永磁变频直驱一体机以其低转速、大转矩、高效率、免维护和传动系统简洁的特点，逐渐受到煤炭企业的青睐，尤其在煤矿井下带式输送机驱动系统中，永磁变频直驱一体机具有很大优势。煤矿井下带式输送机是确保煤矿高效生产的主要设备之一，其运行质量及可靠性决定了矿井生产运输的效率和煤矿企业的效益。带式输送机的应用范围很广，经过长时间的发展，其驱动方式也在不断地更新升级。
我国带式输送机驱动方式主要经历了矿用移变+双速电机+减速机、矿用移变+电机+液力耦合器+减速机、矿用移变+电机+CST到矿用移变+变频器+电动机+减速机的演进过程（图1）。目前，以移动变电站+变频器+异步电动机+减速机驱动为主，具有启动过程对机械和电气系统冲击小、可自动调速等优点，但仍存在体积大、功率因数低、电磁干扰大、机械磨损大、维护困难等问题。近年来，矿用移变+变频器+永磁直驱逐渐成为解决上述问题的主要技术路径。随着国家对煤炭绿色开采要求的进一步提高，以及煤矿带式输送机具有进线电压等级高（10kV/6kV）、系统效率较低、安装空间狭小、巷道带式输送机频繁搬家倒面、电磁环境复杂、干扰大等问题，现有技术方案难以满足上述要求。
图1 近几年带式输送机驱动系统演变及效率对比
文章来源：《智能矿山》2024年第1期“智能装备”专栏
作者简介：贺海涛，高级工程师，现任国能神东煤炭集团有限公司副总经理，《智能矿山》副理事长
作者单位：国能神东煤炭集团有限责任公司
引用格式：贺海涛.10 kV永磁直驱一体机的设计及在神东矿区的应用[J].智能矿山，2024，5（1）：60-69.
10kV永磁直驱一体机（简称一体机）的出现有效地解决了上述问题，其进一步设计的集成供配电单元的10kV高压永磁直驱一体机可以更好地解决以上问题，相关技术在其他变频调速装置中也发挥着重要作用。
一体机可将10kV高压电直接供电至变频单元，变频回路部分无变压器，从而简化了带式输送机的传动系统，提高了传动效率。同时考虑到一体机应用在巷道带式输送机中时，现场有其他设备的供电需求，设计了可选配的供配电单元，不仅能够为其他设备提供电源，而且还能根据现场需要实现多机直接串联供电。
一体机功率覆盖范围为500～1600kW，其结构、供配电、电磁、控制检测等设计的关键问题和技术均经过了综合研究分析，并成功应用于国能神东煤炭哈拉沟煤矿、榆家梁煤矿巷道带式输送机。供配电单元侧挂于一体机上，可根据现场情况实时决定放置在一体机左侧或者右侧，供配电单元内部集成AC127、AC1140变压器，巷道带式输送机头无需额外配备移动变电站。进一步简化了带式输送机系统，节约了安装空间，提高了传动和设备的安装调试效率。
一体机采用变频器、供配电单元与永磁同步电机集成一体化的设计理念，变频单元和供配电单元实现了模块化设计，便于现场更换和维修。供配电单元可为带式输送机系统中其他用电设备提供配电，简化了现场的供配电系统。由于设备使用现场可能出现的安装空间限制和使用需求，供配电单元可根据不同应用场景选择拆装或换边安装，以方便现场使用。同时由于一体机体积小，工作环境空间有限，需要考虑模块化、可变换性及防爆、散热等问题，对一体机的结构设计提出了更高的要求。
（1）主要难题
煤矿井下工作环境恶劣，且一体机的电机要满足转速低、转矩大、功率密度大、启动与过载性能高的要求，必须解决好电机的结构强度设计、电磁设计、防爆设计、电机和功率元件的冷却等难题。由于电机本身结构复杂且体积小，又需要大量的半导体元件，整体可靠性、耐久度要求高，使得壳体设计和组装难度极大。
（2）结构设计路线
