摘 要:本文以新風光高壓防爆變頻器在內(nèi)蒙古某煤礦1200萬噸/年產(chǎn)能配套北翼主運皮帶機的應用為核心案例，系統(tǒng)闡述了“高壓防爆變頻器+礦用隔爆型永磁同步電機”直驅(qū)方案的技術原理、系統(tǒng)結構、控制策略及應用效果，為煤礦智能化運輸系統(tǒng)升級提供了可復制的技術方案。

1引言
煤炭作為我國主體能源，其安全高效開采與運輸對保障國家能源安全具有戰(zhàn)略意義。隨著《煤礦智能化建設指南（2021年版）》的深化實施，“少人則安、無人則安”的智能化礦山建設已成為行業(yè)轉型核心方向，而井下主運輸、通風、排水等關鍵系統(tǒng)的智能化驅(qū)動控制是實現(xiàn)這一目標的重要支撐。
主運皮帶輸送機作為煤礦井下“煤炭運輸大動脈”，承擔著90%以上的煤炭轉載任務，其運行特性直接決定了煤礦的整體產(chǎn)能與運營成本。此類設備普遍具有容量大（單系統(tǒng)功率常達5000kW 以上）、負載重（滿載時膠帶張力超1000kN）、24小時連續(xù)運行的特點，對驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性、調(diào)速性能與節(jié)能性提出嚴苛要求。
當前，我國多數(shù)煤礦井下皮帶機仍采用“異步電機+液力耦合器”的傳統(tǒng)驅(qū)動方案，該方案雖能通過液體介質(zhì)傳遞轉矩實現(xiàn)一定程度的平穩(wěn)啟動，但存在三大核心弊端：
（1） 能量損耗嚴重。液力耦合器存在固有滑差（通常3%~5%） ，滿載運行時滑差損耗導致系統(tǒng)效率僅為85%~90%。
（2）維護成本高。依賴液力傳動油的質(zhì)量與液位，需定期更換油品（每3~6個月一次），且耦合器易出現(xiàn)漏油、軸承磨損等故障，年均維護工時超120小時/臺。
（3）調(diào)速性能差。調(diào)速范圍僅為70%~100%額定轉速，無法根據(jù)煤流量動態(tài)調(diào)整速度，輕載時仍高速運行，進一步加劇機械磨損與能耗。

變頻調(diào)速技術憑借調(diào)速范圍寬（0-100% 額定轉速）、精度高(±0.5%）、響應快（<100ms）、軟啟動（啟動電流< 1.2倍額定電流）的優(yōu)勢，已成為替代液力耦合器的核心技術方向。但井下環(huán)境存在瓦斯、煤塵等爆炸性混合物，普通高壓變頻器無法滿足防爆要求，因此高壓防爆變頻器成為最優(yōu)方案。
新風光電子科技股份有限公司自主研發(fā)的BPBJV系列高壓防爆變頻器基于級聯(lián)H橋拓撲結構，融合移相諧波抑制、矢量控制、主從光纖通訊等技術，可適配10kV/6kV/3.3kV高壓等級、525~6000kW功率范圍的永磁直驅(qū)皮帶機。本文以內(nèi)蒙古某煤礦高壓防爆變頻器拖動大功率永磁直驅(qū)皮帶機應用案例為切入點，介紹該方案的技術方案與實際價值，為煤礦智能化運輸系統(tǒng)升級提供參考。

2 新風光高壓防爆變頻器應用案例
2.1 項目背景
內(nèi)蒙古某煤礦是國家能源集團規(guī)劃建設的千萬噸級現(xiàn)代化礦井，核定生產(chǎn)能力1200萬噸/年，服務年限75年。該礦北翼主運皮帶機承擔北翼采區(qū)全部煤炭運輸任務，運輸距離5000m（機頭至機尾），膠帶寬度1.8m，設計運量3500t/
h，原計劃采用“6臺10kV異步電機+液力耦合器”驅(qū)動方案，但經(jīng)技術論證后，最終選用“新風光 BPBJV2-1250/10高壓防爆變頻器+TBVF-900YC 永磁同步電機”直驅(qū)方案，具體參數(shù)如表1所示。
2.2 系統(tǒng)原理與結構

