电力电子技术在舰船上的应用

1、电力电子技术在舰船上的应用摘要：本文开始介绍了舰船的近几年的发展情况；其次介绍了与舰船发展相关的电力电子技术的发展现状；然后分别从电力电子技术在国外舰船上的应用概况和电力电子在军船上的应用情况两方面进行详细阐述；最后对电力电子技术在舰船上的应用进行了展望。关键字：舰船，电力电子技术，军船1 概述 舰船依靠自身配备的发电装置获取电能来驱动舰船运动的推进方式2，应用至今已有160余年的历史，故电力推进也算得上是一种古老的推进方式了。近二三十年来，船舶电工技术取得了突飞猛进的发展。现代科学技术日新月异的变化，极大地促进了船电技术水平的提高。工业发达的国家，不仅通用船舶电气设备不断更新换代。而且，新技

2、术在舰船上也得到了成功的应用。比较明显的特点有两个方面，一是微电子技术的推广应用，极大地促进了船舶启动化的发展，微型计算机在主机遥控、电站自动化、辅机自动化、各种监控系统中的应用越来越广泛， 渗透到各个领域。另一方面，是电力电子技术也越来越多地得到成功地应用，不仅提高了电气设备的性能，而且在节能省材，减轻劳动力等方面显示出极大的优越牲。我国船舶电气设备的技术水平与发达国家相比，差距很大，通用电气设备尚不能配套齐全，建造出口船的机电设备大部分要从国外进口，在新技术应用方面差距更大， 几乎没有我们自行研制的产品能用于出口船。目前，有关单位竟相开发，但是，大都偏重于微电子技术，而对电力电子技术的应用

3、研究重视不够3。为此，本文拟对舰船电力电子技术的应用情况和发展前景略加论述，以期引起各方面的重视。因而，今天舰船所采用的电力推进已经不是以往的简单重复，无论是舰船总体系统的组成或是推进装置自身的性能都有了长足的进步和提高。2 电力电子技术发展的现状自从1967年第一只可控硅(晶闸管)同世以来，电力电子器件便登上了现代科技的历史舞台，以晶闸管组成的可控整流装置不仅占领了直流传动领域1，而且在电解、电化、励磁等方面也广泛应用，淘汰了传统的闸流管和汞弧整流器，使电能的调节和控制开始了一个新时期。然而，晶闸管毕竟是一种只能控制其导通而不能控制其关断的半控器件，在交流传动和变频电源的应用中存在不少难题，

4、必须使用电感电容组成的强迫关断电路才行。这样就使装置体积重量大，效率低，使用频率有限。20世纪70年代以后，电子技术向大功率方向飞速发展1，以开关技术为基础的功率电子技术，不但不断地提高开关的频率，而且朝着智能化、模块化的方向发展。具有代表性的几种功率电子器件首先在陆上电网得到了应用，然后又逐步发展到舰船上。功率电子技术不仅彻底改变了舰船能量变换的面貌，而且使原先船船电力推进存在的一些缺点发生根本性的转化，其优点和长处得到进一步发扬。20世纪80年代中期，国外又出现了第三代电力电子器件功率集成电(Power IC) ，把功率等级不同的驱动、保护和检测及功率输出单元集于一体，使用更加方便、可靠，

5、举世嘱目，被誉为第二次电子革命的前沿。关于电力电子器件发展阶段的划分可用图1表示，元件的更新必然导致装置的换代。全控型器件的问世，使变频装置出现了新的生机。近年来，变频电源和交流传动装置的应用更加普及，几乎所有的国家都用全控型器件取代了半控器件，用高开关频率的脉宽调制(PWM) 逆变器取代了传统的三相六拍逆变器，输出的正弦波形和电源侧的功率因数得到显著改善，减少了设备的体积重量，提高了性能。除大功率装置以外，PWM 技术巳在交流传动和电源装置中得到了广泛应用，感应电动机的变频调速在国外巳经普及，充分发挥其节能省材的优越性，为国民经济带来巨大的效益。可以认为，电子学巳划分成微电子学和电力电子学两

6、大分支5。电力电子技术作为一个新的学科，巳受到各国学术界的普遍重视。几年前，美国的电气与电子工程师学会(IEEE)成立了电力电子学专业委员会，西德和日本也设立了相应的机构， 以加强电力电子技术的研究，因此它一定会以更快的速度向前发展。第一代SCR晶闸管电流控制型第二代电场控制型GTR功率晶体管GTO可关断可控硅SIT静电感应晶体管SITH静电感应晶闸管VDMOS功率场效应管IGBT绝缘栅晶闸管第三代PIC功率集成电路图1 电力电子器件发展阶段 (文中没说明)3 电力电子技术在国外舰船上的应用概况由于电力电子技术具有多方面的优越性， 所以国外在陆用获得成功经一验的基础上，逐步开发船用产品，并取得