一体机的设计路线是将变频器、供配电单元和永磁同步电机集成一体化。与原有采用电动机与变频器分别设计的方式不同，一体机真正实现了永磁同步电动机−变频器−监测监控装置的机电一体化设计，并非单纯的叠加。而实现一体机的集成化，就必须在不降低电磁性能的前提下，充分考虑在限定的空间内将电气件进行布局，并尽可能地减小其所占用空间。采用三维建模仿真技术对核心电子元器件进行设计布局（图2），并在设计过程中，针对有可能发生的强弱电系统之间电磁干扰现象，提前从结构方面进行优化。采用层叠母线技术（图3），通过利用宽平正负母线极板将功率模块和滤波电容直接连接，避免寄生电感现象的发生，解决了功率母线对控制电路的影响问题。
图2 一体机三维布局
图3 功率模组叠层设计
通过对同类产品的发展现状进行调查研究，并且对带式输送机的运行机理进行分析，最终决定采用如图4所示的一体机整机外形结构。为更好地适应现场工况，提高一体机的通用性和可变换性，一体机左右两侧均留有相同的供配电单元悬挂接口，安装时只需要将变频器侧盖板取下，悬挂安装上供配电单元即可。当现场不需要供配电单元的功能时，也可选择不安装供配电单元。此外，一体机的变频器腔两侧均留有电缆连接器接口，可根据现场工况选择合适的进线的位置，供配电单元具有快速安装的特点，并且相关软件能够快速切换并应用于有无供配电单元的情况。
图4 10 kV永磁变频直驱一体机外观
目前，我国矿井主要采用隔爆型、增安型、本质安全型和混合型等防爆结构设计，一体机采用隔爆兼本质安全型的防爆结构设计。隔爆兼本质安全型防爆设计主要包含电气部分和结构部分。其中结构部分主要包括隔爆外壳以及与电气件连接部分（接线端子、电缆引入装置和本安键盘箱等）。隔爆外壳作为一种防爆型式现已获得广泛应用，80%的矿用电气设备使用这种防爆型式，该型式对于推动煤矿生产过程的电气化起到了至关重要的作用。隔爆外壳必须能够经受爆炸并有效阻隔爆炸物质的扩散。为满足隔爆要求，对外壳的材料性能、腔体容积、结构等方面有着特殊的要求。由于增加了供配电单元，壳体内部体积增大，给外壳设计带来了更大的挑战。
针对防爆壳体进行力学分析，将爆炸力等效成均等力，作用在壳体上，计算壳体的最大变形量是否满足防爆间隙要求，板材性能特性中，变形量最大的位置发生在中心位置。在满足理论板厚的情况下，壳体采用Q345D高强度钢材焊接而成，焊接完成后进行1.5Mpa的水压试验，从而保证整体的强度。为确保隔爆性能，防止外壳内的爆炸性混合物爆炸喷发出火焰，从而避免引发壳外可燃性混合物爆炸的危险，针对隔爆面进行精加工和磷化处理，保证平面度在0.1mm以下。
由于一体机内有大量的功率元器件和电机绕组，发热量较大，需要控制壳体内部温度在合理范围内，以确保设备稳定可靠运行。针对一体机各个部位安装器件的不同和散热情况，通过仿真试验（图5），笔者设计了一种新型的冷却方案，在变频器底板、电机端盖和电机机壳增加内部水道，并前后串联起来，不仅降低了功率模块的温度，也大幅减小了一体机的体积。因绝缘栅双极型晶体管及整流桥是高发热元件，其冷却系统采用了S型水道设计，增加了与水道的接触面积，冷却水先从变频器进行冷却，满足高热量元件的散热需求。电机机壳的水道采用减少水道阻力的折返式结构设计，确保了冷却水流动畅通。
图5 一体机热仿真效果
利用ANSYS软件建立仿真模型，采用时步有限元法模拟一体机的电机启动和运行性能，对电机定子和转子的槽数、气隙值以及定子槽宽比进行优化设计，以保证定子转子结构对转速和转矩波动的影响。一体机电机采用内置径向转子结构，其特点是漏磁系数小、无需隔磁转轴，具有较高的转子冲片机械强度和不易变形的简单结构永磁体。并且内置了安装在转子铁心内部的径向结构永磁体，安全系数更高，一体机设计参数见表1。