2.2.1 整體驅(qū)動系統(tǒng)架構
內(nèi)蒙古某煤礦該皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)采用“機頭4臺+機尾2臺”的分布式驅(qū)動方案（如圖1所示），6臺變頻器通過高速光纖組成主從控制網(wǎng)絡，其中1臺變頻器設為主機（機頭1#），其余5臺設為從機（機頭2#~4#、機尾5#~6#）。主機負責接收煤流量傳感器信號與系統(tǒng)啟停指令，通過光纖向從機發(fā)送轉速、轉矩基準值；從機實時反饋自身運行狀態(tài)（電流、電壓、轉矩），主機根據(jù)反饋數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整各從機的轉矩分配，確保6臺電機同步運行。
2.2.2 變頻器系統(tǒng)核心模塊
新風光高壓防爆變頻器采用“移相變壓器+功率單元+控制系統(tǒng)”一體化隔爆設計（防爆外殼防護等級IP54）。變頻器主電路采用三相三線制，每相由8個獨立功率單元串聯(lián)組成（如圖2所示），每個功率單元為單相H橋逆變結構（輸入為690V交流電，輸出為可調(diào)電壓的交流電）。通過“單元疊加”原理，每相輸出電壓為8個單元輸出電壓之和，最終實現(xiàn)10kV高壓輸出。該結構無需高壓IGBT模塊，僅采用低壓功率器件（690V等級），大幅提升了設備的可靠性與成本優(yōu)勢，可直接安裝于井下橫向巷道（距離皮帶機100m處），無需單獨建設防爆硐室。
新風光高壓防爆變頻器其核心模塊功能如下：
（1）移相變壓器模塊
· 功能1：電壓轉換——將10kV電網(wǎng)電壓降壓至690V，為8個功率單元提供獨立供電；

· 功能2：相位偏移——通過延邊三角形接線，使8組輸出電壓相位差7.5°,形成48脈沖整流，抑制電網(wǎng)諧波；
· 功能3：電氣隔離——每組功率單元電源相互隔離，避免單個單元故障影響整體系統(tǒng)。

（2）功率單元模塊
每個功率單元內(nèi)部包含整流橋（二極管）、濾波電容、逆變橋（IGBT）及控制板（如圖3所示）。主控單元向各功率單元發(fā)送正弦調(diào)制波信號，每個單元根據(jù)自身載波相位（相鄰單元相位差45°)生成 SPWM 波形，8個單元輸出波形疊加后，形成近似正弦波的高壓輸出（輸出電壓諧波畸變率THD<2%）。該設計無需輸出濾波器，對電機絕緣無 dv/ dt沖擊，可適配普通礦用電纜，支持5000m長距離供電。
（3）控制系統(tǒng)模塊
以DSP為核心，配套FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）實現(xiàn)高速邏輯控制，主要功能包括：指令處理：接收井上/井下控制指令，解析煤流量、張力傳感器信號；矢量控制：實時計算電機轉矩與轉速，控制變頻器輸出電壓/頻率；通訊管理： 通過光纖（傳輸速率100Mbps，延遲< 1ms）實現(xiàn)主從機數(shù)據(jù)交互；故障保護：具備過壓、過流、過載、單元故障等20余種保護功能。

