0.引言

   現(xiàn)今，環(huán)境和能源問題制約著人類社會的進(jìn)一步發(fā)展，已成為我國乃至世界當(dāng)前迫切需要解決的問題。為此，節(jié)能減排戰(zhàn)略成為我們國家實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展必然選擇。電動機(jī)是工業(yè)裝備中最主要的動力源之一，在國民經(jīng)濟(jì)工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，但同時(shí)它也是工業(yè)生產(chǎn)中最主要耗能設(shè)備，據(jù)統(tǒng)計(jì)，電機(jī)每年消耗的電量約占我國總用電量的60%，其中風(fēng)機(jī)、泵類、壓縮機(jī)和空調(diào)制冷機(jī)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(jī)電產(chǎn)品效率比國外先進(jìn)水平低2－5個(gè)百分點(diǎn)，；風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)產(chǎn)品效率比國外先進(jìn)水平低2－4個(gè)百分點(diǎn)［１-2］。由此可見，對于量大面廣電機(jī)系統(tǒng)，節(jié)電潛力是非常巨大。為此，國家有關(guān)部委發(fā)布了《“十一五”十大重點(diǎn)節(jié)能工程實(shí)施意見》， 將電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程列為十大節(jié)能工程之一。

   為了推進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能,高效電機(jī)與高壓變頻器正被廣泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、水泵和壓縮機(jī)等設(shè)備上，以改變國內(nèi)電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用中存在的問題,即：(1)電動機(jī)系統(tǒng)效率低，電動機(jī)等設(shè)備陳舊落后；(2)系統(tǒng)設(shè)計(jì)手段落后，設(shè)計(jì)余量過大，系統(tǒng)匹配不合理，“大馬拉小車”現(xiàn)象嚴(yán)重等問題。但同時(shí)由于高壓變頻器在電機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用也帶來了新的問題，如：諧波污染，電機(jī)諧振，甚至斷軸，甚至工程技術(shù)人員仍然沿用傳統(tǒng)管理模式，沒能發(fā)揮系統(tǒng)最優(yōu)化。

   由此可見，推進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能降耗問題，不是簡單將高壓變頻器應(yīng)用于電機(jī)系統(tǒng)中，而需要從電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)本身，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)營管理等三個(gè)階段綜合考慮，系統(tǒng)化解決；而目前在市場上電機(jī)、驅(qū)動控制和泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備分別由不同設(shè)備提供、故設(shè)備廠商都是從自身角度出發(fā)，提出解決方案，而用戶技術(shù)水平又有限，故很難從根本上解決以上問題。

   為此，許多國內(nèi)外跨國公司都在整合資源，推出相應(yīng)整體解決方案[3]-[4]，如：西門子公司提出全集成系統(tǒng)，施耐德公司提出整體能效解決方案，試圖通過將信息技術(shù)（IT）與能源技術(shù)(ET)融合實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)本身，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理三個(gè)階段節(jié)能 ，但是這些方案都重視信息技術(shù)，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(dāng)前電機(jī)驅(qū)動技術(shù)及信息技術(shù)發(fā)展趨勢和工程實(shí)際需要，提出高效智能“動力包”的的理念、優(yōu)勢、系統(tǒng)解決方案，并對實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行介紹。所提出的“動力包”不僅可以提高電機(jī)系統(tǒng)效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的，而且可以在項(xiàng)目設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)等方面為用戶和設(shè)計(jì)院等節(jié)省大量人力和物力成本，實(shí)現(xiàn)用戶、設(shè)計(jì)單位和施工單位等多方共贏，從而推進(jìn)我們國家節(jié)能減排事業(yè)發(fā)展。

1、概念與優(yōu)勢

高效智能“動力包”是在追求提升電機(jī)系統(tǒng)效率和信息技術(shù)快速發(fā)展的大背景條件下提出的，是對電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和發(fā)展，它是ET（能源） 技術(shù)和IT（信息）技術(shù)高度結(jié)合產(chǎn)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(gè)維度的高度集成，在能量流方面：通過將變頻器和電機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（風(fēng)機(jī)或泵或壓縮機(jī)）等作為一個(gè)整體進(jìn)行統(tǒng)一建模，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效性；在信息流方面：利用現(xiàn)代信息技術(shù)、人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和故障診斷與預(yù)警技術(shù)等實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制、管理和維護(hù)保養(yǎng)的高度集成化和智能化，從而在實(shí)際工程項(xiàng)目中為用戶提供控制器 變頻器 電機(jī)＋風(fēng)機(jī)或泵等整體解決方案，實(shí)現(xiàn)發(fā)揮系統(tǒng)最大優(yōu)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(jī)、變頻器、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的進(jìn)行組合，而是將它們進(jìn)行統(tǒng)一考慮，實(shí)現(xiàn)高度有機(jī)體，具有如下三個(gè)特征：

