生命周期的管理與維護問題；

   除了在系統優化設計方面突破一些關鍵技術外，并形成了一些核心產品：

 ?.專用化優化軟件，比如：針對電站一次風機系統控制優化軟件；

?  .設備在線維護系統，實現產品設備的全生命周期管理與維護；

?  .基于智能終端的運行與管理系統，利用現有智能終端實現系統隨時維護和管理，提升系統監管便利性。

   隨著ET和IT技術發展，所提出的“高效智能電機驅動系統”和“動力包”也將更加完善，更加會為用戶、設計院、工程施工等單位帶來便利，也會更加具有高效性和智能化。

3、工程應用

   在2013年本文所提出的高效智能“動力包”被成功應用于電站的凝結水泵中,不僅在工程實施中很好保證了工程進度節約了成本，而且很好的實現了節能的目的。  

   3.1凝結水泵工藝特點

   凝結水泵是火力發電廠主要動力設備之一，對機組安全型有著重大影響，其功能是將熱力循環中凝汽器中的工質水提升壓力，注入除氧器。凝結水泵通常以2X100%或3X50%形式配置，采用定速電機直連驅動，定速泵特性不可調節，隨著機組低負荷運行時減小流量的需求，將導致泵出口壓頭提高。為了與管路系統阻力匹配，通常用泵出口調節閥節流方式來實現水量調節控制，調閥節流造成了巨大的能量損失。

   為了既能保證電站安全性，又能實現降低能源消耗的影響在某電廠中，系統選用本文上節提到的“高效智能驅動系統”。

   3.2系統配置

   JHH電廠采用是一用一備的配置形式，采用了上海電氣提出的“高效智能驅動系統解決方案”，系統主要設備配置情況如下表1：

表1：高效智能驅動系統配置表

   通過采用上海電氣所提出的“高效智能驅動系統”不僅采用統一建模理論進行系統優化設計，而且針對電站用凝結水泵工藝特殊性進行系統研究，開發的專用控制軟件，不但可以更好保證系統安全運行，而且很好完成系統能量流的優化設計，很好提升系統效率，節電率達30%。

4、結論

   本文主要針對我國當前電機系統應用存在問題，系統介紹了所提出的高效智 “動力包”整體解決方案的理念，特征、優勢和提出基礎及方案構成，并在實際工程應用中取得很好的經濟和技術效果，為用戶、設計院和施工單位都帶來便利，受到各方歡迎，代表著未來電機系統發展方向。

參考文獻

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