不止电磁弹射,003中压直流综合电力系统至少领先福特级十年

不止电磁弹射,003中压直流综合电力系统至少领先福特级十年

长文预警:全篇干货,相信各位读完之后,会对我国的中压直流电力系统和美国的中压交流电力系统的优劣性有一个更加清晰的认知。

2020年6月8日,USNI News(美国海军研究学会新闻网)报道称,福特号航母的电磁弹射系统出现严重故障,导致航母在5天内无法弹射飞机,福特级航母电磁弹射设计之初的故障概率是1/4000,但在试验阶段有2000多次无人弹射试验中,故障概率高达181分之一,从2010年起成功弹射F/A-18E开始到2018年,总共进行了700多次战斗机的正式弹射,遭遇了10次严重故障,其他问题导致的航母趴窝时有发生。

而咱们刚刚下水的003航母福建舰已经连续无故障弹射3000多次了。作为电磁弹射领域的后来者,中国是如何做到后发先至,在该领域至少领先美国十年的呢?

究其基本原因,是舰艇综合电力系统的差距,美国采用的是中压交流并网的第一代综合电力系统,而咱们国家则直接跨代,采用了中压直流并网的第二代综合电力系统。交流直流,一字之差,现实中真的会有如此巨大的差距吗?

网上关于“中压直流综合电力系统”的文章不少,有的说得比较浅,让人读过之后觉得中国很牛,但到底牛在哪里?不知道。有的说得太深,各种专业术语直接pass掉了一大批读者。

于是馆长决定写一篇文章,尽量用初中的知识把这个事情解释清楚。


静止的电荷会产生电场,同性相斥,异性相吸。而电的本质就是电荷的移动

假设这里有一根水平放置,电流方向向左的导线,在导线下方放置一个正电荷,请问这个正电荷会被导线吸引还是排斥呢?

虽然导线中正负电荷都在移动,但总数还是保持不变的,因此导线还是保持中性,不会对旁边的静止电荷产生任何影响,因此答案是既不吸引也不排斥。

下面问题升级:如果这个正电荷沿着电流相反的方向运动,那么它会被导线吸引还是排斥呢?

根据狭义相对论,当观测者位于低速参照系时,高速运动的物体会被压缩;当位于高速参照系时,低速运动的物体会被拉伸。

假设此时我们与负电荷保持同步运动,我们会观察到导线中的正电荷正朝相反方向运动,因此被压缩了,在单位长度内的正电荷数量超过了负电荷的数量。

然后神奇的事情发生了:虽然导线整体是中性的,但在运动者参照系中,导线的每一小段都携带了正电荷,如果运动者携带了正电荷,就会被导线排斥;如果运动者携带了负电荷,就会被导线吸引。这个神奇的现象就叫做磁

通电的直导线四周会产生感应磁场,根据右手螺旋定则,大拇指的方向是电流方向,其余四指环绕的方向就是磁感线的方向。

假设导线中电流方向向左,那么导线上方的磁感线是进入手机屏幕的,我们用“叉”来表示,导线下方的磁感线是穿出手机屏幕的,我们用“点”来表示。

在磁场中运动的电荷会受到洛伦兹力,根据左手定则,我们让磁感线穿过左手手心,四指的方向就是正电荷运动的方向,大拇指的方向就是受力方向,当我们把一根通电导线放入磁场中,无数电荷所受的洛伦兹力的合力就是安培力。

以上也是轨道电磁炮的基本原理,上下两根导轨分别通过电流方向相反的电流,炮弹本身也是导体,于是电流自上而下穿过炮弹形成回路,根据右手螺旋定则,导线中间部分磁场方向都是进入手机屏幕的,根据左手定则可以判断炮弹所受安培力的方向向右,安培力大小F=ILBsin(I,B),其中I是电流强度,L是炮弹宽度,B是磁场强度,sin(I,B)是磁场和电流夹角,在本例中磁场和电流夹角为90度,因此sin(I,B)=1。

由此可知输入的电流越大,感应磁场强度越强,收到的安培力也就越大,同时导轨越长,安培力对炮弹的加速时间也就越长,当瞬时功率足够大时,可以把20KG的炮弹加速至4000米/秒以上,根据动能公式:Ek=mv^2/2可以算出电磁炮弹携带的动能是1.6亿焦耳,大约等于40千克TNT当量,相当于一枚C-801反舰导弹。我国试验中的电磁轨道炮已经完成了400千米的发射试验。

这是什么概念?一块20千克的实心铁疙瘩,携带着一枚反舰导弹的动能,以10马赫以上的速度向你进行无法拦截的超视距打击,你管这玩意儿叫“舰炮”?

