电推进论文汇总文档格式.docx
《电推进论文汇总文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电推进论文汇总文档格式.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
对于采用多台电动机联合拖动情况，又可分为串联驱动模式或并联驱动模式。
如图1.1所示，图中M表示电动机模块，之间连接的是齿轮传动结构。
其中（a）为单桨双机串联驱动模式，（b）为单桨双机并联驱动模式，（c）为双桨双机串联驱动模式，（d）为双桨双机并联驱动模式。
图1.1几种船舰电推进模式
1.2舰载直升机舰面供电电源
舰载直升机舰面供电电源是功率变换器在现代舰船电力系统中的一个典型应用。
舰载直升机的启动和维修保障需要AC200V、400Hz的中频电源供电。
采用功率变换器实现380V/50Hz主用电源到所需电制的转换，与传统机组供电方式相比，大大减小了日常维护，降低全寿期费用，可靠性高可维修性高，体积重量减小，声频噪声结构噪声降低，已成功应用在我国水面舰船和英国45型驱逐舰等国外水面舰船的舰载机舰面服务系统中。
其变换器一种主电路原理图如图1.2所示。
图1.2舰载直升机中频电源主电路图
1.3舰载用UPS
UPS是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源，是舰船电力系统的组成部分。
按电压性质分为直流UPS和交流UPS，按工作方式分为在线式、后备式以及线上交错式。
图1.3为舰用在线式交流UPS的几种工作模式。
在电源1正常工作时，电源通过整流后一边给蓄电池充电一边通过逆变电路给负载供电，如图a所示。
在电源1突然失电或整流单元发生故障时，装置改由蓄电池向重要负载提供不间断的电力供应，如图b所示。
在蓄电池放电过深、逆变器故障或过载时，负载自动变由备用电源2直接供电，保证供电连续性，如图c所示。
这里需要说明的是整流器输出端接有大电容，以起到滤除尖波脉冲作用。
在线模式下UPS在用电的整个过程是全程介入的，其优点是输出的波型和电源一样是正弦波，不受电源不稳定的影响，可供电给电感型负载，如电风扇。
而后备模式则因为电池经逆变形成的谐波量较大，一般用于电容型负载，如电脑等。
（a）
（b）
（c）
图1.3舰用交流UPS几种工作模式图
1.3电机驱动变频器
在舰船上的电力负荷中，风机和泵类等电动机负载占了相当大的比重。
对这类电动机负载采用变频器进行调速控制，部分船舶还采用变频调速系统控制的起货机。
而且，在日益推广使用的电力推进系统中，主推进电机驱动变频器的研究和设计，在整个电力系统的设计过程中显得更为重要。
D32N22717
应用于电力推进电动机的调速变频器主要有CSR直流调速、电流源逆变器（CSI）、循环变流器以及PWM变频器，分别对应如图1.3中的a，b，c，d。
图1.4（a）所示为采用晶闸管整流器供电的直流电机调速电路。
它是采用全桥式晶闸管整流电路来驱动一个电枢电流可控的直流电动机，通过控制晶闸管导通角，调节电枢电流来实现电机的速度的变化。
图1.4（b）为采用晶闸管整流桥反并联方式的循环变流器（交－交变频器），用于交流同步电机调速系统。
变频器主电路为可控的反并联晶闸管桥式电路，通过它选择交流电源的不同相位区间给电机提供交流电。
图1.4（c）为采用交—直—交电流源逆变器（同步变流器）供电的交流调速系统，将电源通过晶闸管控制型整流器、平波感应器及逆变器进行转换后向交流同步电机供电，网侧和负载侧都是采用晶闸管自然换向的方式，主要用于同交流同步电机相匹配。
这种方式进行电流转换后电流谐波含量较高,因此在系统设计的时候通常采用12半周、6相电源配置来减少谐波。