7、了一些实用成果。在民船的应用研究方面，西德和日本处于领先地位4，而在军用舰船的应用研究方面，美国处于领先地位。兹分述如下。3.1 发电装置目前，民用的晶闸管逆变器式轴带发电装置就是大功率电子技术的成功应用。西德AEG 公司从1967年开始研究，1973年世界石油危机时推出该产品。其最大优点是用重油和主机冗余功率发电，具有明显的节能效果，受到了各国船主的欢迎。之后，西门子公司也开发了这种产品。目前，这两个公司都累计生产100套产品以上， 最大功率可达2000kW 。法国的阿尔斯通公司和日本的富士公司也相继开发，并有产品装船。这种轴带发电装置主回路采用可控硅元件，由同步补偿器提供无功功率和换向电压

8、，无需专用换向电路，所以系统工作的可靠牲较高。目前，虽然有Conspeed机械式轴带发电装置问世，但前者仍然是目前船用主机轴带发电装置的主力阵容2。3.2 电传动船上的电传动装置很多，不少工作机械需要调速，但是由于感应电动不能变速运转，所以有些一定需要变速运转的装置只能用变极电动机或直流调速。用电力电子技术改造这些传统设备难度较高。但是，日本有些公司不断地实践并取得了一些实用成果。随着电力电子器件的更新，装置也在更新换代。(1)起货机要求调速性能好，范围广，且能四象限运行。过去，船上较多用直流发电机-电动机组方案，效率低，维护保养工作量大。日本富士公司首先研制了可控硅系统，已有50多套应用实例

9、。其中带反并联可控硅组件适用于起货机，不带反并联组件适用于绞车。(2)船舶辅机上的应用船上拥有多种泵和风机，这些工作机械在不同工况时要求原动机能变速运转。恒速运转的感应电动机只能用节流的办法进行流量控制，能源浪费甚大。最佳方案是用变频调速装置控制电动机的转速，以适应工作机械的需要。日本富士公司开发了两代这种产品3。 油船货油泵变频调速驱动装置该装置用第一代元件，主电路用可控硅，需要辅助换流设备，装置体积和重量较大，要保证安全可靠地在船上运转难度很大。该装置于1984-1986年间投入运行，用于700吨石油制品运输船。 主机海水冷却泵用GTR变频调速装置大功率低速柴油主机多用电动海水泵向主机、气

10、缸水套的淡水冷却器、润滑油及其它冷却器供给冷却海水。对于无限航区的船只，海水的温度变化较大 为了保证主机的最佳工况，冷却海水的流量要经常调节。 第二代自关断器件使逆变器的体积减小，可靠性提高，给舱室辅机推广应用变频调速带来乐观的前景。日本大洋公司也开发了这种产品并投放市场，1989年有8套装置用于28500吨的游船上。除了用于主机海水冷却泵之外，还用于甲板机械的绞盘。实用结果认为，比液压系统安静，节省劳力，与变极电动机相比， 可实现软起动，无冲击，运行平稳，这套装置用于艏部衡推也取得了满意的效果。 感应电动机变频调速在起货机上应用难度大，因为它要求调速范围宽，四象限运行，技术复杂，操作频繁，可

11、靠性要求高。目前还未见到实船应用的例子，但已在研究。据报导，1986年日本的西芝公司已用GTR研制成功船舶装卸机械用的逆变装置。通过试验，该装置显示出很大的优越性。(一) 使用标准的感应电动机，不像直流电动机需要经常维护、保养。(二) 能够四象限运转。(三) 主回路为不可控整流，对电网的电磁干扰小，功率因数高。这一点比可控 硅伦那特系统还好。(四) 由于有限流环节，启动和运行过程对电网影响小，发电机的容量可以小一些。可以预言，随着电力电子技术的发展，通过实船运行考核，不断改进和完善，感应电动机的变颓调速装置将在船上成功地推广应用。4 电力电子技术在军船5上的应用 从国外有关资料报导来看， 美国

12、海军在电力电子技术的应用要早于在民船上的应用。4.1 特种电力驱动可控硅变额调速装置巳于六十年代末用于舰用声纳储能电源系统中。该系统组成如图2所示，60Hz的舰电网经变频装置变为150Hz向9000转分的感应电动机拖动的飞轮储能发电机组供电。转速的提高，可以减小机组的尺寸。另一方面通过控制系统的作用使感应电动机按值转矩特性工作。当储能发电机周期性地向声纳发射机输出240kW脉冲功率时，装置只从舰电网吸取70kW 的均衡功率，成功地解决了舰电网向大功率脉冲负载供电的问题。这种设备已在8000吨以上的数十条军舰上安装使用。八十年代初曾把变频装置由电压型逆变器改为电流型，其它部分未作改动。FFL变