咱们再来算算发射一枚电磁炮弹的成本,一度电的能量折合3600000焦耳,把电磁炮加速到1.6亿焦耳的能量耗电44.4度,加上能量的损耗和转化效率,咱给打个对折就算100度电,2022年北京居民用电阶梯电价最贵的第三档7毛8一度电,咱大方点算1块钱一度,耗电成本100块钱,钢铁的价格大约是4000~5000块钱一吨,咱就算5块钱1千克,20千克的炮弹成本100块钱,所以发射一枚电磁炮弹的总成本就是一笔200块钱的巨款!再看看动辄几十上百万美元的导弹,啧啧,真香啊!


这里有一对磁极,磁感线从左侧的N极出发,到右侧的S极结束,导线在磁场中做切割磁感线的运动会产生感应电动势,如果形成回路则会形成感应电流,根据右手定则,让磁感线穿过右手手心,拇指方向是导线运动方向,其余四指方向则为感应电流的方向。

如图所示,导线如果向上运动,则感应电流方向a到b,如果导线向下运动,则感应电流方向从b到a。

为了便于理解,馆长只画了5根磁感线。

现在我们在磁场中间放置一段环形导线,逆时针旋转,可以看到随着导线旋转角度的不同,穿越导线线圈的磁感线数量也是不同的:

当线圈与磁感线平行,没有磁感线穿过线圈;

当线圈与磁感线呈45度夹角,有3条磁感线穿过了线圈;

当线圈与磁感线垂直,所有的5条磁感线都穿过了线圈;

我们可以把穿过线圈的磁感线数量理解为磁通量,如果磁通量发生了变化,那么就会在导线内产生感应电动势,如果导线连接成回路,就会形成感应电流,这就是电磁感应的基本原理


有的读者会说了,如果我拿着线圈持续不断在磁场中旋转,那么线圈的磁通量就会不断变化,导线中是不是就会有源源不断的电流了吗?恭喜你,你发明了一台手摇式发电机。

对应在发电机输出电流的表现上就是,电流的大小和方向都是在不断变化的,呈现为一条正弦曲线,我们把这种电流方向随时间作周期性变化的电流称作交流电(简称AC)。与之相对的,电流方向始终不变的叫做直流电(简称DC)。

如果我们在磁场中置入三组两两相差120度的线圈,会发生什么事情呢?

下面是经过简化的电路图:

三组线圈分别是G1、G2、G3,每组线圈都引出两根导线,现在馆长问各位读者一个问题,摸哪根线会触电,摸哪根线不会触电?

下面公布答案,因为这三组线圈都在持续不断输出交流电,每根线和大地之间都是有电压的,因此你不论碰哪根线都会触电。

下面问题升级:如果你同时抓住了a1、a2、a3或者b1、b2、b3三根线,会发生什么事情呢?

咱们先不着急公布答案,先来看一看三组相位相差120度的正弦曲线叠加起来是什么样子的。

我们找两个特殊的相位计算一下:

在0度时,sin0°+sin120°+sin240°=0+0.866-0.866=0;

在90度时,sin90°+sin210°+sin330°=1-0.5-0.5=0;

事实上我们把任意一个角度代入计算之后,三个相差120度的正弦值相加结果都是0,也就是说a1、a2、a3或者b1、b2、b3三根线之间的电压差是0,因此我们同时抓住上述三根线是不会触电的。既然a1、a2、a3的电压差是0,那我们就可以把这三根线相交在O点,引出一根导线a。

这种三组相位两两相差120度的发电机,叫做三相发电机,其中b1、b2、b3三根线叫做相线或者火线,O点因为没有电压差,所以叫做中性点,从中性点引出的导线a叫做中性线,如果中性线接地,那么就叫做零线。

我们生活中经常用到的都是这种三相交流电,各位小伙伴可以打开自家的电表箱,或者到小区里看一看入户的电线杆上是不是都是三火一零的四根线呢?

我们经常说家用的电压是220伏,指的是任意一根火线和零线之间的电压是220伏,但是两根火线之间的电压却是380伏。友情提示,千万不要看了馆长文章之后手欠去摸零线!零线只是理论上电位为0,一旦发生接触不良或者漏电等情况还是有可能带电的,生命只有一次,且行且珍惜。

那么发电机输出的交流电有没有办法变成直流电呢?

