某型艦消磁電流控制設備故障原因及改進措施

余錫斌

（海裝駐廣州地區第一軍事代表室,廣州510000）

1 故障情況

某型艦消磁電流控制設備電源變流裝置采用傳統的旋轉式電源變流裝置ZKK 系列電機擴大機，在等級修理報修故障時，艦方反映消磁電流控制設備開啟后YQ 繞組和ZF 繞組電機擴大機有異響，其輸出消磁電流處于過載狀態且不受控制。船廠修理人員經現場靜態勘驗后，初步確認消磁系統工作不正常，需要進行維修。

2 原因分析

（1）消磁系統組成

鋼質艦船被地球磁場磁化后具有磁性，形成磁場，容易被各種水中磁性武器所利用成為攻擊對象。為了提高艦艇生命力，一般會在艦艇內部安裝消磁系統，以降低水中磁性武器的攻擊概率。目前艦艇上大量采用測地磁消艦磁的控制模式，即消磁電流控制信號來源于安裝在艦船桅桿上的三分量磁場探測器，測量艦船所在區域的地球磁場作為控制信號開展工作，因此消磁系統在功能上由磁場探測器、消磁電流控制設備、電源變流裝置和消磁繞組四部分組成：磁場探測器負責測量艦船所在地球磁場信號；消磁電流控制設備負責將獲取的地球磁場信號轉換為對應的控制信號送至電源變流裝置（電機擴大機）的控制繞組端，以控制電機擴大機輸出電流到消磁繞組，消磁繞組將消磁電流轉換為磁場。消磁系統功能框圖，如圖1 所示。

圖1 消磁系統功能框圖

（2）消磁電流控制設備與電機擴大機的接口原理

從圖1 可以看出：消磁電流控制設備連接電機擴大機，其電路末級輸出與電機擴大機控制繞組端相連，工作時向電機擴大機控制繞組端傳送直流電壓信號，電機擴大機利用其自身旋轉式二級放大功能，將弱小的電壓控制信號放大成較強的電功率輸出，起到功率放大作用，電機擴大機輸出負載端為艦艇消磁繞組。連接線路原理圖，如圖2 所示。

圖2 消磁電流控制設備與電機擴大機連接圖

（3）產生故障的原因

由于艦艇航行過程中姿態變化不大，磁場探測器所獲取的地磁場信號變化量不大，反映到消磁電流控制設備輸出的電壓控制信號變化也不大，這些因素造成電機擴大機控制繞組長期處于一種單方向的勵磁狀態，容易引起電機擴大機剩磁電壓偏于一邊或過大；如果在消磁系統運行過程中因為操作不當，在電機擴大機組沒有完全停轉的情況下即斷開消磁繞組，將使擴大機電樞電流出現較大變化。電樞繞組為閉合回路，電樞電流的變化將通過電磁感應形式耦合到周邊回路，疊加自身剩磁電壓的影響，會造成在電機擴大機控制繞組端輸出反向的干擾交流電壓，當反向的干擾交流電壓超過控制設備末級輸出端的器件極限電壓，將反向擊穿這些與其相連的器件。

本艦返廠修理后，經技術人員檢查，發現艦方反映的YQ 繞組和ZF 繞組對應的消磁電流控制設備末級輸出三極管已燒壞，元器件處于短路狀態，如果對控制設備進行通電工作，消磁電流控制設備對應輸出到控制繞組端的控制電壓將始終處于負載開路時的DC35V 飽和狀態，電機擴大機將會超額定飽和輸出造成異響，如果不及時關斷控制電壓信號，會造成電機擴大機長期處于過載狀態而損壞；檢查四臺電機擴大機組的工作狀況，發現電機擴大機剩磁電壓較大，其中有異響的YQ 繞組和ZF 繞組經測量，控制繞組端剩磁電壓均大于AC15V，而正常工作的XQ 繞組和ZQ 繞組對應電機擴大機控制繞組端剩磁電壓分別為AC7.1 V和AC7.8V；現場對消磁電流控制設備檢查時，根據設備分量插件的通用性、互換性原理，將正常工作的XQ繞組、ZQ 繞組控制分量插件轉換到控制YQ 繞組、ZF繞組的控制通道上，開關機存在前面同樣的電路元器件損壞現象；而將修復后的控制分量插件再次用于控制XQ 繞組、ZQ 繞組對應電機擴大機時，兩組電機擴大機均正常工作，相應消磁繞組回路輸出電流符合要求；由于重復出現這樣的故障現象將引起控制設備電路元器件的損壞，所以我們不再過多地進行故障問題復現，而從電路原理分析可以知道，從電機擴大機剩磁電壓的不同造成對消磁電流控制設備的影響，判定損壞消磁電流控制設備元器件的原因是電機擴大機剩磁過大所引起。