2.3 關鍵控制策略
針對皮帶機多機驅(qū)動的核心“痛點”（負載分配不均、重載啟動困難、故障停機影響產(chǎn)能），新風光高壓防爆變頻器采用三大關鍵控制策略，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
2.3.1 主從轉速下垂控制——解決負載分配不均
多機驅(qū)動時，即使電機型號相同，也會因制造工藝（如繞組電阻差異）、安裝誤差（如滾筒直徑偏差）導致轉速-轉矩特性不一致，進而出現(xiàn)“部分電機過載、部分電機輕載”的問題。為解決此問題，系統(tǒng)采用主從轉速下垂控制策略：
（1）主機設定基準轉速n0，根據(jù)煤流量傳感器信號動態(tài)調(diào)整n0（如煤量3500t/h 時 n0=60r/min，煤量1750t/h時n0=30r/min）。
（2）主從機均引入“轉速下垂系數(shù)k”—— 當電機轉矩增加時，轉速按k值線性下降（n = n0 - k×T，T為電機轉矩）。
（3）主機實時采集6臺電機的電流（間接反映轉矩），通過光纖向從機發(fā)送“轉矩補償指令”，調(diào)整從機的下垂系數(shù)k，使6臺電機的轉矩偏差<2%。
實際運行數(shù)據(jù)顯示，該策略使機頭電機電流穩(wěn)定在85~87A，機尾電機電流穩(wěn)定在85~86A（額定電流 90A），不平衡率僅1.46%，遠優(yōu)于行業(yè)“不平衡率 < 5%”的標準。
2.3.2 低頻重載軟啟動——避免膠帶沖擊
皮帶機啟動時，膠帶處于靜止狀態(tài)，需克服靜摩擦力與膠帶彈性形變力，若啟動轉矩不足或轉速驟升，易導致膠帶打滑或撕裂。新風光變頻器通過矢量控制+啟動時間自適應調(diào)整實現(xiàn)軟啟動：
（1） 啟動初始階段（0~5s） ：變頻器輸出0.5Hz 低頻，提供2.2倍額定轉矩，緩慢克服靜摩擦力，使膠帶開始蠕動。
（2）加速階段（5~60s）：根據(jù)膠帶張力傳感器信號，自動調(diào)整加速時間，避免張力驟升。
（3）穩(wěn)定階段：轉速達到基準值后，保持轉矩穩(wěn)定，確保膠帶勻速運行。
該方案使啟動電流始終< 1.2倍額定電流（傳統(tǒng)液力耦合器啟動電流為4~6倍額定電流），徹底消除了啟動時對電網(wǎng)的沖擊，同時避免了膠帶因沖擊導致的疲勞損傷。
2.3.3 在線冗余投切功能——保障連續(xù)運行
某煤礦皮帶機采用“4運2備”的冗余設計（頭部雙滾筒四電機（3用1備），尾部單滾筒雙電機（1用1備），6臺變頻器中2臺設為備用（可手動設定），系統(tǒng)通過故障檢測 +快速切換實現(xiàn)不停機運行：

（1） 故障檢測：主控單元實時監(jiān)測運行變頻器的電壓、電流、溫度等參數(shù)，若某臺變頻器出現(xiàn)單元故障（如IGBT損壞），系統(tǒng)在50μs內(nèi)檢測到故障信號。
（2）單元旁路：若故障為單個功率單元故障，系統(tǒng)自動將故障單元旁路，變頻器仍可通過剩余7個單元輸出90%額定功率（1125kW），滿足皮帶機降負荷運行需求。
（3）整機切換：若故障為變頻器整機故障，主控單元立即向備用變頻器發(fā)送“啟動+轉矩基準”指令，備用變頻器在100ms內(nèi)完成啟動并接管負載，整個切換過程皮帶機轉速波動< 2%，無停機現(xiàn)象。
2.4 應用效果驗證
該煤礦防爆變頻器6臺一次性投入投運至今運行正常，6臺高壓防爆變頻器現(xiàn)場運行如圖4、圖5所示。
通過與傳統(tǒng)液力耦合器方案對比，在軟啟動、功率平衡、節(jié)能降耗等方面，高壓防爆變頻器均取得顯著效果，具體表現(xiàn)為以下幾個方面。
2.4.1 軟啟動與運行穩(wěn)定性
（1）啟動轉矩：0.5Hz時輸出2.2倍額定轉矩，成功實現(xiàn)3500t/h滿載啟動，無膠帶打滑現(xiàn)象。
（2）啟動時間：可在1~3600s內(nèi)任意設定，實際應用中根據(jù)煤量調(diào)整為60~300s，啟動過程電網(wǎng)電壓波動<3%。
（3）運行穩(wěn)定性：24小時連續(xù)運行時，變頻器輸出頻率波動<0.1Hz，膠帶速度偏差< 0.5m/min，滿足“勻速運輸”的需求。
2.4.2 功率平衡與長距離驅(qū)動
（1）轉矩平衡：機頭與機尾電機距離5000m，通過光纖通訊與轉速下垂控制，6臺電機轉矩偏差<2%，避免局部過載。
（2）長距離供電：機尾電機采用普通礦用電纜5000m距離下電壓降僅3%（10kV→9.7kV），電機運行正常，無需額外配置升壓裝置。
2.4.3 節(jié)能降耗效益
通過“煤流量自適應調(diào)速+永磁直驅(qū)+軟啟動”三重節(jié)能措施，系統(tǒng)能耗大幅降低，具體效益如下：
（1）電能節(jié)約：傳統(tǒng)方案年耗電量約860萬kWh，新方案年耗電量約650萬kWh，年節(jié)電210萬kWh，按0.6元/ kWh計算，年節(jié)約電費126萬元。
（2）維護成本降低：無需更換液力傳動油，減少減速機維護，年均維護工時從120小時降至20小時，維護成本節(jié)約80萬元/年。
（3）設備壽命延長：膠帶、滾筒、托輥等機械部件磨損減少，膠帶壽命從3年延長至6年，滾筒壽命從5年延長至8年，年均設備更換成本節(jié)約150萬元。
（4）碳減排：按火電煤耗300g/kWh計算，年節(jié)電210萬kWh 相當于減少標準煤消耗 630噸，減少CO?排放1570噸，單臺變頻器年減碳超500噸，助力煤礦實現(xiàn)“雙碳”目標。