   (1)電動機(jī)和變頻器設(shè)計(jì)一體化：通過二者一體化設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)二者匹配最優(yōu)，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制最優(yōu)打下基礎(chǔ)；

   (2)系統(tǒng)能效與性能控制雙優(yōu)化：在實(shí)現(xiàn)的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用中，除了追求節(jié)能、高效性外，還必須提升和泵機(jī)閥等設(shè)備應(yīng)用的系統(tǒng)性能，而實(shí)際的這些泵機(jī)閥等設(shè)備應(yīng)用的系統(tǒng)都有著一定的特殊性，而通過設(shè)備商層面不給與解決，在實(shí)際工程中系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行環(huán)節(jié)就不可能給與解決；

   (3) 設(shè)備維護(hù)與運(yùn)行管理的智能化：通過信息技術(shù)、先進(jìn)控制技術(shù)和人工智能等技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備維護(hù)和運(yùn)行管理的智能化，從而擺脫過于依賴有經(jīng)驗(yàn)的工程師來完成設(shè)備維護(hù)和運(yùn)行管理，加快設(shè)備市場推廣和應(yīng)用。

   1.2“動力包”提出基礎(chǔ)

   高效智能 “動力包”提出不僅要有雄厚技術(shù)基礎(chǔ)，而且要有著完備產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，二者缺一不可，否則很難建立設(shè)計(jì)與研制出具有高度集成動力包系統(tǒng)。

   (1)技術(shù)基礎(chǔ)：

   高效智能 “動力包”的技術(shù)基礎(chǔ)在于必須掌握電機(jī)、變頻器、控制器和執(zhí)行設(shè)備（風(fēng)機(jī)、水泵）等獨(dú)立設(shè)計(jì)、開發(fā)和制造及工程應(yīng)用各項(xiàng)技術(shù)，并要結(jié)合當(dāng)前快速發(fā)展的信息技術(shù)，如人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)從而使設(shè)備實(shí)現(xiàn)在能量流和信息流雙維度上的優(yōu)化，進(jìn)而使其成為有機(jī)整體。

   (2)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)：

   高效智能 “動力包”的提出和實(shí)施必須要有著強(qiáng)大產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，擁有控制器、變頻器、電機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（風(fēng)機(jī)或泵等）等設(shè)備的完整的產(chǎn)業(yè)鏈。同時(shí)，要在相關(guān)領(lǐng)域擁有強(qiáng)大的工程經(jīng)驗(yàn)作為支撐，否則也很難實(shí)施。

   由此可見，國外一些跨國公司擁有強(qiáng)大技術(shù)基礎(chǔ)，但缺乏相關(guān)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)作為支撐，也很難實(shí)現(xiàn)能量流和信息流的雙維度集成，故他們提出相應(yīng)整體解決方案也僅僅停留于信息流層面集成。。

   1.3優(yōu)勢分析

   高效智能 “動力包”使工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工和設(shè)備運(yùn)行管理及維護(hù)保養(yǎng)等方面存在的問題都有效得到了解決，在商業(yè)運(yùn)作、工程應(yīng)用和用戶運(yùn)行使用等方面都有著明顯的優(yōu)勢。

   (1)由于采用跨專業(yè)和跨產(chǎn)業(yè)的聯(lián)合設(shè)計(jì)，有效提升了系統(tǒng)性能、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能最優(yōu)。比如：對電機(jī)和變頻器統(tǒng)一建模，進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)，從而在花費(fèi)最小代價(jià)下使變頻電源的共模電壓、du/dt和諧波對電機(jī)的影響降低到最小，從而提升系統(tǒng)性能，優(yōu)化控制。比如：將泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，就能結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠很好的提升系統(tǒng)控制性能，避免如：扭振等問題；

