裴　峰

（海軍駐大連地區(qū)軍事代表室，遼寧大連116021）

電力電子技術(shù)在我國潛艇中的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景

裴峰

（海軍駐大連地區(qū)軍事代表室，遼寧大連116021）

介紹了現(xiàn)代電力電子技術(shù)在潛艇中的應(yīng)用現(xiàn)狀，分類介紹了 DC/AC 逆變電源、直流—直流（DC—DC）開關(guān)電源、直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速和起動(dòng)電源等電力電子裝置的應(yīng)用情況。指出電力電子技術(shù)的發(fā)展可帶來的好處，認(rèn)為電力電子技術(shù)技術(shù)在潛艇中的應(yīng)用具有廣闊的前景。

電力電子技術(shù)潛艇

0　引言

電力電子技術(shù)（power electronics）是指用功率半導(dǎo)體開關(guān)器件來實(shí)現(xiàn)電能的變換與控制，它是電力、電子、控制三大電氣工程技術(shù)領(lǐng)域之間的交叉學(xué)科。當(dāng)代許多高新技術(shù)均與電網(wǎng)的電流、電壓、頻率和相位等基本參數(shù)的變換與控制相關(guān)，現(xiàn)代電力電子技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)這些參數(shù)的精確控制和高效率的處理，特別是能夠?qū)崿F(xiàn)大功率電能的頻率變換，從而為多項(xiàng)高新技術(shù)的發(fā)展提供了有力的支持。

原來，對(duì)廣大用戶來說，電能要么以工頻交流電的形式存在，要么以直流電（主要是蓄電池中的電能）的形式存在，而用戶對(duì)電能的電壓、頻率進(jìn)行變換，過去人們用閘流管、電子管、變流機(jī)、變壓器等手段來實(shí)現(xiàn)電能的變換與控制。當(dāng)1957年世界上第一只晶閘管（Thyristor）問世以后，就為電能的變換與控制提供了新的手段——電力電子技術(shù)。

晶閘管作為第一個(gè)出現(xiàn)的功率半導(dǎo)體器件雖然為電力電子技術(shù)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，而且仍在大功率電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，但它的開關(guān)特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上電力電子技術(shù)發(fā)展的需要。從七十年代末期開始，各種類型的全控半導(dǎo)體開關(guān)器件如GTO、GTR、MOSFET、IGBT等陸續(xù)出現(xiàn)，為電力電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了條件。此間，對(duì)電力電子電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電力電子電路的控制技術(shù)等方面在世界范圍內(nèi)進(jìn)行了廣泛研究，使得電力電子進(jìn)入了以高頻化、智能化、模塊化、大功率為特征的現(xiàn)代電力電子技術(shù)階段。

1　現(xiàn)代電力電子技術(shù)在我國潛艇中應(yīng)用現(xiàn)狀

在我國，潛艇中使用電力電子設(shè)備的嘗試從70年代就已開始，但早期的項(xiàng)目大多因電磁兼容特性過不了關(guān)而最終下馬。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，以80年代末期，又開始了新一輪的嘗試，這期間 400 Hz中頻逆變電源首先通過了電磁兼容測(cè)試，并經(jīng)過了裝艇試用獲得成功。隨后50 Hz逆變電源，大功率 DC/DC開關(guān)電源，直流電動(dòng)機(jī)無觸點(diǎn)起動(dòng)器，經(jīng)航斬波調(diào)速器等一批電力電子裝置在我國現(xiàn)役潛艇上得到應(yīng)用，現(xiàn)分類介紹這些電力電子裝置的應(yīng)用情況。

1.1DC/AC 逆變電源

圖1　變流機(jī)組結(jié)構(gòu)框圖

圖2　基本逆變電路及波形

由于我國常規(guī)潛艇全船電網(wǎng)主體是直流（特殊潛艇上也有50 Hz交流供電電網(wǎng)），而艇上一般設(shè)備需要交流電源，因此過去艇上裝備有直流電動(dòng)機(jī)—交流發(fā)電機(jī)（或交流電動(dòng)機(jī)—直流發(fā)電機(jī)—直流電動(dòng)機(jī)—交流發(fā)電機(jī)）組成的變流機(jī)組用來將直流電（或50 Hz交流電）變?yōu)樗璧淖兞麟姡ㄈ?0 Hz或400 Hz的變流電），如圖1所示。