表1 一体机设计参数
为确保结构设计的合理性，使用ANSYS电磁软件Maxwe11进行设计仿真，仿真结果如图6所示。为增大硅钢片利用率，将磁密设计到近饱和点，由图6可知，磁场密度分布均匀，齿部最大，并在饱和的临界值，漏磁低、永磁体利用率高。该设计在变频启动转矩方面表现出良好的特性，且稳定性好，能满足一体机的使用需求，达到了预期效果。
图6 仿真结果
一体机的供配电单元采用双重隔离保护的设计理念，以保证设备和维保人员的安全。当设备部分线路出现故障时，可切断存在故障的一体机的供电，不会影响其他一体机的正常运转。并还提供3路AC1140V和2路AC127V的电源输出接口，给其他用电设备提供电源，为带式输送机系统中其他设备的供电提供了便利条件。
一体机提供3路AC1140V总容量大于280kW和2路AC127V总容量大于1.5kW的电源输出接口，每条支路均有独立的保护装置，既能保证在遇到故障时能准确地切断故障所在线路，同时也能保证其他线路的正常工作。10kV永磁直驱一体机主电路原理拓扑如图7所示。
图7 10 kV永磁直驱一体机主电路原理拓扑
在需要多台一体机串联运行时，仅需要从变电所引出一路10kV线缆接入其中1台一体机的供配电单元的10kV电缆连接器上，其余一体机可通过10kV快插座进行依次连接；当一体机在相互串联时，每台一体机在从上一台一体机取电时，每路10kV线缆都在隔离开关的前级，整个系统任意一路一体机线路出现故障都不会影响到其他一体机的正常运转。此外，一体机中的供配电单元提供的3路AC1140V和2路AC127V电压输出，可为附近用电设备（如输送带张紧、卷带机、除铁器、冷却系统和照明系统等）提供电源接口。当不需要搭载供配电单元时，一体机可直接通过变频器腔上的电缆连接器进行连接取电，同样能够正常使用。在一定程度上降低了一体机供电线缆的安装成本和施工难度，节约了施工时间。
变频系统由主回路、控制回路、散热系统及外围电路组成。主回路采用交−直−交的结构，其拓扑结构如图8所示。其中交流部分中的充电电阻主要作用是限制直流回路的电流，工作方式是当直流电压达到额定值的80%时，主接触器动作，同时充电电阻断开。
图8 10 kV永磁直驱一体机变频电路原理拓扑
整流部分采用三相桥式不可控电路，降低了系统的控制难度。通过在进线侧增加电抗器来增加电源的功率因数和减少谐波电流，从而降低对电网的影响。通过在母线上增加电容来实现滤波，保证直流电压更加平稳，并且能够提供所需的输出能量。
在变频系统中，通过控制单元实现信息的交换、采集和传递，对采集到的电路信号进行处理，并将其转化为驱动IGBT的信号，一体机变频与控制系统整体框架如图9所示。
图9 永磁直驱一体机变频与控制系统整体框架
控制系统的作用主要包括：①实现数据的交换，将收集和处理的信息传输到显示屏上；②能够接受外部指令，实现对一体机的控制。驱动单元可以处理系统电流、电压和温度信息，接收主控单元的IGBT触发信号，并对该信号进行保护，对PWM信号进行隔离和放大，以及能够使用光纤信号来控制目标，这些目标包括控制IGBT的导通和关断时间。
