井下充電機性能與電磁兼容分析

周偉杰

關(guān)鍵詞：穩(wěn)流精度，效率，絕緣柵雙極型晶體管，可控硅，場效應(yīng)晶體管

0 引言

隨著國家能源政策的不斷推進，煤炭行業(yè)也在不斷轉(zhuǎn)型升級。在煤礦井下，傳統(tǒng)的燃油設(shè)備逐漸被新能源設(shè)備所取代。目前，煤礦井下新能源主要包括電池、超級電容、太陽能、風(fēng)能等。其中，電池是最為常見的新能源裝備，其能夠提供穩(wěn)定的電力支持，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于煤礦井下的采掘、通風(fēng)、照明、運輸?shù)确矫?，煤礦井下充電機的性能和電磁兼容前景對于煤礦新能源的發(fā)展至關(guān)重要[1-2]。井下充電機的自身性能對負載的充電效率、充電速度以及安全性等方面都存在著巨大挑戰(zhàn)，性能不好會對井下設(shè)備的充電和運行產(chǎn)生多種影響[3]。首先，充電效率低可能導(dǎo)致充電時間過長，浪費大量能源，并且影響井下設(shè)備的正常使用。其次，充電速度慢可能導(dǎo)致充電不足，影響井下設(shè)備的使用效率和工作效率[4-5]。此外，井下充電機性能不好可能存在電壓波動、電流波動等問題，會對井下設(shè)備的安全造成威脅，甚至可能導(dǎo)致設(shè)備損壞或者事故發(fā)生。同時，井下充電機性能不好也可能導(dǎo)致過度充電或者充電不足，從而加速井下設(shè)備的老化和壽命縮短[6]。最后，井下充電機性能不好需要更頻繁地進行維護和修理，增加了維護成本和維護難度，除以上外，電磁兼容性的好壞也直接影響了智能化采集和無人化操作的便捷，因此，為了保證井下設(shè)備的正常運行和安全，井下充電機的性能和電磁兼容性必須保證良好[7]，否則會對井下設(shè)備產(chǎn)生嚴重的影響。

本文通過對常用類型充電機的性能包括穩(wěn)流精度、穩(wěn)壓精度、效率和電磁兼容性進行試驗對比，分析這些充電機在性能方面的優(yōu)缺點。

1 常用充電機工作類型介紹

煤礦井下充電機的整流電路可使用可控硅、絕緣柵雙極型晶體管和場效應(yīng)晶體管等，這些開關(guān)管的整流方式原理基本相同如圖1所示，都可以采用全橋式整流電路或半橋式整流電路來實現(xiàn)整流，全橋和半橋各有優(yōu)缺點，具體使用哪種結(jié)構(gòu)要根據(jù)具體的應(yīng)用場景來選擇，全橋的優(yōu)點在于輸出功率大，可以驅(qū)動大功率負載，同時輸出電壓和電流都比較穩(wěn)定，全橋的成本較高，需要多個開關(guān)管。半橋的優(yōu)點在于簡單、成本低，只需要兩個開關(guān)管，適合小功率負載。但是，半橋的輸出電壓波形不夠平滑，可能會對負載產(chǎn)生一定的影響，可控硅（SCR）的導(dǎo)通電阻一般在1～10歐姆之間，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的導(dǎo)通電阻一般在幾個十分之一歐姆到幾個歐姆之間，而場效應(yīng)晶體管（MOSFET）的導(dǎo)通電阻最低，一般在幾個毫歐以下，有些高性能的MOSFET甚至可以達到幾個十微歐的級別，可控硅SCR的控制電流較大，一般需要幾十毫安到幾百毫安不等；IGBT的控制電流較小，一般只需要幾毫安到幾十毫安不等；而MOSFET的控制電流更小，一般只需要幾微安到幾毫安不等，由于控制電流和導(dǎo)通電阻大小的差距，增加了功耗和熱損失，因此可控硅本身控制精度較差，更容易受到溫度、電壓等因素的影響；IGBT和MOSFET的控制精度較高，更容易實現(xiàn)精確控制。

2 比較分析

選取了煤礦井下三種常見全橋整流方式的充電機進行對比：可控硅（SCR）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和場效應(yīng)晶體管（MOSFET）充電機，為方便研究這三種機型最原始狀態(tài)下的性能與電磁兼容，選取的三種充電機輸入輸出規(guī)格參數(shù)一致：輸入電壓為660VAC，輸出電壓200～400 VDC，輸出電流0～100A，且前后級未做電磁兼容方濾波措施，負載都是采用電子負載模擬了鋰電池特性，測試采用標準NB/T 33008.1～33008.2-2018《電動汽車充電設(shè)備檢驗試驗規(guī)范》，GB 4824-2019《工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療設(shè)備 射頻騷擾特性 限值和測量方法》。

