某型艦船變流機組的測試性研究

蔣超利，吳旭升，高 嵬，馮 進

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某型艦船變流機組的測試性研究

蔣超利，吳旭升，高 嵬，馮 進

（海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033）

本文根據測試性的相關原則對某型艦船中頻變流機組進行了測試性設計，重點分析研究了中頻變流機組的結構組成、故障模式及其影響。對變流機組進行了測試性層次劃分和測試性指標分配，確定了初步的測試信號和測試點，為變流機組測試性設計的后續工作打下基礎。

變流機組 測試性設計 層次劃分 測試性分配

0 引言

變流機組是艦船的重要組成部分，是確保艦船安全穩定運行的關鍵設備之一。變流機組主要由感應子發電機、直流電機和控制系統三部分組成。其中，感應子發電機和直流電機共軸旋轉，在正常工況下，變流機組將單相交流電轉換為直流電，給直流負載供電的同時對蓄電池進行充電以儲存電能；在應急工況下，將蓄電池中的直流電轉換為交流電供給交流負載，以確保艦船的安全穩定運行?？梢?，變流機組在交直流混合供電系統中占有舉足輕重的地位，是重要的應急電源設備，其可靠性與安全性對艦船的正常運行有著至關重要的影響。

測試性是武器裝備“六性”之一，是系統或裝備本身的一種固有屬性。根據GJB2547《裝備測試性大綱》中的定義，測試性是指系統或設備能夠及時、準確地確定其狀態（可工作，不可工作或性能下降）并隔離其內部故障的一種設計特性。按照測試方式和位置的不同，測試性技術主要可以分為外部自動測試（ATS）和機內測試（BIT）。外部自動測試是指通過外部測試儀器、工具或設備對被測對象進行檢測和隔離的測試；機內測試又叫嵌入式測試，是指系統或設備能夠自己完成對系統、組件或功能模塊的狀態檢測、故障診斷以及性能測試，一般在裝備設計階段就應當考慮。本文由于是對現役裝備變流機組進行測試性研究，主要采用外部自動測試技術。

文獻[1,2]分別研究分析了變流機組在運行狀態切換時直流電機和交流電機的勵磁控制系統，分別提出了直流電機和交流電機的勵磁控制方案；文獻[3]建立了變流機組完整的數學模型，并用MATLAB仿真實現了變流機組在各種工況下的運行特性，為變流機組的測試性設計打下了一定的基礎。目前，對艦船變流機組開展測試性研究的單位相對較少，對變流機組的測試性研究處于起步階段。針對上述現狀，本文在前人研究的基礎上，對變流機組進行了故障模式及其影響分析及測試性層次劃分研究，重點闡述了現場可更換單元的劃分準則和步驟，為后續變流機組的測試性指標分配研究提供一定的參考價值。

1 變流機組的結構

變流機組主要由感應子發電機、直流電機和控制系統三部分組成[4]。其中，感應子發電機和直流電機共軸運行，感應子發電機與交流電網及交流負載相連，直流電機與直流電網及直流負載相連，通過變流機組控制系統調節，確保機組在任何工況及工況切換過程中安全穩定地運行。感應子發電機主要由定子和轉子組成，勵磁繞組環繞著轉子軸承位于定子上，轉子上沒有繞組，而是做成齒狀，由整塊鋼鍛造而成。根據轉子同一段鐵芯上各齒極性的差異，可將感應子發電機分為單極式與多極式感應子發電機[5]。控制系統主要包括起動器、頻率控制系統和電壓控制系統三部分。頻率控制系統包括工作電源、頻率采樣電路、脈寬調制電路、晶體管驅動電路、保護電路五個部分。電壓控制系統包括電源電路、脈寬調制回路、晶體管驅動電路和勵磁主回路四個部分。直流電機為常規四極驅動電機，在此不做過多論述。變流機組總體結如圖1所示。

2 變流機組的測試性層次劃分

系統層次劃分是測試性設計的基礎，尤其是外場可更換單元（LRU）的規劃，直接影響到不同維修體制下武器裝備故障診斷與隔離的最小單元，是確保測試性設計正確性與有效性的關鍵。當前，我國裝備維修體制采用基層級、中繼級和基地級三級維修體制。對于艦船裝備來說，提出了艦員級維修的概念，實際上等同于三級維修體制下的基層級。為了提高維修工作效率，保障裝備的安全性和戰備完好性，將系統劃分為三個層次，分別對應三級維修等級，從高到低依次是外場可更換單元、內場可更換單元（SRU）和內場可更換子部件（SSRU）。因此復雜裝備系統在進行測試性設計和故障診斷過程中，一般將系統劃分為“系統—分系統—機組—LRU—SRU—SSRU”六個等級。裝備三級維修體制如圖2所示。

圖2 三級維修體制示意圖

2.1 測試性分配的基本原則

為了確保測試性層次劃分的合理性，保證各級維修的順利進行，系統層次劃分應遵循如下幾點原則。

1）應采用自頂向下的原則進行層次劃分；

2）應適應故障診斷分析的要求；

3）各層級應根據功能和結構特性分別定義故障模式；

4）應符合系統各部分功能結構之間的邏輯關系。

根據上述測試性層次劃分原則，對變流機組進行測試性設計，不僅可以滿足不同維修等級對故障定位的精度，而且可以降低測試維修規模，減少維修時間和成本，提高診斷效率，最大程度地保障裝備系統的正常運行。

2.2 LRU規劃設計

在艦員級維修時，由于測試技術和測試條件受到限制，很難降故障定位到SRU和SSRU層級，只需將故障模式定位或隔離到LRU即可。然后利用備用的LRU模塊替換相應的故障LRU即可完成艦員級維修。如何對變流機組進行準確的LRU劃分，這對于執行遠海航行的艦船具有重大的研究意義和研究需求。

