現(xiàn)代電力電子技術(shù)與船舶電氣

張 賓

安徽省蚌埠醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院設(shè)備科，安徽 蚌埠 233000

早些年，微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)逐漸走向融合，并在各自的發(fā)展基礎(chǔ)上創(chuàng)造出新一代高頻化的集成器件，進(jìn)一步使電力電子技術(shù)由傳統(tǒng)技術(shù)向現(xiàn)代化電力電子技術(shù)轉(zhuǎn)變。這種新型的集成器件在功能上具備隨時(shí)控制關(guān)斷的優(yōu)勢(shì)，而在結(jié)構(gòu)上它主要是由若干個(gè)具有相同功能的單元融合而來，在很大程度上拓寬了電力電子技術(shù)的覆蓋面。其中，全控型器件品類比較多，但是能夠真正產(chǎn)業(yè)化的只有四種：可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、功率場(chǎng)控晶體管、和絕緣門級(jí)晶體管[1]。這四種器件都有屬于自己的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，它們?cè)诟髯缘念I(lǐng)域里又都有自己的局限性，在某種程度上，它們形成了一個(gè)良性互補(bǔ)的局面，從而為廣大用戶提供更多的選擇。

2 現(xiàn)代電力電子技術(shù)在船舶電氣中應(yīng)用的必要性

現(xiàn)代電力電子技術(shù)在船舶電氣中應(yīng)用的必要性有以下幾點(diǎn)。首先，它是我國(guó)電力電子技術(shù)發(fā)展的必然需求。電力電子技術(shù)作為船舶電氣的核心技術(shù)，其質(zhì)量的好壞直接影響到船舶電氣水平。其次，船舶行業(yè)要想在當(dāng)下激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中站穩(wěn)腳步和取得主動(dòng)權(quán)，必須要加大對(duì)電力電子技術(shù)的研究力度，并將其先進(jìn)的成果應(yīng)用到船舶電氣中，這樣才能不斷提高核心競(jìng)爭(zhēng)力。大力發(fā)展船舶電力技術(shù)還有利于推動(dòng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。最后，將電力電子技術(shù)應(yīng)用在船舶電氣中，可有效縮短與國(guó)際先進(jìn)水平之間的距離，同時(shí)也有助于提升我國(guó)其他制造行業(yè)的整體發(fā)展速度，從而為相關(guān)制造業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)收益。

3 現(xiàn)代電力電子技術(shù)在船舶電氣中的應(yīng)用分析

3.1 電氣傳動(dòng)的應(yīng)用

電氣傳動(dòng)是現(xiàn)代電力電子技術(shù)在船舶電氣中應(yīng)用的一種[2]。其中繼電接觸器在以往傳統(tǒng)的船舶制造工業(yè)上就已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。目前船舶上所使用的電動(dòng)機(jī)，大多數(shù)是通過容量不同的電磁起動(dòng)器來控制的。電磁起動(dòng)器具有很多優(yōu)點(diǎn)，但它的缺點(diǎn)也是比較明顯的，因?yàn)樗年P(guān)鍵部件是觸頭，所以在開啟的一瞬間可能會(huì)產(chǎn)生電弧，輕度的話會(huì)燒損觸頭，嚴(yán)重的話可能會(huì)引起短路，甚至?xí){到整個(gè)船舶電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。要想避免這種不良問題的出現(xiàn)，必須要對(duì)起動(dòng)器的觸頭進(jìn)行優(yōu)化，使其不僅能承受較大的電流，而且具備超強(qiáng)的耐磨損和耐電弧燒蝕能力。此外，電氣傳動(dòng)中的電磁起動(dòng)器的工作主要是通過電磁機(jī)構(gòu)和其他機(jī)械機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，設(shè)計(jì)的質(zhì)量會(huì)直接影響設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，一旦設(shè)計(jì)不當(dāng)就會(huì)造成嚴(yán)重的后果，尤其是那些軍用艦船更容易受到較大的沖擊和振動(dòng)。為此，很多時(shí)候會(huì)采用固態(tài)起動(dòng)器來降低不安全系數(shù)，這種起動(dòng)器是沒有觸頭的，所以即使遇到再大的電流也不會(huì)產(chǎn)生電弧，從而有效地避免了大電流的沖擊。例如，整個(gè)電氣系統(tǒng)采用西門子SIMATIC PLC 、SIMOVERT MASTERDRIVES 交流變頻調(diào)速器和船用變頻電機(jī)，通過閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了完美的控制效果；系統(tǒng)由Prof i bus DP、MPI、工業(yè)以太網(wǎng)三種網(wǎng)絡(luò)組成，采用先進(jìn)的12脈整流技術(shù)，并輔以PLC、觸摸屏、計(jì)算機(jī)等周邊設(shè)備，實(shí)現(xiàn)本地、遠(yuǎn)程（集中）兩種監(jiān)視和控制功能。系統(tǒng)對(duì)電源、保護(hù)、連鎖、可逆調(diào)速、控制位置轉(zhuǎn)換、制動(dòng)、通風(fēng)、加熱等輔助電路進(jìn)行控制，并對(duì)錨繩的張力、輸出的長(zhǎng)度、速度以及電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、顯示和處理；具備自動(dòng)／手動(dòng)，單機(jī)／聯(lián)動(dòng)、自動(dòng)診斷、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)保護(hù)、自動(dòng)控制等功能。

