船舶綜合全電力推進系統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展，它們代表了海軍艦艇21世紀的發展方向。發展綜合全電力推進系統的主要目的是開發新的推進系統，將發電和能量管理系統一體化，采用最先進的推進電機和電力電子設備，降低系統成本，延長系統壽命，提高系統效率[1]。

船舶綜合全電力推進系統由多個模塊組成，整流模塊是其中重要的一個環節[2]。隨著船舶綜合全電力推進系統發展，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。現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技術，而且都是用戶要求采用的同相逆并聯技術，說明同相逆并聯這種技術很有市場[4]。目前大功率并聯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和三相橋式同相逆并聯[5]。

為了提高船舶綜合全電力推進系統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——串聯橋非同相逆并聯連接。這種設計方法與一般的串聯橋接線方式相比，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 并聯橋同相逆并聯連接的工作原理

同相逆并聯就是在并聯橋整流裝置中并聯使用的相同相位、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，提高功率因數的目的。當導排中的電流超過一定數值時，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熱，生成附加損耗。采用同相逆并聯后，可以減少這種附加損耗。并聯橋同相逆并聯接線方式如圖1所示。

圖1 并聯橋同相逆并聯連接線圖

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，C12、C22、B13、B23電路中有電流通過，分別形成同相逆并聯電路。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 并聯橋導排導通順序

3 串聯橋12脈整流裝置一般接線方式

在 12脈整流裝置中，并聯橋方式的整流設備占大部分，但也一部分產品要求高電壓，這時使用并聯橋就不能滿足，只有使用串聯橋方式，兩個三相整流橋串聯可以使電壓提高一倍。如圖3所示，該圖是串聯橋12脈整流裝置一般接線方式。

4 串聯橋非同相逆并聯連接方式

按照并聯橋同相逆并聯連接的基本原理，設計出了串聯橋非同相逆并聯連接，如圖4所示。這種方式是在整流裝置中并聯使用的非同相位、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 一般串聯橋12脈整流裝置接線圖

串聯橋的晶閘管整流裝置在一個周期內有12個導通狀態，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，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 串聯橋非同相逆并聯連接線圖

5 串聯橋非同相逆并聯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，在整流柜內串聯橋非同相逆并聯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 串聯橋非同相逆并聯連接方式導通順序

5.3 磁影響

非同相逆并聯遵循同相逆并聯的原理，導排的磁力線抵消明顯，從圖5可以看出，1,3,5,7,9,11導通狀態最好，磁消最為明顯，2,6,10,12導通狀態次之，4,8導通狀態較差，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功率因數，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，可以確定串聯橋非同相逆并聯技術在船船綜合全電力推進串聯橋整流模塊中的技術優勢。隨著電力電子技術的不斷發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[J]. 柴油機, 2003,(2): 17-20.

[3] 吳春學, 鐘輝. 大功率整流裝置的聯結方式[C]. “中電索能”杯全國氯堿行業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.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.