船用电力推进系统整流模块主回路结构设计*

田 凯 田祚堡

(哈尔滨工程大学 哈尔滨 150001)

船用电力推进系统整流模块主回路结构设计*

田 凯 田祚堡

(哈尔滨工程大学 哈尔滨 150001)

电力推进;晶闸管模块;主回路结构;整流模块;非同相逆并联

介绍了一种使用晶闸管模块的大功率船用电力推进系统12脉整流模块主回路结构。利用大功率串联桥非同相逆并联连接技术的原理,设计出适用于大功率船用电力推进系统的12脉串联桥整流装置主回路结构,并与利用相同原理设计出的12脉单体晶闸管整流装置的主回路结构进行了比较分析,验证了新设计方法的先进性。

0 引 言

近年来,随着电力电子技术,电机技术等的迅速发展,船用电力推进系统与传统的机械方式相比技术优势明显,在商船尤其是游轮领域得到了越来越多的工程应用[1]。船舶电力推进系统在机动性、可靠性、运行效率、推进功率等方面都有突破性进展,从而使电力推进技术的应用领域不断扩大。此外,如何进一步提高效率和降低设备成本,仍是人们十分关注的问题之一。世界上各大船用设备厂家如ABB、SIEMENS、ALSTOM、STNATLAS等公司都已开发出成套的电力推进系列产品,其中尤以ABB开发的吊舱式电力推进器AZIPOD最为成功,并得到广泛应用[2]。

在国内,电力推进还处于起步阶段,电力推进的应用还不广泛,使用电力推进新产品的船还不多[3]。船舶电力推进系统一般由原动机、发电机、电动机、螺旋桨、舵以及各相应的控制调节设备等组成。整流模块是其中重要的一个环节[4]。

整流模块的性能关系到电力推进系统的容量,功率密度,效率等等。桥式整流电路具有电路组成简单、高效、成本低等特点,作为一种交流变直流的常规变换电路形式,应用很普遍[5]。因此,桥式整流模块的设计对系统性能提升至关重要。与此同时,先进的整流模块可以提升主回路的工作性能。本文利用大功率串联桥非同相逆并联连接技术的原理,设计出适用于大功率船用电力推进系统的12脉的主回路结构,该主回路结构与利用相同原理设计出的12脉单体晶闸管整流装置的主回路结构进行了比较分析,验证了该主回路结构的先进性。

1 串联桥非同相逆并联技术的工作原理[6,7]

串联桥非同相逆并联就是在串联桥整流装置中并联使用的非相同相位、极性相反的两根导排组成的母线。同时要求整流变压器二次侧由一个线圈分为两个线圈,而且要反极性使用。

非同相逆并联的特点是利用通过导体产生的磁力线相互抵消,达到减少导排的互感,减少母线的交流阻抗,提高功率因数的目的。当导排中的电流超过一定数值时,导排中电流产生的磁力线在周围的钢结构中产生电磁势,形成涡流,涡流电流使钢结构发热,生成附加损耗。采用非同相逆并联后,可以减少这种附加损耗。

2 12脉单体晶闸管主回路结构

依照串联桥非同相逆并联联结的基本原理,设计出了12脉串联桥单体晶闸管整流装置的主回路结构。这种主回路结构是在整流装置中并联使用的非同相位、极性相反的两根导排组成的母线,要求条件也是变压器二次侧由一个线圈分为两个线圈,而且要反极性使用。从图1可以得知,这种结构在变压器二次侧的引线布局复杂,加大了变压器二次侧电磁干扰;同时,也降低了设备的可靠性与经济性。

串联桥的晶闸管整流装置在一个周期内有12个导通状态,将一个周期分为12个时间段,如图1所示。在晶闸管整流柜内,在某个时间段内,假设在这个时间段内排线C15、C25、A14、B26同时导电,过30°电角度后,C15、C25、B16、B26同时导电,其他导排电位处于低电压,可控硅元件处于不导通状态,其排线上没有电流流过,依时间顺序可以清楚地知道导排的导通顺序,如表1所示。

图1 12脉单体晶闸管非同相逆并联主回路结构

表1 12脉单晶闸管整流装置排线导通状态及顺序

表1中可看出,相邻排线电流方向若相反,表示导线产生的磁力是相互抵消的,与此同时,相反电流方向的一对排线间距应最小,这也是非同相逆并联联结技术的特点[8]。

3 12脉晶闸管模块主回路结构

在大功率整流装置的应用当中,不仅仅使用大电流单体晶闸管,晶闸管模块应用也比较广泛。图2为晶闸管模块MTC电路联结方式。

图2 晶闸管模块MTC电路联结方式

利用非同相逆并联技术,使用6组晶闸管模块,设计出如图3接线方式的整流装置。在该设计中,晶闸管模块的3接口与整流变压器二次侧直接相连,由于两个晶闸管线路已分出两条极性相反的线路,所以无需变压器二次侧导线一分为二。