办法也是有的,不过这次我们需要一些额外的知识储备了。

自由电子的移动会形成电流,原子最外层电子数越接近8越不容易导电,比如惰性气体元素;最外层电子数越少越容易导电,比如金属元素。而像硅、锗这类最外层电子数为4的介于导电和不导电之间的元素则称为半导体

以硅元素举例,每个硅原子都会和相邻的四个硅原子共用最外层电子,满足最外层电子数8的稳定状态。

如果我们在硅原子钟掺杂一部分最外层电子数为3的元素,比如铝或者硼。

它们与周围的硅原子结合之后,最外层只有7个电子,形成了一个空穴,这些空穴是可以导电的,我们称之为P型半导体

如果我们掺杂的元素最外层电子数是5,比如磷或者锑。

与周围硅原子结合之后就多出了一个自由电子,这些自由电子也是可以导电的,我们称之为N型半导体

但是如果我们把P型和N型半导体拼接起来,神奇的事情就发生了,在材料接触面上的自由电子就会填补另一侧的空穴。这样两种材料接触的部分既没有空穴也没有自由电子了,你可以把它想象成一块不导电的绝缘体,我们称之为PN结,PN结靠近P型的一侧由于吸收了电子而携带了负电,靠近N型的一侧由于失去了电子而携带了正电,因此PN结内部会形成一个由N型指向P型的内部电场,这个内部电场会同时排斥P型半导体的空穴和N型半导体的电子,从而阻止PN结的进一步靠扩大,当PN结稳定时,内部电场的强度是0.7伏。

如果我们把这个组合半导体材料接入一个通电的电路中,P型连接电源正极,N型连接电源负极,那么就相当于施加了一个和PN结内部电场方向相反的外部电场,当外部电场强度大于0.7伏的时候,PN结就消失了,半导体中的空穴和自由电子都可以自由移动了,电流也就可以顺利通过了。

如果外部电场的方向和内部电场方向相同,等于加强了内部电场,PN结范围会扩大,进一步阻止电流的通过。这种只允许一个方向电流通过的电子器件就叫做二极管

我们用这个符号来代替二极管,箭头的方向表示允许通过的电流的方向。

如果我们在交流电的输出电路中接入一个二极管,那么交流电就只有与二极管方向相同方向的电流可以通过,另外一个方向的电流就被过滤掉了,于是我们得到了一个时断时续的直流电,这种整流方法叫做半波整流

当然了这种直接砍掉一半的整流方法太过粗暴,浪费了一半的能量,有没有方法能把交流电的另外一半也利用上呢?方法还是有的,我们可以利用四个二极管组合成屏幕所示的电路:

当电流从a点进入时,它的路径是这样的。

当电流从b点进入时,它的路径是这样的。

如果我们挡住二极管部分。

就可以看到发电机输出的电流始终都是朝向一个方向的完整的直流电,我们把这种整流方法叫做全波整流。上图即为桥式整流电路图。

综上所述,不管使用哪种方法得到直流电,从最简单的原理上我们就可以看出,直流电至少要比交流电增加一个换向或者整流的步骤,在实际中,直流发电机的生产成本也是要比交流发电机高的。


在历史上直流电和交流电曾经有过一段血雨腥风的战争,当时爱迪生力挺直流电,而特斯拉则是交流电的拥趸。

话说神仙打架老百姓吃瓜,“电”这种新鲜玩意谁都是第一次见,两位大佬各有支持者,不分胜负,当时的纽约,电线都是未做任何防护措施横七竖八直接裸露在人们的头顶的,有交流的也有直流的,人们也不知道电的危险性,就有手欠的非要摸一下,摸完之后体验还不一样,有的人是瞬间心动的感觉,有的人是连绵不绝欲仙欲死,有的人则是当场去世,爱迪生和特斯拉两位大佬自然知道这其中的奥秘:

与导线相比,人的电阻非常大,可以看做是一个电容器,学过电路的同学都知道,电容器有“通交流阻直流”的特性,直流电是不会通过电容器的,交流电路中虽然没有电流真正通过电容器,但是会持续对电容器进行“充电”—“放电”的过程,因此摸到直流电的人基本没事,而摸到交流电的人都受到了电击。

但是为啥有人欲仙欲死,有人当场去世呢?因为人的体质是不同的,根据欧姆定律,电压等于电流乘以电阻(U=IR),在电压一定的情况下,电阻越大,电流越小,当电流超过10毫安的时候就会危及生命,当电阻材质相同时,电阻与横截面和长度成正比,因为胖子的横截面比瘦子大,因此电阻更大,所以更不容易被电死。

爱迪生看到有人被电死,第一时间就想到这是交流电闯的祸,竞争对手送上的大礼岂能不收?于是他又做出了一个影响深远的发明:电椅。当电椅通上直流电时,电椅上的人谈笑自若,当通上交流电时不但人会马上嗝儿屁,就连强壮的大象也抗不了几个回合。他想借此向公众展示交流电的危险性,让人们转投直流电的怀抱,可惜电椅这项发明最后还是跑偏了,成为了执行死刑的刑具。

