從上世紀(jì)五、六十年代至今，我國(guó)礦山電力傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展歷程主要經(jīng)歷了交流電動(dòng)機(jī)串電阻調(diào)速傳動(dòng)、直流電動(dòng)機(jī)晶閘管變流器傳動(dòng)、交流電動(dòng)機(jī)晶閘管變流器交交變頻調(diào)速傳動(dòng)與交流電動(dòng)機(jī)全控器件變流器交直交變頻調(diào)速傳動(dòng)四個(gè)階段。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，國(guó)內(nèi)礦山變頻傳動(dòng)技術(shù)已經(jīng)覆蓋了電力傳動(dòng)領(lǐng)域的主要電機(jī)類(lèi)型，覆蓋了礦山生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了從跟跑到并跑、領(lǐng)跑的跨越，主要關(guān)鍵性能達(dá)到世界領(lǐng)先水平，為礦山的安全高效生產(chǎn)做出了重要貢獻(xiàn)。在當(dāng)今“碳達(dá)峰”、“碳中和”的背景下，礦山電力傳動(dòng)技術(shù)將面臨哪些的機(jī)遇與挑戰(zhàn)?本期嘉賓，我們有幸邀請(qǐng)到中國(guó)礦業(yè)大學(xué)譚國(guó)俊教授，請(qǐng)跟隨小編的腳步，一起來(lái)看一看吧!

　　PART 01

　　本期嘉賓介紹

　　TALKING

　　譚國(guó)俊，教授，現(xiàn)任中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院教授委員會(huì)主任、江蘇省電力傳動(dòng)與自動(dòng)控制工程技術(shù)研究中心主任。2021年度中國(guó)工程院能源與礦業(yè)工程學(xué)部院士有效候選人、入選第四批國(guó)家“萬(wàn)人計(jì)劃”科技創(chuàng)業(yè)領(lǐng)軍人才、第六屆“全國(guó)優(yōu)秀科技工者”、“孫越崎青年科技獎(jiǎng)”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(lán)工程”跨世紀(jì)學(xué)術(shù)帶頭人、江蘇省“六大人才高峰”資助對(duì)象、2017年“中達(dá)學(xué)者”。擔(dān)任中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電氣自動(dòng)化與電控系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)副主任委員、中國(guó)煤炭工業(yè)技術(shù)委員會(huì)電氣專(zhuān)家委員會(huì)副主任委員、中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電力電子分會(huì)理事，享受?chē)?guó)務(wù)院政府特殊津貼專(zhuān)家。長(zhǎng)期致力于礦山大功率電力傳動(dòng)及自動(dòng)化控制領(lǐng)域的科研、教學(xué)工作，主持了國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省成果轉(zhuǎn)化重大專(zhuān)項(xiàng)等縱橫向課題多項(xiàng)，第一完成人獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)(2017年;2009年)、國(guó)家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)1項(xiàng)(1997年)，獲得省部級(jí)一等獎(jiǎng)9項(xiàng)(第一完成人5項(xiàng))。獲得國(guó)內(nèi)外發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)69項(xiàng)，出版專(zhuān)著2部，發(fā)表SCI、EI檢索論文97篇。

　　PART 02

　　我國(guó)礦山電力傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展歷程

　　小編

　　譚老師，您好!我國(guó)礦山電力傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展都經(jīng)歷過(guò)哪些階段?您覺(jué)得，我們與國(guó)際水平之間有著什么樣的差距?

　　嘉賓

　　我國(guó)礦山電力傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展歷程主要經(jīng)歷了交流電動(dòng)機(jī)串電阻調(diào)速傳動(dòng)、直流電動(dòng)機(jī)晶閘管變流器傳動(dòng)、交流電動(dòng)機(jī)晶閘管變流器交交變頻調(diào)速傳動(dòng)與交流電動(dòng)機(jī)全控器件變流器交直交變頻調(diào)速傳動(dòng)四個(gè)階段，圖1給出了以大功率礦井提升機(jī)為代表的礦山電力傳動(dòng)發(fā)展歷程。

　　圖1 以大功率提升機(jī)為代表的礦山電力傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展歷程

　　上世紀(jì)五、六十年代，我國(guó)礦山大功率電力傳動(dòng)系統(tǒng)一般采用交流傳動(dòng)方式。交流傳動(dòng)的最大優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)比較簡(jiǎn)單，設(shè)備及安裝費(fèi)用低，建筑面積小，運(yùn)行維護(hù)容易。但它的最大缺點(diǎn)是電氣調(diào)速性能差，在減速和爬行階段需要另外增設(shè)傳動(dòng)裝置，如動(dòng)力制動(dòng)、低頻傳動(dòng)等。雖然調(diào)速性能得到了改善，然而設(shè)備投資和系統(tǒng)的復(fù)雜性也增加了。

