從上世紀五、六十年代至今，我國礦山電力傳動技術發(fā)展歷程主要經(jīng)歷了交流電動機串電阻調(diào)速傳動、直流電動機晶閘管變流器傳動、交流電動機晶閘管變流器交交變頻調(diào)速傳動與交流電動機全控器件變流器交直交變頻調(diào)速傳動四個階段。經(jīng)過多年發(fā)展，國內(nèi)礦山變頻傳動技術已經(jīng)覆蓋了電力傳動領域的主要電機類型，覆蓋了礦山生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了從跟跑到并跑、領跑的跨越，主要關鍵性能達到世界領先水平，為礦山的安全高效生產(chǎn)做出了重要貢獻。在當今“碳達峰”、“碳中和”的背景下，礦山電力傳動技術將面臨哪些的機遇與挑戰(zhàn)?本期嘉賓，我們有幸邀請到中國礦業(yè)大學譚國俊教授，請跟隨小編的腳步，一起來看一看吧!

　　PART 01

　　本期嘉賓介紹

　　TALKING

　　譚國俊，教授，現(xiàn)任中國礦業(yè)大學電氣工程學院教授委員會主任、江蘇省電力傳動與自動控制工程技術研究中心主任。2021年度中國工程院能源與礦業(yè)工程學部院士有效候選人、入選第四批國家“萬人計劃”科技創(chuàng)業(yè)領軍人才、第六屆“全國優(yōu)秀科技工者”、“孫越崎青年科技獎”獲得者、2017年科技部“科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才”、江蘇省“333工程”第二層次、江蘇省“青藍工程”跨世紀學術帶頭人、江蘇省“六大人才高峰”資助對象、2017年“中達學者”。擔任中國電工技術學會電氣自動化與電控系統(tǒng)專業(yè)委員會副主任委員、中國煤炭工業(yè)技術委員會電氣專家委員會副主任委員、中國電工技術學會電力電子分會理事，享受國務院政府特殊津貼專家。長期致力于礦山大功率電力傳動及自動化控制領域的科研、教學工作，主持了國家科技重大專項、國家自然科學基金、江蘇省成果轉(zhuǎn)化重大專項等縱橫向課題多項，第一完成人獲得國家科技進步二等獎2項(2017年;2009年)、國家科技進步三等獎1項(1997年)，獲得省部級一等獎9項(第一完成人5項)。獲得國內(nèi)外發(fā)明專利授權69項，出版專著2部，發(fā)表SCI、EI檢索論文97篇。

　　PART 02

　　我國礦山電力傳動技術發(fā)展歷程

　　小編

　　譚老師，您好!我國礦山電力傳動技術發(fā)展都經(jīng)歷過哪些階段?您覺得，我們與國際水平之間有著什么樣的差距?

　　嘉賓

　　我國礦山電力傳動技術發(fā)展歷程主要經(jīng)歷了交流電動機串電阻調(diào)速傳動、直流電動機晶閘管變流器傳動、交流電動機晶閘管變流器交交變頻調(diào)速傳動與交流電動機全控器件變流器交直交變頻調(diào)速傳動四個階段，圖1給出了以大功率礦井提升機為代表的礦山電力傳動發(fā)展歷程。

　　圖1 以大功率提升機為代表的礦山電力傳動技術發(fā)展歷程

　　上世紀五、六十年代，我國礦山大功率電力傳動系統(tǒng)一般采用交流傳動方式。交流傳動的最大優(yōu)點是技術比較簡單，設備及安裝費用低，建筑面積小，運行維護容易。但它的最大缺點是電氣調(diào)速性能差，在減速和爬行階段需要另外增設傳動裝置，如動力制動、低頻傳動等。雖然調(diào)速性能得到了改善，然而設備投資和系統(tǒng)的復雜性也增加了。

