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

　　進入20世紀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)達到甚至超過了直流電動機，而且具有低成本、易維護、大容量的明顯優(yōu)勢。所以，交流電機在潛艇電力推進中將逐步取代直流電動機而成為主流。交流電機的調(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，而且易于實現(xiàn)能量回饋，效率高，具有優(yōu)良的動態(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)是潛艇交流推進系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。

　　1潛艇交流推進中的變頻器因為潛艇用蓄電池供電，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，與負載性質(zhì)無關(guān)。交流輸出電流的波形與相位則由負載功率因數(shù)決定。在異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)中，這個大電容同時又是緩沖負載無功功率的儲能元件，直流回路電感Ld很小，起限流作用。當變頻器接三相對稱負載，采用180導通方式時，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，對負載電動機的運行十分不利。

　　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，不能進行再生制動運行。為了能夠適應再生制動運行，要在整流電路中設置再生反饋通路，即反并聯(lián)一組逆變橋，此時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，在電壓比較低時尤其明顯，同時由是利用半導體開關(guān)器件的導通和關(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，解決了電動機在低頻區(qū)的轉(zhuǎn)矩脈動問題。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，實現(xiàn)四相限運行。

　　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，它用正弦波作為基準波（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）進行比較，根據(jù)交點確定開關(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的交流電動機的理想磁鏈圓為基準，用逆變器不同開關(guān)模式產(chǎn)生的實際磁鏈矢量來追蹤基準磁鏈圓，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)學模型是建立在電機統(tǒng)一理論和電機軸系坐標變換理論基礎(chǔ)上的，它把電動機看成一個整體來處理，所得的數(shù)學模型簡單便于微機實現(xiàn)實時處理，從而可使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單實時性強，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，直接對輸出電流實施控制。它是將電動機定子電流的檢測信號與正弦波電流給定信號進行比較，根據(jù)比較結(jié)果控制開關(guān)的通斷，使實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)速的過程實際上是通過控制電流以改變轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)的，而電流跟蹤型PWM法直接對輸出電流進行控制，所以動態(tài)響應快，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中將獲得廣泛的應用。

　　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，同時又保持了PWM的優(yōu)點。所以諧振技術(shù)與PWM技術(shù)相結(jié)合，是潛艇推進電機變頻調(diào)速發(fā)展的趨勢。

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