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【人物访谈】对话 | ”电气传动”在我国矿山电力传动中的发展

时间:2022-09-26

来源:中国传动网

导语:从上世纪五、六十年代至今,我国矿山电力传动技术发展历程主要经历了交流电动机串电阻调速传动、直流电动机晶闸管变流器传动、交流电动机晶闸管变流器交交变频调速传动与交流电动机全控器件变流器交直交变频调速传动四个阶段。

      从上世纪五、六十年代至今,我国矿山电力传动技术发展历程主要经历了交流电动机串电阻调速传动、直流电动机晶闸管变流器传动、交流电动机晶闸管变流器交交变频调速传动与交流电动机全控器件变流器交直交变频调速传动四个阶段。经过多年发展,国内矿山变频传动技术已经覆盖了电力传动领域的主要电机类型,覆盖了矿山生产的各个环节,实现了从跟跑到并跑、领跑的跨越,主要关键性能达到世界领先水平,为矿山的安全高效生产做出了重要贡献。在当今“碳达峰”、“碳中和”的背景下,矿山电力传动技术将面临哪些的机遇与挑战?本期嘉宾,我们有幸邀请到中国矿业大学谭国俊教授,请跟随小编的脚步,一起来看一看吧!

  PART 01

  本期嘉宾介绍

  TALKING

谭国俊.jpg

  谭国俊,教授,现任中国矿业大学电气工程学院教授委员会主任、江苏省电力传动与自动控制工程技术研究中心主任。2021年度中国工程院能源与矿业工程学部院士有效候选人、入选第四批国家“万人计划”科技创业领军人才、第六届“全国优秀科技工者”、“孙越崎青年科技奖”获得者、2017年科技部“科技创新创业人才”、江苏省“333工程”第二层次、江苏省“青蓝工程”跨世纪学术带头人、江苏省“六大人才高峰”资助对象、2017年“中达学者”。担任中国电工技术学会电气自动化与电控系统专业委员会副主任委员、中国煤炭工业技术委员会电气专家委员会副主任委员、中国电工技术学会电力电子分会理事,享受国务院政府特殊津贴专家。长期致力于矿山大功率电力传动及自动化控制领域的科研、教学工作,主持了国家科技重大专项、国家自然科学基金、江苏省成果转化重大专项等纵横向课题多项,第一完成人获得国家科技进步二等奖2项(2017年;2009年)、国家科技进步三等奖1项(1997年),获得省部级一等奖9项(第一完成人5项)。获得国内外发明专利授权69项,出版专著2部,发表SCI、EI检索论文97篇。

  PART 02

  我国矿山电力传动技术发展历程

  小编

  谭老师,您好!我国矿山电力传动技术发展都经历过哪些阶段?您觉得,我们与国际水平之间有着什么样的差距?

  嘉宾

  我国矿山电力传动技术发展历程主要经历了交流电动机串电阻调速传动、直流电动机晶闸管变流器传动、交流电动机晶闸管变流器交交变频调速传动与交流电动机全控器件变流器交直交变频调速传动四个阶段,图1给出了以大功率矿井提升机为代表的矿山电力传动发展历程。

以大功率提升机为代表的矿山.jpg

  图1 以大功率提升机为代表的矿山电力传动技术发展历程

  上世纪五、六十年代,我国矿山大功率电力传动系统一般采用交流传动方式。交流传动的最大优点是技术比较简单,设备及安装费用低,建筑面积小,运行维护容易。但它的最大缺点是电气调速性能差,在减速和爬行阶段需要另外增设传动装置,如动力制动、低频传动等。虽然调速性能得到了改善,然而设备投资和系统的复杂性也增加了。

  进入七十年代后,随着矿井的规模愈来愈大,矿井深度也越来越深,皮带长度也越来越长。由于交流传动受电动机和控制设备制造容量的限制,已远远不能满足需要,且当时交流电机的控制方法还不成熟。所以对提升容量大、速度快的大型矿井,一般采用直流传动装置。矿山大功率直流传动系统主要采用晶闸管变流器—电动机传动方式,具有动作速度快、调速平滑稳定,负力减速时可将机械能转换为电能返回电网等诸多优点。但它的缺点也是显而易见的:产生较大的起动压降,对电网的无功冲击大;高次谐波引起交流电网电压正弦波形的畸变,干扰其他用电设备;运行功率因数低等;建设投资大,电机费用高。同时直流电机的效率低,一般达到85%左右,在大功率传动设备的节能降耗方面具有明显的劣势。