　　進入七十年代后，隨著礦井的規(guī)模愈來愈大，礦井深度也越來越深，皮帶長度也越來越長。由于交流傳動受電動機和控制設備制造容量的限制，已遠遠不能滿足需要，且當時交流電機的控制方法還不成熟。所以對提升容量大、速度快的大型礦井，一般采用直流傳動裝置。礦山大功率直流傳動系統(tǒng)主要采用晶閘管變流器—電動機傳動方式，具有動作速度快、調(diào)速平滑穩(wěn)定，負力減速時可將機械能轉(zhuǎn)換為電能返回電網(wǎng)等諸多優(yōu)點。但它的缺點也是顯而易見的：產(chǎn)生較大的起動壓降，對電網(wǎng)的無功沖擊大;高次諧波引起交流電網(wǎng)電壓正弦波形的畸變，干擾其他用電設備;運行功率因數(shù)低等;建設投資大，電機費用高。同時直流電機的效率低，一般達到85%左右，在大功率傳動設備的節(jié)能降耗方面具有明顯的劣勢。

　　七十年代初期，德國學者F.Blaschke提出了具有里程碑意義的交流電機磁場定向(矢量控制)理論，開創(chuàng)了交流傳動的新紀元，使得交流傳動獲得同直流傳動一樣的調(diào)速性能成為可能。隨著微電子技術、電力電子技術、交流傳動控制理論的進一步發(fā)展，交流傳動控制的復雜性進一步被克服，礦山大功率傳動的發(fā)展方向開始重新轉(zhuǎn)向交流傳動領域，交流變頻傳動正式開始占據(jù)市場主體。

　　1981年，交-交變頻器驅(qū)動礦井提升系統(tǒng)投產(chǎn)。我國從1985年起引進交-交變頻設備，主要用于軋機和礦井提升機。三相交-交變頻的同步電機調(diào)速系統(tǒng)是低速、大功率、高性能傳動領域的選擇方案之一，并取得了良好的技術經(jīng)濟效益。交-交變頻器需要為數(shù)眾多的晶閘管，在深控時功率因數(shù)低，對電網(wǎng)注入大量諧波，影響礦井電網(wǎng)質(zhì)量，需要附加濾波器進行無功補償，增加了投資成本、占地面積和維護量。

　　隨著交-直-交功率變換拓撲控制策略的成熟以及高壓大功率全控器件進入商品化時代，性能更為優(yōu)異的交-直-交大功率中高壓變頻器作為交-交變頻器的替代者登上變頻傳動舞臺并迅速確立其主導位置。受功率器件耐壓水平限制，首先進入規(guī)模應用的是單元串聯(lián)型多電平高壓變頻器，主要應用于礦井風機、水泵的節(jié)能拖動，但該方案系統(tǒng)復雜，可靠性低，不容易采用高性能控制算法。單元串聯(lián)型高壓變頻器的黃金時代是在2010年前后，隨著半導體器件電壓等級的提高，單元串聯(lián)型高壓變頻器的生存空間被逐漸壓縮，正在逐漸淡出市場。中點箝位型三電平NPC變頻器逐漸成為礦山變頻傳動的主流方案。對大功率傳動系統(tǒng)而言，三電平拓撲結構散熱量和兩電平拓撲結構相比，相同開關頻率下降低為原來的1/4，非常有利于系統(tǒng)的散熱的設計，這些特點很好的滿足了礦山電機拖動控制的需求。

　　圖2 礦用帶式輸送機變頻調(diào)速系統(tǒng)

　　2006年，國產(chǎn)四象限背靠背式NPC中壓變頻調(diào)速系統(tǒng)首先在礦井提升機領域得到應用，用于對轉(zhuǎn)子串電阻繞線電機交流調(diào)速系統(tǒng)的改造，將轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速TKD替換為四象限變頻器，轉(zhuǎn)子變頻器承擔的負荷僅為電機的轉(zhuǎn)差能量，且大部分時間運行于轉(zhuǎn)差功率較小的等速段，因此變頻器的損耗較小，既提高了變頻器的效率和可靠性，又延長了使用壽命，實現(xiàn)了以中低壓變頻器控制高壓電機，以小容量變頻器驅(qū)動大容量電機的目標。TKD調(diào)速系統(tǒng)占國內(nèi)礦山調(diào)速90%，所以該改造方案在國內(nèi)礦山大規(guī)模推廣應用。近年來，在礦井提升機為代表的礦山高性能調(diào)速應用中，同步電機的交-直-交變頻調(diào)速方案占據(jù)主要市場。鼠籠電機的交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)更容易實現(xiàn)防爆設計，所以在控制性能要求不高的井下皮帶輸送、暗井提升、水泵和輔助運輸系統(tǒng)中占據(jù)主流。開關磁阻電機變頻傳動主要應用于采煤機牽引和矸石山絞車等應用中。永磁同步電機的交-直-交變頻傳動設備在礦井皮帶機、刮板輸送機和輔助運輸膠輪車等得到初步應用。