图1.4（d）中为采用PWM交－直－交变频器供电的异步感应电机交流调速系统。
二极管整流桥将交流电整流后,再通过PWM逆变器向电机提供电压、频率调整的交流电。
目前变频器主要有星形调制型和直接转矩控制型（DTC），后者可用在电机没有速度传感器的情况下进行高精度速度控制。
图1.4几种电机驱动变频器拓扑结构简图
1.4变频器应用实例及节能分析
先列举几种变频器的应用实例，然后进行节能分析。
（1）Alstom串联变频器：
在Alstom公司开发的大功率船用PWM变频调速器中，将IGBT开关串联，并使之同步工作，以避免耐压单个开关器件承受过高电压，并且使用分压电路使每个IGBT承受电压都控制在其耐压范围之内。
Alstom变频器的模块拓扑结构图如图1.5所示。
这种变频器已成功应用在美国和英国的军用电力推进舰船上。
（2）电压钳位变频器：
图1.6为美国ASIRobicon公司和美国PMES公司开发的中点电压钳位变频器拓扑结构图。
该中点钳位变频器是一种简单的三电平变频器。
（3）隔离电压变频器：
美国PowerParagon和ASIRobicon公司设计的这种隔离电压的多电平变频器，不采用串联电容器来产生中间电压，而是使用单输入多输出变压器得到具有电气隔离的多电平电压，然后通过电力电子开关器件进行独立控制。
尽管这种电压隔离式的多电平变频器体积较大，但其输出电压正弦波拟和性相当好，电压谐波含量少。
图1.5Alstom变频器模块拓扑结构图
图1.6PMES中点钳位变频器
假若船采用的变频系统为1台桥架绞车、2台左右横移绞车和3台艉三缆绞车（共计6台绞车电机）提供动力电源，这6台电机的单台电机功率分别是桥架电机250kW，图1.7为直流母线制变频系统。
在图中变频系统从船舶电网输入AC380V/50Hz三相交流电，经过预充电回路、滤波回路、整流同路、制动斩波同路等主要环节，变换为DC520V左右的直流电，再分送到各个变频器。
总控单元接收船上挖泥控制系统的指令，分别控制各变频器输出要求的电压、频率的三相交流电到6台绞车电机，以实现这些电机的协同运行控制。
变频系统配置的6个变频器均为施奈德ATV71系列变频器。
每个变频器都是通过快速熔断器连接在公共直流母线上。
这种运用对施奈德的变频器没有进行任何改动和改造，只是隔离其前端自带的整流功能，完整地保持了施奈德变频器的可靠性。
依据各个绞车电机的工作参数。
选择该系列对应的变频器，以满足电机运转工作要求。
每个变频器都有电动牵引和制动发电两种工作状态。
在船舶作业中，公共直流母线系统充分发挥了能量互馈的特点，一些变频器处于电动牵引工况同时另外一些变频器处于制动发电工况，这样制动发电工况的变频器再生的电能就可以回馈到公共直流母线中，被处于电动牵引工况的变频器利用，而不像独立变频器的系统要将制动再生的电能通过制动斩波电阻白白消耗掉。
这就是直流母线制变频系统可以节能的原因。
当然还有其他的优点，比如变频系统投入运行时对船舶电站无冲击，对船舶电站容量要求较小，变频系统发热量小等。
图1.7直流母线制变频系统图
2新能源与电力电子的集成以及关键技术
自世界上第一艘以蒸汽机为动力的舰船问世以来，以热机（如:
柴油机、汽轮机以及燃汽轮机等）为动力直接驱动螺旋桨的机械推进系统成为船舶推进的主要方式，在船舶动力装置中占据了主导地位。
然而，一方面船舶内燃机机械推进系统仍存在噪音大、调速范围小和灵活性差等难以解决的问题；
另一方面随着全球石油资源的耗尽，内燃机将逐步退出历史舞台，人们必须在石油没有用完的约60年时间内找到新的能源及其动力装置。
这是人类在进入21世纪所面临的巨大问题和挑战之一。
