电力电子技术在潜艇中的应用范文

摘要：

介绍了现代电力电子技术在潜艇中的应用现状，分类介绍了DC/AC逆变电源、直流—直流（DC—DC）开关电源、直流电动机调速和起动电源等电力电子装置的应用情况。指出电力电子技术的发展可带来的好处，认为电力电子技术技术在潜艇中的应用具有广阔的前景。

关键词：

电力电子技术，潜艇

电力电子技术（powerelectronics）是指用功率半导体开关器件来实现电能的变换与控制，它是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。当代许多高新技术均与电网的电流、电压、频率和相位等基本参数的变换与控制相关，现代电力电子技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理，特别是能够实现大功率电能的频率变换，从而为多项高新技术的发展提供了有力的支持。原来，对广大用户来说，电能要么以工频交流电的形式存在，要么以直流电（主要是蓄电池中的电能）的形式存在，而用户对电能的电压、频率进行变换，过去人们用闸流管、电子管、变流机、变压器等手段来实现电能的变换与控制。当1957年世界上第一只晶闸管（Thyristor）问世以后，就为电能的变换与控制提供了新的手段——电力电子技术。晶闸管作为第一个出现的功率半导体器件虽然为电力电子技术的发展做出了巨大贡献，而且仍在大功率电力电子设备中得到广泛应用，但它的开关特性远远跟不上电力电子技术发展的需要。从七十年代末期开始，各种类型的全控半导体开关器件如GTO、GTR、MOSFET、IGBT等陆续出现，为电力电子技术的进一步发展提供了条件。此间，对电力电子电路拓扑结构、电力电子电路的控制技术等方面在世界范围内进行了广泛研究，使得电力电子进入了以高频化、智能化、模块化、大功率为特征的现代电力电子技术阶段。

1现代电力电子技术在我国潜艇中应用现状

在我国，潜艇中使用电力电子设备的尝试从70年代就已开始，但早期的项目大多因电磁兼容特性过不了关而最终下马。随着电力电子技术的发展，以80年代末期，又开始了新一轮的尝试，这期间400Hz中频逆变电源首先通过了电磁兼容测试，并经过了装艇试用获得成功。随后50Hz逆变电源，大功率DC/DC开关电源，直流电动机无触点起动器，经航斩波调速器等一批电力电子装置在我国现役潜艇上得到应用，现分类介绍这些电力电子装置的应用情况。1.1DC/AC逆变电源由于我国常规潜艇全船电网主体是直流（特殊潜艇上也有50Hz交流供电电网），而艇上一般设备需要交流电源，因此过去艇上装备有直流电动机—交流发电机（或交流电动机—直流发电机—直流电动机—交流发电机）组成的变流机组用来将直流电（或50Hz交流电）变为所需的变流电（如50Hz或400Hz的变流电），如图1所示。变流机组有以下缺陷：1)由于有旋转部件，因此噪音大；2)电动机的换向器需要定期维修保养；3)重量、体积大；4)电压和频率的稳定度较低，动态响应较慢。现在，我国潜艇中已开始采用逆变电源逐步取代变流机组，逆变电源的原理如图2所示。图2(a)中的逆变电源主电路是一个典型的全桥PWM逆变器结构，控制电路通过控制S1、S2、S3、S4四个功率半导体开关元件的开通与关断，在C、D两点产生如图2(d)所示的PWM电压，UCD的基流UCD1即为所需的50Hz或400Hz正弦电压、其他高次谐波由L、C组成的低通滤波器滤掉，于是在负载上得到正弦电压Vo。在直流电源电压或负载发生变化时，只要改变UCD中各脉冲的宽度，即可调节Vo的幅值，使其维持恒定，改变UCD的重复周期T即可改变输出电压的频率，因此，逆变电源对输出电压的幅值和频率的控制精度很高，响应也很快。采用逆变电源代替变流机组后，不仅输出电压的特性得到提高，且重量体积减少，噪音降低。通过多年的使用，这类逆变电源的优点得到了使用部门的充分肯定，技术也日趋成熟。

