電力電子技術(shù)在艦船上的應(yīng)用

1、電力電子技術(shù)在艦船上的應(yīng)用摘要：本文開始介紹了艦船的近幾年的發(fā)展情況；其次介紹了與艦船發(fā)展相關(guān)的電力電子技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀；然后分別從電力電子技術(shù)在國外艦船上的應(yīng)用概況和電力電子在軍船上的應(yīng)用情況兩方面進(jìn)行詳細(xì)闡述；最后對(duì)電力電子技術(shù)在艦船上的應(yīng)用進(jìn)行了展望。關(guān)鍵字：艦船，電力電子技術(shù)，軍船1 概述 艦船依靠自身配備的發(fā)電裝置獲取電能來驅(qū)動(dòng)艦船運(yùn)動(dòng)的推進(jìn)方式2，應(yīng)用至今已有160余年的歷史，故電力推進(jìn)也算得上是一種古老的推進(jìn)方式了。近二三十年來，船舶電工技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)日新月異的變化，極大地促進(jìn)了船電技術(shù)水平的提高。工業(yè)發(fā)達(dá)的國家，不僅通用船舶電氣設(shè)備不斷更新?lián)Q代。而且，新技

2、術(shù)在艦船上也得到了成功的應(yīng)用。比較明顯的特點(diǎn)有兩個(gè)方面，一是微電子技術(shù)的推廣應(yīng)用，極大地促進(jìn)了船舶啟動(dòng)化的發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)在主機(jī)遙控、電站自動(dòng)化、輔機(jī)自動(dòng)化、各種監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛， 滲透到各個(gè)領(lǐng)域。另一方面，是電力電子技術(shù)也越來越多地得到成功地應(yīng)用，不僅提高了電氣設(shè)備的性能，而且在節(jié)能省材，減輕勞動(dòng)力等方面顯示出極大的優(yōu)越牲。我國船舶電氣設(shè)備的技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國家相比，差距很大，通用電氣設(shè)備尚不能配套齊全，建造出口船的機(jī)電設(shè)備大部分要從國外進(jìn)口，在新技術(shù)應(yīng)用方面差距更大， 幾乎沒有我們自行研制的產(chǎn)品能用于出口船。目前，有關(guān)單位竟相開發(fā)，但是，大都偏重于微電子技術(shù)，而對(duì)電力電子技術(shù)的應(yīng)用

3、研究重視不夠3。為此，本文擬對(duì)艦船電力電子技術(shù)的應(yīng)用情況和發(fā)展前景略加論述，以期引起各方面的重視。因而，今天艦船所采用的電力推進(jìn)已經(jīng)不是以往的簡單重復(fù)，無論是艦船總體系統(tǒng)的組成或是推進(jìn)裝置自身的性能都有了長足的進(jìn)步和提高。2 電力電子技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀自從1967年第一只可控硅(晶閘管)同世以來，電力電子器件便登上了現(xiàn)代科技的歷史舞臺(tái)，以晶閘管組成的可控整流裝置不僅占領(lǐng)了直流傳動(dòng)領(lǐng)域1，而且在電解、電化、勵(lì)磁等方面也廣泛應(yīng)用，淘汰了傳統(tǒng)的閘流管和汞弧整流器，使電能的調(diào)節(jié)和控制開始了一個(gè)新時(shí)期。然而，晶閘管畢竟是一種只能控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷的半控器件，在交流傳動(dòng)和變頻電源的應(yīng)用中存在不少難題，

4、必須使用電感電容組成的強(qiáng)迫關(guān)斷電路才行。這樣就使裝置體積重量大，效率低，使用頻率有限。20世紀(jì)70年代以后，電子技術(shù)向大功率方向飛速發(fā)展1，以開關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)的功率電子技術(shù)，不但不斷地提高開關(guān)的頻率，而且朝著智能化、模塊化的方向發(fā)展。具有代表性的幾種功率電子器件首先在陸上電網(wǎng)得到了應(yīng)用，然后又逐步發(fā)展到艦船上。功率電子技術(shù)不僅徹底改變了艦船能量變換的面貌，而且使原先船船電力推進(jìn)存在的一些缺點(diǎn)發(fā)生根本性的轉(zhuǎn)化，其優(yōu)點(diǎn)和長處得到進(jìn)一步發(fā)揚(yáng)。20世紀(jì)80年代中期，國外又出現(xiàn)了第三代電力電子器件功率集成電(Power IC) ，把功率等級(jí)不同的驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和檢測及功率輸出單元集于一體，使用更加方便、可靠，

