船舶综合电力系统抗冲击性能研究现状

2018-03-01丁先威赵建华冯麟涵

兵器装备工程学报 2018年1期

丁先威，赵建华,计晨，冯麟涵

(1.海军工程大学动力工程学院，湖北武汉 400033； 2.中国人民解放军92537部队，北京 100161)

随着新型大功率电力电子器件的快速发展、电能变换和区域供配电等理论与技术不断成熟，电力推进、新型定向能(激光、离子束、微波束)武器等概念不断被提出，乃至已经或即将进入推广应用阶段。欧美强国已引领新一代船舶技术革命向全电气化发展，并将综合电力技术应用于新一代舰艇。船舶综合电力系统(Integrated Power system，IPS)具备以下优势[1-3]：① 隔断主要机械振动噪声，增强隐身性；② 功率密度高，布置灵活，节约空间；③ 降低燃油装载量及补给需求，提高续航能力；④ 为高能武器上舰提供平台，提高战斗力。欧美强国已引领新一代船舶技术革命向全电气化发展，并将综合电力技术应用于新一代舰艇。目前，我国在船舶电力系统的理论研究与技术积累，尤其是在电力集成技术与发电模块技术方面的领先优势，为船舶电气化赶超西方发达国家先进技术奠定了基础[4]。舰船必须考虑抗冲击性能，而船舶综合电力系统使用了很多新型电力电子元器件和电气设备，亟需对其抗冲击性能进行检验与考核。

1 船舶综合电力系统的组成及其抗冲击特性分析

船舶电力系统可以简单分为发电、配电、输电、用电4个部分，美国的综合电力系统如图1所示，细分为7个部分：发电、储能、变电、推进电力、配电、电力控制管理及平台负载，并相对应地对这7个部分进行模块化开发与设计。涉及的关键技术主要有：高功率密度的交流或直流发电模块技术、智能化管理的环形电网区域输配电及监控管理技术、电力推进(永磁或电励磁)电动机及变频调速技术、大容量电能的静止变换技术、独立电力系统的电磁兼容技术、电力集成技术[5]。

图1 综合电力系统组成框图

从硬件组成上来看，舰船综合电力系统主要包括：电容、电感、印刷电路板、IGBT模块等电力电子元器件；发电机组和蓄电池等电源装置；母线、空气开关、接触器、熔断器、继电器、断路器、整流器、变压器、逆变器等构成电网的电气设备及各种用电负载。为满足综合电力系统严格的技术性能指标要求，这些电力电子元器件和电气设备，大多采用了新的结构设计、新型材料、封装技术、连接技术，并朝着自动化、智能化、高功率密度、高度集成等方向发展[5-6]。因此，对舰船综合电力系统进行抗冲击性能研究，必须先站在系统的高度，对系统的硬件构成要素进行分门别类的梳理；必须分别根据各硬件的结构、材料、功能等特性从不同的角度、采用相应的方法。

2 船舶综合电力系统抗冲击研究现状

与传统机械设备相比，综合电力系统所涉及的电力电子元器件、电气设备更多，其功能的实现往往涉及力、电、热、磁等许多交叉学科，因而冲击环境下其失效模式、机理更加复杂，且国外相关具体的研究文献可查阅到的很少。

2.1 电力电子元器件的抗冲击性能研究

对于电力电子元器件，焊点与封装、连接方式是影响其抗冲击性能的重要因素。对于其抗冲击性能，主要从3个方面进行，一是从微观角度跌落试验探讨了用于安装在母板上的细间距球栅阵列(BGA)部件的焊点材料Sn-Ag-Cu(SAC)，其不同的银含量对抗冲击性能的影响[7-8]。二是将BGA组件分别简化成弹簧—质量块、梁和平板3种模型，分析其冲击载荷下的动力学特性，并采用有限元法与解析法相结合的方法研究其结构参数和材料特性等因素对焊点应力的影响，并采用理论分析、有限元仿真和试验相结合的方法，对芯片级尺寸封装，进行了模态分析，研究其冲击载荷下的动态响应以及焊料微互联的断裂特性、失效模式与机理[9-10]。三是对系统级封装(SIP)的制造工艺、引线连接、可靠性和失效分析技术进行了研究[11-12]。此外，文献[13]还对一种海底适配的电气连接器进行水下爆炸冲击试验，重点介绍了对水下爆炸测试的理解、流程、监测、验收标准等试验方面的注意点。

对于印刷电路板本身抗冲击性能的研究，主要有通过对个人电脑主板的简化建模、冲击响应谱(SRS)和隐式直接积分的运用，并在主板上进行了编程冲击脉冲和跌落台测试，以验证和理解有限元模拟的极限。结果表明，主板上多个位置的预测峰值响应与冲击载荷期间的测量结果吻合良好，SRS方法显著预测了主板的响应[14]。

绝缘栅双极晶体管IGBT具有工作频率高、处理功率大和驱动简单等诸多优点，是十分重要和有代表性的功率元器件,其失效或故障往往会造成严重事故和重大损失。目前其失效研究主要在电学和热学方面[15-17]。在对功率IGBT的若干失效问题研究中，主要关注在高结温的情况下，外部应力冲击对功率器件的影响[18]。