1.2直流—直流（DC—DC）开关电源由于潜艇中蓄电池电压不是恒定的，在需要恒定直流电压时，就需要用DC—DC开关电源来将电池电压变换为负载所需的恒定直流电压。实现DC—DC变换的电路有很多类型。图3是由升压电路（Boost电路）和降压电路（Buck电路）组合而成的升降压DC—DC开关电源电路。当电池电压低于所需电压时，由L1、S1、D1和C1组成的升压电路将Vi升高，S2始终导通，L2、C2此时相当于输出滤波电路，因此只要控制S1的占空比，就可使Vo稳定在所需的电压上。当电池电压高于所需电压时，S1管始终关断，电池电压经L1、D1送至C1，L1和C1此时相当于输入滤波电路，控制S2的占空比，就可由L2、T2、C2组成的降压电路将电池电压Vi降为负载所需的电压Vo。这种升降压组合型DC—DC电源电路的特点是电路简单可靠，效率高，已在潜艇的某些电源中得到应用，此电路也非常适合替代现在潜艇中使用的电阻降压式直流稳压调整器。另外，还有一种半桥式电路构成的DC—DC开关电源（如图4(a)所示），适合输出电压与输入电压相差较大的情况。半桥式DC—DC电源由于带中间隔离变压器，一方面可实现输入输出的电气隔离，另一方面也可通过变压器匝比的设计方便地匹配输入、输出电压。这种电路在潜艇上的24V辅机直流电源中也已得到应用。

1.3直流电动机调速和起动电源在常规潜艇中，推进电机的励磁调节器首先使用了斩波器，随后经航电机调压调速主斩波器和直流电动机无触点起动器也研制成功。这些用于直流电动机的控制和起动的电力电子装备极大地改善了电动机运行特性。在小功率应用场合主要是用Buck型电路，大功率场合则用多重多相电路来提高功率等级。直流电动机用多重多相调整电路如图5所示。

1.4交流电动机起动和调速电路交流电机与直流电机相比具有体积重量小、坚固可靠，不需经常维修，无换向火花等一系列优点，但交流电机的调整比较困难这一问题限制了交流电机在某些场合的应用。随着电力电子技术的发展，能向交流电机提供可变频率，可变电压（VVVF）的电源的出现使交流电机的调速不再成为问题，于是用交流电机取代直流电机已成为不可避免的技术趋势。潜艇的交流电力推进技术也就成为一种很有前途的技术。现在我国某型深潜救生艇上的电力推进已全部使用了交流调速电力电子装置。某潜艇的空调压缩机也选用了变频电源装置。图6是由Boost型升压电路与三相逆变电源组成的空调压缩机变频电源。由于电池电压直接逆变输出电压达不到电机额定电压，三相逆变桥的输入部分增加了一级Boost升压电路，将电池电压升至一稳定的高压，然后再用三相逆变桥将此电压转换为压缩机所需的的三相电压和频率。

2电力电子技术在潜艇中应用前景

电能通过电力电子装置变换以后再给设备供电，可以起到节能，优化设备运行工况，提高设备性能等多方面作用。目前我国潜艇中电力电子装备使用越来越多，标志我国潜艇技术进步正在加快，随着我国军用装备从重视数量转为重视质量，大力发展高技术装备，电力电子技术在潜艇中的应用前景将是广阔的。目前，要在潜艇中推广电力电子技术的应用，笔者认为有以下两个方面的工作要做：1)推广已使用成熟的技术。逆变电源、直流电动机起动和调速电源、交流电动机起动和调速电源，DC—DC开关电源现均有成熟技术，但现役潜艇中还在继续使用有触点电机起动器、电阻降压式直流稳压调整器等老式设备，变流机组也仍在某些场合继续使用，因此推广已成熟的电力电子技术仍有大量工作要做。2)跟踪国际先进水平，提高潜艇用电力电子装备的性能。目前电力电子技术的发展十分迅速，其主要特征是向高频化、大功率、智能化、模块化方向发展，具体说电力电子技术的发展可带来如下好处：（1）重量更轻、体积更小电力电子技术的高频化发展最终可使逆变电源中的400Hz或50Hz变压器完全被取消，从而使逆变电源的重量、体积大为减小。（2）噪音降低当开关频率高于20kHz以后，由于噪音已超出人耳的听觉频率范围，电力电子装置将不再有“噪音”。（3）大功率目前在中、小功率范围内电力电子装置成功应用的事例很多，但数百千瓦以上功率等级的电力电子装置在我国潜艇中应用还在尝试阶段，随着电力电子技术的发展，大功率电力电子装置在潜艇中的应用也将有可能不再是空白。

3结束语

现代电力电子技术在国外潜艇中的应用已非常广泛，它为潜艇的低噪声航行、增大总体可利用空间、优化系统配置提供了有力的技术支持。有消息报导国外潜艇正着手研究核电技术和综合电力系统，实现在同等的总体体积下增大可利用空间，进一步优化总体布置，降低艇体噪声，提高潜艇的生命力和机动性，为电磁发射装置等概念武器提供强大电能，而其核心技术之一也是现代电力电子技术。随着现代电力电子技术的发展与成熟，其在我国潜艇中的应用必将有更广阔的空间，而且也必将为我国现代潜艇发展做出突出的贡献。

作者：裴峰 单位：海军驻大连地区军事代表室