电影绿里奇迹里,为了减少死刑犯的痛苦,会剃掉死刑犯头顶的头发,浇上更容易导电的液体,以减少电阻增大电流,让犯人瞬间死亡,后来那个神经病狱警不给犯人脑袋上浇水导致犯人都快被烤熟了也没死掉的惊悚场景,相信成为了许多人挥之不去的梦魇。

但是爱迪生这招属于杀敌一千自损八百的做法,我们重新看回这个公式“U=IR”,虽然电阻越大电流越小,但是要保证电流小于10毫安,电压也需要有一个上限,我国标准规定里,直流电的安全电压上限为120伏,超过这个电压,直流电也是可以电死人的,因此小伙伴们不要因为看了馆长的文章之后觉得直流电电不死人,千万不要产生作死摸电门的想法。

对于老百姓来说,既然直流交流都能电死人,那我选谁还不都一样,难不成我还能在触电之前量一下电压吗?

交流电击败直流电的真正原因是“Money”,刚才咱们说了,直流发电机比交流发电机的生产成本高,还有一个重要原因是,在那个时代直流电的传输成本也比交流电高。

首先我们来看电阻功率公式:功率P等于电流I的平方乘以电阻R(P=I^2R),导线的电阻虽然非常低,但是当我们需要进行远距离输电的时候,导线就要做得非常长,导线越长电阻越大,因此传输距离越远,在导线上损失的功率就会越大。

如何减小损耗功率呢?第一就是降低导线的电阻,这对交流电和直流电来说是没区别的,第二就是降低电流,如何降低电流呢,根据欧姆定律,电流I等于电压U除以电阻R(I=U/R),当电阻一定时,电压越大,电流也就越小。

因此提升电压,可以有效减少输电过程中的功率损耗,我们日常生活中看到的远距离输电线都是高压输电的。讲到提升电压的难度,那直流电和交流电可就有天壤之别了。

先说交流电,根据电磁感应原理,变化的电流可以产生变化的磁场,而变化的磁场又可以产生感应电场。

这是一个理想的变压器:

左边是输入交流电的原线圈,在铁芯上饶了n1匝,右边是产生感应电流的副线圈,在铁芯上饶了n2匝。在形成了回路的情况下,感应电动势E,等于电压U,等于线圈的匝数n乘以磁通量变化率k,由于铁芯束缚了所有的磁感线,因此两组线圈中磁通量变化率是相等的,左右两个电路中的电压比就等于线圈的匝数比。因此提升交流电电压的方法也就很简单了,把变压器副线圈多绕几匝就OK了。

相对比而言,直流电升压就要麻烦很多。因此直流电无论是基础设施成本还是输送成本都输给了交流电,因此才退出了历史的舞台,最终交流电大行其道。

咱们抛开成本不谈,其实直流电和交流电并不存在谁好谁坏的问题,它们各有适用的场景,馆长先问各位一个问题,我们的电脑和手机里用的是直流电还是交流电呢?

电脑和手机的芯片中有无数个晶体管,分别用通电和不通电代表0和1。

我们来看交流电波形图,在一个周期内就存在两个瞬时电流为0的零点,当我们需要一个开关始终通电代表1的时候,这突然出现的零点就会导致出错。此用电脑和手机都是先将220伏的家用交流电变压整流为低压直流电后再使用的。

然而交流电周期性出现零点的看似“缺点”在某些场合却又能发挥巨大的作用:

当我们在大气中用开关断开电路时,只要电压超过12~20伏,电流超过0.25`1安培,就会在触头间隙产生电弧,一直要等到电弧完全熄灭电流才能被断开,但是在大气中,只需要10伏的电压就能维持1厘米长的电弧稳定燃烧而不熄灭,在100千伏电压下开断仅5A的电流时,电弧长度可达7米,因此无法靠拉长电弧的长度来熄灭电弧,直流电由于电流非常稳定,可以持续不断给电弧提供能量,因此要切断高压的直流电是非常困难的。

给各位看一下直流电断电时形成的电弧,这酸爽的感觉,简直了。

我们再次祭出交流电波形图,我们在任意时刻断开交流电,只需等上几十毫秒,就能等到没有电流的零点,电弧瞬时就熄灭了。


给大家看一下交流电断电时形成的电弧(几乎一闪而过),是不是比直流电温柔得多呢?

上述两个例子就是想告诉大家,交流电和直流电在日常生活中都有不同的使用场景,取长补短才是正确的。


也许有的读者在新闻中看到过,咱们国家在大力发展特高压直流输电,馆长刚刚不是讲过直流电的传输成本要高于交流电吗,为啥中国还要发展特高压直流输电呢?

要回答这个问题,就需要补充几个知识点了:

第一,直流电如何转换交流电?

