摘要: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。
关键词:矿用电力机车;电源;电磁干扰;抑制措施;
前言
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，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］。
3电磁干扰解决方案
各种可能产生电磁场的设备对周围形成的干扰都需要具备三个要素:干扰源、干扰传播路径和易被干扰的敏感设备，这三个要素任何一个要素得到抑制，整个电磁兼容效果都会得到改善。由于煤矿井下生产特殊环境的限制，在相对狭小封闭的空间内有大量的高压电气和变频器设备并且在现有技术水平下不会有太大改变，所以只能接受外部干扰源的客观存在，而解决干扰的方式就是通过结构、材料、电气电路等的改进削弱干扰的传播途径和加强对敏感设备的保护，同时抑制自身内部的干扰源的产生。(1)优化传播途径中的干扰，首先改进屏蔽体结构，在装配面涂导电胶并编制金属丝线增加对干扰源的屏蔽能力;通过设计多个穿腔端子的方式使普通信号和相对高频信号通过不同的穿腔端子实现各隔爆腔之间的通讯，并配置屏蔽电缆增加接地点，使信号间相互隔离，该种方法可以较好的解决矿用电动机车发动机所产生的低频干扰。(2)增强易被干扰敏感设备的抗干扰能力，在各个易被干扰敏感模块的电源端并入适量的电容，旁路开关电源和电机启动带来的高频干扰，必要时加入电源滤波模块隔离输出的干扰信号。
4结论
经过对已取得煤矿安标的矿用电力无轨胶轮车整体电控系统电磁兼容性重新设计，矿用电力无轨胶轮车电控系统的工作稳定性，电源管理系统的抗干扰能力和发动机等动力模块的干扰抑制能力得到有效的提高。针对在矿用井下环境矿用电力无轨胶轮车的试验和数据分析，为丰富提高矿用电力机车的电磁兼容性优化设计，进一步完善行业检验方法的起草、检验有效性阀值的选取提供理论依据、行业标准的制定提供理论依据。
参考文献
［1］李博．矿用车载型锂离子电源管理系统设计［J］．金属矿山，2012.455(5):134－138．
［2］李博．煤矿井下备用电源网络化电池管理系统研究［J］．自动化与仪器仪表，2012(6):42－45．
［3］石晶，李运杰，程浩．动力电池组均衡充电的研究［J］．辽宁工业大学学报(自然版)，2013(4):96－99．
［4］陈特放，刘骞等．电力机车用110V大功率高频开关电源电磁兼容性［J］．中国铁道科学，2005.26(3):100－105．
［5］李和明，张丽霞，颜湘武，等．动力蓄电池组测试系统中双向直流滤波器设计［J］．中国电机工程学报，2009，29(9):1－7．
［6］汪泉弟，刘青松，安宗裕等．混合动力客车低频电磁辐射机理及抑制方法［J］．电工技术学报，2014，29(1)202－207．
作者：李博 单位：煤炭科学技术研究院有限公司
