潛艇交流電力推進(jìn)中的變頻技術(shù)沈建清，于飛，吳強(qiáng)（海軍工程大學(xué)電器工程系，湖北武漢430033））做了比較詳細(xì)地論述，對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望并對其應(yīng)用情況作了簡單介紹。

　　進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來，伴隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代電機(jī)控制理論的迅速發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)逐漸成熟起來，在調(diào)速性能上己經(jīng)達(dá)到甚至超過了直流電動(dòng)機(jī)，而且具有低成本、易維護(hù)、大容量的明顯優(yōu)勢。所以，交流電機(jī)在潛艇電力推進(jìn)中將逐步取代直流電動(dòng)機(jī)而成為主流。交流電機(jī)的調(diào)速方式有多種，其中性能比較好的是變頻調(diào)速技術(shù)它不但調(diào)速范圍寬，平滑性好，而且易于實(shí)現(xiàn)能量回饋，效率高，具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能。目前發(fā)展前途比較好的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制也都屬于變頻控制的范疇，因此變頻技術(shù)是潛艇交流推進(jìn)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。

　　1潛艇交流推進(jìn)中的變頻器因?yàn)闈撏в眯铍姵毓╇?，這就決定其只能采用交一直一交變頻器或直一交變頻器，它們又分電壓型和電流型兩種。

　　1.1交一直一交電壓型變頻器交一直一交電壓型變頻器的構(gòu)成如所示。直流電源并聯(lián)有大電容，使直流輸出電壓具有電壓源特性，內(nèi)阻很小，逆變器的交流輸出電壓被鉗位為矩形波，與負(fù)載性質(zhì)無關(guān)。交流輸出電流的波形與相位則由負(fù)載功率因數(shù)決定。在異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中，這個(gè)大電容同時(shí)又是緩沖負(fù)載無功功率的儲能元件，直流回路電感Ld很小，起限流作用。當(dāng)變頻器接三相對稱負(fù)載，采用180導(dǎo)通方式時(shí)，輸出的一相電壓與線電壓波形見。其它兩相與線電壓各自滯后120三相對稱，相電壓為梯形波，線電壓為方波（矩形波）輸出電壓的交變頻率取決于逆變器開關(guān)元件的切換頻率。相電壓的傅里葉展開式為：線電壓為：由展開式可見，輸出相電壓和線電壓中存在著（6K1）諧波，特別是較大的5次和7次諧波，對負(fù)載電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行十分不利。

　　在交一直一交電壓型逆變器中，由于C/的存在，直流極性無法改變，即從可控整流器到G之間心和極性不能改變，功率只能從交流電網(wǎng)輸送到直流電路，反之不行。所以這種變頻器的能量只能單方向輸~50HZ送，不能進(jìn)行再生制動(dòng)運(yùn)行。為了能夠適應(yīng)再生制動(dòng)運(yùn)行，要在整流電路中設(shè)置再生反饋通路，即反并聯(lián)一組逆變橋，此時(shí)Ud極性不變，但是Id可以通過逆變橋改變方向，使電流回饋到交流電網(wǎng)（見）。

　　電壓型變頻器的電壓和頻率調(diào)節(jié)方式有以下幾種：用可控整流器調(diào)壓，用逆變器調(diào)頻（見）。這種變頻器結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，但是輸入環(huán)節(jié)采用晶閘管可控整流，使得網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)比較低，在電壓比較低時(shí)尤其明顯，同時(shí)由是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖序列，控制電壓脈沖寬度和脈沖序列的周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)（見）。其調(diào)壓和調(diào)頻同時(shí)在逆變器內(nèi)部完成，兩者始終配合一致，與中間直流環(huán)節(jié)無關(guān)，加快了調(diào)節(jié)速度，改善了動(dòng)態(tài)性能。整流器采用的是不控整流，使電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)大為改善；采用PWM逆變器能夠抑制或消除低次諧波，加上使用自關(guān)斷器件，開關(guān)頻率大幅度提高，輸出波形可以非常接近正弦波，解決了電動(dòng)機(jī)在低頻區(qū)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題。并且，由PWM整流器和PWM逆變器組成的電壓型變頻器（雙PWM變流器）無需增加任何附加電路，就能使能量雙向傳送，實(shí)現(xiàn)四相限運(yùn)行。

