井下充電機性能與電磁兼容分析

周偉杰

關鍵詞：穩流精度，效率，絕緣柵雙極型晶體管，可控硅，場效應晶體管

0 引言

隨著國家能源政策的不斷推進，煤炭行業也在不斷轉型升級。在煤礦井下，傳統的燃油設備逐漸被新能源設備所取代。目前，煤礦井下新能源主要包括電池、超級電容、太陽能、風能等。其中，電池是最為常見的新能源裝備，其能夠提供穩定的電力支持，已經廣泛應用于煤礦井下的采掘、通風、照明、運輸等方面，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展至關重要[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，性能不好會對井下設備的充電和運行產生多種影響[3]。首先，充電效率低可能導致充電時間過長，浪費大量能源，并且影響井下設備的正常使用。其次，充電速度慢可能導致充電不足，影響井下設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，會對井下設備的安全造成威脅，甚至可能導致設備損壞或者事故發生。同時，井下充電機性能不好也可能導致過度充電或者充電不足，從而加速井下設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]，否則會對井下設備產生嚴重的影響。

本文通過對常用類型充電機的性能包括穩流精度、穩壓精度、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晶體管等，這些開關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整流，全橋和半橋各有優缺點，具體使用哪種結構要根據具體的應用場景來選擇，全橋的優點在于輸出功率大，可以驅動大功率負載，同時輸出電壓和電流都比較穩定，全橋的成本較高，需要多個開關管。半橋的優點在于簡單、成本低，只需要兩個開關管，適合小功率負載。但是，半橋的輸出電壓波形不夠平滑，可能會對負載產生一定的影響，可控硅（SCR）的導通電阻一般在1～10歐姆之間，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的導通電阻一般在幾個十分之一歐姆到幾個歐姆之間，而場效應晶體管（MOSFET）的導通電阻最低，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）和場效應晶體管（MOSFET）充電機，為方便研究這三種機型最原始狀態下的性能與電磁兼容，選取的三種充電機輸入輸出規格參數一致：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《電動汽車充電設備檢驗試驗規范》，GB 4824-2019《工業、科學和醫療設備 射頻騷擾特性 限值和測量方法》。

穩流精度：在660 VAC供電電壓時可控硅充電機最大穩流精度2.1%，絕緣柵雙極型晶體管充電機最大穩流精度0.6%，場效應晶體管充電機最大穩流精度0.5%；在759 VAC供電電壓時可控硅充電機最大穩流精度1.4%，絕緣柵雙極型晶體管最大穩流精度0.9%，場效應晶體管充電機最大穩流精度0.6%；561 VAC供電電壓時，可控硅充電機最大穩流精度-3.5%，絕緣柵雙極型晶體管充電機最大穩流精度-1.9%，場效應晶體管充電機最大穩流精度-0.6%。數據表明可控硅整流充電機的穩流精度最低，絕緣柵雙極型晶體管整流的充電機稍好，場效應晶體管整流充電機最好。各類電池電源對穩流精度的要求是不一樣的，其中，鋰離子電池電源對穩流精度的要求最高，良好的穩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，減少電池內部應力和熱量，從而降低電池故障和安全事故的風險。

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

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%，場效應晶體管充電機最低工作效率94.5%。

電磁兼容發射：將充電機連接至4Ω電子負載，設定最大額定工作狀態，分別測量0.15 kH Z～30MHz的傳導發射和30～1000MHz的輻射發射如圖2所示。

試驗結果可以發現：不管是傳導發射還是輻射發射可控硅的噪聲干擾都是最大的，特別是在傳導低頻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，而場效應晶體管是三種方式里干擾最小的。

3 結語

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，MOSFET充電機電磁兼容性最好，不會產生過多的電磁干擾。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用場景中，充電機會與其他電子設備或系統進行通信和數據交換，因此需要保證充電機的噪聲發射符合要求，以避免對周圍傳感器和系統之間通訊造成電磁干擾，如果選擇了基礎噪聲較高的充電機類型，必須要針對開關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。