3 改進措施

從以上的分析可知，造成本次消磁電流控制設備電路板元件損壞的主要原因，是電機擴大機剩磁電壓偏于一邊且電壓過大。解決這一問題的措施：一是降低剩磁電壓，二是在電機擴大機控制繞組兩端并聯吸收電路，把剩磁電壓通過并聯電路進行釋放。

（1）電機擴大機在設計制造時，為了削弱由磁滯效應引起的剩磁電壓對電機特性的影響，改善電機擴大機性能，通常在定子鐵心的軛部繞有交流去磁繞組來降低剩磁電壓。對于小功率的電機擴大機交流去磁供電電源，由同驅殼的異步電動機供給，用戶不需要外接電源；而對于大功率電機擴大機則在使用時由用戶自行接入，在擴大機的接線座上預留有QC-QC 標識的去磁繞組接線端頭。根據電機擴大機隨機文件，可以清楚了解到ZKK330 型電機擴大機的外接去磁電源，為AC10～11 V、1～2 A 的交流電；ZKK2000 型電機擴大機的外接去磁電源，為AC5～10 V、2.9～3.6 A的交流電。

（2）在使用過程中，發現剩磁電壓過大時人為進行消除，即在電機擴大機空載運行狀態下，在剩磁小的方向加上1～2 倍額定控制電流，然后斷開電動機電源，在轉速降低的同時再繼續增加控制電流到3～5 倍，直到電樞完全停止轉動約5～10 s 后，再減小控制電流至零。這樣反復進行數次，直至剩磁電壓符合要求；如果效果不理想或剩磁單邊嚴重，可在剩磁小的方向加上略大于額定的負載，然后斷開驅動電動機電源，在轉速及負載逐漸降低的同時逐漸增大控制電流至3～5倍，直到電樞完全停止轉動約10～15 s 后，再減小控制電流至零，這樣反復進行數次即可。

（3）對于使用過程因電機擴大機剩磁過大造成的反向干擾電壓影響，根據反向干擾電壓為交流電壓的特點，與消磁電流控制設備輸出的直流電壓信號存在較大的頻率差，可在電機擴大機的控制繞組兩端并聯一個RC 吸收回路，見圖3 所示；由于消磁電流控制設備輸出的電壓信號為一個慢變直流信號，電機擴大機剩磁過大造成的反向干擾電壓主要以工頻50 Hz 交流信號為主，我們利用電容的通交流、隔直流的原理，通過調整R、C 參數，剩磁過大造成的反向干擾電壓信號大部份可通過RC 電路進行消耗吸收。

圖3 控制繞組兩端并聯RC 電路圖

下面從理論上進行驗證，控制設備輸出與電機擴大機控制繞組在增加RC 電路前，等效電路如圖4 所示（RL 為控制繞組電阻，約1 kΩ）：

圖4 增加前等效電路

此時如有剩磁干擾V 干 ，其影響控制設備末級電路是直接的，影響程度可通過作用于控制設備輸出端電壓表示：

增加RC 電路后（見圖5），由于正向傳輸控制信號的最大工作頻率為，則增加的RC 回路阻抗主要體現為容抗：

若電容C 選用2.2μF，R 選取與電機擴大機控制繞組相近電阻910 Ω，并保證在正常運行狀態下控制電路輸出對C 的充電不超過其極限電流，則正常正向輸出控制信號時：說明RC 電路的接入對流向控制繞組電流影響可以忽略。

相對于消磁電流控制設備輸出的電壓信號頻率，電機擴大機剩磁反向干擾信號的頻率大，因而在剩磁干擾情況下，控制設備輸出端到電機擴大機控制繞組之間等效電路變為：

圖5 增加后等效電路

增加的RC 回路阻抗主要體現為阻抗，此時剩磁反向干擾信號對控制設備末級的影響電壓可表示為：

增加RC 電路后，電機擴大機剩磁反向干擾信號的影響大為減少，降低了對控制設備未級輸出器件損壞的影響。

4 結論

維修后的電機擴大機裝艦后，結合在控制繞組兩端并聯RC 電路，消磁系統經過多次的開機關機運行試驗，同時在控制繞組兩端進行電壓監測，沒有發現大的反向干擾電壓信號，也未發生因關機過程損壞控制設備末級輸出元器件現象，說明對故障原因分析正確，電路改進措施合理可行。另外，現行消磁系統在實船安裝中，大功率電機擴大機沒有按生產廠的使用說明書要求，因外接交流去磁電源對于新交付的裝備來說，電機擴大機剩磁幾乎沒有，短時間內對消磁電流控制設備影響很小，但隨著裝備使用頻次的提高，電機擴大機長時間運行，其剩磁將會逐漸累積。建議能提出明確要求，在電機擴大機的使用安裝時完善去磁電源電路的連接，盡量延緩電機擴大機剩磁的產生，以降低電機擴大機剩磁對消磁電流控制設備的影響，進一步提高消磁系統可靠性。