船用電力推進(jìn)系統(tǒng)整流模塊主回路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

田 凱 田祚堡

(哈爾濱工程大學(xué) 哈爾濱 150001)

船用電力推進(jìn)系統(tǒng)整流模塊主回路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

田 凱 田祚堡

(哈爾濱工程大學(xué) 哈爾濱 150001)

電力推進(jìn);晶閘管模塊;主回路結(jié)構(gòu);整流模塊;非同相逆并聯(lián)

介紹了一種使用晶閘管模塊的大功率船用電力推進(jìn)系統(tǒng)12脈整流模塊主回路結(jié)構(gòu)。利用大功率串聯(lián)橋非同相逆并聯(lián)連接技術(shù)的原理,設(shè)計(jì)出適用于大功率船用電力推進(jìn)系統(tǒng)的12脈串聯(lián)橋整流裝置主回路結(jié)構(gòu),并與利用相同原理設(shè)計(jì)出的12脈單體晶閘管整流裝置的主回路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較分析,驗(yàn)證了新設(shè)計(jì)方法的先進(jìn)性。

0 引 言

近年來,隨著電力電子技術(shù),電機(jī)技術(shù)等的迅速發(fā)展,船用電力推進(jìn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的機(jī)械方式相比技術(shù)優(yōu)勢明顯,在商船尤其是游輪領(lǐng)域得到了越來越多的工程應(yīng)用[1]。船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)在機(jī)動(dòng)性、可靠性、運(yùn)行效率、推進(jìn)功率等方面都有突破性進(jìn)展,從而使電力推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。此外,如何進(jìn)一步提高效率和降低設(shè)備成本,仍是人們十分關(guān)注的問題之一。世界上各大船用設(shè)備廠家如ABB、SIEMENS、ALSTOM、STNATLAS等公司都已開發(fā)出成套的電力推進(jìn)系列產(chǎn)品,其中尤以ABB開發(fā)的吊艙式電力推進(jìn)器AZIPOD最為成功,并得到廣泛應(yīng)用[2]。

在國內(nèi),電力推進(jìn)還處于起步階段,電力推進(jìn)的應(yīng)用還不廣泛,使用電力推進(jìn)新產(chǎn)品的船還不多[3]。船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)一般由原動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、螺旋槳、舵以及各相應(yīng)的控制調(diào)節(jié)設(shè)備等組成。整流模塊是其中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)[4]。

整流模塊的性能關(guān)系到電力推進(jìn)系統(tǒng)的容量,功率密度,效率等等。橋式整流電路具有電路組成簡單、高效、成本低等特點(diǎn),作為一種交流變直流的常規(guī)變換電路形式,應(yīng)用很普遍[5]。因此,橋式整流模塊的設(shè)計(jì)對系統(tǒng)性能提升至關(guān)重要。與此同時(shí),先進(jìn)的整流模塊可以提升主回路的工作性能。本文利用大功率串聯(lián)橋非同相逆并聯(lián)連接技術(shù)的原理,設(shè)計(jì)出適用于大功率船用電力推進(jìn)系統(tǒng)的12脈的主回路結(jié)構(gòu),該主回路結(jié)構(gòu)與利用相同原理設(shè)計(jì)出的12脈單體晶閘管整流裝置的主回路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較分析,驗(yàn)證了該主回路結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性。

1 串聯(lián)橋非同相逆并聯(lián)技術(shù)的工作原理[6,7]

串聯(lián)橋非同相逆并聯(lián)就是在串聯(lián)橋整流裝置中并聯(lián)使用的非相同相位、極性相反的兩根導(dǎo)排組成的母線。同時(shí)要求整流變壓器二次側(cè)由一個(gè)線圈分為兩個(gè)線圈,而且要反極性使用。

非同相逆并聯(lián)的特點(diǎn)是利用通過導(dǎo)體產(chǎn)生的磁力線相互抵消,達(dá)到減少導(dǎo)排的互感,減少母線的交流阻抗,提高功率因數(shù)的目的。當(dāng)導(dǎo)排中的電流超過一定數(shù)值時(shí),導(dǎo)排中電流產(chǎn)生的磁力線在周圍的鋼結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生電磁勢,形成渦流,渦流電流使鋼結(jié)構(gòu)發(fā)熱,生成附加損耗。采用非同相逆并聯(lián)后,可以減少這種附加損耗。

2 12脈單體晶閘管主回路結(jié)構(gòu)

依照串聯(lián)橋非同相逆并聯(lián)聯(lián)結(jié)的基本原理,設(shè)計(jì)出了12脈串聯(lián)橋單體晶閘管整流裝置的主回路結(jié)構(gòu)。這種主回路結(jié)構(gòu)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(dǎo)排組成的母線,要求條件也是變壓器二次側(cè)由一個(gè)線圈分為兩個(gè)線圈,而且要反極性使用。從圖1可以得知,這種結(jié)構(gòu)在變壓器二次側(cè)的引線布局復(fù)雜,加大了變壓器二次側(cè)電磁干擾;同時(shí),也降低了設(shè)備的可靠性與經(jīng)濟(jì)性。

