摘要：随着社会经济及电子技术的发展，现代电力电子技术的水平逐渐提高，其在不同行业领域的应用，均表现出重要的价值。将其应用于船舶电气中，不仅能提升电气供电技术，还能促进船舶业的现代化水平。所以，对船舶电气应用现代电力电子技术的价值进行了进一步的分析，为促进船舶电气的发展提供有力的参考依据。
关键词：船舶电气；现代电力；电子技术
电力电子技术的发展明显提高了电能的处理效果，不仅优化了工业及民用电力系统，应用于船舶电气中，涉及发电环节、输电环节、配电环节，促进了船舶电力系统的升级，实现了机电一体化[1]。且现代电力电子技术越来越智能化，提高了各项机电设备的自动化程度，满足了不同情况下的供电需求，对推进电气系统发展起到了重大作用。
1现代电力电子技术在船舶中的应用发展
电力电子技术推进船舶电气的发展，使具有机动性能好、环保、可靠性、运营经济、自动化等优点[2]。从船舶电气技术推进进程看，电机和驱动控制技术是船舶电力系统的关键。随着微电子和电力电子技术的不断融合，创新了高频化集成器件，促进了传统电力电子技术向现代电力电子技术的转型。该高频化集成器件具有控制关断功能的优势，其结构是由多个相似功能单位融合形成，有效拓宽了电力电子技术覆盖面。研究发现，船舶的电力系统中，对电能交、直流的变换需求较大，对电力变换装置的工作可靠性、维修性、工作效率、电磁兼容性要求均较高[3]。且对变换装置需求批量较小，对其研制、改进、定型周期长、成本投入多，一定程度上阻碍了现代电力电子技术在船舶中的应用。国外于20世纪60年代初就将电力电子技术应用于船舶电气中，涉及发电、电力推进、电池充电、通讯导航、照明生活等电力电讯设备[4]，我国也紧跟其后将电力电子技术应用到舰船或船舶上，但进展不太理想，直至20世纪80年代才有所改善。到目前为止，电机调速装置及DC-AC，DC-DC，AC-DC电源装置均得到了大量应用。但其受到容量不大的限制，对其应进一步深入研究，如燃料电池、船舶轴带发电机的能源变换系统、机械电子双开关装置、双流电力系统、电子装置电磁兼容等。
2船舶电气应用现代电力电子技术的必要性
现代电力电子技术应用于船舶电气的必要性有3点：其一是我国电力电子技术发展的必然趋势。作为船舶电气的核心技术，电力电子技术的质量高低直接对船舶电气水平产生影响[5]。其二是船舶行业稳定发展的必要性。当下的船舶行业竞争激烈，想在市场竞争中稳步发展且脱颖而出，必须应用现代电力电子技术，将其先进的研究成果运用到船舶电气中，以提高自身的核心竞争力，占领市场主导。其三是船舶电气的大力发展可推动国家经济的发展。电力电子技术应用到船舶电气中，不仅可提高其先进水平，缩短与国际水平的差距，还可促进我国相关制造业的发展，为其带来可观的经济效益及社会效益。
3现代电力电子技术的具体应用价值
3.1电气传动应用价值
电气传动是船舶电气中应用现代电力电子技术的一种。船舶上的电动机多是经不同容量的电磁启动器控制的，其具有诸多优点。但也有一定缺点，触头是关键部件，开启瞬间会引发电弧，轻度会使触头损伤，但严重会造成短路，不利于船舶整个电力系统的安全及运行。针对这种情况，必须加强对启动器触头的优化，让其具备强大耐磨损性及耐电弧烧灼能力，以承受开启瞬间的较大电流。另外，船舶电气传动的电磁启动器工作是经电磁机构及其他机械结构进行的，其设计质量的高低会对其设备的运转和稳定产生影响。设计稍有不当就会引起严重后果，特别是易受到震动及冲击严重的军用舰船。所以，多选用固态启动器，以降低不安全风险。固态启动器没有触头，即便遭遇再强大的电力也不会出现电弧，能有效避免大电流冲击风险。如整个船舶电气系统可应用SIMATICPLC及SI-MOVERTMASTERDRIVES等交流变频调速器及变频电机，经过闭环控制确保较佳的控制效果。系统可采用MPI，Pro&;busDP，工业以太网组成，经12脉整流技术，辅以周边设备：PLC、计算机、触摸屏，进行本地及远程的监视和控制功能。其还可控制辅助电路，如电源、调速、位置转换、连锁、制动、保护、加热、通风。且可测量、显示、处理锚绳张力、输出长度、速度、电机运行参数等，具有手动或自动、单机或联机及自动诊断、报警、控制、保护的功能。