5、舉世囑目，被譽(yù)為第二次電子革命的前沿。關(guān)于電力電子器件發(fā)展階段的劃分可用圖1表示，元件的更新必然導(dǎo)致裝置的換代。全控型器件的問世，使變頻裝置出現(xiàn)了新的生機(jī)。近年來，變頻電源和交流傳動(dòng)裝置的應(yīng)用更加普及，幾乎所有的國家都用全控型器件取代了半控器件，用高開關(guān)頻率的脈寬調(diào)制(PWM) 逆變器取代了傳統(tǒng)的三相六拍逆變器，輸出的正弦波形和電源側(cè)的功率因數(shù)得到顯著改善，減少了設(shè)備的體積重量，提高了性能。除大功率裝置以外，PWM 技術(shù)巳在交流傳動(dòng)和電源裝置中得到了廣泛應(yīng)用，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速在國外巳經(jīng)普及，充分發(fā)揮其節(jié)能省材的優(yōu)越性，為國民經(jīng)濟(jì)帶來巨大的效益?？梢哉J(rèn)為，電子學(xué)巳劃分成微電子學(xué)和電力電子學(xué)兩

6、大分支5。電力電子技術(shù)作為一個(gè)新的學(xué)科，巳受到各國學(xué)術(shù)界的普遍重視。幾年前，美國的電氣與電子工程師學(xué)會(huì)(IEEE)成立了電力電子學(xué)專業(yè)委員會(huì)，西德和日本也設(shè)立了相應(yīng)的機(jī)構(gòu)， 以加強(qiáng)電力電子技術(shù)的研究，因此它一定會(huì)以更快的速度向前發(fā)展。第一代SCR晶閘管電流控制型第二代電場控制型GTR功率晶體管GTO可關(guān)斷可控硅SIT靜電感應(yīng)晶體管SITH靜電感應(yīng)晶閘管VDMOS功率場效應(yīng)管IGBT絕緣柵晶閘管第三代PIC功率集成電路圖1 電力電子器件發(fā)展階段 (文中沒說明)3 電力電子技術(shù)在國外艦船上的應(yīng)用概況由于電力電子技術(shù)具有多方面的優(yōu)越性， 所以國外在陸用獲得成功經(jīng)一驗(yàn)的基礎(chǔ)上，逐步開發(fā)船用產(chǎn)品，并取得

7、了一些實(shí)用成果。在民船的應(yīng)用研究方面，西德和日本處于領(lǐng)先地位4，而在軍用艦船的應(yīng)用研究方面，美國處于領(lǐng)先地位。茲分述如下。3.1 發(fā)電裝置目前，民用的晶閘管逆變器式軸帶發(fā)電裝置就是大功率電子技術(shù)的成功應(yīng)用。西德AEG 公司從1967年開始研究，1973年世界石油危機(jī)時(shí)推出該產(chǎn)品。其最大優(yōu)點(diǎn)是用重油和主機(jī)冗余功率發(fā)電，具有明顯的節(jié)能效果，受到了各國船主的歡迎。之后，西門子公司也開發(fā)了這種產(chǎn)品。目前，這兩個(gè)公司都累計(jì)生產(chǎn)100套產(chǎn)品以上， 最大功率可達(dá)2000kW 。法國的阿爾斯通公司和日本的富士公司也相繼開發(fā)，并有產(chǎn)品裝船。這種軸帶發(fā)電裝置主回路采用可控硅元件，由同步補(bǔ)償器提供無功功率和換向電壓