  七十年代初期,德国学者F.Blaschke提出了具有里程碑意义的交流电机磁场定向(矢量控制)理论,开创了交流传动的新纪元,使得交流传动获得同直流传动一样的调速性能成为可能。随着微电子技术、电力电子技术、交流传动控制理论的进一步发展,交流传动控制的复杂性进一步被克服,矿山大功率传动的发展方向开始重新转向交流传动领域,交流变频传动正式开始占据市场主体。

  1981年,交-交变频器驱动矿井提升系统投产。我国从1985年起引进交-交变频设备,主要用于轧机和矿井提升机。三相交-交变频的同步电机调速系统是低速、大功率、高性能传动领域的选择方案之一,并取得了良好的技术经济效益。交-交变频器需要为数众多的晶闸管,在深控时功率因数低,对电网注入大量谐波,影响矿井电网质量,需要附加滤波器进行无功补偿,增加了投资成本、占地面积和维护量。

  随着交-直-交功率变换拓扑控制策略的成熟以及高压大功率全控器件进入商品化时代,性能更为优异的交-直-交大功率中高压变频器作为交-交变频器的替代者登上变频传动舞台并迅速确立其主导位置。受功率器件耐压水平限制,首先进入规模应用的是单元串联型多电平高压变频器,主要应用于矿井风机、水泵的节能拖动,但该方案系统复杂,可靠性低,不容易采用高性能控制算法。单元串联型高压变频器的黄金时代是在2010年前后,随着半导体器件电压等级的提高,单元串联型高压变频器的生存空间被逐渐压缩,正在逐渐淡出市场。中点箝位型三电平NPC变频器逐渐成为矿山变频传动的主流方案。对大功率传动系统而言,三电平拓扑结构散热量和两电平拓扑结构相比,相同开关频率下降低为原来的1/4,非常有利于系统的散热的设计,这些特点很好的满足了矿山电机拖动控制的需求。

矿用带式输送机变频调速系统.jpg

  图2 矿用带式输送机变频调速系统

  2006年,国产四象限背靠背式NPC中压变频调速系统首先在矿井提升机领域得到应用,用于对转子串电阻绕线电机交流调速系统的改造,将转子串电阻调速TKD替换为四象限变频器,转子变频器承担的负荷仅为电机的转差能量,且大部分时间运行于转差功率较小的等速段,因此变频器的损耗较小,既提高了变频器的效率和可靠性,又延长了使用寿命,实现了以中低压变频器控制高压电机,以小容量变频器驱动大容量电机的目标。TKD调速系统占国内矿山调速90%,所以该改造方案在国内矿山大规模推广应用。近年来,在矿井提升机为代表的矿山高性能调速应用中,同步电机的交-直-交变频调速方案占据主要市场。鼠笼电机的交-直-交变频调速系统更容易实现防爆设计,所以在控制性能要求不高的井下皮带输送、暗井提升、水泵和辅助运输系统中占据主流。开关磁阻电机变频传动主要应用于采煤机牵引和矸石山绞车等应用中。永磁同步电机的交-直-交变频传动设备在矿井皮带机、刮板输送机和辅助运输胶轮车等得到初步应用。

矿井提升机变频调速系统.jpg

  图3 矿井提升机变频调速系统

  交-直-交三电平中压变频已经发展成为国内外矿山变频传动的主要模式。目前国内三电平中压变频的电压等级覆盖660V~3.3KV,功率最大可达24MW,防爆变频器的最大功率达到6.75MW,四象限变频传动的能量回馈功能和高功率因数优势,在提升机、辅助运输等应用中得到广泛推广。

矿用防爆变频器.jpg

  图4 矿用防爆变频器

  经过多年发展,国内矿山变频传动技术已经覆盖了电力传动领域的主要电机类型,覆盖了矿山生产的各个环节,实现了从跟跑到并跑、领跑的跨越,主要关键性能达到世界领先水平,为矿山的安全高效生产做出了重要贡献。

  PART 03

  矿山电力传动技术的机遇与挑战

  小编

  在“碳达峰”、“碳中和”的背景下,您觉得,矿山电力传动技术的发展将迎来什么样的机遇与挑战?