   (2)由于能夠?yàn)橛脩籼峁淖冾l器、電機(jī)和泵和風(fēng)機(jī)等主設(shè)備及控制系統(tǒng)等整體解決方案，從而簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本、工程采購與管理成本，可以提高工程實(shí)施進(jìn)度；

   (3)由于實(shí)現(xiàn)信息流高度集成，從而實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的全生命周期管理，為用戶節(jié)省了運(yùn)行管理、設(shè)備維護(hù)成本。

   總之，高效智能 “動力包”將會極大促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為用戶、設(shè)計(jì)院和施工單位帶來方便，可以極大節(jié)省人力和經(jīng)濟(jì)等成本。

2、系統(tǒng)組成

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

   2.1系統(tǒng)總體構(gòu)成

   “高效智能驅(qū)動系統(tǒng)”是在統(tǒng)一系統(tǒng)建模基礎(chǔ)上，進(jìn)行聯(lián)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的驅(qū)動系統(tǒng)，它主要包括：高效電機(jī)、高性能變頻器和控制器及監(jiān)控與診斷系統(tǒng)。

   “動力包”是在高效智能驅(qū)動系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將風(fēng)機(jī)、泵等執(zhí)行設(shè)備引入到系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)為用戶提供整體解決方案及商務(wù)供貨模式。

   高效智能“動力包”它們系統(tǒng)構(gòu)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(shù)為支撐，實(shí)現(xiàn)能量流高效化；縱向集成主要以信息（IT）技術(shù)為支撐，實(shí)現(xiàn)信息流集成的智能化。

圖1. 系統(tǒng)構(gòu)成

   通過系統(tǒng)示意圖1，可見高效智能 “動力包”是ET技術(shù)和IT技術(shù)發(fā)展必然產(chǎn)物，必將成為主流的商業(yè)模式，為廣大工程技術(shù)人員和企業(yè)所接受。動力包設(shè)計(jì)與開發(fā)主要主要集中于兩個(gè)方面，即：能效優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制及管理的信息的優(yōu)化，故在此重點(diǎn)對此進(jìn)行闡述。

圖2. 系統(tǒng)能效優(yōu)化過程

   2.2 系統(tǒng)能效優(yōu)化

   “動力包”系統(tǒng)能效優(yōu)化主要從三個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，即：電機(jī)與負(fù)載集成優(yōu)化，電機(jī)與變頻器集成優(yōu)化和運(yùn)行控制優(yōu)化。其能效集成優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

   1、電機(jī)與負(fù)載集成優(yōu)化關(guān)鍵在電機(jī)與負(fù)載參數(shù)匹配，其主要包括：機(jī)械運(yùn)動方程參數(shù)和等效電路方程參數(shù)匹配[3]；

   2、電機(jī)與變頻器集成優(yōu)化主要采用一體化設(shè)計(jì)，重點(diǎn)解決變頻器輸出電壓，變頻器損耗、電機(jī)絕緣等問題；

   3、運(yùn)行控制優(yōu)化主要結(jié)合具體工藝進(jìn)行控制優(yōu)化設(shè)計(jì)，并針對不同控制工藝形成專用優(yōu)化控制軟件，在實(shí)現(xiàn)性能提高基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)能效最優(yōu)控制。

   2.3信息全集成與設(shè)計(jì)模型

   信息全集成主要基于四級模型構(gòu)建，其主要包括：驅(qū)動層，控制層、管理層和遠(yuǎn)程維護(hù)層等四個(gè)層面。其四級系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3. 基于四層信息全集成網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

   1、現(xiàn)場驅(qū)動層：該層信息集成主要是為完成電機(jī)驅(qū)動控制所進(jìn)行的信息集成，其層面的以控制實(shí)時(shí)性控制信息為主，其核心設(shè)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(shè)備在于DCS或PLC等控制器，驅(qū)動層與控制層信息通過主要通過現(xiàn)場總線，如： profibus ,Modbus或RS485等總線實(shí)現(xiàn)；

   3、管理層： 主要將控制系統(tǒng)與企業(yè)管理系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)企業(yè)對設(shè)備使用、設(shè)備維護(hù)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(yè)局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)；