　　圖3 礦井提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)

　　交-直-交三電平中壓變頻已經(jīng)發(fā)展成為國內(nèi)外礦山變頻傳動的主要模式。目前國內(nèi)三電平中壓變頻的電壓等級覆蓋660V~3.3KV，功率最大可達24MW，防爆變頻器的最大功率達到6.75MW，四象限變頻傳動的能量回饋功能和高功率因數(shù)優(yōu)勢，在提升機、輔助運輸?shù)葢弥械玫綇V泛推廣。

　　圖4 礦用防爆變頻器

　　經(jīng)過多年發(fā)展，國內(nèi)礦山變頻傳動技術已經(jīng)覆蓋了電力傳動領域的主要電機類型，覆蓋了礦山生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了從跟跑到并跑、領跑的跨越，主要關鍵性能達到世界領先水平，為礦山的安全高效生產(chǎn)做出了重要貢獻。

　　PART 03

　　礦山電力傳動技術的機遇與挑戰(zhàn)

　　小編

　　在“碳達峰”、“碳中和”的背景下，您覺得，礦山電力傳動技術的發(fā)展將迎來什么樣的機遇與挑戰(zhàn)?

　　嘉賓

　　面對2030年“碳達峰”和2060年“碳中和”的目標，我國把能源技術視為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的突破口。2021年10月29日，工業(yè)和信息化部、市場監(jiān)督管理總局聯(lián)合印發(fā)的《電機能效提升計劃(2021-2023年)》提出，到2023年在電力傳動領域?qū)崿F(xiàn)年節(jié)電量490億千瓦時，相當于年節(jié)約標準煤1500萬噸，減排二氧化碳2800萬噸。礦山電力傳動系統(tǒng)作為礦山生產(chǎn)的主要能耗設備，如何進一步強化礦山電力傳動系統(tǒng)節(jié)能管理，加快高效節(jié)能電機推廣應用，持續(xù)提高礦山電力傳動設備運行效率，推動礦山開采綠色高質(zhì)量發(fā)展，成為礦山電力傳動技術發(fā)展的新機遇和新挑戰(zhàn)。

　　(一)高效礦用電機設計與制造技術

　　加快提升礦用電機全生命周期高效設計能力，研究高效節(jié)能電機與礦山風機、水泵、運輸設備等運行工況的負載匹配技術;重點突破大功率低速直驅(qū)永磁同步電機、電勵磁同步電機與感應電機的效率優(yōu)化設計;推動礦用電機關鍵基礎材料創(chuàng)新升級，優(yōu)化高效礦用電機生產(chǎn)工藝;推動完善礦用廢舊電機的高效回收利用技術。

　　(二)礦山大功率變頻器能效提升技術

　　進一步研究礦山大功率變頻器的低損耗化技術，重點開發(fā)硅基大功率變頻的低開關頻率控制技術，實現(xiàn)開關損耗、轉(zhuǎn)矩脈動、調(diào)速動態(tài)性能的多目標優(yōu)化;探索新一代寬禁帶半導體礦山大功率變頻器技術，突破碳化硅功率器件高du/dt、di/dt引起的器件關斷過壓高、電磁干擾嚴重與應用可靠性等問題;研發(fā)基于硅和碳化硅功率器件混合的礦山大功率變頻技術基礎理論;進一步優(yōu)化礦用電機控制算法與控制性能，推廣最大轉(zhuǎn)矩電流比控制、效率最優(yōu)控制、單位功率因數(shù)控制等高效電機控制算法的應用。

