節(jié)能增效，革新驅動模式：中加特10kV永磁直驅一體機在煤礦智能裝備的應用

2025年03月11日 16:02 智能礦山雜志責編：戚金榮作者：智能礦山雜志

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針對煤礦領域傳統帶式輸送機傳動系統由移動變電站、防爆變頻器、大功率異步電動機及減速機組成，系統復雜、傳動效率低以及智能化推進困難等問題，攻關多路IGBT交叉均布磁路均壓拓撲設計、高壓CVFC（復頻域矢量控制）算法、高絕緣高效散熱結構以及智能傳感器等多項關鍵技術，研制了10kV永磁直驅一體機，集成度、功率密度和智能化水平更高，簡化了帶式輸送機驅動系統，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“學術園地”專欄

作者簡介：張鴻波，高級工程師，現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 永磁直驅一體機在煤礦智能裝備的應用[J].智能礦山，2025，6(1)：99-106.

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煤礦帶式輸送機傳統驅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沖擊較小、自動調速等優(yōu)點，但占用空間大、結構復雜、維護困難、系統效率低、易受電磁干擾等問題。

近年來，永磁直驅一體機技術成為解決上述問題的主要路徑，去掉了減速機環(huán)節(jié)，直接驅動負載，實現電氣傳動系統中防爆變頻器、電動機、減速機結構的三位一體，顯著提高驅動系統的可靠性、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高壓變頻調速一體機的演變及效率對比

10kV一體機的結構設計

在煤礦井下作業(yè)環(huán)境中，設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一體機結構復雜，內部集成了眾多半導體元件，組裝難度大，整體可靠性高，電機結構強度設計、電磁設計、防爆設計、電機和功率元件的冷卻設計、絕緣結構設計、防水防潮等存在系列設計難題。10kV一體機電壓等級高，受現場使用工況限制，在空間結構、絕緣耐壓、冷卻系統等方面要求嚴格，10kV一體機結構設計存在新的挑戰(zhàn)。

1.1 總體設計

10kV一體機在設計初始階段，高度集成變頻器和電機，充分結合各自特點，實現了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一體機的總體結構設計，確保電磁兼容性的前提下，在有限安裝空間內合理布局各器件，10kV一體機總體結構如圖2所示。

圖2 10kV一體機總體結構

在設計過程中，為解決強弱電系統間電磁干擾問題，優(yōu)化結構設計，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、延長設備使用壽命等優(yōu)點。

1.2 絕緣冷卻設計

在10kV高壓工作環(huán)境下，電氣安全至關重要，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有常規(guī)10kV變頻器多采用架空與風冷相結合的設計架構，但設備整體占用空間大，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致設備損壞或安全事故。

針對以上的絕緣耐壓問題，設計了適用于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，絕緣外殼為具有側壁結構的中空殼體，并且與絕緣底板圍設成容納腔，功率器件安裝于容納腔中；功率器件設置于絕緣主體內部，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構，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滿足10kV的爬電距離和電氣間隙要求，絕緣結構及測試方案如圖3所示。

圖3 絕緣結構及測試方案

由于10kV一體機內存在大量的發(fā)熱功率模塊，以及電機繞組在運行中產生的熱量較大，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，根據各部位發(fā)熱量設計對應的冷卻方案，提高了冷卻系統的效率，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一體機水道結構，建立了高壓永磁直驅電機繞組、軸承、高壓變頻直接水冷一體式散熱網絡，保證了各部分高效且無死區(qū)散熱。

（2）焊接結構增強了機殼整體強度，能有效防止串水現象，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，具有接觸面積大結構剛性好，電機兩端不產生溫度梯度等優(yōu)點。

1.3 電磁設計及仿真

使用ANSYS軟件構建電磁的仿真模型，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)化電機設計，具體包括不同極靴表面的開槽數量、氣隙長度以及定子槽口寬度對電機動態(tài)和穩(wěn)態(tài)轉速以及轉矩波動的影響，實現有效控制和優(yōu)化性能參數。

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

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

圖5 電機電磁仿真結果

10kV一體機電氣系統設計

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?？刂葡到y采用復頻域矢量控制，借助瞬時空間矢量理論，優(yōu)化脈沖選擇器定逆變器開關狀態(tài)，實現快速響應。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，經隔離轉換、光纖傳輸數據，實現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、預充電單元、整流單元、儲能單元、逆變單元組成。電源側安裝輸入電抗器，有效提升電源功率因數，減少非正弦電流產生的諧波電流，減輕電網電壓畸變。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。預充電回路在10kV一體機啟動時先對系統預充電，防止電壓突變對系統造成不可逆影響。采用電壓源型結構，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 控制系統設計

