針對煤礦領(lǐng)域傳統(tǒng)帶式輸送機傳動系統(tǒng)由移動變電站、防爆變頻器、大功率異步電動機及減速機組成，系統(tǒng)復(fù)雜、傳動效率低以及智能化推進困難等問題，攻關(guān)多路IGBT交叉均布磁路均壓拓撲設(shè)計、高壓CVFC（復(fù)頻域矢量控制）算法、高絕緣高效散熱結(jié)構(gòu)以及智能傳感器等多項關(guān)鍵技術(shù)，研制了10kV永磁直驅(qū)一體機，集成度、功率密度和智能化水平更高，簡化了帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)，提高了傳動效率。

文章來源：《智能礦山》2025年第1期理事單位特刊“學(xué)術(shù)園地”專欄

作者簡介：張鴻波，高級工程師，現(xiàn)任青島中加特電氣股份有限公司副總工程師，主要從事高壓一體機相關(guān)研究工作。E-mail：zhanghb@ccs-motor.com

作者單位：青島中加特電氣股份有限公司

引用格式：張鴻波，丁國利，陳葉. 10 kV 永磁直驅(qū)一體機在煤礦智能裝備的應(yīng)用[J].智能礦山，2025，6(1)：99-106.

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煤礦帶式輸送機傳統(tǒng)驅(qū)動方式由移動變電站、防爆變頻器、大功率異步電動機和減速機組成，具有啟動過程中對機械和電氣系統(tǒng)沖擊較小、自動調(diào)速等優(yōu)點，但占用空間大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護困難、系統(tǒng)效率低、易受電磁干擾等問題。

近年來，永磁直驅(qū)一體機技術(shù)成為解決上述問題的主要路徑，去掉了減速機環(huán)節(jié)，直接驅(qū)動負載，實現(xiàn)電氣傳動系統(tǒng)中防爆變頻器、電動機、減速機結(jié)構(gòu)的三位一體，顯著提高驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性、安全性及傳動效率，有利于帶式輸送機長時間平穩(wěn)工作。

為滿足用戶對高度集成化和智能化解決方案的需求，青島中加特電氣股份有限公司（簡稱中加特）研制了高集成度和智能化的10kV永磁直驅(qū)一體機（簡稱10kV一體機），為用戶提供更加智能、高效、可靠且易于維護的傳動解決方案。10kV高壓變頻調(diào)速一體機的演變及效率對比如圖1所示。

圖1 10kV高壓變頻調(diào)速一體機的演變及效率對比

10kV一體機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在煤礦井下作業(yè)環(huán)境中，設(shè)備體積受到嚴格限制，10kV高壓環(huán)境對IGBT等功率器件以及絕緣材料的耐壓等級要求高。10kV一體機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部集成了眾多半導(dǎo)體元件，組裝難度大，整體可靠性高，電機結(jié)構(gòu)強度設(shè)計、電磁設(shè)計、防爆設(shè)計、電機和功率元件的冷卻設(shè)計、絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計、防水防潮等存在系列設(shè)計難題。10kV一體機電壓等級高，受現(xiàn)場使用工況限制，在空間結(jié)構(gòu)、絕緣耐壓、冷卻系統(tǒng)等方面要求嚴格，10kV一體機結(jié)構(gòu)設(shè)計存在新的挑戰(zhàn)。

1.1 總體設(shè)計

10kV一體機在設(shè)計初始階段，高度集成變頻器和電機，充分結(jié)合各自特點，實現(xiàn)了10kV永磁同步電動機、10kV變頻器、監(jiān)測監(jiān)控裝置的智能一體化。10kV一體機的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，確保電磁兼容性的前提下，在有限安裝空間內(nèi)合理布局各器件，10kV一體機總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 10kV一體機總體結(jié)構(gòu)

在設(shè)計過程中，為解決強弱電系統(tǒng)間電磁干擾問題，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，采取有效的電磁屏蔽措施；使用寬平正負母線極板直接連接功率模塊和濾波電容器，減少寄生電感，有效阻斷功率母線對控制電路的干擾；變頻部分采用模塊化設(shè)計，具有故障定位準確、部件更換便捷、降低維修成本、便于維修與維護、延長設(shè)備使用壽命等優(yōu)點。

1.2 絕緣冷卻設(shè)計

在10kV高壓工作環(huán)境下，電氣安全至關(guān)重要，目前尚無可直接使用且滿足電氣間隙及爬電距離要求的功率器件?，F(xiàn)有常規(guī)10kV變頻器多采用架空與風(fēng)冷相結(jié)合的設(shè)計架構(gòu)，但設(shè)備整體占用空間大，在空間有限區(qū)域安裝部署，增加了對周邊空間環(huán)境的利用難度，亟須優(yōu)化改進，以滿足廣泛應(yīng)用場景下緊湊化、高效化的布局需求。絕緣材料必須具備極高的電氣強度和耐熱性能，以確保功率器件在長期運行中，不會因絕緣失效而導(dǎo)致設(shè)備損壞或安全事故。

