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矿用电力机车及电源电磁兼容性

发布时间:2017-08-05   |  所属分类:矿业:论文发表  |  浏览:  |  加入收藏

  锂电池在现在电动车中用的是比较广泛的,由于锂离子蓄电池技术的成熟,能量密度和使用安全性的提高,在很多行业都得到广泛应用。本文主要论述了矿用电力机车及电源电磁兼容性。

矿业工程

  《矿业工程》(双月刊)创刊于2003年,由中国冶金建设集团鞍山冶金设计研究总院主办。主要报道当代国内外冶金矿山行业在科研、生产、管理、信息等方面的先进技术及经验。本刊诚挚欢迎科研、生产、管理、信息等方面的专家、学者和广大工程技术人员有关国内外冶金矿山方面的最新科技动态、生产实践等的学术论文和先进经验以及国家(省、部)基金资助项目的研究成果及出国考察报告。

  针对目前矿用电力机车动力电源本身产生较强的电磁辐射,对周围环境造成较为严重的电磁干扰,同时由于所处现场环境多种电磁干扰也会对电力机车和蓄电池管理系统可靠运行造成隐患,在实验室模拟工况和现场多种工况下提取电力机车用开关电源、发动机控制器和机车发动机等主要干扰源电磁辐射特征,结合已有煤矿井下电磁干扰的产生机理和干扰特性的研究结果,分别制定出相应的抗干扰方案。通过相关方法的研究提高煤矿井下车载电源对周围电磁环境的抗干扰能力,为丰富提高矿用电力机车的电磁兼容性、抗干扰能力和进一步完善相关行业标准提供理论依据。

  随着铅酸电池在煤矿的停止使用,在矿业领域以锂离子蓄电池为动力的机车也成为矿用机车发展的唯一方向。随着2012年5月相关标准的颁布,部分产品在煤矿的实际应用中发现矿用电动车和车载设备都存在比较严重电磁干扰。而锂离子蓄电池本身在使用过程中存在爆炸、自燃等风险需要电池管理系统对锂离子蓄电池进行实时管控,因此提高矿用车载锂离子蓄电池电源和与之关联的动力装置的整体抗电磁干扰能力,对煤矿井下安全生产具有极为重要的意义[1-2]。本文针对在煤矿井下电磁环境复杂条件下,为矿用动力机车电动力系统可靠运行,采取相应的改进措施。

  1矿用动力机车电动力系统组成

  矿用机车动力系统主要包括:锂离子蓄电池组、集成发动机启动器、发动机、矿用电池管理系统(BMS),直流开关电源(DC-DC),如图1所示。电力机车用开关电源本身就是一个大的电磁干扰源,同时煤矿井下环境相对封闭,也充满了各种高压电气设备和变频器设备,各种辐射的叠加,造成了较为复杂的电磁环境。通过对矿用电力机车的一种———无轨胶轮车各部件单独工作状态的测试分析发现,开关电源和驱动电机为环境的主要干扰源,而电池管理系统主要负责整个系统的动力和对电池的安全管理,是最需要进行电磁保护的模块[3-4]。

  2井下电磁干扰分析

  2.1开关电源的干扰机理

  矿用电力无轨胶轮车开关电源的主要干扰方式为:高频电流回路中容易产生极大的di/(dt),形成浪涌电流,诱发磁场辐射源对空间形成磁场辐射;各级电压变化的节点,特别在车辆启停和突然加速阶段会产生极高的du/(dt),整个电路中以传导的方式对电池管理系统造成干扰并对周围环境进行辐射干扰[5]。

  2.2发动机控制器

  发动机控制器采用的是脉冲宽度调制方式对矿用电力无轨胶轮车发动机进行控制,同开关电源启动一样会产生很大的高频脉冲信号,其具有很大的du/(dt)。当逻辑电路给驱动电机提供一个高电平的控制信号时,半导体材料开关的集电极和发射极电压近似为0,即当逻辑电路给驱动电压提供一个低电平的控制信号时,半导体材料开关的集电极和发射极电压近似为Ud,当发动机控制器不断动作,必然会伴随一个瞬时的上升和下降时间,集电极和发射极之间就会形成一个近似梯形的脉冲电压,如图2所示,梯形波电压幅值越大即集电极和发射极之间幅频特性的幅值越大,当控制器件产生较大的du/(dt)时,通过电缆中的寄生电容产生共模干扰电流,ic(t)=Cdudt该共模干扰产生电磁干扰在频率一般分布在几千赫兹到约三十兆赫兹之间。

  2.3发动机

  目前矿用电力无轨胶轮车的主要动力为ISG电机,该种电机的电流幅值和频率随着路况、车速以及输出功率频繁变化,其电机转速与三向电流频率之间的关系为:(1)P为ISG电机对数,通常电机对数为4;矿用电力无轨胶轮车启动阶段电机转速约为700~900r/min,在机车不同工况行驶阶段电机转速约为900~3500r/min,其中任一相电流A的表达式为:f(t)=f(t+kT)(2)傅里叶级数展开为:式中第一项为直流分量,第二项以后为基波分量和其他高次谐波。随着工况及车载电源的不同,矿用电动机车电源输入端的电流通常在60A~200A之间变化,频率范围在45~200Hz之间,同时根据式(3)谐波电流的幅值随谐波次数叠加而快速减小,因此6次以后的谐波对周围电磁辐射可基本忽略,所以矿用电动机车发动机及相应的动力电缆上产生的主要是低频电磁干扰[6]。

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