高壓CVFC（復頻域矢量）控制算法，采用復數域建模方式，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)響應快，抗干擾性強，具有完備的故障保護和自診斷功能，轉速控制精度誤差<0.1%，轉矩動態(tài)響應時間<10ms。無需復雜的參數配置，可以快速準確識別電機參數，迅速匹配多種電機。復頻域矢量控制算法提高了建模精度和動態(tài)響應能力，有效解決了10kV變頻無速度編碼器驅動低速直驅電機重載啟動難題，控制系統模型如圖6所示。

圖6 控制系統模型

2.3 高壓采樣設計

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，經過AD轉換后，使用高速光纖通信隔離傳入低壓控制系統，確保高精度、高速、高抗干擾性采樣，實現高壓和低壓控制系統的完全電氣隔離。增強信號傳輸的抗干擾性，保證人身和設備安全，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計與應用

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

3.1 智能化平臺總體架構

智能化控制系統采用冗余設計，保護功能完善，可實現運行數據的實時監(jiān)測與儲存，提高系統可靠性，滿足遠程監(jiān)控和維護。系統集成可編程控制器、煤流量檢測裝置、智能集中控制器、中加特物聯云平臺及各種智能檢測器件，預留多種通信接口，實現數字化智能礦山的應用要求，智能化平臺總體架構如圖8所示。

圖8 智能化平臺總體架構

3.2 智能電控系統設計

（1）振動、注油智能檢測系統

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一體機都可根據正常工況單獨設置振動閾值，超過閾值創(chuàng)建預警信息。配置中加特自研自動注油器替代人工注油，減少售后服務工作量；自動注油系統可以實現最佳潤滑效果，設備潤滑操作更安全，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，實現對煤倉進料和出料的自動控制，優(yōu)化生產過程，提高管理效率。控制技術基于10kV一體機遠程控制技術和調速能力，開放遠程調節(jié)接口；通過煤量檢測儀，實時掃描煤流量，智能控制系統根據煤流量，結合電機實時輸出功率，智能調節(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，實現遠程智能控制，智能煤流量檢測系統界面圖10所示。

圖10 智能煤流量檢測系統界面

（3）物聯網云平臺

中加特物聯云平臺系統將礦內外10kV一體機的運行信息全部反饋到地面集控、手機APP客戶端，獲取設備運行數據、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據，實現故障預警、故障診斷、故障遠程解決以及遠程設備運行數據監(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，中加特物聯云平臺界面如圖11所示。

圖11 中加特物聯云平臺界面

（4）10kV一體機功能及控制器設計

10kV一體機可編程控制器顯示直觀，可保存驅動設備的負載曲線、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)。對外預留多個開關量輸入輸出、模擬量輸入及多種通信接口，便于與外部磁力啟動器、集控系統連鎖和各類傳感器整合到系統中，為實現數字化智能礦山要求提供便利條件，主要功能設計包括5個方面。

（1）軟啟動和調速功能

在電機的基礎上集成變頻器的功能，實現變頻電機的軟啟動和無極調速。

（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，實現與上位機的通信以及對多臺設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據傳輸到地面調度室，以便于進行遠程監(jiān)控。

（4）多種運行參數給定與可調節(jié)功能

實現對10kV一體機，加、減速時間，溫度保護值，不同數字量的輸入輸出等參數的給定以及根據實際情況對參數進行實時調節(jié)的功能。

（5）保護功能

實現對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、電機堵轉保護等各類保護功能，確保設備安全運行，提高系統可靠性，保障人員安全。

3.3 一體機推廣應用

中加特10kV/6kV高壓一體機產品目前已應用于煤礦、油氣開采、洗選中心、港口、冶金等多個領域。截至2024年8月，在陜西、內蒙古周邊區(qū)域，已調試投入使用的10kV/6kV永磁直驅一體機100多臺。

10kV一體機多應用在帶式輸送機等應用場景，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穩(wěn)定性。10kV一體機啟動性能好、調速精準、較低空間需求和基建成本，具有良好的市場適應性。

總結

（1）中加特研制的10kV永磁直驅一體機通過一體化設計、電磁設計及絕緣冷卻技術、智能化單元構建，解決了傳統驅動占用空間大、結構復雜、維護困難、系統效率低、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）針對煤礦應用場景的智能化設計，10kV一體機在實現煤礦設備智能化方面具有諸多優(yōu)勢，方便采集數據且數據準確性高，可以與其他智能化系統相互配合，實現煤礦的遠程監(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、刮板機等其他關鍵場所的應用存在空白。后續(xù)需要深入研究，擴大其應用范圍，以滿足煤礦不同場景的需求，推動煤礦采煤設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術交流陣地，也是行業(yè)最大最權威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領域產學研用新進展的綜合性技術刊物。

主編：王國法院士

投稿網址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

聯系人：李編輯 010-87986441

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