某型艦消磁設備損壞機理研究及改進設計*

徐 杰

(海軍駐桂林地區軍事代表室 桂林 541002)

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某型艦消磁設備損壞機理研究及改進設計*

徐 杰

(海軍駐桂林地區軍事代表室 桂林 541002)

針對某型艦消磁設備由手動輸入經度、緯度、航向工況轉換為自動工況時,電源柜出現了多個電源模塊損壞的問題,指出了原設計電路上中低通濾波電容值偏小的問題,并加以改進。改進電路經實驗室驗證后,達到設計要求。

消磁設備; 改進設計

Class Number TP16

1 引言

某新型艦消磁設備在實船試驗過程中,為了測試不同工況下的諧波分量,電流控制儀由手動工況(手動輸入經度、緯度、航向)轉換為自動工況,每隔3分鐘轉換一次,在連續轉換六次后,四個消磁電源模塊損壞。指出了原設計電路上中低通濾波電容值偏小的問題,并加以改進。改進電路經實驗室驗證后,達到設計要求。

2 原因分析

經分析,消磁電源模塊都是在工況轉換瞬間損壞,損壞部位均為電流變化量大的繞組(ZQS繞組和ZGS繞組),即消磁電源模塊的后級IGBT模塊、IGBT的驅動和尖峰吸收電阻。

電源模塊的后級IGBT與負載電路示意如圖1所示。

圖1 電源模塊后級IGBT與負載電路示意圖

當輸入信號發生突變(從輸出大電流突變至0)時,因消磁繞組為感性負載,輸出電流不能突變,會產生很大的反向電壓[1～2]。同時,電源系統機柜對應每個電源模塊并聯了30μF電容,根據電容兩端電壓不能突變的特性,此時會產生很大的反向峰值電流。在IGBT關斷的情況下,電流通過IGBT體內等效二極管,再通過能量釋放回路的電阻R15,給換向IGBT前端的電容充電。該過程使電阻R15兩端電壓迅速升高,電阻R阻值為47Ω,功率為5W,是金屬膜電阻,電阻兩端最大可承受500V電壓。當電流突變瞬間電阻負荷的能量超過電阻可承受的極限時,該電阻將被擊穿開路。電阻開路后,不影響電源模塊的正常使用,當再次發生信號突變,電源模塊輸出電流瞬間由大電流突變到0時,能量釋放回路已經斷開,感性負載瞬間產生的電壓和電容瞬間產生的電流和電壓將超過IGBT的額定值,導致IGBT損壞。IGBT損壞后,驅動極的箝位二極管兩端電壓高于其額定電壓,將損壞箝位二極管[3～6]。

3 改進方案

3.1 摸底試驗一

負載電阻:4Ω、串接20mH電感;

試驗方法:誤差測試儀給定信號,斷開給定信號,用示波器測量信號突變瞬間負載兩端的最大電壓,試驗結果如表1所示。

表1 瞬間最大電壓值

經分析,損壞的電源模塊能量釋放回路電阻開路,更換該電阻后,電源恢復正常。

3.2 摸底試驗二

負載電阻:4Ω、串接20mH電感;

試驗方法:誤差測試儀給定信號,給定信號由額定輸出的30%、40%、50%、60%、70%、80%分別突變到0,用示波器測量信號突變瞬間負載兩端的最大電壓和隨機選取的一個功率模塊的輸出電流信號。給定信號突變過程中電壓、電流波形如圖2所示。

圖2 電壓和電流波形

所測參數如下:

1) 初始狀態

表2 初始狀態電壓和電流值

圖3 初始狀態電壓和電流圖

2) 電阻損壞后的狀態

表3 損壞狀態電壓和電流值

圖4 損壞狀態電壓和電流圖

由此可見,電阻損壞后,輸出電流向0突變時,負載兩端有很大的電壓并成線性上升狀態,當電壓超過IGBT反向耐壓1200V時,IGBT將被電壓擊穿。

3.3 整改方案

在感性負載端負載狀態不變的情況下,電流控制儀的控制電流信號通過電源系統的監控模塊時,經低通濾波并將信號放大后再同時控制換向級跟隨信號。將低通濾波的電容增大,使給定電流信號有一定的緩沖,以減小突變信號的速率,則電源系統輸出端的瞬變狀態也得到了緩沖[7～10]。

圖5 整改電路

將低通濾波的電容由0.1μ提高到0.78μ后,原信號緩沖時間由1ms提高到7.8ms,大大降低了電感負載在電流突變時產生的反向電壓。同時,增大低通濾波的電容還能提高系統穩定性。經試驗測試,該緩沖措施亦能滿足系統的動靜態技術指標。

4 試驗驗證

試驗方法及要求:

1) 電源模塊設置為5+1模式,負載電阻4Ω串接20mH電感,控制信號由50%→0、60%→0、80%→0、100%→0階躍突變時,測量電源柜輸出反沖電壓和單個模塊輸出反沖電流值。試驗過程中模塊不損壞。

2) 電源模塊設置為5+1模式,負載電阻4Ω串接20mH電感,進行跟蹤誤差、靜態誤差、過渡過程測試,結果符合技術要求。

表4 控制信號突變時反沖電壓和電流值

表5 誤差

5 結語

針對某型艦消磁設備由手動輸入經度、緯度、航向工況轉換為自動工況時,電源柜出現了多個電源模塊損壞的問題,本文采取緩沖措施解決了外部給定信號誤操作或外部信號瞬間突變時,電源系統在感性負載狀態下的瞬時電壓過沖與電流過沖的問題,提高了電源系統的可靠性。

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Analysis and Ameliorating Design of Damage of Degaussing Equipment of Some Marine

XU Jie

(Navy Representative Office in Guilin, Guilin 541002)

When inputting the precision and latitude and course by manual operation of degaussing equipment of some marine, several modules of power supply do not work. This paper indicates the deficiency of originally circuit. The improving circuit achieves the design request by the lab validating.

degaussing equipment, ameliorating design

2015年3月11日,

2015年4月26日

徐杰,男,碩士,工程師,研究方向:電磁環境及防護工程。

TP16

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.033