   4、遠(yuǎn)程維護(hù)層：該層面的信息集成主要為實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程維護(hù)，遠(yuǎn)程故障診斷等而進(jìn)行的信息集成，其主要通過以太網(wǎng)或無線通訊等實(shí)現(xiàn)信息互通。

   2.4核心技術(shù)和產(chǎn)品

   高效智能 “動力包”正如前面所說它不是將變頻器、電機(jī)和風(fēng)機(jī)、泵機(jī)及控制器等簡單集成，它是多年設(shè)計(jì)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)積累和現(xiàn)代信息技術(shù)等多項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用結(jié)晶，其中主要關(guān)鍵技術(shù)有：

?  .系統(tǒng)統(tǒng)建建模與優(yōu)化，解決了在變頻電源下的電機(jī)系統(tǒng)集成優(yōu)化問題；

?  .多物理場聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)，解決了電、磁、機(jī)械和流場等強(qiáng)耦合問題；

?  .故障診斷與預(yù)警，解決了產(chǎn)品全生命周期的管理與維護(hù)問題；

   除了在系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面突破一些關(guān)鍵技術(shù)外，并形成了一些核心產(chǎn)品：

 ?.專用化優(yōu)化軟件，比如：針對電站一次風(fēng)機(jī)系統(tǒng)控制優(yōu)化軟件；

?  .設(shè)備在線維護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)備的全生命周期管理與維護(hù)；

?  .基于智能終端的運(yùn)行與管理系統(tǒng)，利用現(xiàn)有智能終端實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)隨時(shí)維護(hù)和管理，提升系統(tǒng)監(jiān)管便利性。

   隨著ET和IT技術(shù)發(fā)展，所提出的“高效智能電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)”和“動力包”也將更加完善，更加會為用戶、設(shè)計(jì)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(yīng)用

   在2013年本文所提出的高效智能“動力包”被成功應(yīng)用于電站的凝結(jié)水泵中,不僅在工程實(shí)施中很好保證了工程進(jìn)度節(jié)約了成本，而且很好的實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目的。  

   3.1凝結(jié)水泵工藝特點(diǎn)

   凝結(jié)水泵是火力發(fā)電廠主要動力設(shè)備之一，對機(jī)組安全型有著重大影響，其功能是將熱力循環(huán)中凝汽器中的工質(zhì)水提升壓力，注入除氧器。凝結(jié)水泵通常以2X100%或3X50%形式配置，采用定速電機(jī)直連驅(qū)動，定速泵特性不可調(diào)節(jié)，隨著機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)減小流量的需求，將導(dǎo)致泵出口壓頭提高。為了與管路系統(tǒng)阻力匹配，通常用泵出口調(diào)節(jié)閥節(jié)流方式來實(shí)現(xiàn)水量調(diào)節(jié)控制，調(diào)閥節(jié)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(shí)現(xiàn)降低能源消耗的影響在某電廠中，系統(tǒng)選用本文上節(jié)提到的“高效智能驅(qū)動系統(tǒng)”。

   3.2系統(tǒng)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(qū)動系統(tǒng)解決方案”，系統(tǒng)主要設(shè)備配置情況如下表1：

表1：高效智能驅(qū)動系統(tǒng)配置表

   通過采用上海電氣所提出的“高效智能驅(qū)動系統(tǒng)”不僅采用統(tǒng)一建模理論進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，而且針對電站用凝結(jié)水泵工藝特殊性進(jìn)行系統(tǒng)研究，開發(fā)的專用控制軟件，不但可以更好保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，而且很好完成系統(tǒng)能量流的優(yōu)化設(shè)計(jì)，很好提升系統(tǒng)效率，節(jié)電率達(dá)30%。

4、結(jié)論

   本文主要針對我國當(dāng)前電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用存在問題，系統(tǒng)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(yōu)勢和提出基礎(chǔ)及方案構(gòu)成，并在實(shí)際工程應(yīng)用中取得很好的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)效果，為用戶、設(shè)計(jì)院和施工單位都帶來便利，受到各方歡迎，代表著未來電機(jī)系統(tǒng)發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 國家發(fā)改委：“十一五”十大重點(diǎn)節(jié)能工程實(shí)施意見。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] 趙爭鳴，袁立強(qiáng)，電力電子與電機(jī)系統(tǒng)集成分析基礎(chǔ)[B]。機(jī)機(jī)械工業(yè)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