電力電子技術在我國潛艇中的應用現狀及前景

裴　峰

（海軍駐大連地區軍事代表室，遼寧大連116021）

電力電子技術在我國潛艇中的應用現狀及前景

裴峰

（海軍駐大連地區軍事代表室，遼寧大連116021）

介紹了現代電力電子技術在潛艇中的應用現狀，分類介紹了 DC/AC 逆變電源、直流—直流（DC—DC）開關電源、直流電動機調速和起動電源等電力電子裝置的應用情況。指出電力電子技術的發展可帶來的好處，認為電力電子技術技術在潛艇中的應用具有廣闊的前景。

電力電子技術潛艇

0　引言

電力電子技術（power electronics）是指用功率半導體開關器件來實現電能的變換與控制，它是電力、電子、控制三大電氣工程技術領域之間的交叉學科。當代許多高新技術均與電網的電流、電壓、頻率和相位等基本參數的變換與控制相關，現代電力電子技術能夠實現對這些參數的精確控制和高效率的處理，特別是能夠實現大功率電能的頻率變換，從而為多項高新技術的發展提供了有力的支持。

原來，對廣大用戶來說，電能要么以工頻交流電的形式存在，要么以直流電（主要是蓄電池中的電能）的形式存在，而用戶對電能的電壓、頻率進行變換，過去人們用閘流管、電子管、變流機、變壓器等手段來實現電能的變換與控制。當1957年世界上第一只晶閘管（Thyristor）問世以后，就為電能的變換與控制提供了新的手段——電力電子技術。

晶閘管作為第一個出現的功率半導體器件雖然為電力電子技術的發展做出了巨大貢獻，而且仍在大功率電力電子設備中得到廣泛應用，但它的開關特性遠遠跟不上電力電子技術發展的需要。從七十年代末期開始，各種類型的全控半導體開關器件如GTO、GTR、MOSFET、IGBT等陸續出現，為電力電子技術的進一步發展提供了條件。此間，對電力電子電路拓撲結構、電力電子電路的控制技術等方面在世界范圍內進行了廣泛研究，使得電力電子進入了以高頻化、智能化、模塊化、大功率為特征的現代電力電子技術階段。

1　現代電力電子技術在我國潛艇中應用現狀

在我國，潛艇中使用電力電子設備的嘗試從70年代就已開始，但早期的項目大多因電磁兼容特性過不了關而最終下馬。隨著電力電子技術的發展，以80年代末期，又開始了新一輪的嘗試，這期間 400 Hz中頻逆變電源首先通過了電磁兼容測試，并經過了裝艇試用獲得成功。隨后50 Hz逆變電源，大功率 DC/DC開關電源，直流電動機無觸點起動器，經航斬波調速器等一批電力電子裝置在我國現役潛艇上得到應用，現分類介紹這些電力電子裝置的應用情況。

1.1DC/AC 逆變電源

圖1　變流機組結構框圖

圖2　基本逆變電路及波形

由于我國常規潛艇全船電網主體是直流（特殊潛艇上也有50 Hz交流供電電網），而艇上一般設備需要交流電源，因此過去艇上裝備有直流電動機—交流發電機（或交流電動機—直流發電機—直流電動機—交流發電機）組成的變流機組用來將直流電（或50 Hz交流電）變為所需的變流電（如50 Hz或400 Hz的變流電），如圖1所示。

變流機組有以下缺陷：

1) 由于有旋轉部件，因此噪音大；

2) 電動機的換向器需要定期維修保養；

3) 重量、體積大；

4) 電壓和頻率的穩定度較低，動態響應較慢。

現在，我國潛艇中已開始采用逆變電源逐步取代變流機組，逆變電源的原理如圖2所示。

圖2(a)中的逆變電源主電路是一個典型的全橋PWM逆變器結構，控制電路通過控制S1、S2、S3、S4四個功率半導體開關元件的開通與關斷，在C、D兩點產生如圖2(d)所示的PWM電壓，UCD的基流UCD1即為所需的50 Hz或400 Hz正弦電壓、其他高次諧波由L、C組成的低通濾波器濾掉，于是在負載上得到正弦電壓Vo。在直流電源電壓或負載發生變化時，只要改變UCD中各脈沖的寬度，即可調節Vo的幅值，使其維持恒定，改變 UCD的重復周期 T即可改變輸出電壓的頻率，因此，逆變電源對輸出電壓的幅值和頻率的控制精度很高，響應也很快。

采用逆變電源代替變流機組后，不僅輸出電壓的特性得到提高，且重量體積減少，噪音降低。通過多年的使用，這類逆變電源的優點得到了使用部門的充分肯定，技術也日趨成熟。

1.2直流—直流（DC—DC）開關電源

由于潛艇中蓄電池電壓不是恒定的，在需要恒定直流電壓時，就需要用DC—DC開關電源來將電池電壓變換為負載所需的恒定直流電壓。實現 DC—DC變換的電路有很多類型。圖3是由升壓電路（Boost電路）和降壓電路（Buck電路）組合而成的升降壓DC—DC開關電源電路。

圖3　升降壓組合型DC—DC電源電路

當電池電壓低于所需電壓時，由L1、S1、D1和C1組成的升壓電路將Vi升高，S2始終導通，L2、C2此時相當于輸出濾波電路，因此只要控制S1的占空比，就可使 Vo穩定在所需的電壓上。