因此，人们一直在努力寻找能源利用效率高、不污染环境并可以再生的新能源及其利用方式。
这里我们介绍几种新能源的发电方式。
2.1新能源的发电方式
能源都来自于自然界，基本上可以分为可再生能源和不可再生能源两大类。
可再生能源的利用是当前研究和开发新能源供电方式的重要课题。
其研究热点主要包括风力发电、太阳能电池和燃料电池研制。
风力发电已成为风能利用的主要形式，受到世界各国的高度重视,而且发展速度最快。
风力发电通常有3种运行方式：
一是独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，它用蓄电池蓄能，以保证无风时的用电；
二是风力发电与其他发电方式（如柴油机发电）相结合的联合供电方式，向交通不便的边远山村、沿海岛屿或地广人稀的草原牧场提供电力；
三是并网型风力发电运行方式，安装在有电网且风力资源丰富的地区，常常是一处风场安装几十台甚至几百台风力发电机，这是风力发电的主要发展方向。
自上世纪50年代第一块实用的硅太阳电池研制成功，太阳能光电技术已历经了半个世纪的发展。
目前占主流的太阳电池是硅太阳电池，它又分单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池（总称晶体硅太阳电池）和非晶硅太阳电池。
目前，单晶硅太阳电池组件的平均效率已达到3%～15%，多晶硅太阳电池组件的平均效率已有12%～14%。
未来的研究趋势表现为两方面：
一方面研究新的光电技术，比如有机纳米晶太阳电池；
另一方面研究晶体硅薄膜太阳电池，开发大功率太阳能模块，这些模块由单晶硅制成，再罐装到经过特别处理的双层玻璃之间。
这些大功率太阳能模块产生的能量比其他太阳能电池要大10%左右。
燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。
当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。
依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。
燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高且具有洁净、无污染、低噪声、模块结构、高功率比、可积木化及连续工作等特性。
由于燃料电池是目前惟一同时兼备上述优良性能的能量转换装置。
因此，被称为是继水力、火力、核能之后第四代发电装置和替代内燃机的动力装置，将在国防和民用的电力、汽车、通信等领域发挥重要作用。
2.2新能源与电力变换装置的集成
2.2.1风力发电系统集成方案
风力发电机组在不同风速条件下工作时，其发电机输出的电压幅值和频率是变化的。
因此需要配置电力电子功率变换器，通过功率变换器的换流控制,使输出电压达到恒压恒频的要求。
功率变换器与风力发电机的系统集成有两种方案：
直接输出型风力发电系统和双馈型风力发电机系统。
图2.1给出了风力发电系统的结构。
通常，用于调速风力机的功率变换器要求能够四象限运行，因此可以选择交—直—交间接变频或交—交直接变频两种变流方式。
在交—直—交变频方式中，可采用晶闸管整流与晶闸管逆变的交—直—交六拍变频器或采用PWM整流与PWM逆变的双PWM变频器。
在交—交变频方式中，可采用循环变频器或采用矩阵式变频器（MC）。
由于晶闸管六拍变频器和循环变频器都属于相控变流控制方式，存在网侧功率因素低和输出谐波高的问题，对电网和发电机均会造成电力污染和不良影响。
MC由于换流复杂等因素，目前正处于研究发展之中。
PWM变频器技术比较成熟，并作为变频电源大量应用于交流调速系统。