串聯(lián)橋的晶閘管整流裝置在一個(gè)周期內(nèi)有12個(gè)導(dǎo)通狀態(tài),將一個(gè)周期分為12個(gè)時(shí)間段,如圖1所示。在晶閘管整流柜內(nèi),在某個(gè)時(shí)間段內(nèi),假設(shè)在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)排線C15、C25、A14、B26同時(shí)導(dǎo)電,過30°電角度后,C15、C25、B16、B26同時(shí)導(dǎo)電,其他導(dǎo)排電位處于低電壓,可控硅元件處于不導(dǎo)通狀態(tài),其排線上沒有電流流過,依時(shí)間順序可以清楚地知道導(dǎo)排的導(dǎo)通順序,如表1所示。

圖1 12脈單體晶閘管非同相逆并聯(lián)主回路結(jié)構(gòu)

表1 12脈單晶閘管整流裝置排線導(dǎo)通狀態(tài)及順序

表1中可看出,相鄰排線電流方向若相反,表示導(dǎo)線產(chǎn)生的磁力是相互抵消的,與此同時(shí),相反電流方向的一對排線間距應(yīng)最小,這也是非同相逆并聯(lián)聯(lián)結(jié)技術(shù)的特點(diǎn)[8]。

3 12脈晶閘管模塊主回路結(jié)構(gòu)

在大功率整流裝置的應(yīng)用當(dāng)中,不僅僅使用大電流單體晶閘管,晶閘管模塊應(yīng)用也比較廣泛。圖2為晶閘管模塊MTC電路聯(lián)結(jié)方式。

圖2 晶閘管模塊MTC電路聯(lián)結(jié)方式

利用非同相逆并聯(lián)技術(shù),使用6組晶閘管模塊,設(shè)計(jì)出如圖3接線方式的整流裝置。在該設(shè)計(jì)中,晶閘管模塊的3接口與整流變壓器二次側(cè)直接相連,由于兩個(gè)晶閘管線路已分出兩條極性相反的線路,所以無需變壓器二次側(cè)導(dǎo)線一分為二。

圖3 晶閘管模塊非同相逆并聯(lián)聯(lián)結(jié)圖

表2為晶閘管模塊整流裝置排線導(dǎo)通狀態(tài)及順序。由表2可以得知,在12種導(dǎo)通狀態(tài)中,每種狀態(tài)下,相鄰的兩根導(dǎo)通線路其電流方向總是相反的,相互之間的磁力線是相互抵消的。盡管有的導(dǎo)通狀態(tài)導(dǎo)通排線之間的距離比較大,但兩者之間的電流方向還是相反,磁力還是相互抵消的,只不過抵消效果稍差。例如,在1導(dǎo)通狀態(tài)下,C15C12線路與A 11A 14線路相隔線路B13B16,但它們電流是相反,磁力線是相互抵消的,只不過效果稍差一些。

表2 晶閘管模塊整流裝置排線導(dǎo)通狀態(tài)及順序

4 單體晶閘管主回路結(jié)構(gòu)與晶閘管模塊主回路結(jié)構(gòu)的比較

4.1 位置布局

兩種主回路結(jié)構(gòu)的在整流柜中的位置布局上,后者結(jié)構(gòu)更加清楚,簡單明了,易于安裝,占用空間少,與此同時(shí),減少了水冷模塊的使用個(gè)數(shù),避免安裝更多的水冷模塊及管道設(shè)備等,極大的節(jié)省了空間,減輕了設(shè)備重量,這是整流裝置設(shè)備是否先進(jìn)的重要指標(biāo)。

4.2 進(jìn)線方式

兩種聯(lián)結(jié)方式比較會發(fā)現(xiàn),后者在整流柜內(nèi)的進(jìn)線方式排線數(shù)量僅為6根,而前者排線數(shù)量為12根,而且與整流變壓器連接的相序沒有變,這樣,排線不用交錯(cuò)橫織。由此可見,前者進(jìn)線方式不僅數(shù)量多、不利于節(jié)省成本,也不利于功率密度的提高,而且進(jìn)線方式比較雜亂,會在變壓器一側(cè)產(chǎn)生大量的渦流電流,從而造成大量的附加損耗,不利于系統(tǒng)效率的提高;同時(shí)產(chǎn)生的熱量會對系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響,降低系統(tǒng)可靠性。從成本、性能角度來看,晶閘管模塊非同相逆并聯(lián)聯(lián)結(jié)的進(jìn)線方式也大大優(yōu)于單體晶閘管。