2.2 典型机电设备的抗冲击性能研究

对于发电机组抗冲击性能的研究，一是建立单自由度机组模型，分析其重点部位受力、速度、加速度情况，并对动力学分析法的优缺点及适用条件进行总结[19]。二是对建立浮法-原动机-发电机系统进行整体有限元建模，用弹性体模拟原动机和发电机，进行抗冲击性能直接分析，并对比简化块体系统和电机系统的两步分析法，指出其常导致严重欠分析[20]。

对于断路器抗冲击性能研究，主要有关于考核试验安装方向选择中最严酷安装状态的分析选择过程，舰用框架断路器抗冲击动力学仿真建模以及抗冲击和防回弹设计等问题[21-24]。

在对变压器、簧片式触电开关的研究中，目前主要通过限元建模、模态分析进行，如：利用ANSYS对某舰用变压器进行了结构模态分析，通过抗冲击载荷分析找出其在设定的100ms等效冲击载荷下，底座与槽钢连接处，绕组与线圈导线接触部位出现最大应力[25]；通过舰艇电气设备中簧片式触电开关冲击响应，指出了不同冲击频率、载荷对簧片根部应力的影响，其中高频冲击载荷易引发诱发剧烈颤振而断裂，低频冲击易使簧片根部应力过大而变形[26]。

此外，文献[27]进行了分配电箱冲击试验与数值仿真，总结了分配电箱的抗冲击规律，并分析箱体的三向加速度与试验相比均略小于试验结果的原因：箱体简化建模未考虑螺栓连接和减振器的非线性影响。

以上研究主要存在以下不足：① 有限元的建模、模态分析只考虑了设备结构上的问题，电气设备实际使用过程中冲击对电、磁等功能的影响无法分析；② 采用的冲击条件比较简单，无法模拟船舶真实遇到的大型系统的环境适应性平台的环境条件与其安装环境平台的真实严酷度值[28]；③ 以定性分析为主找出了一些影响因素和薄弱环节，并未给出精确的阈值或者至少在某一范围内电气设备或者元器件是抗冲击的。

2.3 系统层面的抗冲击性能研究

对于系统所涉及的机箱电力电子设备、元器件，根据以往对电子设备大量的故障和失效统计证明：约15%的故障与振动与冲击相关。随着电子产品应用越来越广泛，运载速度越来越高，因振动与冲击问题造成的故障和失效比例会越来越高，特别是在大型系统工程、大型机柜级电子设备上更明显[29]。

对整个船舶电力系统的抗冲击性能研究主要从生命力、可靠性角度，综合运用层次分析法、熵权法、蒙卡特洛法、损伤树法等统计与概率论和模糊数学理论去建立函数模型[30-35]，有一定的合理性与可行性，主要存在两方面问题：① 函数模型较为简单，对复杂的大型机柜、电力系统模拟不一定正确，也缺乏大量数据去验证；② 由于所涉及的电力电子设备、元器件众多，缺乏对每个设备特性的了解，所假定的参数不一定准确。

3 船舶综合电力系统抗冲击性能考核与评价的思考

目前，美国的MIL—STD—901，德国的BV0430—85，我国的GJB150A—2009都对设备的抗冲击性能考核的基本内容、方法、注意点进行相关规定，而对近年来涉及船舶综合电力系统而快速发展的新型电力电子元器件和电气设备的相关标准细则等尚需补充完善。

针对目前的船舶综合电力系统抗冲击研究现状，对部分元器件、设备，结构可以采取经验估算法、仿真模拟、理论计算进行分析；对复杂和重要的元器件和电力电子设备必须采取冲击试验进行检验,并注意以下5点：① 要检验元器件、电力电子设备本身的抗冲击水平；② 要强调正常工作状态时(通电)抗冲击性能；③ 要考虑元器件、设备在整个系统中特别是与连接器及互相连接时的电性能指标耦合关系；④ 不仅关注元器件、设备破坏、通断与否，对电能质量诸如频率、波形等更多更复杂的电气特性也要纳入抗冲击性能考核范围；⑤ 运用无损检测手段，如超声波、电镜、红外成像技术对高度集成、封装的元器件和电气设备进行检测，以发现诸如内部散热层细微变形、裂纹这类损坏隐患。

4 结论

船舶综合电力系统抗冲击性能研究是一个基础性、系统性和长期性工程，涉及电、热、力、材料、封装等交叉学科，必须站在整个系统层面，对组成系统的硬件要素按照各自的结构、材料、功能和电气特性分别进行检验与考核。要注意通过抗冲击试验摸清重要电力电子元器件、电气设备等的薄弱环节与冲击阈值或至少某一安全范围；试验要尽量反映真实的环境平台，不仅关注结构上的破坏，也要考虑对其功能、电气性能的影响；对于采用新技术的电气设备以及快速发展的电力电子元器件其抗冲击性能研究也要及时跟进。

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