井下充电机性能与电磁兼容分析

周伟杰

关键词：稳流精度，效率，绝缘栅双极型晶体管，可控硅，场效应晶体管

0 引言

随着国家能源政策的不断推进，煤炭行业也在不断转型升级。在煤矿井下，传统的燃油设备逐渐被新能源设备所取代。目前，煤矿井下新能源主要包括电池、超级电容、太阳能、风能等。其中，电池是最为常见的新能源装备，其能够提供稳定的电力支持，已经广泛应用于煤矿井下的采掘、通风、照明、运输等方面，煤矿井下充电机的性能和电磁兼容前景对于煤矿新能源的发展至关重要[1-2]。井下充电机的自身性能对负载的充电效率、充电速度以及安全性等方面都存在着巨大挑战，性能不好会对井下设备的充电和运行产生多种影响[3]。首先，充电效率低可能导致充电时间过长，浪费大量能源，并且影响井下设备的正常使用。其次，充电速度慢可能导致充电不足，影响井下设备的使用效率和工作效率[4-5]。此外，井下充电机性能不好可能存在电压波动、电流波动等问题，会对井下设备的安全造成威胁，甚至可能导致设备损坏或者事故发生。同时，井下充电机性能不好也可能导致过度充电或者充电不足，从而加速井下设备的老化和寿命缩短[6]。最后，井下充电机性能不好需要更频繁地进行维护和修理，增加了维护成本和维护难度，除以上外，电磁兼容性的好坏也直接影响了智能化采集和无人化操作的便捷，因此，为了保证井下设备的正常运行和安全，井下充电机的性能和电磁兼容性必须保证良好[7]，否则会对井下设备产生严重的影响。

本文通过对常用类型充电机的性能包括稳流精度、稳压精度、效率和电磁兼容性进行试验对比，分析这些充电机在性能方面的优缺点。

1 常用充电机工作类型介绍

煤矿井下充电机的整流电路可使用可控硅、绝缘栅双极型晶体管和场效应晶体管等，这些开关管的整流方式原理基本相同如图1所示，都可以采用全桥式整流电路或半桥式整流电路来实现整流，全桥和半桥各有优缺点，具体使用哪种结构要根据具体的应用场景来选择，全桥的优点在于输出功率大，可以驱动大功率负载，同时输出电压和电流都比较稳定，全桥的成本较高，需要多个开关管。半桥的优点在于简单、成本低，只需要两个开关管，适合小功率负载。但是，半桥的输出电压波形不够平滑，可能会对负载产生一定的影响，可控硅（SCR）的导通电阻一般在1～10欧姆之间，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的导通电阻一般在几个十分之一欧姆到几个欧姆之间，而场效应晶体管（MOSFET）的导通电阻最低，一般在几个毫欧以下，有些高性能的MOSFET甚至可以达到几个十微欧的级别，可控硅SCR的控制电流较大，一般需要几十毫安到几百毫安不等；IGBT的控制电流较小，一般只需要几毫安到几十毫安不等；而MOSFET的控制电流更小，一般只需要几微安到几毫安不等，由于控制电流和导通电阻大小的差距，增加了功耗和热损失，因此可控硅本身控制精度较差，更容易受到温度、电压等因素的影响；IGBT和MOSFET的控制精度较高，更容易实现精确控制。

2 比较分析

选取了煤矿井下三种常见全桥整流方式的充电机进行对比：可控硅（SCR）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和场效应晶体管（MOSFET）充电机，为方便研究这三种机型最原始状态下的性能与电磁兼容，选取的三种充电机输入输出规格参数一致：输入电压为660VAC，输出电压200～400 VDC，输出电流0～100A，且前后级未做电磁兼容方滤波措施，负载都是采用电子负载模拟了锂电池特性，测试采用标准NB/T 33008.1～33008.2-2018《电动汽车充电设备检验试验规范》，GB 4824-2019《工业、科学和医疗设备 射频骚扰特性 限值和测量方法》。

稳流精度：在660 VAC供电电压时可控硅充电机最大稳流精度2.1%，绝缘栅双极型晶体管充电机最大稳流精度0.6%，场效应晶体管充电机最大稳流精度0.5%；在759 VAC供电电压时可控硅充电机最大稳流精度1.4%，绝缘栅双极型晶体管最大稳流精度0.9%，场效应晶体管充电机最大稳流精度0.6%；561 VAC供电电压时，可控硅充电机最大稳流精度-3.5%，绝缘栅双极型晶体管充电机最大稳流精度-1.9%，场效应晶体管充电机最大稳流精度-0.6%。数据表明可控硅整流充电机的稳流精度最低，绝缘栅双极型晶体管整流的充电机稍好，场效应晶体管整流充电机最好。各类电池电源对稳流精度的要求是不一样的，其中，锂离子电池电源对稳流精度的要求最高，良好的稳流精度能够确保充电电流恒定且准确，提高充电效率、充电速度，延长电池寿命，并增强电池的安全性。稳定的充电电流可以避免过高或过低的电流对电池造成损害，减少电池内部应力和热量，从而降低电池故障和安全事故的风险。

稳压精度：在6 6 0 VAC供电电压时绝缘栅双极型晶体管充电机最大稳压精度-0.22%，场效应晶体管充电机最大稳压精度-0.15%；在759 VAC供电电压时绝缘栅双极型晶体管充电机最大稳压精度0.37%，场效应晶体管充电机最大稳压精度0.30%；561 VAC供电电压时，可控硅充电机最大稳压精度0.25%，绝缘栅双极型晶体管充电机最大稳压精度-1.9%，场效应晶体管充电机最大稳压精度0.15%。绝缘栅双极型晶体管和场效应晶体管整流充电机在稳压精度上几乎一致，后者略优于前者。

效率：在最大输出电流下，可控硅充电机最低工作效率89.6%，绝缘栅双极型晶体管充电机最低工作效率91.6%，场效应晶体管充电机最低工作效率94.5%。

电磁兼容发射：将充电机连接至4Ω电子负载，设定最大额定工作状态，分别测量0.15 kH Z～30MHz的传导发射和30～1000MHz的辐射发射如图2所示。

试验结果可以发现：不管是传导发射还是辐射发射可控硅的噪声干扰都是最大的，特别是在传导低频150～500 kHz之间与辐射低频30 ～100MHz之间，期间的最大值几乎和标准限值齐平，已经没有任何空间，绝缘栅双极型晶体管的电磁噪声相对可控硅较小，整体都在标准限值的下方，最小裕量超过10 dB，而場效应晶体管是三种方式里干扰最小的。

3 结语

充电机性能：选取的三种充电机类型中，IGBT和MOSFET性能都相对出色，这两种充电机都适用于各种类型的电池，包括锂离子电池、铅酸电池等；而SCR充电机的性能最低，不太适合锂离子电池，更适用于对充电性能要求不高的大容量、低频率铅酸电池。

充电机电磁兼容：未做滤波处理的SCR充电机电磁兼容性较差，容易对外界造成较高电磁干扰；IGBT充电机的电磁兼容性稍微好，在标准要求限值内，MOSFET充电机电磁兼容性最好，不会产生过多的电磁干扰。充电机无人化和智能采集都需要具备良好的电磁兼容性。在无人化和智能采集的应用场景中，充电机会与其他电子设备或系统进行通信和数据交换，因此需要保证充电机的噪声发射符合要求，以避免对周围传感器和系统之间通讯造成电磁干扰，如果选择了基础噪声较高的充电机类型，必须要针对开关管这种功率元件进行滤波或屏蔽处理，才能有效降低电磁干扰。