针对煤矿领域传统带式输送机传动系统由移动变电站、防爆变频器、大功率异步电动机及减速机组成，系统复杂、传动效率低以及智能化推进困难等问题，攻关多路IGBT交叉均布磁路均压拓扑设计、高压CVFC（复频域矢量控制）算法、高绝缘高效散热结构和智能传感器等多项关键技术，研制了10kV永磁直驱一体机，集成度、功率密度和智能化水平更高，简化了带式输送机驱动系统，提高了传动效率。
作者简介：张鸿波，高级工程师，现任青岛中加特电气股份有限公司副总工程师，主要是做高压一体机相关研究工作。E-mail：/em>
引用格式：张鸿波，丁国利，陈叶. 10 kV 永磁直驱一体机在煤矿智能装备的应用[J].智能矿山，2025，6(1)：99-106.
煤矿带式输送机传统驱动方式由移动变电站、防爆变频器、大功率异步电动机和减速机组成，具有启动过程中对机械和电气系统冲击较小、自动调速等优点，但占用空间大、结构较为复杂、维护困难、系统效率低、易受电磁干扰等问题。
近年来，永磁直驱一体机技术成为解决以上问题的主要路径，去掉了减速机环节，直接驱动负载，实现电气传动系统中防爆变频器、电动机、减速机结构的三位一体，明显提高驱动系统的可靠性、安全性及传动效率，有利于带式输送机长时间平稳工作。
为满足用户对高度集成化和智能化解决方案的需求，青岛中加特电气股份有限公司（简称中加特）研制了高集成度和智能化的10kV永磁直驱一体机（简称10kV一体机），为用户更好的提供更加智能、高效、可靠且易于维护的传动解决方案。10kV高压变频调速一体机的演变及效率对比如图1所示。
在煤矿井下作业环境中，设备体积受到严格限制，10kV高压环境对IGBT等功率器件以及绝缘材料的耐压等级要求高。10kV一体机结构较为复杂，内部集成了众多半导体元件，组装难度大，整体可靠性高，电机结构强度设计、电磁设计、防爆设计、电机和功率元件的冷却设计、绝缘结构设计、防水防潮等存在系列设计难题。10kV一体机电压等级高，受现场使用工况限制，在空间结构、绝缘耐压、冷却系统等方面要求严格，10kV一体机结构设计存在新的挑战。
10kV一体机在设计初始阶段，高度集成变频器和电机，充分结合各自特点，实现了10kV永磁同步电动机、10kV变频器、监测监控装置的智能一体化。10kV一体机的总体结构设计，确保电磁兼容性的前提下，在有限安装空间内合理地布局各器件，10kV一体机总体结构如图2所示。
在设计过程中，为解决强弱电系统间电磁干扰问题，优化结构设计，采取比较有效的电磁屏蔽措施；使用宽平正负母线极板直接连接功率模块和滤波电容器，减少寄生电感，有效阻断功率母线对控制电路的干扰；变频部分采用模块化设计，具有故障定位准确、部件更换便捷、降低维修成本、便于维修与维护、延长设备常规使用的寿命等优点。
在10kV高压工作环境下，电气安全至关重要，目前尚无可直接用且满足电气间隙及爬电距离要求的功率器件。现有常规10kV变频器多采用架空与风冷相结合的设计架构，但设备整体占用空间大，在空间存在限制区域安装部署，增加了对周边空间环境的利用难度，亟须优化改进，以满足大范围的应用场景下紧凑化、高效化的布局需求。在允许电压下不导电的材料一定要具有极高的电气强度和耐热性能，以确保功率器件在长时间运行中，不会因绝缘失效而导致设备损坏或安全事故。
针对以上的绝缘耐压问题，设计了适用于10kV一体机的高压绝缘模块，由绝缘主体和功率器件组成，绝缘主体包括绝缘底板和绝缘外壳，绝缘外壳为具有侧壁结构的中空壳体，并且与绝缘底板围设成容纳腔，功率器件安装于容纳腔中；功率器件设置于绝缘主体内部，对功率器件具有一定的保护作用，防止外部环境直接对功率器件造成影响。针对绝缘散热问题发明了高压功率器件绝缘散热结构，使高压功率器件能够正常的使用普通水直接冷却，同时在较小的空间内满足10kV的爬电距离和电气间隙要求，绝缘结构及测试方案如图3所示。