但对于大容量的风力发电机，则不能直接采用IGBT等开关器件的PWM变频器作为电力输出的变流装置。
此时，可以采用绕线转子异步发电机，通过转子馈电方式调节发电机的定子输出电压。
图2.1风力发电系统的系统结构图
2.2.2太阳能供电系统集成方案
典型的太阳能供电系统是通过太阳电池阵列的光电转换，将太阳能转变成电能，再由功率变换器将太阳电池输出的直流电转换成用户所需的电源形式。
根据用户要求，功率变换器可以选择直流斩波器进行DC/DC变换，或采用逆变器进行DC/AC变换。
此外，功率变换装置还应包括蓄电池系统，以平衡用电需求。
当阳光充足时，由太阳电池供电,同时向蓄电池充电；
当夜晚或阳光稀少时，由蓄电池供电。
变流器的电路结构如图2.2所示。
图2.2太阳电池功率转换电路结构图
2.2.3燃料电池供电系统集成方案
燃料电池发电系统的结构如图2.3所示，系统通过由直流斩波器与逆变器组成的功率变换装置，使燃料电池的输出电压与用户需求相匹配。
必须指出，由于燃料电池的输出特性较软，即使是向直流负载供电，也需要设置DC/DC变换环节，由直流斩波器或开关电源输出直流电，而不能由燃料电池直接供电。
这样，在电能变换方面，燃料电池发电系统与太阳能供电系统具有相似的变流电路结构，即对于直流负载，可采用DC/DC变换器，对于交流负载，可采用DC/AC变换器。
图2.3燃料电池供电系统结构图
2.3对新能源电力系统有重要作用的技术
对新能源电力系统有重要技术包括以下三点：
①软开关技术：
是解决高频开关损耗、提高电流密度和转换效率的有效手段。
目前，软开关技术已经在DC/DC变换和AC/DC变换中得到应用。
比如：
谐振变换器（Resonantconverters）、准谐振变换器（Quasi2resonantconverters）、多谐振变换器（Mul2ti2resonantconverters）、零开关PWM变换器（ZeroswitchingPWMconverters）和零转换PWM变换器（ZerotransitionPWMconverters）等,由于新能源电力系统中电能变换主要是DC/DC变换和AC/DC变换两种方式,因此,软开关技术的应用显得尤为重要。
②功率因数校正（PFC）技术：
是提高功率因数和降低谐波污染的重要途径。
近年来，PFC技术已成为电力电子领域的研究热点。
首先在单相PFC电路方面取得成果，现已从电路拓扑、控制策略发展到集成模块。
可用于Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk等DC/DC基本变换电路的专用或通用的PFC控制器。
目前的研究重点在三相PFC控制技术上，比如：
单开关、多开关以及软开关三相PFC电路的研制。
而软开关技术与PFC技术的融合是发展的新趋势。
③电源管理系统（PMS）技术：
是提高电源效率和系统可靠性的新方法。
PMS将智能控制和管理的思想引入电力系统，从发电、配电及用电等各个层次，对电能进行分配、监测、控制、管理和安全保护等。
其主要功能包括：
电能分配；
优化控制；
状态监测；
故障诊断；
容错控制。
实现上述功能的核心技术如下：
计算机技术,如数据库、网络通信、现场总线等;
自动控制技术，如过程监控、最优化算法、容错控制等；
人工智能，如模式识别、专家系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法等。
特别重要的是这些技术的融合，包括各种技术自身内部的融合，以及各种技术之间的融合。
总之，技术融合是新能源电力系统未来发展的关键和必然趋势。
当然也是新能源在船舰电推进系统能够发展的关键。
3电力电子技术在舰船电推进应用中未来的发展
3.1概述
