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    潛艇電力電子技術應用研究

    引百隨著潛艇自動化程度的提高,特別是電力電子技術在潛艇上逐步使用,新一代的大功率電力電子器件,在材料、理論、機理、制造工藝和應用技術等方面的研究開發,潛艇上電氣設備必將會進一步向高可靠性、節能型方向發展;潛艇的電力配電、電力推進以及電氣傳動等方面必將帶來重大變革而且也為電力電子技術在潛艇上廣泛使用帶來突破性進展。
    1電力電子技術電力電子技術是集電力電子器件、電力電子功率變換技術和控制技術于一體的綜合性技術。以應用電力電子器件和計算機為代表的控制技術,對電能進行處理和變換,是其研究的主要內容。
    以來,電力半導體器件出現了幾十種產品,但從理論、結構和工藝的創新、應用的廣泛程度和持續的發展視角來看,功率二極管、晶閘管、可關斷晶閘管(GO)和電場控制器件(GB1為代表堤幾個發展平臺,從每個平臺又派生出若干相關的器件來。每一種器件的問世,都使得功率變換電路及其控制技術不斷地革新。脈寬調制(IWM)電路、零電流(ZCS)零電壓(ZVS等諧振軟開關電路已成為功率變換電路的重要組成部分。其控制技術由最初的分立元器件的模擬電路控制,逐步發展為基于微處理器、微控制器和數字信號處理器(DSP)等全數字控制系統。
    各種不同的功率變換器,實質是將系統輸入電氣參數變換為用戶所需要的輸出電氣參數。最基本的電氣參數有電壓、電流、頻率、相數、波形、功率等6項;陔姶鸥袘矶鴨柺赖淖儔浩,實現了交流電壓和交流電流的自如變換,實現了高壓交流輸電和低壓配電到用戶,使電能的方便使用成為現實;而由于電力電子技術的進步,誕生了整流器、斬波器、逆變器、變頻器等各種功率變換器,完成了頻率、相位、相數的受控變換,使電能的產生、輸送、分配和應用實現了優化,使以電能為核心的各種能量的轉換,使電參數的全方位控制和改變,上升到高效率和高功率因數的新階段。電氣參數的全面受控變換,使得“高效率用電和高品質用電相結合”的目標正在一步步成為現實。
    當前,電力電子技術作為節能、節材、自動化、智能化、機電一體化的基礎,正朝著應用技術高頻化、硬件結構模塊化、產品性能綠色化的方向發展。在不遠的將來,電力電子技術將使傳動裝置、電源技術更加成熟、經濟、實用。當代應用科學的許多新發展都與電力電子技術緊密聯在一起,特別是和功率控制系統聯系在一起,如電氣傳動、通訊電源、變頻調速、機車牽引、電力輸送、電動汽車、儲能電池,以及日新月異的基于高速數據處理的個人電腦和通訊設備等,如果沒有電力電子功率控制做支持,這些新技術的進步就難以實現。電力電子技術廣泛應用,對高效節能和自動化技術的發展有巨大的推動作用。
    2電力電子技術在潛艇上的應用電力電子技術在潛艇上的應用和普及成為必然,主要體現在電力配電系統、電力推進系統以及電氣傳動等方面。
    2.1電力電子技術在電力配電系統中的應用隨著電力電子技術的飛速發展,電力配電系統中從電源到負載每一個環節都有很大的發展;陔娏﹄娮蛹夹g的配電系統具有很好的負載調節和瞬態特性,如果配電結構合理,其配電系統具有很高的故障容錯性,特別適用于完全獨立或半獨立的配電系統中,如艦船、潛艇、飛機、航天器等領域。
    傳統上,常規動力潛艇配電網絡采用的是集中輻射式供電模式給全艇負載供電。用電負載包括動力系統中的推進電機及輔助設備、各種輔機、觀通導航設備、指揮操艇設備等。推進電機一般采用直流電機,輔機則包括了艇上所有的直流電機和交流電機及各種控制設備。直流輔機電網和50HZ交流電網的負載用戶較多,為主要供電網絡,其他電網為次級供電網絡。直流輔機電網是艇上一次供電網絡,它向全艇直流輔機及各個二次電網供電。早期潛艇的各次級網絡電源均由變流機組獲得。由于電力電子技術的發展以及半導體開關器件性能的提升,各次級供電網絡電源由變流機組逐步過渡到現在的電力電子變流裝置(斬波器、逆變器等)對于直流負載,采用的是DC/D(變換器漸波器)對于交流負載,采用的是DC/AC變換器(逆變器)直接優點:體積小、費用低、易維護。
    基于電力電子技術的發展,在潛艇上實現分布式供電模式才能夠成為可能。潛艇分布式供電(即區域配電)的設想是:僅使直流電網貫穿全船,即將蓄電池組和柴油發電機組輸出的直流電通過主干電纜和直流配電板、直流配電箱輸送到全艇的直流用戶,各艙室設立負載中心,負載中心由模塊式電源變換裝置組成,即在不同艙室根據不同的負載要求設置不同的電源變換模塊,從而取消過去沿用的各種變流機組。電源變換裝置根據負載的需要,進行直一直、交一直、直一交、交一交以及雙向交一直等電源轉換,提供此艙室中負載所需的任何形式的電力。而且所有的電路保護都可以由變流裝置完成,極大地降低故障電路,明顯優于目前使用的系統。這種配電方式對潛艇總段建造、潛艇改裝特別方便,減少了穿過水密隔壁的電纜數,在隔壁上除主干電纜和觀通、導航、控制電纜外,取消了輻射式配電方所存在的各種電網的縱向饋電電纜;變流裝置具有通用性;利于潛艇實現全船輔機交流化。實現區域供電,模塊式電源變換裝置的設計必不可少。下面提出一種基于電力電子積木式模塊化結構供潛艇模塊式電源變換裝置設計。
    電力電子積木式模塊化結構(PorElecronCBuiUngBOkPEBB)概念最早是由美國海軍研究所為設計艦艇的分布式供電而提出的|1.PEBB不是指通常以模塊封裝形式出現的單純功率開關器件,如可關斷晶閘管(GTO)、大功率復合晶體管(G1R)、功率場效應管(MCSFET)、絕緣柵極晶體管(EB。┘苫T極換流晶閘管(GCT)以及驅動電路封裝在一起的P等,而是一種針對分布式電源系統進行劃分和構造的新的模塊化概念,它是站在系統層面對電路合理劃分,抽取出具有相同功能或相似特征的部三

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