田凱 田祚堡

(哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱 150001)

1 引言

近些年來(lái),船舶的電力推進(jìn)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，在民船領(lǐng)域，電力推進(jìn)應(yīng)用范圍越來(lái)越廣；在軍船領(lǐng)域，電力推進(jìn)正從潛艇向水面艦船應(yīng)用的方向發(fā)展，它們代表了海軍艦艇21世紀(jì)的發(fā)展方向。發(fā)展綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)的主要目的是開(kāi)發(fā)新的推進(jìn)系統(tǒng)，將發(fā)電和能量管理系統(tǒng)一體化，采用最先進(jìn)的推進(jìn)電機(jī)和電力電子設(shè)備，降低系統(tǒng)成本，延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命，提高系統(tǒng)效率[1]。

船舶綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)由多個(gè)模塊組成，整流模塊是其中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)[2]。隨著船舶綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展，總功率容量越來(lái)越高，對(duì)大功率整流模塊的要求也越來(lái)越多，例如大容量，低功率密度，高效率，低損耗等等?，F(xiàn)在市場(chǎng)上的大功率整流設(shè)備大部分是為了滿足電解工藝的需求，這些整流設(shè)備工作電流很大，人們通常使用并聯(lián)橋的大功率整流設(shè)備以滿足其電流的要求。由于大電流電路的電磁效應(yīng)會(huì)使得柜體發(fā)熱，有的公司為了避免整流變壓器引出端子周圍和整流器柜體局部過(guò)熱，采用抗磁性材料，如用鋁或抗磁鋼做變壓器箱體和整流柜體[3]。在國(guó)內(nèi)，整流裝置無(wú)一例外都采用同相逆并聯(lián)技術(shù)，而且都是用戶要求采用的同相逆并聯(lián)技術(shù)，說(shuō)明同相逆并聯(lián)這種技術(shù)很有市場(chǎng)[4]。目前大功率并聯(lián)橋整流設(shè)備最常用的兩種接線方式：雙反星形帶平衡電抗器同相逆并聯(lián)和三相橋式同相逆并聯(lián)[5]。

為了提高船舶綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)整流模塊的整體性能，可以借鑒陸用整流裝置的先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想，其同相逆并聯(lián)連接就是比較先進(jìn)的技術(shù)。本文利用該技術(shù)的原理，設(shè)計(jì)出適用于船舶綜合全電力推進(jìn)12脈整流設(shè)備的接線方式——串聯(lián)橋非同相逆并聯(lián)連接。這種設(shè)計(jì)方法與一般的串聯(lián)橋接線方式相比，前者在整流柜體內(nèi)產(chǎn)生的磁影響要比后者小，整流模塊的整體性能要比后者好。

2 并聯(lián)橋同相逆并聯(lián)連接的工作原理

同相逆并聯(lián)就是在并聯(lián)橋整流裝置中并聯(lián)使用的相同相位、極性相反的兩根導(dǎo)排組成的母線，要求條件是變壓器二次側(cè)由一個(gè)線圈分為兩個(gè)線圈，而且要反極性使用。同相逆并聯(lián)的特點(diǎn)就是利用通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的磁力線相互抵消，達(dá)到減少導(dǎo)排的互感，減少母線的交流阻抗，提高功率因數(shù)的目的。當(dāng)導(dǎo)排中的電流超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，導(dǎo)排中電流產(chǎn)生的磁力線在周圍的鋼結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生電磁勢(shì)，形成渦流，渦流電流使鋼結(jié)構(gòu)發(fā)熱，生成附加損耗。采用同相逆并聯(lián)后，可以減少這種附加損耗。并聯(lián)橋同相逆并聯(lián)接線方式如圖1所示。

圖1 并聯(lián)橋同相逆并聯(lián)連接線圖

如圖1所示，在晶閘管整流柜內(nèi)，在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)，如果A11、A21、C12、C22同時(shí)導(dǎo)電，過(guò)600電角度后，C12、C22、B13、B23同時(shí)導(dǎo)電，其他導(dǎo)排電位處于低電壓，可控硅元件處于不導(dǎo)通狀態(tài)，C12、C22、B13、B23電路中有電流通過(guò)，分別形成同相逆并聯(lián)電路。其他時(shí)間依此類推，導(dǎo)通順序如圖2所示，向上的箭頭表示該排線電流方向向上，向下的箭頭表示該排線電流方向向下。從圖2中可以看出，相鄰排線電流方向總是相反，這表示導(dǎo)線產(chǎn)生的磁力線是相互抵消的，與此同時(shí)，電流方向相反的一對(duì)排線間距是最小的，這也是同相逆并聯(lián)連接技術(shù)的特點(diǎn)。這個(gè)特點(diǎn)要求同相的兩根反極性母排的距離盡量小，否則其磁力線抵消的效果將大大削弱[6]。

圖2 并聯(lián)橋?qū)艑?dǎo)通順序

3 串聯(lián)橋12脈整流裝置一般接線方式

在 12脈整流裝置中，并聯(lián)橋方式的整流設(shè)備占大部分，但也一部分產(chǎn)品要求高電壓，這時(shí)使用并聯(lián)橋就不能滿足，只有使用串聯(lián)橋方式，兩個(gè)三相整流橋串聯(lián)可以使電壓提高一倍。如圖3所示，該圖是串聯(lián)橋12脈整流裝置一般接線方式。