變流機(jī)組有以下缺陷：

1) 由于有旋轉(zhuǎn)部件，因此噪音大；

2) 電動(dòng)機(jī)的換向器需要定期維修保養(yǎng)；

3) 重量、體積大；

4) 電壓和頻率的穩(wěn)定度較低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢。

現(xiàn)在，我國潛艇中已開始采用逆變電源逐步取代變流機(jī)組，逆變電源的原理如圖2所示。

圖2(a)中的逆變電源主電路是一個(gè)典型的全橋PWM逆變器結(jié)構(gòu)，控制電路通過控制S1、S2、S3、S4四個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)元件的開通與關(guān)斷，在C、D兩點(diǎn)產(chǎn)生如圖2(d)所示的PWM電壓，UCD的基流UCD1即為所需的50 Hz或400 Hz正弦電壓、其他高次諧波由L、C組成的低通濾波器濾掉，于是在負(fù)載上得到正弦電壓Vo。在直流電源電壓或負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，只要改變UCD中各脈沖的寬度，即可調(diào)節(jié)Vo的幅值，使其維持恒定，改變 UCD的重復(fù)周期 T即可改變輸出電壓的頻率，因此，逆變電源對(duì)輸出電壓的幅值和頻率的控制精度很高，響應(yīng)也很快。

采用逆變電源代替變流機(jī)組后，不僅輸出電壓的特性得到提高，且重量體積減少，噪音降低。通過多年的使用，這類逆變電源的優(yōu)點(diǎn)得到了使用部門的充分肯定，技術(shù)也日趨成熟。

1.2直流—直流（DC—DC）開關(guān)電源

由于潛艇中蓄電池電壓不是恒定的，在需要恒定直流電壓時(shí)，就需要用DC—DC開關(guān)電源來將電池電壓變換為負(fù)載所需的恒定直流電壓。實(shí)現(xiàn) DC—DC變換的電路有很多類型。圖3是由升壓電路（Boost電路）和降壓電路（Buck電路）組合而成的升降壓DC—DC開關(guān)電源電路。

圖3　升降壓組合型DC—DC電源電路

當(dāng)電池電壓低于所需電壓時(shí)，由L1、S1、D1和C1組成的升壓電路將Vi升高，S2始終導(dǎo)通，L2、C2此時(shí)相當(dāng)于輸出濾波電路，因此只要控制S1的占空比，就可使 Vo穩(wěn)定在所需的電壓上。

圖4　半橋型DC—DC開關(guān)電源

1.3直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速和起動(dòng)電源

在常規(guī)潛艇中，推進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器首先使用了斬波器，隨后經(jīng)航電機(jī)調(diào)壓調(diào)速主斬波器和直流電動(dòng)機(jī)無觸點(diǎn)起動(dòng)器也研制成功。這些用于直流電動(dòng)機(jī)的控制和起動(dòng)的電力電子裝備極大地改善了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性。在小功率應(yīng)用場(chǎng)合主要是用 Buck型電路，大功率場(chǎng)合則用多重多相電路來提高功率等級(jí)。

直流電動(dòng)機(jī)用多重多相調(diào)整電路如圖 5所示。

1.4交流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和調(diào)速電路

交流電機(jī)與直流電機(jī)相比具有體積重量小、堅(jiān)固可靠，不需經(jīng)常維修，無換向火花等一系列優(yōu)點(diǎn)，但交流電機(jī)的調(diào)整比較困難這一問題限制了交流電機(jī)在某些場(chǎng)合的應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，能向交流電機(jī)提供可變頻率，可變電壓（VVVF）的電源的出現(xiàn)使交流電機(jī)的調(diào)速不再成為問題，于是用交流電機(jī)取代直流電機(jī)已成為不可避免的技術(shù)趨勢(shì)。潛艇的交流電力推進(jìn)技術(shù)也就成為一種很有前途的技術(shù)。

現(xiàn)在我國某型深潛救生艇上的電力推進(jìn)已全部使用了交流調(diào)速電力電子裝置。某潛艇的空調(diào)壓縮機(jī)也選用了變頻電源裝置。圖 6是由 Boost型升壓電路與三相逆變電源組成的空調(diào)壓縮機(jī)變頻電源。由于電池電壓直接逆變輸出電壓達(dá)不到電機(jī)額定電壓，三相逆變橋的輸入部分增加了一級(jí)Boost升壓電路，將電池電壓升至一穩(wěn)定的高壓，然后再用三相逆變橋?qū)⒋穗妷恨D(zhuǎn)換為壓縮機(jī)所需的的三相電壓和頻率。

2　電力電子技術(shù)在潛艇中應(yīng)用前景

電能通過電力電子裝置變換以后再給設(shè)備供當(dāng)電池電壓高于所需電壓時(shí)，S1管始終關(guān)斷，電池電壓經(jīng)L1、D1送至C1，L1和C1此時(shí)相當(dāng)于輸入濾波電路，控制S2的占空比，就可由L2、T2、C2組成的降壓電路將電池電壓 Vi降為負(fù)載所需的電壓Vo。