　　進(jìn)入七十年代后，隨著礦井的規(guī)模愈來(lái)愈大，礦井深度也越來(lái)越深，皮帶長(zhǎng)度也越來(lái)越長(zhǎng)。由于交流傳動(dòng)受電動(dòng)機(jī)和控制設(shè)備制造容量的限制，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要，且當(dāng)時(shí)交流電機(jī)的控制方法還不成熟。所以對(duì)提升容量大、速度快的大型礦井，一般采用直流傳動(dòng)裝置。礦山大功率直流傳動(dòng)系統(tǒng)主要采用晶閘管變流器—電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)方式，具有動(dòng)作速度快、調(diào)速平滑穩(wěn)定，負(fù)力減速時(shí)可將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能返回電網(wǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。但它的缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的：產(chǎn)生較大的起動(dòng)壓降，對(duì)電網(wǎng)的無(wú)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(shè)備;運(yùn)行功率因數(shù)低等;建設(shè)投資大，電機(jī)費(fèi)用高。同時(shí)直流電機(jī)的效率低，一般達(dá)到85%左右，在大功率傳動(dòng)設(shè)備的節(jié)能降耗方面具有明顯的劣勢(shì)。

　　七十年代初期，德國(guó)學(xué)者F.Blaschke提出了具有里程碑意義的交流電機(jī)磁場(chǎng)定向(矢量控制)理論，開(kāi)創(chuàng)了交流傳動(dòng)的新紀(jì)元，使得交流傳動(dòng)獲得同直流傳動(dòng)一樣的調(diào)速性能成為可能。隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、交流傳動(dòng)控制理論的進(jìn)一步發(fā)展，交流傳動(dòng)控制的復(fù)雜性進(jìn)一步被克服，礦山大功率傳動(dòng)的發(fā)展方向開(kāi)始重新轉(zhuǎn)向交流傳動(dòng)領(lǐng)域，交流變頻傳動(dòng)正式開(kāi)始占據(jù)市場(chǎng)主體。

　　1981年，交-交變頻器驅(qū)動(dòng)礦井提升系統(tǒng)投產(chǎn)。我國(guó)從1985年起引進(jìn)交-交變頻設(shè)備，主要用于軋機(jī)和礦井提升機(jī)。三相交-交變頻的同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是低速、大功率、高性能傳動(dòng)領(lǐng)域的選擇方案之一，并取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。交-交變頻器需要為數(shù)眾多的晶閘管，在深控時(shí)功率因數(shù)低，對(duì)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(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，增加了投資成本、占地面積和維護(hù)量。

　　隨著交-直-交功率變換拓?fù)淇刂撇呗缘某墒煲约案邏捍蠊β嗜仄骷M(jìn)入商品化時(shí)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(dòng)舞臺(tái)并迅速確立其主導(dǎo)位置。受功率器件耐壓水平限制，首先進(jìn)入規(guī)模應(yīng)用的是單元串聯(lián)型多電平高壓變頻器，主要應(yīng)用于礦井風(fēng)機(jī)、水泵的節(jié)能拖動(dòng)，但該方案系統(tǒng)復(fù)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(shí)代是在2010年前后，隨著半導(dǎo)體器件電壓等級(jí)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(chǎng)。中點(diǎn)箝位型三電平NPC變頻器逐漸成為礦山變頻傳動(dòng)的主流方案。對(duì)大功率傳動(dòng)系統(tǒng)而言，三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)散熱量和兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，相同開(kāi)關(guān)頻率下降低為原來(lái)的1/4，非常有利于系統(tǒng)的散熱的設(shè)計(jì)，這些特點(diǎn)很好的滿足了礦山電機(jī)拖動(dòng)控制的需求。

　　圖2 礦用帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)

　　2006年，國(guó)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(jī)領(lǐng)域得到應(yīng)用，用于對(duì)轉(zhuǎn)子串電阻繞線電機(jī)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(dān)的負(fù)荷僅為電機(jī)的轉(zhuǎn)差能量，且大部分時(shí)間運(yùn)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(zhǎng)了使用壽命，實(shí)現(xiàn)了以中低壓變頻器控制高壓電機(jī)，以小容量變頻器驅(qū)動(dòng)大容量電機(jī)的目標(biāo)。TKD調(diào)速系統(tǒng)占國(guó)內(nèi)礦山調(diào)速90%，所以該改造方案在國(guó)內(nèi)礦山大規(guī)模推廣應(yīng)用。近年來(lái)，在礦井提升機(jī)為代表的礦山高性能調(diào)速應(yīng)用中，同步電機(jī)的交-直-交變頻調(diào)速方案占據(jù)主要市場(chǎng)。鼠籠電機(jī)的交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)防爆設(shè)計(jì)，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(yùn)輸系統(tǒng)中占據(jù)主流。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)變頻傳動(dòng)主要應(yīng)用于采煤機(jī)牽引和矸石山絞車(chē)等應(yīng)用中。永磁同步電機(jī)的交-直-交變頻傳動(dòng)設(shè)備在礦井皮帶機(jī)、刮板輸送機(jī)和輔助運(yùn)輸膠輪車(chē)等得到初步應(yīng)用。

