高效智能“動力包”全集成技術發(fā)展探討

0.引言

   現(xiàn)今，環(huán)境和能源問題制約著人類社會的進一步發(fā)展，已成為我國乃至世界當前迫切需要解決的問題。為此，節(jié)能減排戰(zhàn)略成為我們國家實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展必然選擇。電動機是工業(yè)裝備中最主要的動力源之一，在國民經(jīng)濟工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，但同時它也是工業(yè)生產(chǎn)中最主要耗能設備，據(jù)統(tǒng)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(diào)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(chǎn)品效率比國外先進水平低2－5個百分點，；風機、泵、壓縮機產(chǎn)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(tǒng)，節(jié)電潛力是非常巨大。為此，國家有關部委發(fā)布了《“十一五”十大重點節(jié)能工程實施意見》， 將電機系統(tǒng)節(jié)能工程列為十大節(jié)能工程之一。

   為了推進電機系統(tǒng)節(jié)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(nèi)電機系統(tǒng)應用中存在的問題,即：(1)電動機系統(tǒng)效率低，電動機等設備陳舊落后；(2)系統(tǒng)設計手段落后，設計余量過大，系統(tǒng)匹配不合理，“大馬拉小車”現(xiàn)象嚴重等問題。但同時由于高壓變頻器在電機系統(tǒng)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(tǒng)管理模式，沒能發(fā)揮系統(tǒng)最優(yōu)化。

   由此可見，推進電機系統(tǒng)節(jié)能降耗問題，不是簡單將高壓變頻器應用于電機系統(tǒng)中，而需要從電機驅(qū)動系統(tǒng)本身，系統(tǒng)設計和運營管理等三個階段綜合考慮，系統(tǒng)化解決；而目前在市場上電機、驅(qū)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(fā)，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(nèi)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(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（IT）與能源技術(ET)融合實現(xiàn)電機系統(tǒng)本身，系統(tǒng)設計和運行管理三個階段節(jié)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(qū)動技術及信息技術發(fā)展趨勢和工程實際需要，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(tǒng)效率，實現(xiàn)節(jié)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(jié)省大量人力和物力成本，實現(xiàn)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(jié)能減排事業(yè)發(fā)展。

1、概念與優(yōu)勢

高效智能“動力包”是在追求提升電機系統(tǒng)效率和信息技術快速發(fā)展的大背景條件下提出的，是對電機系統(tǒng)設計、開發(fā)與應用經(jīng)驗的總結和發(fā)展，它是ET（能源） 技術和IT（信息）技術高度結合產(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維度的高度集成，在能量流方面：通過將變頻器和電機、執(zhí)行機構（風機或泵或壓縮機）等作為一個整體進行統(tǒng)一建模，并進行優(yōu)化設計，實現(xiàn)系統(tǒng)高效性；在信息流方面：利用現(xiàn)代信息技術、人工智能技術、大數(shù)據(jù)技術和故障診斷與預警技術等實現(xiàn)系統(tǒng)控制、管理和維護保養(yǎng)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(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、變頻器、控制器和執(zhí)行機構的進行組合，而是將它們進行統(tǒng)一考慮，實現(xiàn)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(xiàn)二者匹配最優(yōu)，為實現(xiàn)系統(tǒng)控制最優(yōu)打下基礎；

   (2)系統(tǒng)能效與性能控制雙優(yōu)化：在實現(xiàn)的電機驅(qū)動系統(tǒng)應用中，除了追求節(jié)能、高效性外，還必須提升和泵機閥等設備應用的系統(tǒng)性能，而實際的這些泵機閥等設備應用的系統(tǒng)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(tǒng)設計及運行環(huán)節(jié)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(xiàn)設備維護和運行管理的智能化，從而擺脫過于依賴有經(jīng)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(chǎn)業(yè)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(tǒng)。

   (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(zhí)行設備（風機、水泵）等獨立設計、開發(fā)和制造及工程應用各項技術，并要結合當前快速發(fā)展的信息技術，如人工智能、大數(shù)據(jù)等技術從而使設備實現(xiàn)在能量流和信息流雙維度上的優(yōu)化，進而使其成為有機整體。

   (2)產(chǎn)業(yè)基礎：

   高效智能 “動力包”的提出和實施必須要有著強大產(chǎn)業(yè)基礎，擁有控制器、變頻器、電機和執(zhí)行機構（風機或泵等）等設備的完整的產(chǎn)業(yè)鏈。同時，要在相關領域擁有強大的工程經(jīng)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(chǎn)業(yè)基礎作為支撐，也很難實現(xiàn)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(yōu)勢分析