一般有三种方法:

1、用直流电源带动直流电动机,把机械能传导到交流发电机再发出交流电,这种方法略显脱裤子放屁,但现在仍有人在用,特点是成本低,易维护。目前在大功率转换中还在使用;

2、机械振子变换器,其原理就是让直流电流断断续续,通过变压器后就能在变压器的次级输出交流电,这是一种比较老的方法,目前基本上己被淘汰。

3、逆变器,这是比较先进的方法,成本高,多用于小功率变换。

在那个年代,不论是直流升压、还是直流转交流再升压都需要付出额外的固定成本,同时在高额的运输成本之下,想要使用直流电就不得不隔一段距离建一座发电厂。作为一种商品,交流电明显比直流电更适应市场。

但是,重点来了,文章前半段馆长说的直流电输送成本比交流电高,是建立在发电厂、直流升压这类固定成本较高的基础上的。但是随着输电距离的增加,交流电基因里自带的一个缺陷就体现出来了。

这是一根电流方向向右的导线(导线被放大了,两条直线中间部分是导线的内部),不论是直流电还是交流电都会感应出环形磁场,我们把导线纵截面放大一些可以看到,上半部分磁场方向穿出手机屏幕,下半部分磁场方向进入手机屏幕,磁场在导体内外均有分布。

不同的是,直流电由于不发生变化,因此感应出的是静态磁场;而交流电感应出来的是一个随时变化的交变磁场。

咱们把问题简化一下,取一个圆形的磁场区域,假设这片磁场是均匀变化的,那么变化的磁场会在空间中感应出涡旋电场,电场线是一圈圈的同心圆。

我们注意到,有的电场线在导线之外,那么这里只会有感应电动势,但是有一部分是在导线内部的,这里就会形成感应电流,根据楞次定理,感应电流的效果总是会反抗引起感应电流的原因,因此感应电流的方向是和导线电流方向相反的,从而抵消掉一部分电流。

咱们略过推导过程,直接写出感应电场强度E的公式:E=rk/2,其中K是磁场变化率,r是磁场区域的半径。

可以明显看出,感应电场的强度和r成正比,也就是越靠近磁场区域的边缘,感应电场和感应电流就越强,而上下两部分磁场边缘区域相交于导线的中心,换句话来说就是导线中心部分的感应电流最强,导线边缘部分感应电流最弱。所以交流电在传输过程中,电流都是靠近导线表层的,而导线中间部分电流基本为零,这就是趋肤效应

交流电在传输过程中电压是一定的,根据U=IR,电流越小,电阻越大,而电阻越大,导致传输中消耗的功率也就越大。而直流电不会产生感应电流,因此电流是在导线内均匀分布的。所以在趋肤效应的影响下,交流电在传输过程中的损耗是一定大于直流电的。

另外三相交流电输电线至少需要三根导线,而直流电只需要两根导线,成本立减三分之一。

综上,输电距离越远,交流电输电越费钱,当输电距离达到某一点时,交流电传输过程中的功率损耗追平了直流电比交流电高出的建设成本、转换成本、升压成本等固定成本,如果要将继续延长输电距离,那么直流电无疑是更加省钱的方案。

媒体上经常可以看到我国在大力发展特高压直流输电的报道,于是许多人会误认为咱们国家完全放弃了交流电,梭哈直流电。其实这个理解是片面的,不管交流还是直流,能够省钱的就是顶流。

打开国家电网的主页,可以清晰地看到我国在建在运的特高压工程。其中蓝色是特高压直流输电线路,长度都在1000千米以上;绿色是特高压交流输电线路,长度基本在600千米以下。因此可以倒推出,根据我国的成本核算,600千米以下交流电划算,600千米以上直流电划算。

目前世界上只有俄罗斯、日本和意大利有少量1000千伏特高压交流线路,且都在降压运行。除中国之外的特高压直流输电工程有印度的800千伏输电工程、非洲西海岸直流输电工程、以及巴西的伊泰普600千伏直流输电工程,在我国纵横阡陌的特高压直流输电工程面前完全不够看,那为啥特高压直流输电工程只有在中国才如鱼得水呢?

因为需要满足几个前置条件:

1、国家必须要有广阔的疆域,动辄1000千米以上的传输距离在我国只是出个省,放在欧洲怕不是要出好几次国了;

2、发电和用电地域分布不均衡,我国76%的煤炭资源分布在北部和西北部;80%的水能资源分布在西南部;绝大部分陆地风能、太阳能资源分布在西北部。同时,70%以上的能源需求却集中在东中部。能源基地与负荷中心的距离在1000到3000公里。

以燃煤发电为例,在西部煤炭产区的坑口电站1度电的燃料成本仅为9分钱,如果将电煤装车陆运至秦皇岛,再通过海运、陆运至华东地区,每度电的燃烧成本就要3毛钱,居民用电基本每度电最低4到5毛钱。如果西北部的坑口电站通过特高压直流输电,除去各种成本,每度电成本依然可以降低6分到1毛2分钱。