針對以上的絕緣耐壓問題，設(shè)計了適用于10kV一體機的高壓絕緣模塊，由絕緣主體和功率器件組成，絕緣主體包括絕緣底板和絕緣外殼，絕緣外殼為具有側(cè)壁結(jié)構(gòu)的中空殼體，并且與絕緣底板圍設(shè)成容納腔，功率器件安裝于容納腔中；功率器件設(shè)置于絕緣主體內(nèi)部，對功率器件具有一定的保護作用，防止外部環(huán)境直接對功率器件造成影響。針對絕緣散熱問題發(fā)明了高壓功率器件絕緣散熱結(jié)構(gòu)，使高壓功率器件可以使用普通水直接冷卻，同時在較小的空間內(nèi)滿足10kV的爬電距離和電氣間隙要求，絕緣結(jié)構(gòu)及測試方案如圖3所示。

圖3 絕緣結(jié)構(gòu)及測試方案

由于10kV一體機內(nèi)存在大量的發(fā)熱功率模塊，以及電機繞組在運行中產(chǎn)生的熱量較大，為保證10kV一體機長時間穩(wěn)定運行，提高功率模塊及絕緣材料的使用壽命。有限元仿真分析10kV一體機各部位的發(fā)熱量，根據(jù)各部位發(fā)熱量設(shè)計對應(yīng)的冷卻方案，提高了冷卻系統(tǒng)的效率，10kV一體機熱仿真效果如圖4所示。

圖4 10kV一體機熱仿真效果

（1）針對10kV一體機水道結(jié)構(gòu)，建立了高壓永磁直驅(qū)電機繞組、軸承、高壓變頻直接水冷一體式散熱網(wǎng)絡(luò)，保證了各部分高效且無死區(qū)散熱。

（2）焊接結(jié)構(gòu)增強了機殼整體強度，能有效防止串水現(xiàn)象，易于進出水口布置，形成對冷模式，滿足高發(fā)熱量器件的散熱要求。

（3）提出電機機殼焊接式折返水道減小水阻，折返式水道為指水道呈迷宮式，具有接觸面積大結(jié)構(gòu)剛性好，電機兩端不產(chǎn)生溫度梯度等優(yōu)點。

1.3 電磁設(shè)計及仿真

使用ANSYS軟件構(gòu)建電磁的仿真模型，并采用時步有限元分析方法，模擬電機啟動和運行特性，驗證電機合理性。優(yōu)化電機設(shè)計，具體包括不同極靴表面的開槽數(shù)量、氣隙長度以及定子槽口寬度對電機動態(tài)和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩波動的影響，實現(xiàn)有效控制和優(yōu)化性能參數(shù)。

10kV一體機的電機電磁設(shè)計主要分為定子磁路和轉(zhuǎn)子磁路2個部分。與異步電機主要區(qū)別為轉(zhuǎn)子磁路設(shè)計方法。在轉(zhuǎn)子磁路設(shè)計中，采用內(nèi)置徑向式結(jié)構(gòu)，與其他類型相比具有顯著優(yōu)點。永磁體嵌入到轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，提高安全系數(shù)，省去轉(zhuǎn)軸隔磁需求，使得整個結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，不易發(fā)生變形。

電機電磁仿真結(jié)果如圖5所示，仿真結(jié)果表明磁力線分布均勻，齒部最大，電機控制精確，響應(yīng)快，設(shè)計滿足10kV一體機的性能需求。

圖5 電機電磁仿真結(jié)果

10kV一體機電氣系統(tǒng)設(shè)計

10kV一體機主電路采用多路IGBT交叉均布磁路式均壓拓撲設(shè)計方法，提出了IGBT動態(tài)均壓控制原理，解決了高壓IGBT控制和均壓難題。控制系統(tǒng)采用復(fù)頻域矢量控制，借助瞬時空間矢量理論，優(yōu)化脈沖選擇器定逆變器開關(guān)狀態(tài)，實現(xiàn)快速響應(yīng)。在高壓信號采集方面，采用高壓精密無感電阻與高精運放取樣，經(jīng)隔離轉(zhuǎn)換、光纖傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)高低壓電氣有效隔離，采樣精度高、抗干擾性強、安全性高，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