控制系统与上位机的通信以及与多个设备间的通信采用CAN总线和工业以太网的方式，将运行数据传输至地面，实现远程监控。该系统利用微处理器控制技术、矢量控制策略、脉冲编码器来实现对电机的控制，控制系统模型架构如图10所示。直接转矩控制以转矩作为中心进行磁链、转矩的综合控制，是交流传动独特的电机控制方式。与矢量控制不同的是，直接转矩控制不需要像矢量控制那样采用解耦的方式，可以借助瞬时空间矢量理论，通过检测电动机的电压和电流来直接计算出电动式磁通和力矩，并将其差值与给定值进行比较，从而达到直接控制磁通和力矩的目的。
图10 控制系统模型架构
利用改良的Luenberger全维观测器，无需速度传感器即可实现永磁驱动复频域矢量控制技术的支持（图11）。系统设计更加简化，可靠性更高，并能够在无速度传感器的情况下实现重载启动和低速大转矩的稳态运行。相较于传统矢量控制，复频域控制将原有的正频域建模和控制拓展到正负全频域，不仅大幅度提高了建模的精度（图12），而且能够实现控制参数的量化分析。
图11 动态响应对比
图12 模型精确度对比
在大功率、低载波的环境下，采用复频域矢量控制系统能够显著增强解耦性能，提升动态响应和稳定裕度。利用改进型的Luenberger全维观测器与复频域模型协同配合，不仅能够增强在低速下无速度传感器控制的观测稳定性，还能够提升电机模型参数的鲁棒性，表现出强大的鲁棒性和良好的稳定性等特点。总体来说，通过在频域中对永磁电机进行复矢量控制，可以显著提高永磁电机在各种工作条件下的转矩响应，同时改善系统的稳定性和鲁棒性。
一体机的保护功能包括：电机绕组温度保护、轴承温度保护，IGBT及整流桥温度保护，一体机腔体内部温度、湿度保护，过/欠压、缺相、过流、短路、接地故障、堵转等保护。具体如下：
（1）电机绕组温度、轴承温度保护
一体机系统能够监测电机的绕组温度和前后轴承温度，以保障电机不会遭受任何损害，并且可以通过调节温度来限制最高温度的保护值。
（2）绝缘栅双极型晶体管、整流桥温度保护
一体机的整流和逆变模块采用多个温度传感器和温度保护继电器，具有报警极限和监视极限2种监视极限。
（3）一体机腔体内部温度、湿度保护
一体机腔体内部放置有温度、湿度检测模块，能够实时将腔体内部的温度、湿度信息传输给一体机的控制系统，确保控制系统和功率模块能够稳定运行且具备可靠性和安全性。
（4）过/欠压保护
变频器通过检测直流母线正负极的直流电压来实现过/欠压保护，若电压降至额定电压值的65%以下时，则报欠压故障；若此时电压继续下降直至60%以下，将直接欠压跳闸；若直流母线电压值超过额定值的135%，将过压跳闸，此时内部绝缘栅双极型晶体管断开以保护电机绕组和变频器主要器件。
（5）缺相保护
变频器通过监视电机电缆的连接状态，从而达到缺相保护作用。在电机启动过程中显得尤为重要，一旦变频器监测到电机缺相，变频器是不会启动的；同时在正常运行期间，若检测到电机有缺相故障，则会直接跳闸保护。
（6）过流和短路保护
电路系统和电子元器件出现故障时，如果在规定的时间内无法隔离元器件，就会对元器件造成永久性的伤害，所以设置快速切除障碍的过压过流保护电路，以保证系统的安全运行。
（7）接地故障和电机堵转保护
当电机或电机电缆出现接地故障时，会触发断路器以保护电路安全。传动单元内置电机堵转保护功能，用户可根据需要调整检测极限值（包括转矩、频率和时间）。
10kV永磁直驱变频一体机的设计需考虑实时监测、多机联动、功率平衡控制以及通信等功能，同时监控和通信的实现需要结合硬件和软件2个方面。
（1）软件程序执行速度的快慢将直接影响变频调速系统的性能。软件通信系统可与上位机进行通信，并且可以集中控制多台设备的运行，实现这一功能可通过RS485和CAN等接口通信方式。通过1条CAN通信电缆可以实现调速设备的启动、停止和频率设定，控制方式简洁高效，较容易实现多电机之间的功率平衡和同步拖动。软件通信系统成本低、信号传输距离远、抗干扰性强。