由于10kV一体机内存在大量的发热功率模块，以及电机绕组在运行中产生的热量较大，为保证10kV一体机长时间稳定运行，提高功率模块及在允许电压下不导电的材料的常规使用的寿命。有限元仿线kV一体机各部位的发热量，根据各部位发热量设计对应的冷却计划方案，提高了冷却系统的效率，10kV一体机热仿线kV一体机热仿线kV一体机水道结构，建立了高压永磁直驱电机绕组、轴承、高压变频直接水冷一体式散热网络，保证了各部分高效且无死区散热。
电机电磁仿线所示，仿真根据结果得出磁力线分布均匀，齿部最大，电机控制精确，响应快，设计满足10kV一体机的性能需求。
变频部分主电路主要由输入滤波单元、预充电单元、整流单元、储能单元、逆变单元组成。电源侧安装输入电抗器，有效提升电源功率因数，减少非正弦电流产生的谐波电流，减轻电网电压畸变。为简化控制过程，10kV一体机整流部分选用了三相桥式不可控电路。预充电回路在10kV一体机启动时先对系统预充电，防止电压突变对系统造成不可逆影响。采用电压源型结构，利用母线支撑电容进行中间环节的滤波，获得更平滑的直流电压，为输出提供能量支持。2.2 控制管理系统设计
高压CVFC（复频域矢量）控制算法，采用复数域建模方式，降低模型维度，进行正负频域的全频域分析的控制算法。采用离散域电流控制器，解耦性佳，动态响应快，抗干扰性强，具有完备的故障保护和自诊断功能，转速控制精度误差0.1%，转矩动态响应时间10ms。无需复杂的参数配置，能够迅速准确识别电机参数，迅速匹配多种电机。复频域矢量控制算法提高了建模精度和动态响应能力，有效解决了10kV变频无速度编码器驱动低速直驱电机重载启动难题，控制管理系统模型如图6所示。
利用高压精密无感高压电阻和精密型运放，分别对整个母线和每路高压IGBT模块动态分压进行采样，经过AD转换后，使用高速光纤通信隔离传入低压控制管理系统，确保高精度、高速、高抗干扰性采样，实现高压和低压控制管理系统的完全电气隔离。增强信号传输的抗干扰性，保证人身和设备安全，保证变频部分的控制精度和故障保护速度，满足系统稳定、可靠运行，高压取样原理如图7所示。
智能化控制管理系统采用冗余设计，保护功能完善，可实现运行数据的实时监测与储存，提高系统可靠性，满足远程监控和维护。系统集成可编程控制器、煤流量检测装置、智能集中控制器、中加特物联云平台及各种智能检测器件，预留多种通信接口，实现数字化智能矿山的应用要求，智能化平台总体架构如图8所示。
集成红外煤位检测装置与自动化控制管理系统，实现对煤仓进料和出料的自动控制，优化生产的全部过程，提高管理效率。控制技术基于10kV一体机远程控制技术和调速能力，开放远程调节接口；通过煤量检测仪，实时扫描煤流量，智能控制管理系统根据煤流量，结合电机实时输出功率，智能调节带式输送机带速，保证流量前提下，减少带式输送机工作速度。减少托辊运行距离，降低刮带式输送机磨损及功耗，延长常规使用的寿命，减少人工巡检成本，实现远程智能控制，智能煤流量检测系统界面图10所示。
中加特物联云平台系统将矿内外10kV一体机的运行信息全部反馈到地面集控、手机APP客户端，获取设备正常运行数据、运作时的状态等信息，并记录分析10kV一体机全生命周期运行数据，实现故障预警、故障诊断、故障远程解决以及远程设备正常运行数据监测等功能，推动井下状态井上掌握、井下问题井上解决的智慧矿山建设，中加特物联云平台界面如图11所示。
10kV一体机可编程控制器显示直观，可保存驱动设备的负载曲线、报警信息和故障记录等，并将上述信息储存上传，方便用户实时监测10kV一体机及负载的运作时的状态。对外预留多个开关量输入输出、模拟量输入及多种通信接口，便于与外部磁力启动器、集控系统连锁和各类传感器整合到系统中，为实现数字化智能矿山要求提供便利条件，基本功能设计包括5个方面。
煤科总院出版传媒集团成立于2015年，拥有科技期刊21种。其中，SCI收录1种，Ei收录5种、CSCD收录6种、Scopus收录7种、中文核心期刊9种、中国科技核心期刊11种、中国科技期刊卓越行动计划入选期刊4种，是煤炭行业最重要的科技窗口与学术交流阵地，也是行业最大最权威的期刊集群。
新书订阅 ┃《中国煤矿智能化发展报告（2024年）》（王国法，刘峰 主编）