　　圖3 礦井提升機(jī)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(guó)內(nèi)外礦山變頻傳動(dòng)的主要模式。目前國(guó)內(nèi)三電平中壓變頻的電壓等級(jí)覆蓋660V~3.3KV，功率最大可達(dá)24MW，防爆變頻器的最大功率達(dá)到6.75MW，四象限變頻傳動(dòng)的能量回饋功能和高功率因數(shù)優(yōu)勢(shì)，在提升機(jī)、輔助運(yùn)輸?shù)葢?yīng)用中得到廣泛推廣。

　　圖4 礦用防爆變頻器

　　經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，國(guó)內(nèi)礦山變頻傳動(dòng)技術(shù)已經(jīng)覆蓋了電力傳動(dòng)領(lǐng)域的主要電機(jī)類(lèi)型，覆蓋了礦山生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了從跟跑到并跑、領(lǐng)跑的跨越，主要關(guān)鍵性能達(dá)到世界領(lǐng)先水平，為礦山的安全高效生產(chǎn)做出了重要貢獻(xiàn)。

　　PART 03

　　礦山電力傳動(dòng)技術(shù)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

　　小編

　　在“碳達(dá)峰”、“碳中和”的背景下，您覺(jué)得，礦山電力傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展將迎來(lái)什么樣的機(jī)遇與挑戰(zhàn)?

　　嘉賓

　　面對(duì)2030年“碳達(dá)峰”和2060年“碳中和”的目標(biāo)，我國(guó)把能源技術(shù)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(chǎng)監(jiān)督管理總局聯(lián)合印發(fā)的《電機(jī)能效提升計(jì)劃(2021-2023年)》提出，到2023年在電力傳動(dòng)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)年節(jié)電量490億千瓦時(shí)，相當(dāng)于年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1500萬(wàn)噸，減排二氧化碳2800萬(wàn)噸。礦山電力傳動(dòng)系統(tǒng)作為礦山生產(chǎn)的主要能耗設(shè)備，如何進(jìn)一步強(qiáng)化礦山電力傳動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能管理，加快高效節(jié)能電機(jī)推廣應(yīng)用，持續(xù)提高礦山電力傳動(dòng)設(shè)備運(yùn)行效率，推動(dòng)礦山開(kāi)采綠色高質(zhì)量發(fā)展，成為礦山電力傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展的新機(jī)遇和新挑戰(zhàn)。

　　(一)高效礦用電機(jī)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)

　　加快提升礦用電機(jī)全生命周期高效設(shè)計(jì)能力，研究高效節(jié)能電機(jī)與礦山風(fēng)機(jī)、水泵、運(yùn)輸設(shè)備等運(yùn)行工況的負(fù)載匹配技術(shù);重點(diǎn)突破大功率低速直驅(qū)永磁同步電機(jī)、電勵(lì)磁同步電機(jī)與感應(yīng)電機(jī)的效率優(yōu)化設(shè)計(jì);推動(dòng)礦用電機(jī)關(guān)鍵基礎(chǔ)材料創(chuàng)新升級(jí)，優(yōu)化高效礦用電機(jī)生產(chǎn)工藝;推動(dòng)完善礦用廢舊電機(jī)的高效回收利用技術(shù)。

　　(二)礦山大功率變頻器能效提升技術(shù)

　　進(jìn)一步研究礦山大功率變頻器的低損耗化技術(shù)，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)硅基大功率變頻的低開(kāi)關(guān)頻率控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)損耗、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、調(diào)速動(dòng)態(tài)性能的多目標(biāo)優(yōu)化;探索新一代寬禁帶半導(dǎo)體礦山大功率變頻器技術(shù)，突破碳化硅功率器件高du/dt、di/dt引起的器件關(guān)斷過(guò)壓高、電磁干擾嚴(yán)重與應(yīng)用可靠性等問(wèn)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(shù)基礎(chǔ)理論;進(jìn)一步優(yōu)化礦用電機(jī)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(jī)控制算法的應(yīng)用。