　　(三)開展礦山存量電力傳動系統(tǒng)節(jié)能改造，加大高效電機的礦山應用力度

　　開展礦山電力傳動設備節(jié)能診斷，結合電力傳動系統(tǒng)能效水平和運行維護情況，評估先進電力傳動技術裝備在礦山的推廣應用潛力;倡導礦山實施電力傳動系統(tǒng)的更新升級，優(yōu)先選用高效節(jié)能電機;鼓勵礦山對低效運行的風機、泵、皮帶機、刮板機等電機系統(tǒng)開展匹配性節(jié)能改造和運行控制優(yōu)化;針對使用變速箱、耦合器的礦山電力傳動系統(tǒng)，推廣使用低速直驅(qū)交流電機以減小機械損耗。

　　PART 04

　　礦山電力傳動技術未來發(fā)展方向

　　小編

　　“中國制造”的未來是“智能制造”，在這樣的背景下，您如何看待礦山電力傳動技術未來的發(fā)展方向?

　　嘉賓

　　2020年3月，國家發(fā)展改革委等8部委聯(lián)合印發(fā)的《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》中明確指出，到2035年，各類煤礦基本實現(xiàn)智能化，構建多產(chǎn)業(yè)鏈、多系統(tǒng)集成的煤礦智能化系統(tǒng)，建成智能感知、智能決策、自動執(zhí)行的煤礦智能化體系。礦山電力傳動技術貫穿在采掘(剝)、運輸、通風、洗選物流等礦山生產(chǎn)過程中，提高礦山電力傳動設備的智能化是加快實現(xiàn)礦山智能化發(fā)展以及深井集約化開采的關鍵技術之一。

　　在智能化礦山的背景下，礦山電力傳動設備應具備全面感知、實時互聯(lián)、分析決策、自主學習、動態(tài)預測、協(xié)同控制等智能化功能。重點攻克基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的礦山電力傳動系統(tǒng)狀態(tài)感知與故障預測技術，主要包括礦山電力傳動系統(tǒng)多時間尺度狀態(tài)參數(shù)提取技術、礦山電力傳動系統(tǒng)數(shù)據(jù)預處理與特征變量提取技術、基于機器學習的礦山電力傳動系統(tǒng)狀態(tài)感知與故障預測技術，最終實現(xiàn)礦山電力傳動系統(tǒng)全壽命周期管理。

　　要面向深井集約化開采的需求提升電機控制算法的智能性，主要包括高精度參數(shù)自學習、控制參數(shù)自整定與在線自優(yōu)化技術、新型多目標滿意優(yōu)化預測控制的現(xiàn)場應用與推廣、超長型刮板運輸機與帶式輸送機中的多機功率平衡技術、超深井提升機機電耦合震蕩抑制技術等方面。

　　此外，在“5G+礦山物聯(lián)網(wǎng)”下，推進礦山電力傳動系統(tǒng)接入技術的開發(fā)，以實現(xiàn)礦山電力傳動系統(tǒng)的日常維護基本信息管理、設備工況實時監(jiān)測、典型故障模擬及預知以及維護決策。

　　PART 05

　　國產(chǎn)化進程中面臨的問題

　　小編 智能制造帶動智能裝備的發(fā)展，也帶動了自主知識產(chǎn)權軟硬件產(chǎn)品的研發(fā)，請問您如何看待礦山電力傳動技術國產(chǎn)化進程中面臨的卡脖子問題?

　　嘉賓 礦山開采正在向大型化、深地化與智能化的方向發(fā)展，礦山電力傳動技術作為礦山生產(chǎn)的主要動力來源逐步向大功率化方向發(fā)展。電力電子變換器大功率化發(fā)展對中、高壓大容量功率器件的需求增加，要著力推進國產(chǎn)化大容量IGBT、IGCT、SiC功率器件的礦山應用，逐步實現(xiàn)礦用功率器件自主可控。數(shù)字芯片作為礦山電力傳動算法的執(zhí)行者，還須不斷推進國產(chǎn)DSP芯片、數(shù)字邏輯處理芯片、AD芯片的技術突破，并逐步實現(xiàn)礦山電力傳動系統(tǒng)數(shù)字芯片的自主可控