   高效智能 “動力包”使工程系統(tǒng)設計、施工和設備運行管理及維護保養(yǎng)等方面存在的問題都有效得到了解決，在商業(yè)運作、工程應用和用戶運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)合設計，有效提升了系統(tǒng)性能、實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能最優(yōu)。比如：對電機和變頻器統(tǒng)一建模，進行聯(lián)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(tǒng)性能，優(yōu)化控制。比如：將泵、風機等設備在進行系統(tǒng)設計之初，就能結合工程實際進行系統(tǒng)優(yōu)化設計，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(tǒng)等整體解決方案，從而簡化系統(tǒng)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(xiàn)信息流高度集成，從而實現(xiàn)了設備的全生命周期管理，為用戶節(jié)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(chǎn)業(yè)發(fā)展，為用戶、設計院和施工單位帶來方便，可以極大節(jié)省人力和經(jīng)濟等成本。

2、系統(tǒng)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(chǎn)品作為工程實施、市場推廣的支撐。

   2.1系統(tǒng)總體構成

   “高效智能驅(qū)動系統(tǒng)”是在統(tǒng)一系統(tǒng)建?；A上，進行聯(lián)合系統(tǒng)設計的驅(qū)動系統(tǒng)，它主要包括：高效電機、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)基礎上，將風機、泵等執(zhí)行設備引入到系統(tǒng)，實現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)能量流高效化；縱向集成主要以信息（IT）技術為支撐，實現(xiàn)信息流集成的智能化。

圖1. 系統(tǒng)構成

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

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)化主要從三個方面進行優(yōu)化設計，即：電機與負載集成優(yōu)化，電機與變頻器集成優(yōu)化和運行控制優(yōu)化。其能效集成優(yōu)化設計流程如圖2所示。

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

   2、電機與變頻器集成優(yōu)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(yōu)化主要結合具體工藝進行控制優(yōu)化設計，并針對不同控制工藝形成專用優(yōu)化控制軟件，在實現(xiàn)性能提高基礎上，實現(xiàn)能效最優(yōu)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(qū)動層，控制層、管理層和遠程維護層等四個層面。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)絡架構

   1、現(xiàn)場驅(qū)動層：該層信息集成主要是為完成電機驅(qū)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(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，實現(xiàn)企業(yè)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(yè)局域網(wǎng)實現(xiàn)；

   4、遠程維護層：該層面的信息集成主要為實現(xiàn)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(wǎng)或無線通訊等實現(xiàn)信息互通。

   2.4核心技術和產(chǎn)品

   高效智能 “動力包”正如前面所說它不是將變頻器、電機和風機、泵機及控制器等簡單集成，它是多年設計開發(fā)經(jīng)驗積累和現(xiàn)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(tǒng)統(tǒng)建建模與優(yōu)化，解決了在變頻電源下的電機系統(tǒng)集成優(yōu)化問題；

?  .多物理場聯(lián)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(chǎn)品全生命周期的管理與維護問題；

   除了在系統(tǒng)優(yōu)化設計方面突破一些關鍵技術外，并形成了一些核心產(chǎn)品：

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

?  .設備在線維護系統(tǒng)，實現(xiàn)產(chǎn)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(tǒng)，利用現(xiàn)有智能終端實現(xiàn)系統(tǒng)隨時維護和管理，提升系統(tǒng)監(jiān)管便利性。

   隨著ET和IT技術發(fā)展，所提出的“高效智能電機驅(qū)動系統(tǒng)”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(jié)約了成本，而且很好的實現(xiàn)了節(jié)能的目的。  

   3.1凝結水泵工藝特點

   凝結水泵是火力發(fā)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(huán)中凝汽器中的工質(zhì)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(qū)動，定速泵特性不可調(diào)節(jié)，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(tǒng)阻力匹配，通常用泵出口調(diào)節(jié)閥節(jié)流方式來實現(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)一建模理論進行系統(tǒng)優(yōu)化設計，而且針對電站用凝結水泵工藝特殊性進行系統(tǒng)研究，開發(fā)的專用控制軟件，不但可以更好保證系統(tǒng)安全運行，而且很好完成系統(tǒng)能量流的優(yōu)化設計，很好提升系統(tǒng)效率，節(jié)電率達30%。

4、結論

   本文主要針對我國當前電機系統(tǒng)應用存在問題，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)勢和提出基礎及方案構成，并在實際工程應用中取得很好的經(jīng)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(tǒng)發(fā)展方向。

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