3 新風光高壓防爆變頻器的應用優(yōu)勢
相較于行業(yè)內(nèi)其他廠家的高壓防爆變頻器方案，新風光產(chǎn)品在結構設計、可靠性、智能化等方面具有顯著優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在以下四個方面。
3.1 一體化設計——節(jié)省空間與施工成本
傳統(tǒng)方案采用“移動變壓器+獨立變頻器”的分體式設計，且兩者之間需敷設10kV高壓電纜，施工成本高、周期長。新風光將移相變壓器與變頻器整合為一體機（新風光變頻器與其他廠家對比如圖6所示），整機尺寸僅為3.3m×1.4m×1.8m（寬×深×高），僅需8.3m2 安裝空間，無需單獨建設變壓器硐室；同時，變壓器與變頻器內(nèi)部直接連線，省去外部高壓電纜，施工成本節(jié)約40%。
3.2多重保障運行無憂——保障高可靠性
新風光變頻器除設備自身具備在線冗余功能外，單臺變頻器每相最多支持3個功率單元冗余（即3個單元故障時，變頻器仍可輸出70% 額定功率），功率單元旁路過程示意如圖7所示；該冗余設計使設備平均無故障時間遠高于行業(yè)平均水平。
3.3 負載自適應——簡化操作
針對煤礦井下不同負載場景（如皮帶機、刮板機、風機），新風光變頻器內(nèi)置負載自適應算法：無需人工調(diào)整參數(shù)，變頻器可自動識別負載類型（如檢測到“低速大轉矩”則判定為皮帶機負載），自適應各類負載運行，多級驅(qū)動類負載具有自動功率平衡，無需人為干預。
3.4智慧礦山適配——支持遠程監(jiān)控與診斷口滿足智慧礦山通信接口，支持光纖，網(wǎng)線，無線等多種網(wǎng)絡接入方式，內(nèi)蒙古某煤礦采用網(wǎng)口通訊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄蠑?shù)據(jù)監(jiān)控中心；遠程監(jiān)控故障診斷：可以通過PC或者手機APP進行相關數(shù)據(jù)監(jiān)控，故障分析以及器件壽命預估。

4 結論
通過內(nèi)蒙古某煤礦1200萬噸/年產(chǎn)能配套主運皮帶機的應用效果表明，新風光高壓防爆變頻器不僅為煤礦主運皮帶機智能化驅(qū)動提供了成熟方案，也為井下其他高壓設備的變頻升級提供了參考，必將成為推動煤礦智能化建設與“雙碳”目標實現(xiàn)的核心裝備。