8、，無需專用換向電路，所以系統(tǒng)工作的可靠牲較高。目前，雖然有Conspeed機(jī)械式軸帶發(fā)電裝置問世，但前者仍然是目前船用主機(jī)軸帶發(fā)電裝置的主力陣容2。3.2 電傳動(dòng)船上的電傳動(dòng)裝置很多，不少工作機(jī)械需要調(diào)速，但是由于感應(yīng)電動(dòng)不能變速運(yùn)轉(zhuǎn)，所以有些一定需要變速運(yùn)轉(zhuǎn)的裝置只能用變極電動(dòng)機(jī)或直流調(diào)速。用電力電子技術(shù)改造這些傳統(tǒng)設(shè)備難度較高。但是，日本有些公司不斷地實(shí)踐并取得了一些實(shí)用成果。隨著電力電子器件的更新，裝置也在更新?lián)Q代。(1)起貨機(jī)要求調(diào)速性能好，范圍廣，且能四象限運(yùn)行。過去，船上較多用直流發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)組方案，效率低，維護(hù)保養(yǎng)工作量大。日本富士公司首先研制了可控硅系統(tǒng)，已有50多套應(yīng)用實(shí)例

9、。其中帶反并聯(lián)可控硅組件適用于起貨機(jī)，不帶反并聯(lián)組件適用于絞車。(2)船舶輔機(jī)上的應(yīng)用船上擁有多種泵和風(fēng)機(jī)，這些工作機(jī)械在不同工況時(shí)要求原動(dòng)機(jī)能變速運(yùn)轉(zhuǎn)。恒速運(yùn)轉(zhuǎn)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)只能用節(jié)流的辦法進(jìn)行流量控制，能源浪費(fèi)甚大。最佳方案是用變頻調(diào)速裝置控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)工作機(jī)械的需要。日本富士公司開發(fā)了兩代這種產(chǎn)品3。 油船貨油泵變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置該裝置用第一代元件，主電路用可控硅，需要輔助換流設(shè)備，裝置體積和重量較大，要保證安全可靠地在船上運(yùn)轉(zhuǎn)難度很大。該裝置于1984-1986年間投入運(yùn)行，用于700噸石油制品運(yùn)輸船。 主機(jī)海水冷卻泵用GTR變頻調(diào)速裝置大功率低速柴油主機(jī)多用電動(dòng)海水泵向主機(jī)、氣

10、缸水套的淡水冷卻器、潤滑油及其它冷卻器供給冷卻海水。對(duì)于無限航區(qū)的船只，海水的溫度變化較大 為了保證主機(jī)的最佳工況，冷卻海水的流量要經(jīng)常調(diào)節(jié)。 第二代自關(guān)斷器件使逆變器的體積減小，可靠性提高，給艙室輔機(jī)推廣應(yīng)用變頻調(diào)速帶來樂觀的前景。日本大洋公司也開發(fā)了這種產(chǎn)品并投放市場，1989年有8套裝置用于28500噸的游船上。除了用于主機(jī)海水冷卻泵之外，還用于甲板機(jī)械的絞盤。實(shí)用結(jié)果認(rèn)為，比液壓系統(tǒng)安靜，節(jié)省勞力，與變極電動(dòng)機(jī)相比， 可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，無沖擊，運(yùn)行平穩(wěn)，這套裝置用于艏部衡推也取得了滿意的效果。 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速在起貨機(jī)上應(yīng)用難度大，因?yàn)樗笳{(diào)速范圍寬，四象限運(yùn)行，技術(shù)復(fù)雜，操作頻繁，可

11、靠性要求高。目前還未見到實(shí)船應(yīng)用的例子，但已在研究。據(jù)報(bào)導(dǎo)，1986年日本的西芝公司已用GTR研制成功船舶裝卸機(jī)械用的逆變裝置。通過試驗(yàn)，該裝置顯示出很大的優(yōu)越性。(一) 使用標(biāo)準(zhǔn)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，不像直流電動(dòng)機(jī)需要經(jīng)常維護(hù)、保養(yǎng)。(二) 能夠四象限運(yùn)轉(zhuǎn)。(三) 主回路為不可控整流，對(duì)電網(wǎng)的電磁干擾小，功率因數(shù)高。這一點(diǎn)比可控 硅倫那特系統(tǒng)還好。(四) 由于有限流環(huán)節(jié)，啟動(dòng)和運(yùn)行過程對(duì)電網(wǎng)影響小，發(fā)電機(jī)的容量可以小一些。可以預(yù)言，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，通過實(shí)船運(yùn)行考核，不斷改進(jìn)和完善，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的變頹調(diào)速裝置將在船上成功地推廣應(yīng)用。4 電力電子技術(shù)在軍船5上的應(yīng)用 從國外有關(guān)資料報(bào)導(dǎo)來看， 美國