　　(三)開(kāi)展礦山存量電力傳動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能改造，加大高效電機(jī)的礦山應(yīng)用力度

　　開(kāi)展礦山電力傳動(dòng)設(shè)備節(jié)能診斷，結(jié)合電力傳動(dòng)系統(tǒng)能效水平和運(yùn)行維護(hù)情況，評(píng)估先進(jìn)電力傳動(dòng)技術(shù)裝備在礦山的推廣應(yīng)用潛力;倡導(dǎo)礦山實(shí)施電力傳動(dòng)系統(tǒng)的更新升級(jí)，優(yōu)先選用高效節(jié)能電機(jī);鼓勵(lì)礦山對(duì)低效運(yùn)行的風(fēng)機(jī)、泵、皮帶機(jī)、刮板機(jī)等電機(jī)系統(tǒng)開(kāi)展匹配性節(jié)能改造和運(yùn)行控制優(yōu)化;針對(duì)使用變速箱、耦合器的礦山電力傳動(dòng)系統(tǒng)，推廣使用低速直驅(qū)交流電機(jī)以減小機(jī)械損耗。

　　PART 04

　　礦山電力傳動(dòng)技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向

　　小編

　　“中國(guó)制造”的未來(lái)是“智能制造”，在這樣的背景下，您如何看待礦山電力傳動(dòng)技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向?

　　嘉賓

　　2020年3月，國(guó)家發(fā)展改革委等8部委聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》中明確指出，到2035年，各類(lèi)煤礦基本實(shí)現(xiàn)智能化，構(gòu)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(dòng)執(zhí)行的煤礦智能化體系。礦山電力傳動(dòng)技術(shù)貫穿在采掘(剝)、運(yùn)輸、通風(fēng)、洗選物流等礦山生產(chǎn)過(guò)程中，提高礦山電力傳動(dòng)設(shè)備的智能化是加快實(shí)現(xiàn)礦山智能化發(fā)展以及深井集約化開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　在智能化礦山的背景下，礦山電力傳動(dòng)設(shè)備應(yīng)具備全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、分析決策、自主學(xué)習(xí)、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、協(xié)同控制等智能化功能。重點(diǎn)攻克基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的礦山電力傳動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)感知與故障預(yù)測(cè)技術(shù)，主要包括礦山電力傳動(dòng)系統(tǒng)多時(shí)間尺度狀態(tài)參數(shù)提取技術(shù)、礦山電力傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)預(yù)處理與特征變量提取技術(shù)、基于機(jī)器學(xué)習(xí)的礦山電力傳動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)感知與故障預(yù)測(cè)技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)礦山電力傳動(dòng)系統(tǒng)全壽命周期管理。

　　要面向深井集約化開(kāi)采的需求提升電機(jī)控制算法的智能性，主要包括高精度參數(shù)自學(xué)習(xí)、控制參數(shù)自整定與在線自優(yōu)化技術(shù)、新型多目標(biāo)滿意優(yōu)化預(yù)測(cè)控制的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與推廣、超長(zhǎng)型刮板運(yùn)輸機(jī)與帶式輸送機(jī)中的多機(jī)功率平衡技術(shù)、超深井提升機(jī)機(jī)電耦合震蕩抑制技術(shù)等方面。

　　此外，在“5G+礦山物聯(lián)網(wǎng)”下，推進(jìn)礦山電力傳動(dòng)系統(tǒng)接入技術(shù)的開(kāi)發(fā)，以實(shí)現(xiàn)礦山電力傳動(dòng)系統(tǒng)的日常維護(hù)基本信息管理、設(shè)備工況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、典型故障模擬及預(yù)知以及維護(hù)決策。

　　PART 05

　　國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程中面臨的問(wèn)題

　　小編 智能制造帶動(dòng)智能裝備的發(fā)展，也帶動(dòng)了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)軟硬件產(chǎn)品的研發(fā)，請(qǐng)問(wèn)您如何看待礦山電力傳動(dòng)技術(shù)國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程中面臨的卡脖子問(wèn)題?

　　嘉賓 礦山開(kāi)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(dòng)技術(shù)作為礦山生產(chǎn)的主要?jiǎng)恿?lái)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(duì)中、高壓大容量功率器件的需求增加，要著力推進(jìn)國(guó)產(chǎn)化大容量IGBT、IGCT、SiC功率器件的礦山應(yīng)用，逐步實(shí)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(dòng)算法的執(zhí)行者，還須不斷推進(jìn)國(guó)產(chǎn)DSP芯片、數(shù)字邏輯處理芯片、AD芯片的技術(shù)突破，并逐步實(shí)現(xiàn)礦山電力傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)字芯片的自主可控