2.1 主電路拓撲

變頻部分主電路主要由輸入濾波單元、預(yù)充電單元、整流單元、儲能單元、逆變單元組成。電源側(cè)安裝輸入電抗器，有效提升電源功率因數(shù)，減少非正弦電流產(chǎn)生的諧波電流，減輕電網(wǎng)電壓畸變。為簡化控制過程，10kV一體機整流部分選用了三相橋式不可控電路。預(yù)充電回路在10kV一體機啟動時先對系統(tǒng)預(yù)充電，防止電壓突變對系統(tǒng)造成不可逆影響。采用電壓源型結(jié)構(gòu)，利用母線支撐電容進行中間環(huán)節(jié)的濾波，獲得更平滑的直流電壓，為輸出提供能量支持。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

高壓CVFC（復(fù)頻域矢量）控制算法，采用復(fù)數(shù)域建模方式，降低模型維度，進行正負頻域的全頻域分析的控制算法。采用離散域電流控制器，解耦性佳，動態(tài)響應(yīng)快，抗干擾性強，具有完備的故障保護和自診斷功能，轉(zhuǎn)速控制精度誤差<0.1%，轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)時間<10ms。無需復(fù)雜的參數(shù)配置，可以快速準確識別電機參數(shù)，迅速匹配多種電機。復(fù)頻域矢量控制算法提高了建模精度和動態(tài)響應(yīng)能力，有效解決了10kV變頻無速度編碼器驅(qū)動低速直驅(qū)電機重載啟動難題，控制系統(tǒng)模型如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)模型

2.3 高壓采樣設(shè)計

利用高壓精密無感高壓電阻和精密型運放，分別對整個母線和每路高壓IGBT模塊動態(tài)分壓進行取樣，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后，使用高速光纖通信隔離傳入低壓控制系統(tǒng)，確保高精度、高速、高抗干擾性采樣，實現(xiàn)高壓和低壓控制系統(tǒng)的完全電氣隔離。增強信號傳輸?shù)目垢蓴_性，保證人身和設(shè)備安全，保證變頻部分的控制精度和故障保護速度，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運行，高壓取樣原理如圖7所示。

圖7 高壓取樣原理

10kV一體機智能化單元設(shè)計與應(yīng)用

中加特智能化控制系統(tǒng)優(yōu)勢顯著，助力礦山智能化建設(shè)。系統(tǒng)具冗余設(shè)計與完善的保護功能，集成多元部件，實現(xiàn)實時監(jiān)測、遠程運維，契合數(shù)字化智能礦山需求。10kV一體機配接自研傳感器與注油器，振動傳感預(yù)警，自動注油可靠省人力，保設(shè)備安全。借助紅外煤位檢測和智能控制裝置，根據(jù)實際生產(chǎn)需求精確控制設(shè)備的運行，實時調(diào)節(jié)帶式輸送機速降損提效。物聯(lián)云平臺記錄并分析數(shù)據(jù)，助力故障預(yù)警與故障處理，實現(xiàn)設(shè)備的預(yù)防性維護。

3.1 智能化平臺總體架構(gòu)

智能化控制系統(tǒng)采用冗余設(shè)計，保護功能完善，可實現(xiàn)運行數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測與儲存，提高系統(tǒng)可靠性，滿足遠程監(jiān)控和維護。系統(tǒng)集成可編程控制器、煤流量檢測裝置、智能集中控制器、中加特物聯(lián)云平臺及各種智能檢測器件，預(yù)留多種通信接口，實現(xiàn)數(shù)字化智能礦山的應(yīng)用要求，智能化平臺總體架構(gòu)如圖8所示。

圖8 智能化平臺總體架構(gòu)

3.2 智能電控系統(tǒng)設(shè)計

（1）振動、注油智能檢測系統(tǒng)

10kV一體機可配備中加特自研振動傳感器（有線/無線），實時采集振動信號并分析判斷，每臺10kV一體機都可根據(jù)正常工況單獨設(shè)置振動閾值，超過閾值創(chuàng)建預(yù)警信息。配置中加特自研自動注油器替代人工注油，減少售后服務(wù)工作量；自動注油系統(tǒng)可以實現(xiàn)最佳潤滑效果，設(shè)備潤滑操作更安全，智能化10kV一體機如圖9所示。

圖9 智能化10kV一體機

（2）紅外煤位檢測裝置

集成紅外煤位檢測裝置與自動化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對煤倉進料和出料的自動控制，優(yōu)化生產(chǎn)過程，提高管理效率?？刂萍夹g(shù)基于10kV一體機遠程控制技術(shù)和調(diào)速能力，開放遠程調(diào)節(jié)接口；通過煤量檢測儀，實時掃描煤流量，智能控制系統(tǒng)根據(jù)煤流量，結(jié)合電機實時輸出功率，智能調(diào)節(jié)帶式輸送機帶速，保證流量前提下，減少帶式輸送機運行速度。減少托輥運行距離，降低刮帶式輸送機磨損及功耗，延長使用壽命，減少人工巡檢成本，實現(xiàn)遠程智能控制，智能煤流量檢測系統(tǒng)界面圖10所示。

