本文原刊登于Ansys.com：《Innomotics Advances AI-capable Industrial Motor Drives With Multiphysics Simulation and Digital Twins》

作者：Jennifer Procario | Ansys市場傳播經理

編輯整理：張旭 | Ansys主任應用工程師

Ansys仿真軟件提供的能力發揮了重要作用，幫助我們避免代價高昂的設計錯誤。值得一提的是，我們的所有仿真結果都通過廣泛的實驗室測試進行了驗證，因此現已獲得管理層的高度信任。”

——Bogdan C. Ionescu博士，Innomotics電力電子部門高級首席專家

電機通過將線路頻率下的交流（AC）電源轉換為可變頻率和可變振幅的AC電源來控制速度。由于工業應用對自動化、更高工藝效率和更高可靠性的需求，電機驅動器已成為該領域的關鍵因素。另一方面，在電機驅動器的電力電子組件設計過程中，這些要求反過來又給開發帶來了挑戰。不過，仿真現在可以幫助企業開發這些組件，釋放工業電機驅動器的新一代潛力。

根據電機的電壓等級，電機驅動器可分為中壓（MV）和低壓（LV）兩種類型。其中，MV驅動器用于電壓高于1千伏（kV）的應用。這兩種類型的驅動器均可用于工業設備中，來驅動泵、壓縮機、風扇和輸送機，其應用范圍涵蓋發電、采礦、化學和金屬加工等領域。

Innomotics是一家領先的電機和大型驅動系統供應商，總部位于德國，并在世界各地設有分支機構。該公司正在利用Ansys多物理場仿真和數字孿生技術，為其MV驅動器升級人工智能（AI）功能。該公司表示，AI功能將通過增強對真實環境的感知能力來提高驅動器性能，從而突破設計限制。

通過集成Ansys結構、流體和電子仿真以及數字孿生解決方案，Innomotics采用降階建模等技術，支持數字工程，從而在保持準確性的同時簡化復雜模型。此外，該公司利用虛擬測試和原型設計，相較于傳統物理方法，最大限度地減少了時間和成本。因此，這家國際供應商能夠優化和推進設計、降低成本，并加速開發。

中壓（MV）驅動器用于控制壓縮機、泵和風扇等工業設備的電機轉速，應用范圍涵蓋發電、采礦、化學和金屬加工等領域

伴隨數字工程不斷發展

盡管所有MV驅動器都通過提供可變AC電源來控制電機轉速，但根據輸出不同，MV驅動器主要分為兩種類型：具有可控電流輸出的電流源逆變器（CSI）和具有可控電壓輸出的電壓源逆變器（VSI）。

Innomotics提供上述兩類驅動器，并設計了電壓范圍介于1.4至13.8 kV之間、額定功率介于150 kW至85 MW之間的MV驅動器。據該公司稱，這可確保高效率、高可用性和卓越的電能質量，從而減少輸入端的電流畸變。事實上，Innomotics的VSI驅動器被視為清潔能量轉換器，產生的諧波極少，某些產品型號也因此被命名為“Perfect Harmony（完美和諧）”。

本文介紹的MV驅動器能夠將可用、固定振幅和頻率（50或60 Hz）下的MV電源轉換為中間直流（DC）電壓，然后再轉換回可變振幅和頻率的AC電源。以此，使電機的速度和功率可以方便地適應客戶的應用需求。

Innomotics電力電子部門的高級首席專家Bogdan C. Ionescu博士，在過去十年中見證了該公司數字工程的不斷發展。Innomotics前身為西門子股份公司的一部分，于去年10月被KPS Capital Partners LP收購。

Ionescu博士在公司大型驅動器部門的研發（R&D）部門負責關鍵開發問題的相關工作。

Innomotics Perfect Harmony GH 180 MV驅動器是一款采用模塊化多電平轉換器（M2C）技術的多單元電壓源逆變器（VSI）。

他說：“過去12年來，數字技術在電力電子部門的應用不斷增加，最終我們創建出了功率單元和電力變壓器的數字模型，這些模型是我們MV VSI驅動器的主要構建模塊。此外，組件和產品層面的許多其他設計問題也已被成功解決。”

Ionescu博士表示，通過采用Ansys仿真，他的團隊改進了設計流程，同時節省了時間和資金。更重要的是，他們知道這些結果非常可靠。

他說：“Ansys仿真軟件提供的能力發揮了重要作用，幫助我們避免代價高昂的設計錯誤。”值得一提的是，我們的所有仿真結果都通過廣泛的實驗室測試進行了驗證，因此現已獲得管理層的高度信任。事實證明，我們投資仿真技術的方向是正確的，并且有利于公司的盈利。”

為了深入探索仿真技術的優勢，在過去七年中，Ionescu博士及其團隊為公司的許多風冷和水冷組件開發了降階模型（ROM），以測試一些未來概念，包括硬件在環（HIL）系統。

出于興趣，他開展了進一步研究，并在IEEE上發表了一篇關于ROM的論文，探討了ROM如何通過實時實現準確熱模型等功能來增強MV驅動器設計，為開發支持AI的驅動器提供支持。