（2）监控系统通过计算机控制实现对所有设备运行参数的监视，并实时采集试验数据。此外，计算机还负责监控台、开关柜、变频器、辅助系统等的监测，测试与监控软件界面如图13所示。
图13 测试与监控软件界面
现场驱动方案采用3台10kV永磁直驱一体机，在带式输送机机头3驱动，永磁直驱一体机直接与驱动滚筒进行连接，驱动连接形式简单，传动环节少，现场系统驱动方案设计架构如图14所示。
图14 现场系统驱动方案架构
一体机均配备的水冷系统可直接从一体机供配电单元中取AC1140V电，以供水冷系统运转。输送带张紧、卷带机、除铁器和照明系统可就近从一体机中取电运转，机头一体机操作箱控制检测3台一体机的运转，机头的控制箱与集控系统的启停和连锁控制采用开关量节点来完成。
（1）国能神东煤炭哈拉沟煤矿使用3台型号为TYJVFT―800L2―80（630/10000）Q高压永磁变频调速一体机驱动巷道带式输送机；带式输送机长度3700m，带宽1.6m，带速4.5m/s。对比异步电机，10kV永磁变频直驱一体机转子中无电感电流，电阻损耗低，功率因数高，安全性能更加可靠，用电经济节约性更好。
（2）国能神东煤炭榆家梁煤矿使用3台型号为TYJVFT―800L2―80（500/10000）Q高压永磁变频调速一体机驱动巷道带式输送机；带式输送机长度2600m，带宽1.4m，带速4.4m/s。一体机与传统设备对比见表2。
异步电机与永磁同步电机的效率曲线对比如图15所示。从电机本体来看，永磁同步电机的特性效率曲线比异步电机效率要高，在节能方面比异步电机更具优势。永磁同步一体机在全速度范围内具有较高的效率和功率因数，而异步电动机在低速段和高速段时的功率因数和效率都会大幅度降低。
图15 异步电机与永磁同步电机的效率曲线
因此，一体机在节能方面比异步电机更具优势。采用一体机的变频系统，可以解决原有的驱动效率差、设备平衡点难以把控、启动困难和设备故障率高、噪声大、污染等问题。
一体机直接与带式输送机的驱动滚筒连接，省去了减速机、液力耦合器等传动机构，减少了传动装置，实现了输送机系统的无齿轮传动，简化了驱动配置，提高了系统效率；高压永磁直驱电机与高压变频器及供配电单元集成一体化设计，变频器不需要单独的硐室放置，节约了安装空间和基建成本，降低了施工难度，缩短了施工时间。一体机采用永磁驱动控制技术，经过电磁迭代仿真和优化，输出额定转矩在2倍以上，能够实现更高的效率和更快的启停过程。
综上所述，使用10kV高压永磁变频调速一体机能够简化巷道带式输送机头的配套设备，提升系统效率，节省设备占用空间，缩短带式输送机整体安装时间。
带式输送机采用10kV永磁直驱一体机具有结构简单、体积小、转矩大、性能好、效率高、维护成本低、抗干扰能力强、附加功能多、使用起来灵活多变适应性强的特点；具有多档位调速功能，可一键实现低速检修和高速生产模式的切换，方便设备检修；适用于煤矿井下启动时大转矩情况，全自动恒功率调节，适用于矿井带式输送机等设备。并符合对智能化矿井的建设要求和节能减排要求，具有很好的社会经济效益和广阔的发展前景，可大幅提升矿井生产的安全和可靠性，实现矿井的高产高效和绿色节能。
助理编辑 | 江振鹏
编辑丨李雅楠
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