4 串聯(lián)橋非同相逆并聯(lián)連接方式

按照并聯(lián)橋同相逆并聯(lián)連接的基本原理，設(shè)計(jì)出了串聯(lián)橋非同相逆并聯(lián)連接，如圖4所示。這種方式是在整流裝置中并聯(lián)使用的非同相位、極性相反的兩根導(dǎo)排組成的母線，要求條件與同相逆并聯(lián)相同，即變壓器閥側(cè)由一個(gè)線圈分為兩個(gè)線圈，而且要反極性使用。從圖2與圖4可以知道這兩種方式在變壓器二次側(cè)的引線布局復(fù)雜程度相同，但這并不影響整流柜的消磁性能。

圖3 一般串聯(lián)橋12脈整流裝置接線圖

串聯(lián)橋的晶閘管整流裝置在一個(gè)周期內(nèi)有12個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)，將一個(gè)周期分為12個(gè)時(shí)間段，假設(shè)在第一個(gè)時(shí)間段內(nèi)導(dǎo)通的排線C15、C25、A14、B26同時(shí)導(dǎo)電，過(guò)30°電角度后，C15、C25、B16、B26同時(shí)導(dǎo)電，其他導(dǎo)排電位處于低電壓，可控硅元件處于不導(dǎo)通狀態(tài)，其排線上沒(méi)有電流流過(guò)，依時(shí)間順序可以清楚的知道導(dǎo)排的導(dǎo)通順序，如圖5所示。

圖4 串聯(lián)橋非同相逆并聯(lián)連接線圖

5 串聯(lián)橋非同相逆并聯(lián)連接與一般連接方式的比較

5.1 位置布局

兩種連接方式的位置布局有很大不同，在整流柜內(nèi)串聯(lián)橋非同相逆并聯(lián)連接方式可縱向排列，結(jié)構(gòu)清晰，易于放置，同時(shí)也利于水冷模塊的安放，相比之下，一般連接方式如圖3所示，縱橫均有晶閘管，不利于水冷模塊布局，安裝及整流柜的維護(hù)難度相比之下較前者大。

5.2 進(jìn)線方式

非同相逆并聯(lián)與一般連接方式比較，整流柜內(nèi)的進(jìn)線方式是各個(gè)排線平行，間距相等，而一般方式進(jìn)線方式比較雜亂。

圖5 串聯(lián)橋非同相逆并聯(lián)連接方式導(dǎo)通順序

5.3 磁影響

非同相逆并聯(lián)遵循同相逆并聯(lián)的原理，導(dǎo)排的磁力線抵消明顯，從圖5可以看出，1,3,5,7,9,11導(dǎo)通狀態(tài)最好，磁消最為明顯，2,6,10,12導(dǎo)通狀態(tài)次之，4,8導(dǎo)通狀態(tài)較差，但由于各排線相隔比較遠(yuǎn)，磁并沒(méi)有疊加多少。反觀一般接線方式，每一導(dǎo)通上下橋均有磁力線的嚴(yán)重疊加，如晶閘管 C15、C25、A14、B26同時(shí)導(dǎo)電，可以從圖 3看出，C15與 A14排線電流方向相同，C25與 B26排線電流方向也相同，磁力線方向也相同，這樣一來(lái)，電磁力加強(qiáng)，導(dǎo)排的互感增大，母線的交流阻抗相比之下也變大，與此同時(shí)也不利于提高系統(tǒng)功率因數(shù)，這樣還會(huì)影響整流柜內(nèi)的驅(qū)動(dòng)控制電路和保護(hù)檢測(cè)電路。與此同進(jìn)，當(dāng)導(dǎo)排中的電流超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，導(dǎo)排中電流產(chǎn)生的磁力線在整流柜周圍的鋼結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生電磁勢(shì)，形成渦流，渦流電流使鋼結(jié)構(gòu)發(fā)熱，生成附加損耗，也不利于整流裝置的效率的提高。

6 結(jié)論

通過(guò)上述兩種應(yīng)用技術(shù)的對(duì)比，可以確定串聯(lián)橋非同相逆并聯(lián)技術(shù)在船船綜合全電力推進(jìn)串聯(lián)橋整流模塊中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和加工工藝水平的提高，大功率整流元件在設(shè)備中越來(lái)越得到普遍的應(yīng)用，大容量、高電壓、大電流整流將使得電磁影響更為強(qiáng)烈，本文所介紹的連接技術(shù)將為船舶綜合全電力推進(jìn)12脈串聯(lián)橋整流模塊提供了一種新選擇。

[1] 豐利軍, 余林剛. 艦船綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究. 船電技術(shù), 2009, (7):32-33.

[2] 徐紹佐, 劉赟, 顧海宏. 船舶綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)[J]. 柴油機(jī), 2003,(2): 17-20.

[3] 吳春學(xué), 鐘輝. 大功率整流裝置的聯(lián)結(jié)方式[C]. “中電索能”杯全國(guó)氯堿行業(yè)整流技術(shù)交流會(huì)論文專輯.2006, 29-32.

[4] 郭少敏,馬玉霞,薛曉峰.大功率整流裝置主回路結(jié)構(gòu)及技術(shù)分析[J]. 礦冶, 2008, 17(1): 86-88.

[5] 耿慶魯. 大功率整流設(shè)備兩種最常用接線方式的比較[J].氯堿工業(yè).2008. 44(8)：4-5.

[6] 徐清書(shū), 黃嘉, 張萬(wàn)慶, 竺子芳. 葛和德. 高電壓晶閘管整流電源[J]. 電氣傳動(dòng), 2001, (3): 61-64.