3.2电机技术应用价值
因直流电动机转速调节性能及转矩控制性能较好，在交流调速技术应用前一直为主导地位。但直流电动机结构限制了功率及转速乘积极限值，若p.n值超过了1.6×106kW·r/min，其电抗电势变高，恶化其换向性能[6]。所以，现代电力电子技术中多选用交流电动机。交流推进电动机包括同步电动机和异步电动机，其中同步电动机的转矩扰动承受能力更强，电压及负载转矩波动时，功角适当变化以确保转速不变。所以，同步电动机可快速反应电源电压波动及外部风浪引起的负载转矩变化。且同步电动机的转子自带磁场，在0.5Hz低频率时仍可稳定运行，其调速范围较广。异步电动机转子电流经电磁感应产生，频率较低时转子难以产生电流，会出现步进情况。船舶推进螺旋桨的推进轴转速＜200r/min，且要求能低速大转矩，所以，船舶电气现代电力电子技术中电力推进系统多采用同步发电机。而随着大容量永磁电动机的发展，其应用价值更高。其磁体是稀土永磁材料，具有高剩磁密度、大矫顽磁力、温度及性能好的优势。转子铁芯、励磁系统被永磁体代替，减小了电动机的重量及体积，降低了铁铜损耗。且转子磁通恒定、调节电流可调节转矩，简化了调速控制。SIEMENSSSP吊舱式电力推进装置配备永磁同步电动机，减少了励磁系统及冷却系统，使重量减轻，电动机效率提高。另外，为了提高电动机的功率密度，现代技术从其结构上扩展了电机能量转换空间，实现了轴向永磁同步电动机技术，其转子永磁体磁通为轴向嵌入。且高温超HT电动机也即将应用，其导电性能良好、电阻极小，电流密度可达到常规的100倍。体积、噪音更小、重量更轻，仅是常规电动机的1/15。
3.3变频装置应用价值
我国船舶的主电网频率多为50Hz，但也有供电特殊要求的，需主电网频率为400Hz[7]。应对这种情况，可通过电动中频发电机组进行电频的转换。但目前我国大多船舶上的设备供电是分散、独立的中频电源，一定程度上影响着其重量及空间利用，造成船舶的损伤，不利于船上环境。所以，对电压、频率精度、波形都应该合理控制噪声振动指标，优化船舶的制造工艺及各项性能指标，以提高电频的工作质量和效率，进而减轻船舶保养维修工作。且随着现代电力电子技术的发展，静态变频装置可大力应用，因其可大幅度的减少噪声及振动，避免影响船舶，有利于船舶稳定运行。变频器一般有2个显著特点，其一是多采用双套电枢绕组，每套经一套变频器供电，可单独工作，也可平行同时供电，其变频输出电压相同，相位保持30°关系。其二是变频器可能量回馈，将其再生制动间的电能反馈给电网，提高其能源的利用率。现代电力电子技术常应用的变频方式包括：交-交直接变频、交-直-交负载换向变频、交-直-交脉宽调制变频。交-交直接变频具有低频性能好及启动转矩大、输出均匀的优点，缺点是功率开关元件多、高次谐波难消除。每相主电路组成均有2套反向并联晶闸管整流桥，为正负组，控制输出电压波形正负半周。输出电压是由多段电源电压拼成，在输出周期内，电源电压段数越多，波形越呈正玄波。输出频率增高会使电源电压段数减少，其高次谐波分量增加。所以，交-交直接变频输出率不高，不超过电源频率的一半，适用于低频运行。SIEMENSSSP吊舱式电力推进装置就应用了交-交直接变频。交-直-交脉宽调制变频按规律控制导通及关断，将直流电压变为电压脉冲序列，以控制变压变频、消除低次谐波。其主电路结构较简单，功率开关元件不多，整流侧位不可控整流，电网侧功率因素改善较大。逆变侧全控型元件，提高了开关频率幅度，输出波形接近正玄波，避免了低频段的步进现象。ABBAzipod吊舱式电力推进装置就应用了交-直-交脉宽调制变频。交-直-交负载换向变频具有启动转矩大、电网功率因素高的优点，其组成为整流及逆变，功率开关元件是晶闸管，靠同步发电机反电势换向。整流部分为12脉动技术，中间直流电路平波电抗器提供逆变部分电源，能与螺旋桨低速特性实现良好配合。、