13、频装 置D150Hz220V40V60Hz图24.2 静止变频电源舰上的武备和电子系统大部需要400Hz电源3，因此，400Hz电源在舰上占有相当的比重。过去美舰上的400Hz电源都是由电动发电机组产生的。据统计，美国军舰上已有30家工厂生产的195种400Hz电动发电机组，功率从几千瓦到几百千瓦。这么多品种和规格的机组， 在人员培训方面用掉很大费用，经过多年的使用感到故障率很高，效率低，满载效率为66-88 ，半载效率为61-86，噪音较高。由于故障率高，更换机组往往要在船体开洞。美海军认为静止变频器无运动部件，从潜在能力看，比电动发电机组更可靠，效率高，便于维护保养，重量体积也可能比较小，

14、总的比较下来认为静止变频装置好。由于电力电子技术的发展，使这一想法变成了现实。美国七十年代建造的“斯普鲁恩斯”级导弹驱逐舰已用了3台150kVA，60-400Hz静止变频装置，八十年代建造的“CG-47”级导弹巡洋舰使用了4台ALS公司研制的MK48型300kVA、60-400Hz静止变频装置。新一代变频装置已用GTR作主电路开关元件与SCR作开关元件的装置相比，相同容量的重量，体积可减小一半， 并且采用了微机控制；输出波形与理想的正弦设定波形进行比较，一有偏差就进行实时较正，所以输出波形好，负荷波动时，动态响应时间只有半个周渡，所以性能非常好。在结构上，装置做成三个独立的模块2，可以从舰的舱

15、口、门、过道处进出，便于维修和更换。据报导，由于电子设备的改进，对电源性能要求越来越高，实际试验的结果表明，静止变频装置性能优于电动发电机组，能够更好地满足电子系统对电源动态性能的要求。被誉为未来舰船上有生命力电源。可以认为，传统的电动发电机组方案正受到静止变频装置强有力的挑战，随着电力电子技术的进一步完善，静止变频装置取代大部分的电动发电机势在必然。4.3 不间断电源舰船上的计算机，各种自控装置都需要不间断电源（U.P.S）4。这已是人人皆知了。早期的电动发电机组备用电源已被淘汰，而为静止变频和蓄电池的组合形式所取代，几乎都用GTR元件和PWM控制方式。因该一提的是美国海军为了提高整个电站的

16、可靠性，正在致力于整个供电系统的大容量不间断电源的研究。其方块图如图3所示，它主要由能量储存装置和能量转换装置组成，前者类似于蓄电池，后者即为电力电子装置。美国海军认为采用这种系统的优点是：节约燃油，尺寸小，重量轻，降低发电装置的建造费用，减少维修费用。采用不间断电源巡航时，只需一台发电机，不必开两台，使用发电机组在最佳效率点工作。燃气轮发电机组从冷态启动到开始供电需60秒，而不间断电源只需接上的时间，这对要害部门特有意义。不间断电源以舰在巡航时用台发电机运行为设计基础， 对“斯普鲁恩斯”驱逐舰来说，不间断电源所能提供的电能， 相当于2000kW机供电5分钟。能量转换装置能量转换装置能量贮存装

17、置舰用450V 60Hz要害负载450V 60Hz图34.4 电力推进舰船电力推进系统具有布置灵活，控性能好，易于实现自动化等优点4，但是传统的直流发电机一电动机推进方式，由于设备笨重、效率低、护保养工作量大而很少使用。电力电子技术在这个领域里的应用尚未获得突破性进展，但已有实船运行的例子，前景是乐观的。 日本的富士公司曾为小船生产了两种可控硅电力推进装置。 目前实船应用的大容量电力推进方案为：交流发电机一不可控整流(三相桥式)一直流电动机推进。 全交流化的电力推进系统通过发电机的交流化采用不司控硅整流装置与老方案相比，在提高可靠性，减少维护方面前进了一步，但是还不够理想。由于电力电子技术发展

18、，美国海军正致力于全交流化电力推进的研究，八十年代初就制定了未来驱逐舰综台电力推进的方案。常规潜艇方面5，国外也正在开展交一交电力推进系统的研究，以最终用感应电动机取代直流电动机推进，变频调速装置可以用GTR或GTO作主电路的开关元件，采用微机控制。5 总结随着电力电子技术的进一步发展和完善。可以预言，上述的电力推进方案在不久的将来将会得到实际应用。综上所述，可以认为，电力电子技术的推广应用，无疑是当今船电技术的发展方向之一。我国在这个技术领域还相当落后，如果不引起重视，差距将会越来越大。改革开放以来，我国已从发达国家引进了电力电子器件的制造技术，加上我国在微电子技术和控制理论方面已经取得的研究或果， 进一步开展电力电子技术的应用研究工作已有了很好的基础。但是，要使电力电子技术在舰船上推广应用还有一定的难度。在开发电力