3.2 變頻裝置的應(yīng)用

目前我國(guó)船舶上的主電網(wǎng)頻率均為50Hz，但是也有部分設(shè)備的供電要求比較特殊，50Hz對(duì)這部分設(shè)備來講不符合要求，它們所需要的頻率可能是400Hz。對(duì)此，可以利用電動(dòng)中頻發(fā)電機(jī)組來實(shí)現(xiàn)電頻轉(zhuǎn)換。然而實(shí)際情況中，很多船舶上都是以分散且獨(dú)立的中頻電源為相應(yīng)設(shè)備供電，很大程度上會(huì)直接影響整體的重量和空間利用，使船舶受到不同程度的損傷，且對(duì)船上環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生影響[3]。為此，不管是電壓、頻率精度還是波形都應(yīng)將噪聲振動(dòng)指標(biāo)控制在合理的范圍內(nèi)，對(duì)于船舶制造工藝、各項(xiàng)性能指標(biāo)等諸多方面也應(yīng)當(dāng)采取有效的措施對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高電頻工作的效率和質(zhì)量，也可以減輕船舶維修保養(yǎng)工作人員的負(fù)擔(dān)。此外，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展，靜態(tài)變頻裝置的出現(xiàn)也不是不可能。該種變頻裝置可以大幅度降低噪聲和振動(dòng)對(duì)船舶的影響，所以使用這種變頻裝置有利于船舶的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 整流電源的應(yīng)用

整流電源是船舶中比較典型的一種蓄電池充放電裝置。該裝置的充電方式可以分為兩種，一種是恒壓，另一種則是恒流。通常情況下這兩種充電方式都是可以采用的，可以有效掌控整流電路并根據(jù)電流負(fù)載的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)一步使可控硅的導(dǎo)通角得到有效控制并輸出。然而這兩種充電方式也存在一定的問題，就是船舶的供電波形往往會(huì)隨著裝置輸出頻率的降低而發(fā)生變化，整個(gè)過程中有可能會(huì)產(chǎn)生高次諧波的電流，進(jìn)而加大船舶的重量和負(fù)擔(dān)。因此，為了改善這種情況必須設(shè)置專門的濾波電容器，通過采用高頻化和全控型電力電子器件可以有效地解決這些問題。此外，船舶的電路往往會(huì)采用交—直—直的形式，這不僅可以提高功率因數(shù)有效控型器件，還可以控制整流電源的輸出電壓大小，同時(shí)再結(jié)合直變流器進(jìn)一步對(duì)功率器件的導(dǎo)通進(jìn)行優(yōu)化，從而將電流諧波失真率變得最小，使現(xiàn)代電力電子技術(shù)在船舶電氣中得到有效利用。

3.4 UPS裝置的應(yīng)用

隨著電力電子技術(shù)在船舶上的廣泛應(yīng)用，各類設(shè)備和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也變得越來越復(fù)雜化，其功能也變得越來越多，這也對(duì)電源方面提出了更高的要求[4]。其中UPS裝置作為一種新型的電源裝置，一旦正常電網(wǎng)供電失效，它就可以利用蓄電池組再次進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步通過動(dòng)力或者是電站控制系統(tǒng)持續(xù)供電，從而確保船舶中一些薄弱的地方在一定時(shí)間內(nèi)依然可以正常運(yùn)行。而UPS裝置的工作原理其實(shí)很簡(jiǎn)單，當(dāng)電網(wǎng)正常供電時(shí)利用整流穩(wěn)壓來獲取較為穩(wěn)定的直流輸出，而一旦電網(wǎng)出現(xiàn)失效蓄電池組就會(huì)持續(xù)地進(jìn)行放電，倘若放電過程中需要輸出交流，就會(huì)通過逆變環(huán)節(jié)將輸出的直流變?yōu)榻涣?，進(jìn)一步滿足船舶的用電需求。此外，UPS裝置已被廣泛應(yīng)用在船舶中，且技術(shù)也十分成熟，這也正是現(xiàn)代電力電子技術(shù)應(yīng)用于船舶電氣的價(jià)值，從而使UPS裝置在船舶上發(fā)揮出最大的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，推動(dòng)了現(xiàn)代電力電子技術(shù)的進(jìn)步，該技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于船舶電氣中，實(shí)現(xiàn)了良好的應(yīng)用效果，從而也推動(dòng)了整個(gè)船舶行業(yè)的快速發(fā)展和進(jìn)步。因此，在未來的工作中，還需要對(duì)電力電子技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化和創(chuàng)新，以滿足行業(yè)發(fā)展的需求，實(shí)現(xiàn)社會(huì)的快速發(fā)展。