穩(wěn)流精度：在660 VAC供電電壓時可控硅充電機最大穩(wěn)流精度2.1%，絕緣柵雙極型晶體管充電機最大穩(wěn)流精度0.6%，場效應(yīng)晶體管充電機最大穩(wěn)流精度0.5%；在759 VAC供電電壓時可控硅充電機最大穩(wěn)流精度1.4%，絕緣柵雙極型晶體管最大穩(wěn)流精度0.9%，場效應(yīng)晶體管充電機最大穩(wěn)流精度0.6%；561 VAC供電電壓時，可控硅充電機最大穩(wěn)流精度-3.5%，絕緣柵雙極型晶體管充電機最大穩(wěn)流精度-1.9%，場效應(yīng)晶體管充電機最大穩(wěn)流精度-0.6%。數(shù)據(jù)表明可控硅整流充電機的穩(wěn)流精度最低，絕緣柵雙極型晶體管整流的充電機稍好，場效應(yīng)晶體管整流充電機最好。各類電池電源對穩(wěn)流精度的要求是不一樣的，其中，鋰離子電池電源對穩(wěn)流精度的要求最高，良好的穩(wěn)流精度能夠確保充電電流恒定且準確，提高充電效率、充電速度，延長電池壽命，并增強電池的安全性。穩(wěn)定的充電電流可以避免過高或過低的電流對電池造成損害，減少電池內(nèi)部應(yīng)力和熱量，從而降低電池故障和安全事故的風(fēng)險。

穩(wěn)壓精度：在6 6 0 VAC供電電壓時絕緣柵雙極型晶體管充電機最大穩(wěn)壓精度-0.22%，場效應(yīng)晶體管充電機最大穩(wěn)壓精度-0.15%；在759 VAC供電電壓時絕緣柵雙極型晶體管充電機最大穩(wěn)壓精度0.37%，場效應(yīng)晶體管充電機最大穩(wěn)壓精度0.30%；561 VAC供電電壓時，可控硅充電機最大穩(wěn)壓精度0.25%，絕緣柵雙極型晶體管充電機最大穩(wěn)壓精度-1.9%，場效應(yīng)晶體管充電機最大穩(wěn)壓精度0.15%。絕緣柵雙極型晶體管和場效應(yīng)晶體管整流充電機在穩(wěn)壓精度上幾乎一致，后者略優(yōu)于前者。

效率：在最大輸出電流下，可控硅充電機最低工作效率89.6%，絕緣柵雙極型晶體管充電機最低工作效率91.6%，場效應(yīng)晶體管充電機最低工作效率94.5%。

電磁兼容發(fā)射：將充電機連接至4Ω電子負載，設(shè)定最大額定工作狀態(tài)，分別測量0.15 kH Z～30MHz的傳導(dǎo)發(fā)射和30～1000MHz的輻射發(fā)射如圖2所示。

試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：不管是傳導(dǎo)發(fā)射還是輻射發(fā)射可控硅的噪聲干擾都是最大的，特別是在傳導(dǎo)低頻150～500 kHz之間與輻射低頻30 ～100MHz之間，期間的最大值幾乎和標準限值齊平，已經(jīng)沒有任何空間，絕緣柵雙極型晶體管的電磁噪聲相對可控硅較小，整體都在標準限值的下方，最小裕量超過10 dB，而場效應(yīng)晶體管是三種方式里干擾最小的。

3 結(jié)語

充電機性能：選取的三種充電機類型中，IGBT和MOSFET性能都相對出色，這兩種充電機都適用于各種類型的電池，包括鋰離子電池、鉛酸電池等；而SCR充電機的性能最低，不太適合鋰離子電池，更適用于對充電性能要求不高的大容量、低頻率鉛酸電池。

充電機電磁兼容：未做濾波處理的SCR充電機電磁兼容性較差，容易對外界造成較高電磁干擾；IGBT充電機的電磁兼容性稍微好，在標準要求限值內(nèi)，MOSFET充電機電磁兼容性最好，不會產(chǎn)生過多的電磁干擾。充電機無人化和智能采集都需要具備良好的電磁兼容性。在無人化和智能采集的應(yīng)用場景中，充電機會與其他電子設(shè)備或系統(tǒng)進行通信和數(shù)據(jù)交換，因此需要保證充電機的噪聲發(fā)射符合要求，以避免對周圍傳感器和系統(tǒng)之間通訊造成電磁干擾，如果選擇了基礎(chǔ)噪聲較高的充電機類型，必須要針對開關(guān)管這種功率元件進行濾波或屏蔽處理，才能有效降低電磁干擾。