節(jié)能增效，革新驅(qū)動(dòng)模式：中加特10kV永磁直驅(qū)一體機(jī)在煤礦智能裝備的應(yīng)用

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(chǔ)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(jī)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(jī)啟動(dòng)時(shí)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(jìn)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(jì)

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(jìn)行正負(fù)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(dòng)態(tài)響應(yīng)快，抗干擾性強(qiáng)，具有完備的故障保護(hù)和自診斷功能，轉(zhuǎn)速控制精度誤差<0.1%，轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間<10ms。無需復(fù)雜的參數(shù)配置，可以快速準(zhǔn)確識(shí)別電機(jī)參數(shù)，迅速匹配多種電機(jī)。復(fù)頻域矢量控制算法提高了建模精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，有效解決了10kV變頻無速度編碼器驅(qū)動(dòng)低速直驅(qū)電機(jī)重載啟動(dòng)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(jì)

利用高壓精密無感高壓電阻和精密型運(yùn)放，分別對整個(gè)母線和每路高壓IGBT模塊動(dòng)態(tài)分壓進(jìn)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(shí)現(xiàn)高壓和低壓控制系統(tǒng)的完全電氣隔離。增強(qiáng)信號(hào)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(hù)速度，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，高壓取樣原理如圖7所示。

圖7 高壓取樣原理

10kV一體機(jī)智能化單元設(shè)計(jì)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(jì)與完善的保護(hù)功能，集成多元部件，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測、遠(yuǎn)程運(yùn)維，契合數(shù)字化智能礦山需求。10kV一體機(jī)配接自研傳感器與注油器，振動(dòng)傳感預(yù)警，自動(dòng)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(shí)際生產(chǎn)需求精確控制設(shè)備的運(yùn)行，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)帶式輸送機(jī)速降損提效。物聯(lián)云平臺(tái)記錄并分析數(shù)據(jù)，助力故障預(yù)警與故障處理，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的預(yù)防性維護(hù)。

3.1 智能化平臺(tái)總體架構(gòu)

智能化控制系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)，保護(hù)功能完善，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與儲(chǔ)存，提高系統(tǒng)可靠性，滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控和維護(hù)。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(tái)及各種智能檢測器件，預(yù)留多種通信接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化智能礦山的應(yīng)用要求，智能化平臺(tái)總體架構(gòu)如圖8所示。

圖8 智能化平臺(tái)總體架構(gòu)

3.2 智能電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）振動(dòng)、注油智能檢測系統(tǒng)

10kV一體機(jī)可配備中加特自研振動(dòng)傳感器（有線/無線），實(shí)時(shí)采集振動(dòng)信號(hào)并分析判斷，每臺(tái)10kV一體機(jī)都可根據(jù)正常工況單獨(dú)設(shè)置振動(dòng)閾值，超過閾值創(chuàng)建預(yù)警信息。配置中加特自研自動(dòng)注油器替代人工注油，減少售后服務(wù)工作量；自動(dòng)注油系統(tǒng)可以實(shí)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(jī)如圖9所示。

圖9 智能化10kV一體機(jī)

（2）紅外煤位檢測裝置

集成紅外煤位檢測裝置與自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對煤倉進(jìn)料和出料的自動(dòng)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(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)和調(diào)速能力，開放遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)接口；通過煤量檢測儀，實(shí)時(shí)掃描煤流量，智能控制系統(tǒng)根據(jù)煤流量，結(jié)合電機(jī)實(shí)時(shí)輸出功率，智能調(diào)節(jié)帶式輸送機(jī)帶速，保證流量前提下，減少帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度。減少托輥運(yùn)行距離，降低刮帶式輸送機(jī)磨損及功耗，延長使用壽命，減少人工巡檢成本，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(tái)

中加特物聯(lián)云平臺(tái)系統(tǒng)將礦內(nèi)外10kV一體機(jī)的運(yùn)行信息全部反饋到地面集控、手機(jī)APP客戶端，獲取設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)等信息，并記錄分析10kV一體機(jī)全生命周期運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警、故障診斷、故障遠(yuǎn)程解決以及遠(yuǎn)程設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測等功能，推動(dòng)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(tái)界面如圖11所示。

圖11 中加特物聯(lián)云平臺(tái)界面

（4）10kV一體機(jī)功能及控制器設(shè)計(jì)

10kV一體機(jī)可編程控制器顯示直觀，可保存驅(qū)動(dòng)設(shè)備的負(fù)載曲線、報(bào)警信息和故障記錄等，并將上述信息儲(chǔ)存上傳，方便用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測10kV一體機(jī)及負(fù)載的運(yùn)行狀態(tài)。對外預(yù)留多個(gè)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(dòng)器、集控系統(tǒng)連鎖和各類傳感器整合到系統(tǒng)中，為實(shí)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(jì)包括5個(gè)方面。

（1）軟啟動(dòng)和調(diào)速功能

在電機(jī)的基礎(chǔ)上集成變頻器的功能，實(shí)現(xiàn)變頻電機(jī)的軟啟動(dòng)和無極調(diào)速。

（2）控制功能

為達(dá)到對電機(jī)的準(zhǔn)確控制，可使用多種方法進(jìn)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(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信以及對多臺(tái)設(shè)備的集中控制和操作。此外，一體機(jī)的通信方式還允許將運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬲{(diào)度室，以便于進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

（4）多種運(yùn)行參數(shù)給定與可調(diào)節(jié)功能

實(shí)現(xiàn)對10kV一體機(jī)，加、減速時(shí)間，溫度保護(hù)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(shí)際情況對參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的功能。

（5）保護(hù)功能

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

3.3 一體機(jī)推廣應(yīng)用

中加特10kV/6kV高壓一體機(jī)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(gè)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(jī)100多臺(tái)。

10kV一體機(jī)多應(yīng)用在帶式輸送機(jī)等應(yīng)用場景，通過省略移相變壓器和減速機(jī)等中間環(huán)節(jié)，提升傳動(dòng)效率與系統(tǒng)穩(wěn)定性。10kV一體機(jī)啟動(dòng)性能好、調(diào)速精準(zhǔn)、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(jī)通過一體化設(shè)計(jì)、電磁設(shè)計(jì)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(dòng)占用空間大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)困難、系統(tǒng)效率低、易受電磁干擾等弊端，提升了傳動(dòng)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(jì)，10kV一體機(jī)在實(shí)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(zhǔn)確性高，可以與其他智能化系統(tǒng)相互配合，實(shí)現(xiàn)煤礦的遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程操作和自動(dòng)化控制。

（3）10kV一體機(jī)目前適用于煤礦帶式輸送機(jī)場景，在中央泵房、刮板機(jī)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(kuò)大其應(yīng)用范圍，以滿足煤礦不同場景的需求，推動(dòng)煤礦采煤設(shè)備的自動(dòng)化和智能化進(jìn)程，促進(jìn)了整個(gè)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(tuán)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(dòng)計(jì)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(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

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