這種升降壓組合型DC—DC電源電路的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單可靠，效率高，已在潛艇的某些電源中得到應(yīng)用，此電路也非常適合替代現(xiàn)在潛艇中使用的電阻降壓式直流穩(wěn)壓調(diào)整器。

另外，還有一種半橋式電路構(gòu)成的DC—DC開關(guān)電源（如圖4(a)所示），適合輸出電壓與輸入電壓相差較大的情況。半橋式DC—DC電源由于帶中間隔離變壓器，一方面可實(shí)現(xiàn)輸入輸出的電氣隔離，另一方面也可通過變壓器匝比的設(shè)計(jì)方便地匹配輸入、輸出電壓。這種電路在潛艇上的24 V輔機(jī)直流電源中也已得到應(yīng)用。電，可以起到節(jié)能，優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行工況，提高設(shè)備性能等多方面作用。目前我國潛艇中電力電子裝備使用越來越多，標(biāo)志我國潛艇技術(shù)進(jìn)步正在加快，隨著我國軍用裝備從重視數(shù)量轉(zhuǎn)為重視質(zhì)量，大力發(fā)展高技術(shù)裝備，電力電子技術(shù)在潛艇中的應(yīng)用前景將是廣闊的。

圖5　直流電機(jī)多重多相斬波調(diào)整電路

圖6　空調(diào)壓縮機(jī)變頻電源裝置組成及升壓部分電路圖

目前，要在潛艇中推廣電力電子技術(shù)的應(yīng)用，筆者認(rèn)為有以下兩個(gè)方面的工作要做：

1) 推廣已使用成熟的技術(shù)。逆變電源、直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和調(diào)速電源、交流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和調(diào)速電源，DC—DC開關(guān)電源現(xiàn)均有成熟技術(shù)，但現(xiàn)役潛艇中還在繼續(xù)使用有觸點(diǎn)電機(jī)起動(dòng)器、電阻降壓式直流穩(wěn)壓調(diào)整器等老式設(shè)備，變流機(jī)組也仍在某些場(chǎng)合繼續(xù)使用，因此推廣已成熟的電力電子技術(shù)仍有大量工作要做。

2) 跟蹤國際先進(jìn)水平，提高潛艇用電力電子裝備的性能。目前電力電子技術(shù)的發(fā)展十分迅速，其主要特征是向高頻化、大功率、智能化、模塊化方向發(fā)展，具體說電力電子技術(shù)的發(fā)展可帶來如下好處：

（1）重量更輕、體積更小

電力電子技術(shù)的高頻化發(fā)展最終可使逆變電源中的400 Hz或50 Hz變壓器完全被取消，從而使逆變電源的重量、體積大為減小。

（2）噪音降低

當(dāng)開關(guān)頻率高于20 kHz以后，由于噪音已超出人耳的聽覺頻率范圍，電力電子裝置將不再有“噪音”。

（3）大功率

目前在中、小功率范圍內(nèi)電力電子裝置成功應(yīng)用的事例很多，但數(shù)百千瓦以上功率等級(jí)的電力電子裝置在我國潛艇中應(yīng)用還在嘗試階段，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大功率電力電子裝置在潛艇中的應(yīng)用也將有可能不再是空白。

3　結(jié)束語

現(xiàn)代電力電子技術(shù)在國外潛艇中的應(yīng)用已非常廣泛，它為潛艇的低噪聲航行、增大總體可利用空間、優(yōu)化系統(tǒng)配置提供了有力的技術(shù)支持。有消息報(bào)導(dǎo)國外潛艇正著手研究核電技術(shù)和綜合電力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在同等的總體體積下增大可利用空間，進(jìn)一步優(yōu)化總體布置，降低艇體噪聲，提高潛艇的生命力和機(jī)動(dòng)性，為電磁發(fā)射裝置等概念武器提供強(qiáng)大電能，而其核心技術(shù)之一也是現(xiàn)代電力電子技術(shù)。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展與成熟，其在我國潛艇中的應(yīng)用必將有更廣闊的空間，而且也必將為我國現(xiàn)代潛艇發(fā)展做出突出的貢獻(xiàn)。

The Review on the of Power Electronics Technology Used to A Submarine

Pei Feng
(Naval Representatives Office in Dalian，Dalian 116021，Liaoning，China )

Power electronics technology used in a submarine is introduced. The paper presents power electronic devices such as DC/AC inverter，switching power supply，DC Motor timing，start power supply and so on in detail. It has bright prospect of power electronics technology to use in submarine.

power electronics technology; submarine

TM76

A

1003-4862（2015）12-0011-04

2015-04-01

裴峰 （1974-），男。 研究方向：艦船電氣專業(yè)質(zhì)量監(jiān)督。