我国的风能主要集中在三北地区,水能主要集中在西南地区,但是当地电能消耗极其有限,自然资源如果不加以利用就会白白浪费,特高压直流输电网络搭建了大容量、远距离的能源输送通道,将海量的清洁能源输送至中东部区域。

3、需要有集中大规模发电的能力,比如核电站,世界上拥有核电站的国家不少,但是同时具备上述几个条件的国家就屈指可数了,因此他们面对特高压直流输电的态度,要么是没需求,要么是没能力,要么就是没钱玩。美国倒是又有需求又有能力也不差钱儿,可是仅仅为了省那几毛钱就把已经完善的交流输电体系推倒重建,从0开始点直流输电的科技树,唯利是图且看重资本回收周期的资本家们是没有这个动力的,也没有强大的国家意志去推进这个事情。

咱们国家由于交流输电体系起步较晚,经济的飞速发展导致中东部地区用电量剧增、自然资源分布不均衡等各方面综合因素,发展特高压直流输电可谓是应了天时地利和人和。

本来在西方国家看来,中国狂点直流输电的技能点,只是节省了那么一丢丢输电成本,但是特高压直流输电体系的建设刺激了国内设备制造业的腾飞,国内三大特高压实验工程所用设备几乎全部由国内企业提供,工程国产化率达到约95%,设备国产化率达到约91%。通过实验工程,国内设备制造企业得到锻炼,科技研发实力大大提高。


额,讲了这么多终于可以说正题了,英美的军舰正是在交流电大行其道的前提下,采用了中压交流并网的第一代综合电力系统,综合电力系统的本质就是并网发电,由一个电力系统供应不同的设备。

舰船综合电力系统包括:发电系统、输电系统、变配电系统、推进系统、储能系统、能量管理系统,咱们一个一个详细进行拆解:

发电系统

美军的发电系统采用的是中压交流工频同步发电,军舰上许多精密的电子器件都需要通过芯片进行操控,因此直流电是必不可少的,所以要么再增加一套直流发电系统,要么把交流发电机发出来的交流电经过整流变成直流电再进行直流供电。

军舰在常规巡航、战术机动、电磁弹射、释放高能武器时,所需的电量是不同的,当耗电量剧增的时候需要多台发电机一起供电,交流电的并网条件非常苛刻,需保证电压有效值相等、频率相等、相位相等,如果要保持并网运行的稳定,还应该保证电压和频率调节的范围和调节速度满足负荷变化的要求,才能保证负荷变化时不会发生并网崩溃。而直流电只需要考虑电压的幅值即可。

在交流发电系统中,一旦多台发动机存在不同步问题,就很容易出现振荡,“固有振荡”是早些年发电机行业的共同难题,水面舰艇还好说,最多就是噪音大,吵一些而已,可潜艇的固有震荡简直就要了亲命了,巨大的噪声会增加被敌方声呐发现的几率,振荡严重时,会导致全舰动力系统瘫痪,发电机如果在深海罢工,潜艇脆弱的生态维持系统会在短时间内崩溃,后果不堪设想。

在控制“固有振荡”方面,德国从六相整流发电机到十二相整流发电机,一直是走在世界前列的,当时中国舰艇的发电机是需要从国外进口的,一位叫马伟明的年轻人参与了一项十二相整流发电机的谈判,当他准备深入和德国专家探讨固有振荡解决方案时,遭到了德国专家的冷遇,对方不屑地表示“我们的设备没有问题”。

德国人也许未曾想过,这位刚刚取得海军工程大学船舶电气工程的专业硕士学位将来会取得多么伟大的成就,他仅仅用了6年时间,便自主研发出2台十二相发电机,不但攻克了“固有振荡”这个世界性的顽疾,更使得我国在发电机领域后发先至,一举超越欧洲走向了世界的前列。

2001年,马伟明在此基础上研发出世界上首台交直流双绕组发电机,一台发电机就能同时输出交流电和直流电,并且交直流切换时可以保持不间断供电,中压交流不同步的问题也被完美解决。

为了满足大型舰船与航母的需求,提高功率密度成为了现代舰船发供电系统的必由之路,提高转速则是提高功率密度最直接的方法。采用交流电制的发电机组多使用减速齿轮箱将高速原动机与中低速发电机相连,其重量、体积增加,且震动噪声巨大,而采用中压直流电制,原动机的转速不再受交流频率的限制,不但可以更加方便地提升转速,更减少了减速齿轮箱。可以这么讲,我国第二代综合电力系统中的高速集成中压整流发电机全面碾压美国的第一代中压交流发电系统。


