船舶綜合全電力推進系統(tǒng)整流模塊接線方式的設計

田凱 田祚堡

(哈爾濱工程大學，哈爾濱 150001)

1 引言

近些年來,船舶的電力推進取得了長足的進步，在民船領域，電力推進應用范圍越來越廣；在軍船領域，電力推進正從潛艇向水面艦船應用的方向發(fā)展，它們代表了海軍艦艇21世紀的發(fā)展方向。發(fā)展綜合全電力推進系統(tǒng)的主要目的是開發(fā)新的推進系統(tǒng)，將發(fā)電和能量管理系統(tǒng)一體化，采用最先進的推進電機和電力電子設備，降低系統(tǒng)成本，延長系統(tǒng)壽命，提高系統(tǒng)效率[1]。

船舶綜合全電力推進系統(tǒng)由多個模塊組成，整流模塊是其中重要的一個環(huán)節(jié)[2]。隨著船舶綜合全電力推進系統(tǒng)發(fā)展，總功率容量越來越高，對大功率整流模塊的要求也越來越多，例如大容量，低功率密度，高效率，低損耗等等?，F(xiàn)在市場上的大功率整流設備大部分是為了滿足電解工藝的需求，這些整流設備工作電流很大，人們通常使用并聯(lián)橋的大功率整流設備以滿足其電流的要求。由于大電流電路的電磁效應會使得柜體發(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]。在國內，整流裝置無一例外都采用同相逆并聯(lián)技術，而且都是用戶要求采用的同相逆并聯(lián)技術，說明同相逆并聯(lián)這種技術很有市場[4]。目前大功率并聯(lián)橋整流設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的設計思想，其同相逆并聯(lián)連接就是比較先進的技術。本文利用該技術的原理，設計出適用于船舶綜合全電力推進12脈整流設備的接線方式——串聯(lián)橋非同相逆并聯(lián)連接。這種設計方法與一般的串聯(lián)橋接線方式相比，前者在整流柜體內產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、極性相反的兩根導排組成的母線，要求條件是變壓器二次側由一個線圈分為兩個線圈，而且要反極性使用。同相逆并聯(lián)的特點就是利用通過導體產生的磁力線相互抵消，達到減少導排的互感，減少母線的交流阻抗，提高功率因數(shù)的目的。當導排中的電流超過一定數(shù)值時，導排中電流產生的磁力線在周圍的鋼結構中產生電磁勢，形成渦流，渦流電流使鋼結構發(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，在某個時間段內，如果A11、A21、C12、C22同時導電，過600電角度后，C12、C22、B13、B23同時導電，其他導排電位處于低電壓，可控硅元件處于不導通狀態(tài)，C12、C22、B13、B23電路中有電流通過，分別形成同相逆并聯(lián)電路。其他時間依此類推，導通順序如圖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，這表示導線產生的磁力線是相互抵消的，與此同時，電流方向相反的一對排線間距是最小的，這也是同相逆并聯(lián)連接技術的特點。這個特點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)橋導排導通順序

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)橋方式的整流設備占大部分，但也一部分產品要求高電壓，這時使用并聯(lián)橋就不能滿足，只有使用串聯(lián)橋方式，兩個三相整流橋串聯(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，設計出了串聯(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，即變壓器閥側由一個線圈分為兩個線圈，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的引線布局復雜程度相同，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周期內有12個導通狀態(tài)，將一個周期分為12個時間段，假設在第一個時間段內導通的排線C15、C25、A14、B26同時導電，過30°電角度后，C15、C25、B16、B26同時導電，其他導排電位處于低電壓，可控硅元件處于不導通狀態(tài)，其排線上沒有電流流過，依時間順序可以清楚的知道導排的導通順序，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，在整流柜內串聯(lián)橋非同相逆并聯(lián)連接方式可縱向排列，結構清晰，易于放置，同時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難度相比之下較前者大。

5.2 進線方式

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

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，導排的磁力線抵消明顯，從圖5可以看出，1,3,5,7,9,11導通狀態(tài)最好，磁消最為明顯，2,6,10,12導通狀態(tài)次之，4,8導通狀態(tài)較差，但由于各排線相隔比較遠，磁并沒有疊加多少。反觀一般接線方式，每一導通上下橋均有磁力線的嚴重疊加，如晶閘管 C15、C25、A14、B26同時導電，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，電磁力加強，導排的互感增大，母線的交流阻抗相比之下也變大，與此同時也不利于提高系統(tǒng)功率因數(shù)，這樣還會影響整流柜內的驅動控制電路和保護檢測電路。與此同進，當導排中的電流超過一定數(shù)值時，導排中電流產生的磁力線在整流柜周圍的鋼結構中產生電磁勢，形成渦流，渦流電流使鋼結構發(fā)熱，生成附加損耗，也不利于整流裝置的效率的提高。

6 結論

通過上述兩種應用技術的對比，可以確定串聯(lián)橋非同相逆并聯(lián)技術在船船綜合全電力推進串聯(lián)橋整流模塊中的技術優(yōu)勢。隨著電力電子技術的不斷發(fā)展和加工工藝水平的提高，大功率整流元件在設備中越來越得到普遍的應用，大容量、高電壓、大電流整流將使得電磁影響更為強烈，本文所介紹的連接技術將為船舶綜合全電力推進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系統(tǒng)相關標準的研究. 船電技術, 2009, (7):32-33.

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

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

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

[5] 耿慶魯. 大功率整流設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, 黃嘉, 張萬慶, 竺子芳. 葛和德. 高電壓晶閘管整流電源[J]. 電氣傳動, 2001, (3): 61-64.