　　PWM控制技術(shù)從控制思想上來分基本有4種，即等脈寬PWM法，正弦波PWM法（SPWM法），磁鏈追蹤型PWM法和電流跟蹤型PWM法。等脈寬PWM法中每一脈沖的寬度都相等，改變脈沖序列的占空比可以調(diào)壓，改變脈沖序列的周期可以調(diào)頻。這種控制方法比較簡取但是缺點(diǎn)也比較明顯，輸出電壓中含有較大的諧波分量。SPWM法克服了等脈寬PWM法的缺點(diǎn)，它用正弦波作為基準(zhǔn)波（稱為調(diào)制波），與一系列的等幅的三角波或其它波形（稱為載波）進(jìn)行比較，根據(jù)交點(diǎn)確定開關(guān)元件的通斷，把輸入電壓調(diào)制成一系列電壓脈沖，脈沖的高度都相等，但是寬度按正弦變化，這樣輸出的電壓波形逼近于正弦波，諧波分量大為減少。磁鏈追蹤型PWM法是以三相對稱正弦波電壓供電時(shí)的交流電動(dòng)機(jī)的理想磁鏈圓為基準(zhǔn)，用逆變器不同開關(guān)模式產(chǎn)生的實(shí)際磁鏈?zhǔn)噶縼碜粉櫥鶞?zhǔn)磁鏈圓，由追蹤的結(jié)果決定開關(guān)的通斷，比較后形成三相對稱的PWM正弦波。這種法的數(shù)學(xué)模型是建立在電機(jī)統(tǒng)一理論和電機(jī)軸系坐標(biāo)變換理論基礎(chǔ)上的，它把電動(dòng)機(jī)看成一個(gè)整體來處理，所得的數(shù)學(xué)模型簡單便于微機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理，從而可使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單實(shí)時(shí)性強(qiáng)，是一種比較有前途的變頻方法。電流跟蹤型PWM法是把電壓型逆變器改造成電流型，直接對輸出電流實(shí)施控制。它是將電動(dòng)機(jī)定子電流的檢測信號與正弦波電流給定信號進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果控制開關(guān)的通斷，使實(shí)際電流波形圍繞給定的正弦波作鋸齒狀變化，開關(guān)頻率越高，輸出電流就越逼近給定的正弦波。由于調(diào)速的過程實(shí)際上是通過控制電流以改變轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)的，而電流跟蹤型PWM法直接對輸出電流進(jìn)行控制，所以動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，控制精度高，而且可以防止逆變器的過流，因此這種控制方法在電力推進(jìn)中將獲得廣泛的應(yīng)用。

　　2.諧振型變頻器在上述的PWM變頻器中，開關(guān)頻率越高，輸出波形越好。但是隨著開關(guān)頻率的提高又帶來另一個(gè)問題，即開關(guān)損耗隨著開關(guān)頻率的增加而增加，加上功率開關(guān)一般在高電壓、大電流下通斷，所以開關(guān)損耗占很大比重，這成為制約PWM技術(shù)發(fā)展的重要因素，而且電磁干擾（EMI）也隨著高頻化而變得突出起來。針對這種情況，人們又提出一種諧振變頻技術(shù)它很好地解決了上述問題。諧振型變頻器是利用軟開關(guān)技術(shù)根據(jù)諧振原理使PWM逆變器的開關(guān)元件在零電壓或零電流下通斷，這樣一來，開關(guān)損耗幾乎為零，也有效地防止了電磁干擾，可以大大提高器件的工作頻率，減少了裝置的體積、重量，同時(shí)又保持了PWM的優(yōu)點(diǎn)。所以諧振技術(shù)與PWM技術(shù)相結(jié)合，是潛艇推進(jìn)電機(jī)變頻調(diào)速發(fā)展的趨勢。

　　2.多相變頻技術(shù)為了提高電動(dòng)機(jī)的推進(jìn)功率，增大轉(zhuǎn)矩，減小轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)系數(shù)，潛艇的電力推進(jìn)系統(tǒng)中往往要采用多相電動(dòng)機(jī)，為配合多相電機(jī)的使用，需要采用多相變頻器。n相電機(jī)中，次諧波電流產(chǎn)生的n相合成磁勢的諧破6為/ sin.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.吳守箴，臧英杰。電氣傳動(dòng)的脈寬調(diào)制技術(shù)。北京：清華大學(xué)出版社，1995.姜泓，趙洪恕。電力拖動(dòng)交流調(diào)速系統(tǒng)。中國