输电系统

美国采用的是中压交流工频输电,我们采用的是中压直流输电,文章前半部分主要从成本方面对比了交流和直流输电,军舰是国之重器,自然不差那点钱,可靠性才是首先要考虑的。

那么交流输电的一些弊端就不得不考虑了,首先交变电流肯定会产生感应磁场,军舰拢共就那么大点地方,各种精密仪器之间非常紧凑,交流输电产生的电磁干扰就不能忽略了,对比而言,稳定的直流输电完全不用考虑这些问题。且直流输电没有额外的能量损失,效率更高。

另外直流输电不受同步运行稳定性问题的制约,对保证不同系统间交流电网的稳定运行起了很大作用。舰艇上不同部分频率不同的交流系统可以通过直流输电实现非同步互联。

推进系统

首先了解一下电能如何转换为机械能的,这是一组相对的永磁铁,磁场方向从左向右,这是一节通电的线圈,这是通电线圈产生的磁场方向,根据磁场是能公式:W=-mBcosθ,其中θ为线圈磁场和外部磁场的夹角。

我们都知道,物体总是倾向于向势能低的地方运动,比如在碗底放一颗小球,那里是重力势能最低的地方,不论你把小球向四周任何方向推,合外力总会把小球拉回碗底,因为那里最稳定。

而磁场中哪里势能最低呢?

我们画出公式中余弦函数,可以很清晰地看出,θ=0时势能最低,也是最稳定的状态;而θ=180度时,势能最高,也是最不稳定的状态。

当线圈磁场和外界磁场有一定夹角时,受磁场势能影响,线圈会自动转向和外界磁场方向相同的方向,并保持稳定。

如果我们输入的是交流电,当线圈和外界磁场夹角为0度时,由于电流方向改变,感应磁场方向突然发生转向,此时线圈感应磁场和外界磁场夹角变成了180度,处于势能最高的状态,于是线圈会继续旋转180度,交流电持续输入方向不断变化的电流,线圈也就会做持续不断的旋转运动,如果我们给线圈连接上一根传动轴,就可以带动机器做功了,于是我们实现了电能向机械能的转化,这也是最简单的交流发电机电动机的原理。

直流电动机的原理和交流电一样,只不过是给线圈的导线末端加上两个半圆金属环,这样线圈每转动180度,就会自动切换电流方向,实现持续转动。

好了,原理讲完,随堂测试一道题吧:假如此时接到命令,发现来袭鱼雷,军舰需要立即提速规避,请问直流电机驱动的提速快还是交流电动机驱动的提速快?

我们重新看回这张原理图,当线圈感应磁场与外界磁场夹角为0时,线圈会因为惯性继续偏转一定的角度,此时由于势能变高,而被迫拉回势能为0的平衡位置,也就是说,如果电流方向不发生改变,线圈最多就只能旋转180度就不动了。

到目前为止,交流和直流电机是没有区别的,再往下走就不同了,交流电动机是因为电流方向的改变才导致线圈继续运动,而直流电动机是因为线圈的惯性运动导致了电流方向的改变,继而促使线圈继续旋转。

各位看出差别了吗?交流电动机的转速是和输入的交流电频率一致的,是固定的,因为电流方向改变的频率决定了线圈转动的频率,要改变桨片的转速,就需要先对交流电做变频处理,才能达到我们需要的转速。

而直流电只需要改变电枢电压,就可以轻松改变转速,响应速度较快,适用于需要广泛无级平滑速度调节的系统,可以在一定范围内获得我们所需要的任何转速。

因此可以得出结论:直流电机驱动的提速快。

电动机需要加速减速,也就是需要产生幅值频率相位可控的交流电,而交流电网的电能是不可调的,为此需要推进变流器。推进变流器是大功率电力电子变换器的一种,首先将交流电网的交流电整流成直流电,再把直流电按照人们的需要逆变成交流电。

上图是馆长在网上随意搜的一张变流器的图片,各位可以直观感受一下仅只是推进系统,交流电系统就需要比直流电系统多出来N个这种庞然大物。

此外交流发电机和电动机往往工作在不同电压,因此又需要额外的推进变压器,受物理规律限制,变压器这种又大又重的玩意儿是必不可少的,如果一步到位采用直流,那就连变压器都不需要了。

说到舰艇的驱动系统,就不得不提马伟明院士的另一项伟大成就:无轴泵推。常见的舰艇推进系统,电动机都需要通过一根传动轴和减速齿轮箱把电能转换为机械能,能量发生转换必然伴随着一定的损耗,且桨片、传动轴和电动机都要在一条直线上,加之传动轴和齿轮箱巨大的体积,不利于灵活的舰艇布局设计,而传动轴的噪声则是潜艇的主要噪声来源。