盡管Innomotics支持AI的MV驅動器仍在開發中，但Ionescu博士表示，該公司已為此概念申請了專利。

應用仿真、ROM和數字孿生

Ionescu博士和其他工程師使用Ansys Twin Builder基于仿真的數字孿生平臺，創建ROM和數字孿生。Twin Builder軟件與Ansys的多物理場解決方案相結合，以ROM的形式提供3D仿真的行為，從而更快地生成準確、高效的系統級模型。例如，該平臺可以利用由Ansys結構、流體和電磁產品生成的ROM，對復雜系統進行建模，包括機械組件、熱網絡、電磁致動器和電機。

Ansys最新的數字孿生解決方案，即Ansys Twin AI（由AI提供支持的數字孿生軟件），以類似的方式工作，在利用ROM的同時，將數據和物理場相結合，以創建Ansys所說的“混合數字孿生”。Ansys的混合分析工具通過將仿真洞察與現場行為數據相結合，同時考慮運行條件的變化和設備性能退化，彌合設計與運營之間的差距。因此，混合數字孿生能夠在不同操作場景和產品方案中實現實時監控、預測性維護和性能優化，從而自動適應不斷變化的環境、情境和工況。用戶可以使用Twin Builder或TwinAI軟件創建混合數字孿生。ROM也可以在Ansys Workbench仿真集成平臺中被創建，并輕松導入到Twin Builder或TwinAI軟件中。為了方便起見，這些ROM支持多種常用格式，包括服務建模語言（SML）和功能仿真單元（FMU）。

Ansys混合數字孿生結合了數據、物理場和人工智能/機器學習（AI/ML）技術，能夠對資產進行最精確的表征

Ionescu博士表示，他和他的團隊創建ROM的主要目的是優化整個應用中熱組件的熱利用率。

Innomotics使用Ansys仿真工具生成熱訓練數據，并創建降階模型（ROM），以準確快速地表示功率單元中的物理特性

他說：“我們通過Ansys ROM技術，包括線性時不變（LTI）和線性參數變化（LPV），來創建數字孿生。該數字孿生可以高速運行，從而提供大量關鍵參數，例如功率單元中使用的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的內部溫度。需要注意的是，此類溫度無法直接被測量，而利用數字孿生，我們可以實時或準實時提供這些所需的結果，供驅動器控制器使用。”

此外，該團隊還使用Ansys Icepak電子冷卻仿真軟件進行計算流體力學（CFD）仿真，以提高ROM訓練數據的準確性和質量。

Innomotics工程師使用Ansys仿真軟件對Innomotics Perfect Harmony GH 180 MV功率單元進行建模，包括風冷式（左）和水冷式（右）

他說：“開發支持AI的驅動器的下一步，將是機器學習（ML）能力。此類工作，將受益于ROM離線生成大量數據的能力，以便訓練機器學習系統，開發出有效的模式，從而改變驅動器對客戶流程中不同挑戰的響應方式。”

Ionescu博士的團隊每天都會使用Ansys仿真。由于仿真結果持續通過實驗室測試得到驗證，因此，整個組織中對仿真的信任度和采用程度都有所提升。

他表示：“在這一過程中，我們使用了大量Ansys工具，涵蓋了我們應用所關注的整個物理領域。這意味著我們會使用Ansys工具進行大量結構、電磁、CFD和系統級仿真。此外，我們還在由Ansys Workbench環境提供的框架中整合各個Ansys模塊，用于進行各種耦合多物理場仿真，這也正是我們多年前將Ansys作為首選仿真系統的重要原因。當時我們就深入了解了Ansys軟件開發和收購的理念。如今看來，這對我們來說顯然是正確的選擇。”

開發新一代驅動器

Ionescu博士預計，工業客戶將從支持AI功能的MV驅動器中受益，這些驅動器能夠對熱管理、過載和氣流速率管理等挑戰提供更深入的工程洞察。

他說：“AI在驅動器運行中的一個明顯優勢是，可以顯著降低設計裕量帶來的限制。換句話說，我們可以大幅減少甚至消除目前因流程中存在各種未知因素而采用的安全設計方法，因為驅動器現在掌握了關于這些未知方面的所有必要數據。”

此外，Ansys仿真、數字孿生技術以及降階建模等技術有助于Innomotics改進設計并最大限度地降低成本，同時在不影響準確性的情況下加快開發速度。數字工程使Innomotics能夠采用虛擬測試和原型設計，從而節省時間和成本。

他表示：“在我看來，Ansys仿真技術的應用對公司產生了巨大影響。它甚至幫助優化了我們的人員配置，因為它能夠以快速、安全的方式提供關鍵性答案。此外，Ansys仿真技術還能減少不必要的實驗室測試、支持數字原型設計，以及在硬件在環（HIL）和軟件在環（SIL）等復雜且具有經濟效益的系統中發揮作用，為我們做出了巨大貢獻。”

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