4-電力電子技術在艦船上的應用摘要：本文開始介紹了艦船的近幾年的發展情況；其次介紹了與艦船發展相關的電力電子技術的發展現狀；然后分別從電力電子技術在國外艦船上的應用概況和電力電子在軍船上的應用情況兩方面進行詳細闡述；最后對電力電子技術在艦船上的應用進行了展望。關鍵字：艦船，電力電子技術，軍船1概述艦船依靠自身配備的發電裝置獲取電能來驅動艦船運動的推進方式[2]，應用至今已有160余年的歷史，故電力推進也算得上是一種古老的推進方式了。近二三十年來，船舶電工技術取得了突飛猛進的發展。現代科學技術日新月異的變化，極大地促進了船電技術水平的提高。工業發達的國家，不僅通用船舶電氣設備不斷更新換代。而且，新技術在艦船上也得到了成功的應用。比較明顯的特點有兩個方面，一是微電子技術的推廣應用，極大地促進了船舶啟動化的發展，微型計算機在主機遙控、電站自動化、輔機自動化、各種監控系統中的應用越來越廣泛，滲透到各個領域。另一方面，是電力電子技術也越來越多地得到成功地應用，不僅提高了電氣設備的性能，而且在節能省材，減輕勞動力等方面顯示出極大的優越牲。我國船舶電氣設備的技術水平與發達國家相比，差距很大，通用電氣設備尚不能配套齊全，建造出口船的機電設備大部分要從國外進口，在新技術應用方面差距更大，幾乎沒有我們自行研制的產品能用于出口船。目前，有關單位竟相開發，但是，大都偏重于微電子技術，而對電力電子技術的應用研究重視不夠[3]。為此，本文擬對艦船電力電子技術的應用情況和發展前景略加論述，以期引起各方面的重視。因而，今天艦船所采用的電力推進已經不是以往的簡單重復，無論是艦船總體系統的組成或是推進裝置自身的性能都有了長足的進步和提高。2電力電子技術發展的現狀自從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代科技的歷史舞臺，以晶閘管組成的可控整流裝置不僅占領了直流傳動領域[1]，而且在電解、電化、勵磁等方面也廣泛應用，淘汰了傳統的閘流管和汞弧整流器，使電能的調節和控制開始了一個新時期。然而，晶閘管畢竟是一種只能控制其導通而不能控制其關斷的半控器件，在交流傳動和變頻電源的應用中存在不少難題，必須使用電感電容組成的強迫關斷電路才行。這樣就使裝置體積重量大，效率低，使用頻率有限。20世紀70年代以后，電子技術向大功率方向飛速發展[1]，以開關技術為基礎的功率電子技術，不但不斷地提高開關的頻率，而且朝著智能化、模塊化的方向發展。具有代表性的幾種功率電子器件首先在陸上電網得到了應用，然后又逐步發展到艦船上。功率電子技術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存在的一些缺點發生根本性的轉化，其優點和長處得到進一步發揚。20世紀80年代中期，國外又出現了第三代電力電子器件――功率集成電(PowerIC)，把功率等級不同的驅動、保護和檢測及功率輸出單元集于一體，使用更加方便、可靠，舉世囑目，被譽為第二次電子革命的前沿。關于電力電子器件發展階段的劃分可用圖1表示，元件的更新必然導致裝置的換代。全控型器件的問世，使變頻裝置出現了新的生機。近年來，變頻電源和交流傳動裝置的應用更加普及，幾乎所有的國家都用全控型器件取代了半控器件，用高開關頻率的脈寬調制(PWM)逆變器取代了傳統的三相六拍逆變器，輸出的正弦波形和電源側的功率因數得到顯著改善，減少了設備的體積重量，提高了性能。除大功率裝置以外，PWM技術巳在交流傳動和電源裝置中得到了廣泛應用，感應電動機的變頻調速在國外巳經普及，充分發揮其節能省材的優越性，為國民經濟帶來巨大的效益。可以認為，電子學巳劃分成微電子學和電力電子學兩大分支[5]。電力電子技術作為一個新的學科，巳受到各國學術界的普遍重視。幾年前，美國的電氣與電子工程師學會(IEEE)成立了電力電子學專業委員會，西德和日本也設立了相應的機構，以加強電力電子技術的研究，因此它一定會以更快的速度向前發展。由于有限流環節，啟動和運行過程對電網影響小，發電機的容量可以小一些。可以預言，隨著電力電子技術的發展，通過實船運行考核，不斷改進和完善，感應電動機的變頹調速裝置將在船上成功地推廣應用。4電力電子技術在軍船[5]上的應用從國外有關資料報導來看，美國海軍在電力電子技術的應用要早于在民船上的應用。特種電力驅動可控硅變額調速裝置巳于六十年代末用于艦用聲納儲能電源系統中。該系統組成如圖2所示，60Hz的艦電網經變頻裝置變為150Hz向9000轉／分的感應電動機拖動的飛輪儲能發電機組供電。轉速的提高，可以減小機組的尺寸。另一方面通過控制系統的作用使感應電動機按值轉矩特性工作。當儲能發電機周期性地向聲納發射機輸出240kW脈沖功率時，裝置只從艦電網吸取70kW的均衡功率，成功地解決了艦電網向大功率脈沖負載供電的問題。