在對LRU進行規劃設計時，需要考慮許多因素，主要包括測試性因素、可靠性因素、維修性因素、保障性因素以及安全性因素等。為了使LRU規劃分析評價的范圍更加全面，操作更加簡便，圍繞著現場維修工作，將性能和綜合因素分成與現場維修關系最大的幾個方面，包括供應保障因素、現場診斷因素、現場更換和其他處理因素等。在每一個大方面影響因素下面展開一系列子因素，構成了LRU規劃設計綜合因素體系的層次結構。

根據LRU規劃設計綜合影響因素，可以初步確定系統的LRU層次劃分，對劃分的LRU進行評價，具體準則如表1所示。

2.3 變流機組的系統層次劃分

變流機組主要應用于艦船裝備，其維修等級一般為艦員級，故障定位到外場可更換單元即可，根據前面所述系統層次劃分的原則及LRU規劃設計方法，本文將變流機組劃分為“系統—分系統—LRU”3個層次，其中分系統層級包括感應子發電機模塊、直流電機模塊、控制系統模塊，各分系統又由若干LRU組成。變流機組系統層次劃分至LRU級的結果如圖3所示。

表1 LRU定性評價準則

圖3 變流機組系統層次劃分

對各LRU各影響因素進行規劃評價，其分析結果說明了以上LRU劃分較為合理。

3 變流機組測試性分配

測試性分配是指通過協調分配各層次測試性指標以滿足系統設計的要求。同時也是測試性設計驗收的依據。常見的測試性指標有故障檢測率（FDR）、故障隔離率（FIR）和虛警率等，具體如圖4所示。

圖4 測試性指標分類

系統級BIT虛警率一般要求在5%以下，可采用等值分配法進行分配，即各組成部分的虛警率和整個變流機組的虛警率相同。故障檢測時間和故障隔離時間一般在對系統進行維修性設計時考慮，故本文重點對故障檢測率和故障隔離率進行測試性指標分配。

3.1 測試性分配方法

常見的測試性分配方法有：故障率分配法、加權分配法、綜合加權分配法、優化分配法和層次分析法等。本文將采用基于故障率分配方法進行設計。

故障率分配法是根據系統總的測試性指標要求完全按組成部分（分系統、子系統或設備）的故障率進行分配，以便保證故障率高的組成部分分配到較高的測試性指標，故障率低的組成部分分配到較低的測試性指標。具體分配方法和步驟如下：

1）畫出系統功能層次圖，說明系統指標分配的產品層次。

2）分析各層次產品的組成單元特性，取得故障率數據和系統要求指標。

3）用下面數學模型計算各組成單元的FDR和FIR分配值：

4）確定各組成單元的分配值。測試性指標一般為兩位百分數，而計算的分配值多為小數，所以應將第三位小數進位，取兩位即可。

一般來說，艦船系統故障檢測率指標不小于80%，故障隔離率（隔離到分系統級）指標不小于70%。本文采用基于故障率分配方法，結合各系統故障率統計數據，自生而下，得到變流機組的測試性分配的結果如表2所示。

4 故障模式及其影響分析

根據GJB1391-92《故障模式、影響及危害性分析程序》，故障嚴酷度可分為：

1）Ⅰ類(災難的)—這是一種會引起人員死亡或系統毀壞的故障；

2）Ⅱ類(致命的)—這種故障會引起人員的嚴重傷害、重大經濟損失或導致任務失敗的系統嚴重損壞；

3）Ⅲ類(臨界的)—這種故障會引起人員的輕度傷害、一定的經濟損失或導致任務延誤或降級的系統輕度損壞；

4）Ⅳ類(輕度的)—這是一種不足以導致人員傷害、一定的經濟損失或系統損壞的故障，但它會導致非計劃性維護或修理。

本文在前人研究的基礎上，赴現場調研收集艦船變流機組典型故障模式相關數據信息，按照故障嚴酷度的劃分準則，將典型故障模式及其嚴酷等級統計如表3、表4、表5所示。

表2 變流機組測試性分配

表3 直流電機故障模式及嚴酷度等級

表4 控制系統故障故障模式及嚴酷度等級

5 測試性方案設計

綜合上述研究結果，可以初步確定艦船變流機組的測試信號類型和測試點，得到系統的初步測試方案，具體測試性設計結構如圖5所示。

1）監測的非電量參數有：軸承溫度、風溫、電機內部氣隙溫度、定子溫度、轉子溫度、勵磁變壓器溫度、電機內部濕度、以及軸承的振動等。

2）監測的電量參數有：感應子發電機機端電壓頻率、直流電機電壓幅值、勵磁電壓、勵磁電流、功率因素、二極管和晶體管兩端電壓和流過的電流等。

通過實時監測被測信號的波形走勢，可以初步實現對電機狀態的故障預測，將大大提高變流機組的故障診斷和維修效率，增強系統的安全性和可靠性。

本文研究了變流機組的測試性，得到了變流機組初步的測試方案，為下一步的測試性建模和測試性驗證研究打下了一定的基礎。

表5 感應子發電機故障模式及嚴酷度等級

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Research on the Testability of a Certain Type of Warship Convertor Unit

Jiang Chaoli, Wu Xusheng, Gao Wei, Feng Jin

（Naval University of Engineering College of Electrical Engineering, Wuhan 430033, China）

TM46

A

1003-4862（2018）09-0044-05

2018-05-07

蔣超利（1993-），男，研究生。研究方向：測試性設計技術。Email: 502075389@qq.com