圖10 智能煤流量檢測系統(tǒng)界面

（3）物聯(lián)網(wǎng)云平臺

中加特物聯(lián)云平臺系統(tǒng)將礦內(nèi)外10kV一體機的運行信息全部反饋到地面集控、手機APP客戶端，獲取設(shè)備運行數(shù)據(jù)、運行狀態(tài)等信息，并記錄分析10kV一體機全生命周期運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)故障預(yù)警、故障診斷、故障遠程解決以及遠程設(shè)備運行數(shù)據(jù)監(jiān)測等功能，推動井下狀態(tài)井上掌握、井下問題井上解決的智慧礦山建設(shè)，中加特物聯(lián)云平臺界面如圖11所示。

圖11 中加特物聯(lián)云平臺界面

（4）10kV一體機功能及控制器設(shè)計

10kV一體機可編程控制器顯示直觀，可保存驅(qū)動設(shè)備的負載曲線、報警信息和故障記錄等，并將上述信息儲存上傳，方便用戶實時監(jiān)測10kV一體機及負載的運行狀態(tài)。對外預(yù)留多個開關(guān)量輸入輸出、模擬量輸入及多種通信接口，便于與外部磁力啟動器、集控系統(tǒng)連鎖和各類傳感器整合到系統(tǒng)中，為實現(xiàn)數(shù)字化智能礦山要求提供便利條件，主要功能設(shè)計包括5個方面。

（1）軟啟動和調(diào)速功能

在電機的基礎(chǔ)上集成變頻器的功能，實現(xiàn)變頻電機的軟啟動和無極調(diào)速。

（2）控制功能

為達到對電機的準確控制，可使用多種方法進行控制，具體包括V/F控制功能、矢量控制功能、直接轉(zhuǎn)矩控制功能。

（3）通信功能

通過使用CAN總線、Modbus等通信接口，實現(xiàn)與上位機的通信以及對多臺設(shè)備的集中控制和操作。此外，一體機的通信方式還允許將運行數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬲{(diào)度室，以便于進行遠程監(jiān)控。

（4）多種運行參數(shù)給定與可調(diào)節(jié)功能

實現(xiàn)對10kV一體機，加、減速時間，溫度保護值，不同數(shù)字量的輸入輸出等參數(shù)的給定以及根據(jù)實際情況對參數(shù)進行實時調(diào)節(jié)的功能。

（5）保護功能

實現(xiàn)對10kV一體機的溫度保護、腔體溫濕度保護、功率模塊溫度保護、欠壓/過壓保護、輸入缺相保護、過流和短路保護、接地故障保護、電機堵轉(zhuǎn)保護等各類保護功能，確保設(shè)備安全運行，提高系統(tǒng)可靠性，保障人員安全。

3.3 一體機推廣應(yīng)用

中加特10kV/6kV高壓一體機產(chǎn)品目前已應(yīng)用于煤礦、油氣開采、洗選中心、港口、冶金等多個領(lǐng)域。截至2024年8月，在陜西、內(nèi)蒙古周邊區(qū)域，已調(diào)試投入使用的10kV/6kV永磁直驅(qū)一體機100多臺。

10kV一體機多應(yīng)用在帶式輸送機等應(yīng)用場景，通過省略移相變壓器和減速機等中間環(huán)節(jié)，提升傳動效率與系統(tǒng)穩(wěn)定性。10kV一體機啟動性能好、調(diào)速精準、較低空間需求和基建成本，具有良好的市場適應(yīng)性。

總結(jié)

（1）中加特研制的10kV永磁直驅(qū)一體機通過一體化設(shè)計、電磁設(shè)計及絕緣冷卻技術(shù)、智能化單元構(gòu)建，解決了傳統(tǒng)驅(qū)動占用空間大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護困難、系統(tǒng)效率低、易受電磁干擾等弊端，提升了傳動效率、穩(wěn)定性與智能化水平。

（2）針對煤礦應(yīng)用場景的智能化設(shè)計，10kV一體機在實現(xiàn)煤礦設(shè)備智能化方面具有諸多優(yōu)勢，方便采集數(shù)據(jù)且數(shù)據(jù)準確性高，可以與其他智能化系統(tǒng)相互配合，實現(xiàn)煤礦的遠程監(jiān)控、遠程操作和自動化控制。

（3）10kV一體機目前適用于煤礦帶式輸送機場景，在中央泵房、刮板機等其他關(guān)鍵場所的應(yīng)用存在空白。后續(xù)需要深入研究，擴大其應(yīng)用范圍，以滿足煤礦不同場景的需求，推動煤礦采煤設(shè)備的自動化和智能化進程，促進了整個行業(yè)的綠色高效轉(zhuǎn)型。

END

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤科總院出版?zhèn)髅郊瘓F成立于2015年，擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

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聯(lián)系人：李編輯 010-87986441

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