无论舰船电力推进是采用新能源还是传统的电力能源，最终其发展与进步都要依赖于电力电子技术的创新与发展。
所以这里我们重点讨论一下电力电子技术在舰船电推进应用中未来的发展。
目前，利用新能源作为动力系统需要解决的关键问题是电能的转换,即通过电力变换装置使发电设备输出的电能在形式上与现有的用电设备的要求相匹配,在品质上满足用户的需求。
如何采用电力电子开关器件构造合适的电力变换装置是能否解决上述问题的关键。
随着电力电子器件、变流技术、传动控制系统以及新能源和新材料等高新技术的飞速发展,船舶电力推进系统正在经历着巨大变革。
但是,长期形成的学科体系和行业的条块分割,成为制约新能源与电力推进系统广泛应用和发展的主要瓶颈之一。
因此,特别需要通过学科交叉研究和开发与新能源发电设备配套的电力电子功率变换器,通过系统集成形成产品,以方便用户。
而且,由于船舶系统的专业性和特殊性,这一大功率电力传动控制系统的重要应用领域未得到应有的关注和重视,致使国内在这方面的研究与国外先进水平的差距更加明显。
这也同时给电力电子与传动控制领域带来一个巨大的发展机遇和空间。
由于电力推进具有良好的操纵性、布置灵活性等诸多优点，由最初的民用船只普及到了英美等国家的驱逐舰，并且，随着未来高能武器和先进探测器的发展，军用舰船电力负荷不断增大，综合电力系统和全电力舰船概念一直是国内外舰船领域讨论的热点。
而对于综合电力系统来说，电力电子技术的发展状况具有举足轻重的作用。
在未来舰船电力系统，尤其是综合电力系统中，电力电子开关器件和功率变换器的发展，需要着重解决以下两个问题：
（1）电力电子开关器件的损耗：
在功率变频器中，开关频率越高，供给负载的电压和电流波形质量越好，噪声和振动越小，对变换器输出滤波的要求也就越低。
而器件的每个开关周期中都会有能量的损耗。
为了限制开关损耗，当前的船舶电力电子变频器开关频率被限制在2kHz以下——远低于现在IGBT的开关频率能力。
开发和引入损耗小、耐压高的开关器件是电力电子器件的发展目标之一。
基于此，能够减小开关损耗的ZVS、ZCS变频器，谐振、准谐振变频器也应成为舰船推进变频器的发展方向。
（2）功率变换器的谐波抑制：
由于引入了大量开关器件，功率变换器容易造成电网侧谐波污染，这也是功率变换器应用于舰船中的一大障碍。
对于此，应用于舰船电力系统中的电力电子设备应考虑新的拓扑结构或采用适当的有源滤波方案，抑制注入电网的谐波电流污染。
（3）新能源与电力电子技术结合应用在船舶电推进上的应用：
近年来，国内外在新能源开发和利用方面，将风力发电、太阳能电池和燃料电池等作为当前电气工程重要的研究领域和发展方向，并取得了重要的成果。
例如，美国和加拿大等国家在燃料电池的化学反应机理、合成材料和反应堆研制等方面取得了突破；
法国、日本等国家正在开展燃料电池、太阳能应用于船舶的研究。
国内在这方面相对比较落后，特别是在以燃料电池为动力装置的电力推进船舶研制方面几乎是空白，而将这些新能源运用在船舶应用中则是更前沿的课题。
3.2电力电子开关器件
（1）功率二极管
由功率二极管组成的不控整流桥广泛地应用于推进电机变频器中。
并且，在PWM逆变电路中的反并联二极管具有反向导通的作用。
由于二极管的反向恢复电流的大小直接影响着开通电流大小和主开关器件的功率损耗，因而在未来的舰船电机变频器中，应考虑引入使用反向恢复电流极其小的硅碳二极管。
（2）晶体管（IGBT）
由于主推进电机功率巨大，通常达到20MW或者更高，PWM变频器主开关（一般为IGBT）承受电压过大，超过其耐压值成为PWM变频器用于舰船电力推进系统时存在的首要问题。
虽然可采用串联开关和多电平的方式降低每个开关承受的电压，但串联开关越多，或者电平越多，电路拓扑结构越复杂，变频器损耗越高，可靠性越低。