马伟明院士的黑科技“无轴泵推”系统就是创造性地把电动机和桨片合二为一,直接把桨片和电动机上的转子结合起来,这样电动机旋转的同时,桨片直接旋转工作,巨大的传动轴和减速齿轮箱都不用了,能量转换效率提高不说,就连噪声问题也一并解决,让潜艇真正实现对声呐“隐身”,消失于茫茫的海洋的背景噪音中,据说咱们国家的下一代潜艇就要上无轴泵推系统了,技术原理看起来很简单,不就是把电动机和推进系统做在一起嘛,其实这中间是有很多技术难关需要攻克的,由于把电动机放在潜艇外面,一旦在深海出现问题,连检修都将成为不可能,因此无轴泵推系统的可靠性非常关键,世界上很少有国家敢于做这方面的尝试,否则怎么会被称为黑科技呢?

储能系统

许多人都有过这样的疑问,美国航母都是核动力,动力源源不断,为什么还需要储能系统呢?

我们先来做个计算,通常33吨左右的战斗机起飞初速度需要达到每小时200千米每小时,转换成动能就就是一亿焦耳,假设战机2秒钟内被弹射升空,那么弹射一架飞机需要平均五万千瓦的功率,而电磁炮更是耗电大户,由于加速度时间非常短,瞬时功率超过300万千瓦。

就算全舰发电机一起工作也无法提供这么大的瞬时功率,因此需要提前把电能储存好,需要弹射或发射高能武器时,瞬间释放巨大能量。

储能系统中国和美国走的是两个不同的路线,美国通过交流电机把电能转化为机械能储存在高速旋转的飞轮中,走的是物理路线,它的结构很简单,一台盘式发电机+一个巨大的飞轮,高速旋转时将拥有强大的动能。

而中国走的则是超级电容的化学路线路线,前面讲过了,电容通交流阻直流,只能通过直流进行充电。

那这两种储能路线孰优孰劣呢?

首先飞轮是依靠高速旋转的转子进行储能的,储能密度较低,因为要提升储能密度只能通过提升飞轮的质量或者转速,飞轮转速不断提升的过程,对支撑结构的安全性提出了很高的要求,要维持飞轮储能的时间,需要保持真空、主动散热等苛刻的条件,储能速度较慢,大家可以想象一下,如果一分钟弹射一架飞机,或者一分钟发射10次电磁炮,就需要在极短的时间内完成储能和能量输出的过程,如此剧烈的能量转换能否稳定实现暂且不论,对机械部件的损伤是可以想象的。

还有一个不容忽视的问题就是,飞轮储能的安全风险,与电能不同,只要电路断开,电能就无法释放,而飞轮储能装置一旦遭到破坏,其中储存的机械能是一定会得到释放的,基本相当于自家的军舰遭受自家战机的板载撞击,或者挨了自家电磁炮贴脸一炮,那场景太美,不忍直视。

而超级电容就优秀很多了,不但储能密度高于飞轮,其充能和放电的速度也高于飞轮,电能和化学能之间转换的能量损耗也要远小于电能和机械能之间的转化。可以一次储存足够的电能,根据需要完成数次弹射或者高能武器发射。同时超级电容占地面积要比飞轮小,完全没有安全隐患,可以装在舰艇的任意位置。更加重要的是,飞轮储能的路线提升空间已经很小了,而超级电容还有广阔的提升空间,从长远来看,超级电容的储能路线才是正确的选择。

美国的综合电力系统立项于上世纪90年代,那个年代电力电子技术的水平尚并不足以支撑中压直流,况且美国海军在世界上难逢敌手,并没有那么迫切的发展新技术需求,因此选择而了相对稳妥的中压交流路线。我国的综合电力系统立项时,中压直流技术的相关研究和应用已经丰富了很多,如果重新从中压工频交流开始,经过中压中频交流,最终发展成中压直流,那么我们将始终处于追赶者的位置,直接跨代走中压直流的路线,风险是非常大的,兵行险着,弯道超车实属无奈之举。

假设在另一个平行时空,咱们的中压直流技术一直没有得到突破,那么003的电弹没有、电磁炮没有、隐身潜艇也没有,我们将不得不重新去吸美国排气管的尾气,那将是一种多么憋屈的体验!

非常幸运的是我们有了马伟明院士,美国人没做出来的东西我们做出来了,中压直流比中压交流的优越性是一目了然的,正是马院士前瞻的眼光及其团队的辛勤工作,让我们在这个领域有了领先美国人十年的优势,相信美国人在紧迫感下,不惜推倒重建,也要在未来的五至十年掏出中压直流综合电力系统。

相信马伟明院士以及无数的军工人不会白白浪费这一个身位的领先优势,定会百尺竿头更进一步,仅以此文向他们致以最崇高的敬意和感谢!