船舶综合全电力推进系统整流模块接线方式的设计

田凯 田祚堡

(哈尔滨工程大学，哈尔滨 150001)

1 引言

近些年来,船舶的电力推进取得了长足的进步，在民船领域，电力推进应用范围越来越广；在军船领域，电力推进正从潜艇向水面舰船应用的方向发展，它们代表了海军舰艇21世纪的发展方向。发展综合全电力推进系统的主要目的是开发新的推进系统，将发电和能量管理系统一体化，采用最先进的推进电机和电力电子设备，降低系统成本，延长系统寿命，提高系统效率[1]。

船舶综合全电力推进系统由多个模块组成，整流模块是其中重要的一个环节[2]。随着船舶综合全电力推进系统发展，总功率容量越来越高，对大功率整流模块的要求也越来越多，例如大容量，低功率密度，高效率，低损耗等等。现在市场上的大功率整流设备大部分是为了满足电解工艺的需求，这些整流设备工作电流很大，人们通常使用并联桥的大功率整流设备以满足其电流的要求。由于大电流电路的电磁效应会使得柜体发热，有的公司为了避免整流变压器引出端子周围和整流器柜体局部过热，采用抗磁性材料，如用铝或抗磁钢做变压器箱体和整流柜体[3]。在国内，整流装置无一例外都采用同相逆并联技术，而且都是用户要求采用的同相逆并联技术，说明同相逆并联这种技术很有市场[4]。目前大功率并联桥整流设备最常用的两种接线方式：双反星形带平衡电抗器同相逆并联和三相桥式同相逆并联[5]。

为了提高船舶综合全电力推进系统整流模块的整体性能，可以借鉴陆用整流装置的先进的设计思想，其同相逆并联连接就是比较先进的技术。本文利用该技术的原理，设计出适用于船舶综合全电力推进12脉整流设备的接线方式——串联桥非同相逆并联连接。这种设计方法与一般的串联桥接线方式相比，前者在整流柜体内产生的磁影响要比后者小，整流模块的整体性能要比后者好。

2 并联桥同相逆并联连接的工作原理

同相逆并联就是在并联桥整流装置中并联使用的相同相位、极性相反的两根导排组成的母线，要求条件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。同相逆并联的特点就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。采用同相逆并联后，可以减少这种附加损耗。并联桥同相逆并联接线方式如图1所示。

图1 并联桥同相逆并联连接线图

如图1所示，在晶闸管整流柜内，在某个时间段内，如果A11、A21、C12、C22同时导电，过600电角度后，C12、C22、B13、B23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，C12、C22、B13、B23电路中有电流通过，分别形成同相逆并联电路。其他时间依此类推，导通顺序如图2所示，向上的箭头表示该排线电流方向向上，向下的箭头表示该排线电流方向向下。从图2中可以看出，相邻排线电流方向总是相反，这表示导线产生的磁力线是相互抵消的，与此同时，电流方向相反的一对排线间距是最小的，这也是同相逆并联连接技术的特点。这个特点要求同相的两根反极性母排的距离尽量小，否则其磁力线抵消的效果将大大削弱[6]。

图2 并联桥导排导通顺序

3 串联桥12脉整流装置一般接线方式

在 12脉整流装置中，并联桥方式的整流设备占大部分，但也一部分产品要求高电压，这时使用并联桥就不能满足，只有使用串联桥方式，两个三相整流桥串联可以使电压提高一倍。如图3所示，该图是串联桥12脉整流装置一般接线方式。

4 串联桥非同相逆并联连接方式

按照并联桥同相逆并联连接的基本原理，设计出了串联桥非同相逆并联连接，如图4所示。这种方式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，要求条件与同相逆并联相同，即变压器阀侧由一个线圈分为两个线圈，而且要反极性使用。从图2与图4可以知道这两种方式在变压器二次侧的引线布局复杂程度相同，但这并不影响整流柜的消磁性能。

图3 一般串联桥12脉整流装置接线图

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，假设在第一个时间段内导通的排线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的知道导排的导通顺序，如图5所示。

图4 串联桥非同相逆并联连接线图

5 串联桥非同相逆并联连接与一般连接方式的比较

5.1 位置布局

两种连接方式的位置布局有很大不同，在整流柜内串联桥非同相逆并联连接方式可纵向排列，结构清晰，易于放置，同时也利于水冷模块的安放，相比之下，一般连接方式如图3所示，纵横均有晶闸管，不利于水冷模块布局，安装及整流柜的维护难度相比之下较前者大。

5.2 进线方式

非同相逆并联与一般连接方式比较，整流柜内的进线方式是各个排线平行，间距相等，而一般方式进线方式比较杂乱。

图5 串联桥非同相逆并联连接方式导通顺序

5.3 磁影响

非同相逆并联遵循同相逆并联的原理，导排的磁力线抵消明显，从图5可以看出，1,3,5,7,9,11导通状态最好，磁消最为明显，2,6,10,12导通状态次之，4,8导通状态较差，但由于各排线相隔比较远，磁并没有叠加多少。反观一般接线方式，每一导通上下桥均有磁力线的严重叠加，如晶闸管 C15、C25、A14、B26同时导电，可以从图 3看出，C15与 A14排线电流方向相同，C25与 B26排线电流方向也相同，磁力线方向也相同，这样一来，电磁力加强，导排的互感增大，母线的交流阻抗相比之下也变大，与此同时也不利于提高系统功率因数，这样还会影响整流柜内的驱动控制电路和保护检测电路。与此同进，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，生成附加损耗，也不利于整流装置的效率的提高。

6 结论

通过上述两种应用技术的对比，可以确定串联桥非同相逆并联技术在船船综合全电力推进串联桥整流模块中的技术优势。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的应用，大容量、高电压、大电流整流将使得电磁影响更为强烈，本文所介绍的连接技术将为船舶综合全电力推进12脉串联桥整流模块提供了一种新选择。

[1] 丰利军, 余林刚. 舰船综合全电力推进系统相关标准的研究. 船电技术, 2009, (7):32-33.

[2] 徐绍佐, 刘赟, 顾海宏. 船舶综合全电力推进系统[J]. 柴油机, 2003,(2): 17-20.

[3] 吴春学, 钟辉. 大功率整流装置的联结方式[C]. “中电索能”杯全国氯碱行业整流技术交流会论文专辑.2006, 29-32.

[4] 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.

[5] 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.

[6] 徐清书, 黄嘉, 张万庆, 竺子芳. 葛和德. 高电压晶闸管整流电源[J]. 电气传动, 2001, (3): 61-64.