因而，发展高耐压的IGBT开关器件也应成为未来电力电子器件考虑的方向。
（3）晶闸管
与以前广泛应用于大功率场合的GTO相比，IGCT能够更快速关断，具有更小开关损耗和体积，并且本身局部集成了门驱动电路。
由于具有更低的开通损耗并不需缓冲器，IGCT未来有望在10MW以上的大功率变频器场合中替代IGBT的位置。
3.2变频器
（1）谐振变频器
谐振变频器是在主开关旁边加上一个谐振电路产生共振电流，在换向期间使开关的电流或电压接近于零，因而开关上功率也是接近为零，开关损耗大大降低。
这样就可以提高变频器的开关频率，获得更好的输出电压和电流的波形质量，大大降低噪声振动和对输出滤波器的要求。
但在舰船电力推进中，由于推进系统长时间处于部分负荷工况，谐振电路产生的附加损耗却和满负载工况下相同，因而低负荷工况时，反而是增加了整体损耗。
为解决这个问题，可以设计一个可断开的谐振电路，当谐振电路引起的损耗大于它节省的损耗时，就将其断开。
尽管有这样的缺陷，谐振变频器在未来仍有很大的优势。
（2）多电平变频器
传统二电平电压型逆变器相比较，多电平逆变器具有诸多显著优点：
输出电平数多，具有较低的dv/dt；
无需器件串联，采用低压功率器件即可实现更高等级的电压输出；
通过多电平的组合逼近参考波形，使得输出电压具有更好的谐波性能。
因此多电平逆变器被业界认为在高压大容量领域中最具有应用前景。
采用多电平结构成为实现高电压大容量化的有效途径。
美国SPCO公司开发的新型多电平变频器如图3.1所示，它使用MTO对多个中间电平之间的基准电压进行开关切换，然后经过加了谐振电路的IGBT开关作为PWM电压源输出。
由于开关损耗和导通损耗均大大减小，这种变频器效率可很大提高。
图3.1SPCO多电平变频器
（3）矩阵变频器
如图3.2所示，九个双向开关在固定的开关时间段依次连接每个输入相（VA，VB，VC）和每个输出相（Va，Vb，Vc），输出理想波形。
在固定的开关时间段内，三相输入与输出的联接周期与PWM相似，根据输入的平均电压输出期望的输出电压。
为了使输出电压不受输入电压瞬时值的影响，输出电压必须限制在输入电压包络线以内。
由于输入电压包络线的限制，输出电压限制在输入电压50%以内。
在应用于电力推进系统的矩阵变频器中，往往将1/6输入电压的三次谐波与
输出电压三次谐波叠加，使输出电压峰值提高到输入电压峰值的0.866。
虽然在这种方式中输出的相电压发生畸变，但是线电压没有畸变。
由于矩阵式变频器输出电压为正弦波，输出频率不受电网频率限制，输入电流也可控制为正弦波且和电压同相，功率因数为1，能量可双向流动，适于交流电动机的四象限运行，没有中间直流环节，效率很高，具有相当的优势，也将成为未来变频器的发展方向之一。
3.3有源滤波器
随着舰船电力系统容量的增大，负载种类、数量的增多，功率的增大，电力系统电力品质问题也变得更为突出。
无数的研究工作和事实证明，采用电抗的无源滤波方案并不能很好的解决电网品质问题。
在电力推进系统中，有源滤波器可接入母线之上，以抑制负载投切带来的网侧谐波，也用于推进电机电流输入侧以平滑转矩，降低振动和噪声。
在直流配电系统的交流负载侧加入有源滤波器也可使交流负载获得良好的供电质量。
图3.2矩阵式变频器示意图
3结论与展望
本文给出了电力电子在舰船电力系统中应用的现有典型实例，同时指出基于新能源的船舶电力推进系统作为电力电子与传动控制的重要研究领域。
并根据电力电子技术在舰船电力系统中应用所面临的问题，讨论了船舰电推进未来的发展方向。
一方面电力电子与传动控制技术的新突破和新进展；
一方面新型能源船舶集成动力系统的研究成功。
对现代电力电
升级会员 