圖4　半橋型DC—DC開關電源

1.3直流電動機調速和起動電源

在常規潛艇中，推進電機的勵磁調節器首先使用了斬波器，隨后經航電機調壓調速主斬波器和直流電動機無觸點起動器也研制成功。這些用于直流電動機的控制和起動的電力電子裝備極大地改善了電動機運行特性。在小功率應用場合主要是用 Buck型電路，大功率場合則用多重多相電路來提高功率等級。

直流電動機用多重多相調整電路如圖 5所示。

1.4交流電動機起動和調速電路

交流電機與直流電機相比具有體積重量小、堅固可靠，不需經常維修，無換向火花等一系列優點，但交流電機的調整比較困難這一問題限制了交流電機在某些場合的應用。隨著電力電子技術的發展，能向交流電機提供可變頻率，可變電壓（VVVF）的電源的出現使交流電機的調速不再成為問題，于是用交流電機取代直流電機已成為不可避免的技術趨勢。潛艇的交流電力推進技術也就成為一種很有前途的技術。

現在我國某型深潛救生艇上的電力推進已全部使用了交流調速電力電子裝置。某潛艇的空調壓縮機也選用了變頻電源裝置。圖 6是由 Boost型升壓電路與三相逆變電源組成的空調壓縮機變頻電源。由于電池電壓直接逆變輸出電壓達不到電機額定電壓，三相逆變橋的輸入部分增加了一級Boost升壓電路，將電池電壓升至一穩定的高壓，然后再用三相逆變橋將此電壓轉換為壓縮機所需的的三相電壓和頻率。

2　電力電子技術在潛艇中應用前景

電能通過電力電子裝置變換以后再給設備供當電池電壓高于所需電壓時，S1管始終關斷，電池電壓經L1、D1送至C1，L1和C1此時相當于輸入濾波電路，控制S2的占空比，就可由L2、T2、C2組成的降壓電路將電池電壓 Vi降為負載所需的電壓Vo。

這種升降壓組合型DC—DC電源電路的特點是電路簡單可靠，效率高，已在潛艇的某些電源中得到應用，此電路也非常適合替代現在潛艇中使用的電阻降壓式直流穩壓調整器。

另外，還有一種半橋式電路構成的DC—DC開關電源（如圖4(a)所示），適合輸出電壓與輸入電壓相差較大的情況。半橋式DC—DC電源由于帶中間隔離變壓器，一方面可實現輸入輸出的電氣隔離，另一方面也可通過變壓器匝比的設計方便地匹配輸入、輸出電壓。這種電路在潛艇上的24 V輔機直流電源中也已得到應用。電，可以起到節能，優化設備運行工況，提高設備性能等多方面作用。目前我國潛艇中電力電子裝備使用越來越多，標志我國潛艇技術進步正在加快，隨著我國軍用裝備從重視數量轉為重視質量，大力發展高技術裝備，電力電子技術在潛艇中的應用前景將是廣闊的。

圖5　直流電機多重多相斬波調整電路

圖6　空調壓縮機變頻電源裝置組成及升壓部分電路圖

目前，要在潛艇中推廣電力電子技術的應用，筆者認為有以下兩個方面的工作要做：

1) 推廣已使用成熟的技術。逆變電源、直流電動機起動和調速電源、交流電動機起動和調速電源，DC—DC開關電源現均有成熟技術，但現役潛艇中還在繼續使用有觸點電機起動器、電阻降壓式直流穩壓調整器等老式設備，變流機組也仍在某些場合繼續使用，因此推廣已成熟的電力電子技術仍有大量工作要做。

2) 跟蹤國際先進水平，提高潛艇用電力電子裝備的性能。目前電力電子技術的發展十分迅速，其主要特征是向高頻化、大功率、智能化、模塊化方向發展，具體說電力電子技術的發展可帶來如下好處：

（1）重量更輕、體積更小

電力電子技術的高頻化發展最終可使逆變電源中的400 Hz或50 Hz變壓器完全被取消，從而使逆變電源的重量、體積大為減小。

（2）噪音降低

當開關頻率高于20 kHz以后，由于噪音已超出人耳的聽覺頻率范圍，電力電子裝置將不再有“噪音”。

（3）大功率

目前在中、小功率范圍內電力電子裝置成功應用的事例很多，但數百千瓦以上功率等級的電力電子裝置在我國潛艇中應用還在嘗試階段，隨著電力電子技術的發展，大功率電力電子裝置在潛艇中的應用也將有可能不再是空白。

3　結束語

現代電力電子技術在國外潛艇中的應用已非常廣泛，它為潛艇的低噪聲航行、增大總體可利用空間、優化系統配置提供了有力的技術支持。有消息報導國外潛艇正著手研究核電技術和綜合電力系統，實現在同等的總體體積下增大可利用空間，進一步優化總體布置，降低艇體噪聲，提高潛艇的生命力和機動性，為電磁發射裝置等概念武器提供強大電能，而其核心技術之一也是現代電力電子技術。隨著現代電力電子技術的發展與成熟，其在我國潛艇中的應用必將有更廣闊的空間，而且也必將為我國現代潛艇發展做出突出的貢獻。

The Review on the of Power Electronics Technology Used to A Submarine

Pei Feng
(Naval Representatives Office in Dalian，Dalian 116021，Liaoning，China )

Power electronics technology used in a submarine is introduced. The paper presents power electronic devices such as DC/AC inverter，switching power supply，DC Motor timing，start power supply and so on in detail. It has bright prospect of power electronics technology to use in submarine.

power electronics technology; submarine

TM76

A

1003-4862（2015）12-0011-04

2015-04-01

裴峰 （1974-），男。 研究方向：艦船電氣專業質量監督。