這種設備已在8000噸以上的數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。FFFL變頻裝置D150Hz220V40V60Hz圖2靜止變頻電源艦上的武備和電子系統大部需要400Hz電源[3]，因此，400Hz電源在艦上占有相當的比重。過去美艦上的400Hz電源都是由電動發電機組產生的。據統計，美國軍艦上已有30家工廠生產的195種400Hz電動發電機組，功率從幾千瓦到幾百千瓦。這么多品種和規格的機組，在人員培訓方面用掉很大費用，經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，更換機組往往要在船體開洞……。美海軍認為靜止變頻器無運動部件，從潛在能力看，比電動發電機組更可靠，效率高，便于維護保養，重量體積也可能比較小，總的比較下來認為靜止變頻裝置好。由于電力電子技術的發展，使這一想法變成了現實。美國七十年代建造的“斯普魯恩斯”級導彈驅逐艦已用了3臺150kVA，60--400Hz靜止變頻裝置，八十年代建造的“CG--47”級導彈巡洋艦使用了4臺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作主電路開關元件與SCR作開關元件的裝置相比，相同容量的重量，體積可減小一半，并且采用了微機控制；輸出波形與理想的正弦設定波形進行比較，一有偏差就進行實時較正，所以輸出波形好，負荷波動時，動態響應時間只有半個周渡，所以性能非常好。在結構上，裝置做成三個獨立的模塊[2]，可以從艦的艙口、門、過道處進出，便于維修和更換。據報導，由于電子設備的改進，對電源性能要求越來越高，實際試驗的結果表明，靜止變頻裝置性能優于電動發電機組，能夠更好地滿足電子系統對電源動態性能的要求。被譽為未來艦船上有生命力電源。可以認為，傳統的電動發電機組方案正受到靜止變頻裝置強有力的挑戰，隨著電力電子技術的進一步完善，靜止變頻裝置取代大部分的電動發電機勢在必然。不間斷電源艦船上的計算機，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。早期的電動發電機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電站的可靠性，正在致力于整個供電系統的大容量不間斷電源的研究。其方塊圖如圖3所示，它主要由能量儲存裝置和能量轉換裝置組成，前者類似于蓄電池，后者即為電力電子裝置。美國海軍認為采用這種系統的優點是：節約燃油，尺寸小，重量輕，降低發電裝置的建造費用，減少維修費用。采用不間斷電源巡航時，只需一臺發電機，不必開兩臺，使用發電機組在最佳效率點工作。燃氣輪發電機組從冷態啟動到開始供電需60秒，而不間斷電源只需接上的時間，這對要害部門特有意義。不間斷電源以艦在巡航時用臺發電機運行為設計基礎，對“斯普魯恩斯”驅逐艦來說，不間斷電源所能提供的電能，相當于2000kW機供電5分鐘。能量能量轉換裝置能量轉換裝置能量貯存裝置艦用450V60Hz要害負載450V60Hz圖34.4電力推進艦船電力推進系統具有布置靈活，控性能好，易于實現自動化等優點[4]，但是傳統的直流發電機一電動機推進方式，由于設備笨重、效率低、護保養工作量大而很少使用。電力電子技術在這個領域里的應用尚未獲得突破性進展，但已有實船運行的例子，前景是樂觀的。日本的富士公司曾為小船生產了兩種可控硅電力推進裝置。目前實船應用的大容量電力推進方案為：交流發電機一不可控整流(三相橋式)一直流電動機推進。全交流化的電力推進系統通過發電機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，減少維護方面前進了一步，但是還不夠理想。由于電力電子技術發展，美國海軍正致力于全交流化電力推進的研究，八十年代初就制定了未來驅逐艦綜臺電力推進的方案。常規潛艇方面[5]，國外也正在開展交一交電力推進系統的研究，以最終用感應電動機取代直流電動機推進，變頻調速裝置可以用GTR或GTO作主電路的開關元件，采用微機控制。5總結隨著電力電子技術的進一步發展和完善。可以預言，上述的電力推進方案在不久的將來將會得到實際應用。綜上所述，可以認為，電力電子技術的推廣應用，無疑是當今船電技術的發展方向之一。我國在這個技術領域還相當落后，如果不引起重視，差距將會越來越大。改革開放以來，我國已從發達國家引進了電力電子器件的制造技術，加上我國在微電子技術和控制理論方面已經取得的研究或果，進一步開展電力電子技術的應用研究工作已有了很好的基礎。但是，要使電力電子技術在艦船上推廣應用還有一定的難度。在開發電力電子裝置的同時，不僅要進行主電路和控制回路的研究，且要把電磁干擾問題作為主要技術關鍵加以解決。參考文獻：[1]蘇玉剛，陳渝光.電力電子技術.重慶：重慶大學出版社，2003