3.4整流电源应用价值
船舶电气中整流电源是经典的蓄电池充放电装置[8]。其充电方法主要包括恒压和恒流。这2种方式均可掌握整流电路，并根据其电流负载情况进行调整，提高可控硅导通角的控制及输出。但也存在一些问题，船舶供电波形会随装置输出频率的变化而变化，其过程会引起高次谐波电流，增大船舶重量负担。针对这种情况，可设置专门滤波器，经高频化及全控型电力电子器件，以解决这种情况。目前船舶电气电力技术常采用的谐波控制技术有谐波滤波器、旋转变流机组、增加脉动数量、双重电抗器。谐波滤波器是通过滤波电容器滤去电网的谐波分量。旋转变流机组在SIEMENSSSP吊舱系统中，对电网中谐波敏感设备及区域经电动机-发电机组单独供电，以隔离敏感设备区域和其他设备的电气，获得纯净电源，但其缺点是会增加附加设备及电缆。增加脉动数量是增加整流及逆变脉动数量，以降低推进电动机符合电流的谐波分量，其脉动数量和功率开关元件呈正比关系，增加脉动数量会增加元件数量及变频器的投入成本。双重电抗器是对各主发电机配置2只同时分闸、合闸主开关，双重电抗器隔离了发电机、推进电动机与其他负荷汇流排。在变频器功率开关元件换流时，其副边电压升高以补偿换流时的原边压降，进而确保其他负荷汇流排侧小谐波分量。另外，船舶电力的交-交直形式可提高功率因素控制器件和整流电源输出电压大小，结合直变流器优化功率器件导通，降低电流谐波失真率，是其电力电子技术得到有效的利用。
3.5UPS装置应用价值
电力电子技术大力应用于船舶电气上，使各类设备及系统结构越来越复杂化，对应的其功能作用也越来越多，对电源供应提出了更高、更严格的要求。UPS装置是新型的不间断的电源供电装置，含有储蓄功能，可为电源稳定性较高设备提供不间断的电源[9]。可在电网正常供电中断或失效时，通过蓄电池组进行电能转换，以利用动力或电站控制系统维持持续供电，确保船舶能在一定时间内正常运行。UPS装置的工作原理为，电网正常供电期间，UPS经整流稳压获取稳定直流输出供应给负载使用，此期间的UPS是交流式电稳压器，可向UPS的电池充电。而一旦电网正常供电中断或失效，UPS的蓄电池组会进行放电以维持船舶必要功能运行。对放电过程中输出交流需要，会经逆变环节把输出直流转换为交流电，确保负载维持正常运行和工作，使负载硬件、软件不受损坏，进而满足用电的需要。UPS保护作用表现在对电源稳压上，其输入电压范围宽，达到170~250V，输出电源的质量较高，输出电压为5%~8%时，输出频率为1Hz。另外，随着计算机系统的应用，UPS装置的技术日趋成熟，已发展为多功能的电力保护系统，包括稳压、稳频、抗电磁干扰、滤波、防电压冲浪。尤其是对供电质量不高、抗干扰能力不强的电力系统作用更为明显。将其广泛应用到船舶电气系统中，体现了其现代电力电子技术的应用价值。
4结语
社会经济助推了现代电力电子技术的发展和进步，将其应用到船舶电气中，效果显著。而船舶电气的现代电力电子技术应用离不开相关技术支撑，从理论上了解及掌握这些技术，对深入分析及研究电力电子技术推进有着至关重要的作用。在未来的研究工作中，不仅应重视电力推进的相关技术，还应对电力电子技术进行创新及优化，在知识技术结构上为推进船舶行业电气发展起到促进作用。
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作者：姜传龙 韩廷选 王旭龙 刘丹 单位：天津理工大学