12、海軍在電力電子技術(shù)的應(yīng)用要早于在民船上的應(yīng)用。4.1 特種電力驅(qū)動(dòng)可控硅變額調(diào)速裝置巳于六十年代末用于艦用聲納儲(chǔ)能電源系統(tǒng)中。該系統(tǒng)組成如圖2所示，60Hz的艦電網(wǎng)經(jīng)變頻裝置變?yōu)?50Hz向9000轉(zhuǎn)分的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的飛輪儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)組供電。轉(zhuǎn)速的提高，可以減小機(jī)組的尺寸。另一方面通過控制系統(tǒng)的作用使感應(yīng)電動(dòng)機(jī)按值轉(zhuǎn)矩特性工作。當(dāng)儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)周期性地向聲納發(fā)射機(jī)輸出240kW脈沖功率時(shí)，裝置只從艦電網(wǎng)吸取70kW 的均衡功率，成功地解決了艦電網(wǎng)向大功率脈沖負(fù)載供電的問題。這種設(shè)備已在8000噸以上的數(shù)十條軍艦上安裝使用。八十年代初曾把變頻裝置由電壓型逆變器改為電流型，其它部分未作改動(dòng)。FFL變

13、頻裝 置D150Hz220V40V60Hz圖24.2 靜止變頻電源艦上的武備和電子系統(tǒng)大部需要400Hz電源3，因此，400Hz電源在艦上占有相當(dāng)?shù)谋戎?。過去美艦上的400Hz電源都是由電動(dòng)發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國軍艦上已有30家工廠生產(chǎn)的195種400Hz電動(dòng)發(fā)電機(jī)組，功率從幾千瓦到幾百千瓦。這么多品種和規(guī)格的機(jī)組， 在人員培訓(xùn)方面用掉很大費(fèi)用，經(jīng)過多年的使用感到故障率很高，效率低，滿載效率為66-88 ，半載效率為61-86，噪音較高。由于故障率高，更換機(jī)組往往要在船體開洞。美海軍認(rèn)為靜止變頻器無運(yùn)動(dòng)部件，從潛在能力看，比電動(dòng)發(fā)電機(jī)組更可靠，效率高，便于維護(hù)保養(yǎng)，重量體積也可能比較小，

14、總的比較下來認(rèn)為靜止變頻裝置好。由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，使這一想法變成了現(xiàn)實(shí)。美國七十年代建造的“斯普魯恩斯”級(jí)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦已用了3臺(tái)150kVA，60-400Hz靜止變頻裝置，八十年代建造的“CG-47”級(jí)導(dǎo)彈巡洋艦使用了4臺(tái)ALS公司研制的MK48型300kVA、60-400Hz靜止變頻裝置。新一代變頻裝置已用GTR作主電路開關(guān)元件與SCR作開關(guān)元件的裝置相比，相同容量的重量，體積可減小一半， 并且采用了微機(jī)控制；輸出波形與理想的正弦設(shè)定波形進(jìn)行比較，一有偏差就進(jìn)行實(shí)時(shí)較正，所以輸出波形好，負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間只有半個(gè)周渡，所以性能非常好。在結(jié)構(gòu)上，裝置做成三個(gè)獨(dú)立的模塊2，可以從艦的艙

15、口、門、過道處進(jìn)出，便于維修和更換。據(jù)報(bào)導(dǎo)，由于電子設(shè)備的改進(jìn)，對(duì)電源性能要求越來越高，實(shí)際試驗(yàn)的結(jié)果表明，靜止變頻裝置性能優(yōu)于電動(dòng)發(fā)電機(jī)組，能夠更好地滿足電子系統(tǒng)對(duì)電源動(dòng)態(tài)性能的要求。被譽(yù)為未來艦船上有生命力電源?？梢哉J(rèn)為，傳統(tǒng)的電動(dòng)發(fā)電機(jī)組方案正受到靜止變頻裝置強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)，隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)一步完善，靜止變頻裝置取代大部分的電動(dòng)發(fā)電機(jī)勢在必然。4.3 不間斷電源艦船上的計(jì)算機(jī)，各種自控裝置都需要不間斷電源（U.P.S）4。這已是人人皆知了。早期的電動(dòng)發(fā)電機(jī)組備用電源已被淘汰，而為靜止變頻和蓄電池的組合形式所取代，幾乎都用GTR元件和PWM控制方式。因該一提的是美國海軍為了提高整個(gè)電站的