4.3 磁影響

從磁力線抵消角度來看,晶閘管模塊非同相逆并聯(lián)聯(lián)結(jié)的磁消情況明顯優(yōu)于單體晶閘管的聯(lián)結(jié)方式。從表1可以看出,1、3、5、7、9、11這6種導(dǎo)通狀態(tài)最好,磁消最為明顯;但2、6、10、12這4種導(dǎo)通狀態(tài)有兩根排線相距了兩根以上排線,磁消并不明顯;最糟糕是4、8導(dǎo)通狀態(tài)出現(xiàn)了磁力線疊加的情況。隨著排線電流的增大,產(chǎn)生的不利于影響也會越來越大,排線間的互感增大,母線的交流阻抗變大,不利于提高系統(tǒng)功率因數(shù),還會影響整流柜內(nèi)的集成控制電路的運(yùn)行。當(dāng)排線中的電流超過一定數(shù)值時(shí),排線中電流產(chǎn)生的磁力線在整流柜周圍的鋼結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生電磁勢,形成渦流,渦流電流使鋼結(jié)構(gòu)發(fā)熱,生成大量附加損耗,也不利于整流裝置的效率的提高。從表2可以看出,每一種導(dǎo)通狀態(tài)都比較好,每根相鄰的排線電流方向總是相反的,也就是磁力線是相互抵消的,其中2、3、4、8、9、10這六種狀態(tài)最好,其余次之。盡管在某些導(dǎo)通狀態(tài)下,有的排線左右鄰近的排線沒有導(dǎo)通,但隔一根排線總有一根導(dǎo)通的排線與之電流方向相反,這種情況磁消不是很明顯,但會隨著電流增大而變得明顯。

4.4 其他

后者比前者使用了更少銅排、更少的水冷設(shè)備,從而節(jié)約了空間。而且6組晶閘管模塊與12組單體晶閘管相比,體積小、重量輕、特性好、散熱效果好,提高了系統(tǒng)的功率密度及經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié) 語

通過上述兩種主回路結(jié)構(gòu)的對比,可以確定12脈串聯(lián)橋晶閘管模塊非同相逆并聯(lián)技術(shù)在船用電力推進(jìn)系統(tǒng)整流模塊中的技術(shù)優(yōu)勢及其先進(jìn)性。其不僅磁消明顯,而且與單體晶閘管的整流主電路相比,功率密度高、效率高、成本低,保證了整流模塊的經(jīng)濟(jì)性、可靠性與先進(jìn)性。

隨著電力電子技術(shù)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(shè)備中越來越得到普遍應(yīng)用,大容量、高電壓、大電流整流將使電磁影響更為強(qiáng)烈。本文所介紹的主回路結(jié)構(gòu)將為船用電力推進(jìn)系統(tǒng)12脈整流模塊設(shè)計(jì)提供一種新的選擇。

[1] Schuddebeurs J.D.,Norman P.J.,Booth C.D..Emerging Research Issues Regarding Integrated-Fu ll-Electric-Propulsion[R].Universities Power Engineering Conference 2006 Proceedings of the 41st International.Volume 2,6-8Sept.2006(2):669-673.

[2] 欒勝利.船舶電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展[J].船電技術(shù),2009(4):46-49.

[3] 陳林,羅孝學(xué).船舶電力推進(jìn)的現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)分析[J].武漢航海職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2008,3(2):3-5.[4] 鄭為民,王勇.電力推進(jìn)發(fā)展的主要原因及歷程概覽[J].航海技術(shù),2004(3):49-51.

[5] 侯云海,關(guān)巍,林哲.一種新型高效電容型非線性阻抗變換整流電路[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,27(1)30-32.

[6] 郭少敏,馬玉霞,薛曉峰.大功率整流裝置主回路結(jié)構(gòu)及技術(shù)分析[J].礦冶,2008,17(1):86-88.

[7] 耿慶魯.大功率整流設(shè)備兩種最常用接線方式的比較[J].氯堿工業(yè).2008,44(8):4-5.

[8] 徐清書,黃嘉,張萬慶等.高電壓晶閘管整流電源[J].電氣傳動(dòng),2001(3):61-64.

Design of the Main Circuit Configuration for the Rectifying Module in the Marine Electric Propulsion System

Tian Kai Tian Zuobao

electric propulsion;thyristor modules;main circuit configuration;rectifying module;out-of-phase counter parallel

This paper introduces a main circuit configuration for the 12-pulse rectifying module in the high-power marine electric propulsion systems with thyristor modules.Based on the principle of the out-of-phase counter parallel connection for the high-power parallel bridge,the main circuit configuration is designed for 12-pulse parallel bridge rectifying devices in the high-power marine electric propulsion system.Furthermore,the advantage of the new design method has been confirmed by comparing with the main circuit configuration for 12-pulse single thyristor rectifying devices based on the same principle.

U 665.13

A

1001-9855(2010)06-0038-04

2010-05-11

田 凱(1972-),男,漢族,黑龍江人,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向:電力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、模式識別等。

田祚堡(1986-),男,土家族,湖北人,碩士研究生,主要研究方向:電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化。