图3 晶闸管模块非同相逆并联联结图

表2为晶闸管模块整流装置排线导通状态及顺序。由表2可以得知,在12种导通状态中,每种状态下,相邻的两根导通线路其电流方向总是相反的,相互之间的磁力线是相互抵消的。尽管有的导通状态导通排线之间的距离比较大,但两者之间的电流方向还是相反,磁力还是相互抵消的,只不过抵消效果稍差。例如,在1导通状态下,C15C12线路与A 11A 14线路相隔线路B13B16,但它们电流是相反,磁力线是相互抵消的,只不过效果稍差一些。

表2 晶闸管模块整流装置排线导通状态及顺序

4 单体晶闸管主回路结构与晶闸管模块主回路结构的比较

4.1 位置布局

两种主回路结构的在整流柜中的位置布局上,后者结构更加清楚,简单明了,易于安装,占用空间少,与此同时,减少了水冷模块的使用个数,避免安装更多的水冷模块及管道设备等,极大的节省了空间,减轻了设备重量,这是整流装置设备是否先进的重要指标。

4.2 进线方式

两种联结方式比较会发现,后者在整流柜内的进线方式排线数量仅为6根,而前者排线数量为12根,而且与整流变压器连接的相序没有变,这样,排线不用交错横织。由此可见,前者进线方式不仅数量多、不利于节省成本,也不利于功率密度的提高,而且进线方式比较杂乱,会在变压器一侧产生大量的涡流电流,从而造成大量的附加损耗,不利于系统效率的提高;同时产生的热量会对系统产生不利影响,降低系统可靠性。从成本、性能角度来看,晶闸管模块非同相逆并联联结的进线方式也大大优于单体晶闸管。

4.3 磁影响

从磁力线抵消角度来看,晶闸管模块非同相逆并联联结的磁消情况明显优于单体晶闸管的联结方式。从表1可以看出,1、3、5、7、9、11这6种导通状态最好,磁消最为明显;但2、6、10、12这4种导通状态有两根排线相距了两根以上排线,磁消并不明显;最糟糕是4、8导通状态出现了磁力线叠加的情况。随着排线电流的增大,产生的不利于影响也会越来越大,排线间的互感增大,母线的交流阻抗变大,不利于提高系统功率因数,还会影响整流柜内的集成控制电路的运行。当排线中的电流超过一定数值时,排线中电流产生的磁力线在整流柜周围的钢结构中产生电磁势,形成涡流,涡流电流使钢结构发热,生成大量附加损耗,也不利于整流装置的效率的提高。从表2可以看出,每一种导通状态都比较好,每根相邻的排线电流方向总是相反的,也就是磁力线是相互抵消的,其中2、3、4、8、9、10这六种状态最好,其余次之。尽管在某些导通状态下,有的排线左右邻近的排线没有导通,但隔一根排线总有一根导通的排线与之电流方向相反,这种情况磁消不是很明显,但会随着电流增大而变得明显。

4.4 其他

后者比前者使用了更少铜排、更少的水冷设备,从而节约了空间。而且6组晶闸管模块与12组单体晶闸管相比,体积小、重量轻、特性好、散热效果好,提高了系统的功率密度及经济性。

5 结 语

通过上述两种主回路结构的对比,可以确定12脉串联桥晶闸管模块非同相逆并联技术在船用电力推进系统整流模块中的技术优势及其先进性。其不仅磁消明显,而且与单体晶闸管的整流主电路相比,功率密度高、效率高、成本低,保证了整流模块的经济性、可靠性与先进性。

随着电力电子技术的不断发展和加工工艺水平的提高,大功率整流元件在设备中越来越得到普遍应用,大容量、高电压、大电流整流将使电磁影响更为强烈。本文所介绍的主回路结构将为船用电力推进系统12脉整流模块设计提供一种新的选择。

[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] 栾胜利.船舶电力推进技术的发展[J].船电技术,2009(4):46-49.

[3] 陈林,罗孝学.船舶电力推进的现状及其关键技术分析[J].武汉航海职业技术学院学报,2008,3(2):3-5.[4] 郑为民,王勇.电力推进发展的主要原因及历程概览[J].航海技术,2004(3):49-51.

[5] 侯云海,关巍,林哲.一种新型高效电容型非线性阻抗变换整流电路[J].长春工业大学学报(自然科学版),2006,27(1)30-32.

[6] 郭少敏,马玉霞,薛晓峰.大功率整流装置主回路结构及技术分析[J].矿冶,2008,17(1):86-88.

[7] 耿庆鲁.大功率整流设备两种最常用接线方式的比较[J].氯碱工业.2008,44(8):4-5.

[8] 徐清书,黄嘉,张万庆等.高电压晶闸管整流电源[J].电气传动,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 凯(1972-),男,汉族,黑龙江人,硕士生导师,主要研究方向:电力系统、控制系统、模式识别等。

田祚堡(1986-),男,土家族,湖北人,硕士研究生,主要研究方向:电力系统及其自动化。