16、可靠性，正在致力于整個(gè)供電系統(tǒng)的大容量不間斷電源的研究。其方塊圖如圖3所示，它主要由能量儲(chǔ)存裝置和能量轉(zhuǎn)換裝置組成，前者類似于蓄電池，后者即為電力電子裝置。美國海軍認(rèn)為采用這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：節(jié)約燃油，尺寸小，重量輕，降低發(fā)電裝置的建造費(fèi)用，減少維修費(fèi)用。采用不間斷電源巡航時(shí)，只需一臺(tái)發(fā)電機(jī)，不必開兩臺(tái)，使用發(fā)電機(jī)組在最佳效率點(diǎn)工作。燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組從冷態(tài)啟動(dòng)到開始供電需60秒，而不間斷電源只需接上的時(shí)間，這對(duì)要害部門特有意義。不間斷電源以艦在巡航時(shí)用臺(tái)發(fā)電機(jī)運(yùn)行為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)， 對(duì)“斯普魯恩斯”驅(qū)逐艦來說，不間斷電源所能提供的電能， 相當(dāng)于2000kW機(jī)供電5分鐘。能量轉(zhuǎn)換裝置能量轉(zhuǎn)換裝置能量貯存裝

17、置艦用450V 60Hz要害負(fù)載450V 60Hz圖34.4 電力推進(jìn)艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)具有布置靈活，控性能好，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)4，但是傳統(tǒng)的直流發(fā)電機(jī)一電動(dòng)機(jī)推進(jìn)方式，由于設(shè)備笨重、效率低、護(hù)保養(yǎng)工作量大而很少使用。電力電子技術(shù)在這個(gè)領(lǐng)域里的應(yīng)用尚未獲得突破性進(jìn)展，但已有實(shí)船運(yùn)行的例子，前景是樂觀的。 日本的富士公司曾為小船生產(chǎn)了兩種可控硅電力推進(jìn)裝置。 目前實(shí)船應(yīng)用的大容量電力推進(jìn)方案為：交流發(fā)電機(jī)一不可控整流(三相橋式)一直流電動(dòng)機(jī)推進(jìn)。 全交流化的電力推進(jìn)系統(tǒng)通過發(fā)電機(jī)的交流化采用不司控硅整流裝置與老方案相比，在提高可靠性，減少維護(hù)方面前進(jìn)了一步，但是還不夠理想。由于電力電子技術(shù)發(fā)展

18、，美國海軍正致力于全交流化電力推進(jìn)的研究，八十年代初就制定了未來驅(qū)逐艦綜臺(tái)電力推進(jìn)的方案。常規(guī)潛艇方面5，國外也正在開展交一交電力推進(jìn)系統(tǒng)的研究，以最終用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)取代直流電動(dòng)機(jī)推進(jìn)，變頻調(diào)速裝置可以用GTR或GTO作主電路的開關(guān)元件，采用微機(jī)控制。5 總結(jié)隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善?？梢灶A(yù)言，上述的電力推進(jìn)方案在不久的將來將會(huì)得到實(shí)際應(yīng)用。綜上所述，可以認(rèn)為，電力電子技術(shù)的推廣應(yīng)用，無疑是當(dāng)今船電技術(shù)的發(fā)展方向之一。我國在這個(gè)技術(shù)領(lǐng)域還相當(dāng)落后，如果不引起重視，差距將會(huì)越來越大。改革開放以來，我國已從發(fā)達(dá)國家引進(jìn)了電力電子器件的制造技術(shù)，加上我國在微電子技術(shù)和控制理論方面已經(jīng)取得的研究或果， 進(jìn)一步開展電力電子技術(shù)的應(yīng)用研究工作已有了很好的基礎(chǔ)。但是，要使電力電子技術(shù)在艦船上推廣應(yīng)用還有一定的難度。在開發(fā)電力