  嘉宾

  面对2030年“碳达峰”和2060年“碳中和”的目标,我国把能源技术视为新一轮科技革命和产业革命的突破口。2021年10月29日,工业和信息化部、市场监督管理总局联合印发的《电机能效提升计划(2021-2023年)》提出,到2023年在电力传动领域实现年节电量490亿千瓦时,相当于年节约标准煤1500万吨,减排二氧化碳2800万吨。矿山电力传动系统作为矿山生产的主要能耗设备,如何进一步强化矿山电力传动系统节能管理,加快高效节能电机推广应用,持续提高矿山电力传动设备运行效率,推动矿山开采绿色高质量发展,成为矿山电力传动技术发展的新机遇和新挑战。

  (一)高效矿用电机设计与制造技术

  加快提升矿用电机全生命周期高效设计能力,研究高效节能电机与矿山风机、水泵、运输设备等运行工况的负载匹配技术;重点突破大功率低速直驱永磁同步电机、电励磁同步电机与感应电机的效率优化设计;推动矿用电机关键基础材料创新升级,优化高效矿用电机生产工艺;推动完善矿用废旧电机的高效回收利用技术。

  (二)矿山大功率变频器能效提升技术

  进一步研究矿山大功率变频器的低损耗化技术,重点开发硅基大功率变频的低开关频率控制技术,实现开关损耗、转矩脉动、调速动态性能的多目标优化;探索新一代宽禁带半导体矿山大功率变频器技术,突破碳化硅功率器件高du/dt、di/dt引起的器件关断过压高、电磁干扰严重与应用可靠性等问题;研发基于硅和碳化硅功率器件混合的矿山大功率变频技术基础理论;进一步优化矿用电机控制算法与控制性能,推广最大转矩电流比控制、效率最优控制、单位功率因数控制等高效电机控制算法的应用。

  (三)开展矿山存量电力传动系统节能改造,加大高效电机的矿山应用力度

  开展矿山电力传动设备节能诊断,结合电力传动系统能效水平和运行维护情况,评估先进电力传动技术装备在矿山的推广应用潜力;倡导矿山实施电力传动系统的更新升级,优先选用高效节能电机;鼓励矿山对低效运行的风机、泵、皮带机、刮板机等电机系统开展匹配性节能改造和运行控制优化;针对使用变速箱、耦合器的矿山电力传动系统,推广使用低速直驱交流电机以减小机械损耗。

  PART 04

  矿山电力传动技术未来发展方向

  小编

  “中国制造”的未来是“智能制造”,在这样的背景下,您如何看待矿山电力传动技术未来的发展方向?

  嘉宾

  2020年3月,国家发展改革委等8部委联合印发的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》中明确指出,到2035年,各类煤矿基本实现智能化,构建多产业链、多系统集成的煤矿智能化系统,建成智能感知、智能决策、自动执行的煤矿智能化体系。矿山电力传动技术贯穿在采掘(剥)、运输、通风、洗选物流等矿山生产过程中,提高矿山电力传动设备的智能化是加快实现矿山智能化发展以及深井集约化开采的关键技术之一。

  在智能化矿山的背景下,矿山电力传动设备应具备全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制等智能化功能。重点攻克基于数据驱动的矿山电力传动系统状态感知与故障预测技术,主要包括矿山电力传动系统多时间尺度状态参数提取技术、矿山电力传动系统数据预处理与特征变量提取技术、基于机器学习的矿山电力传动系统状态感知与故障预测技术,最终实现矿山电力传动系统全寿命周期管理。

  要面向深井集约化开采的需求提升电机控制算法的智能性,主要包括高精度参数自学习、控制参数自整定与在线自优化技术、新型多目标满意优化预测控制的现场应用与推广、超长型刮板运输机与带式输送机中的多机功率平衡技术、超深井提升机机电耦合震荡抑制技术等方面。

  此外,在“5G+矿山物联网”下,推进矿山电力传动系统接入技术的开发,以实现矿山电力传动系统的日常维护基本信息管理、设备工况实时监测、典型故障模拟及预知以及维护决策。

  PART 05

  国产化进程中面临的问题

  小编 智能制造带动智能装备的发展,也带动了自主知识产权软硬件产品的研发,请问您如何看待矿山电力传动技术国产化进程中面临的卡脖子问题?

  嘉宾 矿山开采正在向大型化、深地化与智能化的方向发展,矿山电力传动技术作为矿山生产的主要动力来源逐步向大功率化方向发展。电力电子变换器大功率化发展对中、高压大容量功率器件的需求增加,要着力推进国产化大容量IGBT、IGCT、SiC功率器件的矿山应用,逐步实现矿用功率器件自主可控。数字芯片作为矿山电力传动算法的执行者,还须不断推进国产DSP芯片、数字逻辑处理芯片、AD芯片的技术突破,并逐步实现矿山电力传动系统数字芯片的自主可控

  


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