某輪充放電板裝置改進(jìn)實(shí)例

摘 要：充放電板裝置，主要用于船舶蓄電池組的充放電轉(zhuǎn)換，對(duì)24 V蓄電池組的充放電監(jiān)測(cè)，并對(duì)由蓄電池組供電的電壓電路以及臨時(shí)應(yīng)急照明進(jìn)行分配控制，因此充放電板的電力配置系統(tǒng)的正常工作，對(duì)船舶的安全具有重要意義。作者結(jié)合某輪充放電板時(shí)間繼電器頻繁發(fā)生故障的處理過程，依據(jù)其電路設(shè)計(jì)，提出改進(jìn)性處理方案，并通過實(shí)際驗(yàn)證，證明了方案的可行性，對(duì)船舶機(jī)電設(shè)備管理具有一定程度的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：時(shí)間繼電器；電壓；電流；晶體管；二極管；壓敏電阻；RC

1 設(shè)備概況

某12 000 kW大型遠(yuǎn)洋救助船充放電板裝置，采用單片微機(jī)控制技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控蓄電池組電壓變化，具有均充、浮充、過載、短路保護(hù)功能。該充放電板系統(tǒng)主要由供電模塊CH1-3（SIEMENS 6EP1437-3BA10 3×400-500AC /24DC/40A）、日用充電模塊CH3-4（PHOENIX TRI0-PS-3×400-500AC/24-26DC/40A）、自耦變壓器TC1、充放電控制器、絕緣測(cè)試部分及按鈕指示燈和儀表等組成。裝置配電負(fù)載采用3路DC/DC隔離電源輸出，設(shè)旁通開關(guān)，DC/DC隔離電源壞掉時(shí)短接用。每路DC/DC隔離電源額定電流40A，輸出電壓可微調(diào)，絕緣表可對(duì)輸入、輸出端測(cè)絕緣，可設(shè)轉(zhuǎn)換開關(guān)來控制。充電過程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，工作穩(wěn)定、可靠。充電器采用變壓器硅整流，再通過DC/DC變換模塊進(jìn)行充電的形式。DC/DC變換模塊輸出電壓受控制板控制，控制板通過檢測(cè)蓄電池組電壓的變化，控制變換模塊，蓄電池組電壓低于設(shè)定值，開始充電，電壓到達(dá)設(shè)定值，停止充電。通過監(jiān)控電壓的大小變化，有效保護(hù)蓄電池組和控制電路，延長整個(gè)充放電板的使用壽命，如圖1所示。

2 故障現(xiàn)象

某日，該救助船靠泊待命，由船電供電換為岸電供電。換電完成后，機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置顯示，充放電板主電源輸入故障。現(xiàn)場(chǎng)核查后發(fā)現(xiàn)，上圖時(shí)間繼電器KT1電源指示燈熄滅，萬用表測(cè)量其延時(shí)觸頭，處于斷開狀態(tài)，判斷該時(shí)間繼電器損壞。更換同型號(hào)時(shí)間繼電器后，報(bào)警消除，充放電板恢復(fù)正常使用。數(shù)日后，在岸電轉(zhuǎn)換船電操作程序后，該時(shí)間繼電器重復(fù)出現(xiàn)了損壞故障。同樣的故障重復(fù)出現(xiàn)，筆者開始重視這個(gè)問題，查閱該設(shè)備的維修保養(yǎng)記錄，發(fā)現(xiàn)該輪幾年的時(shí)間內(nèi)，該時(shí)間繼電器曾經(jīng)出現(xiàn)了多次損壞的記錄，并且都是在船舶換電過程中出現(xiàn)的。

3 故障分析

時(shí)間繼電器KT1損壞，是導(dǎo)致充放電板故障的直接原因，其故障處理相對(duì)簡(jiǎn)單。鑒于該時(shí)間繼電器反復(fù)出現(xiàn)損壞的現(xiàn)象，筆者對(duì)該時(shí)間繼電器的損壞原因進(jìn)行了細(xì)致的分析研究。一般電子元器件的損壞原因，除本身內(nèi)部組件問題外，還因電路環(huán)境導(dǎo)致。依據(jù)故障判斷先易后難，由簡(jiǎn)至繁的原則，筆者圍繞這兩個(gè)方面，對(duì)其損壞的原因進(jìn)行了驗(yàn)證分析。

3.1 時(shí)間繼電器自身問題排查

為排查時(shí)間繼電器損壞的原因，筆者對(duì)換下的時(shí)間繼電器進(jìn)行解體，內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2。該時(shí)間繼電器由晶體管、電容、電阻、二極管等多種電子元器件組成4個(gè)典型電路，分別是整流電路、信號(hào)比較放大電路、觸發(fā)電路、執(zhí)行電路。其延時(shí)原理是利用晶體管的開關(guān)作用，對(duì)電容進(jìn)行充、放電，從而實(shí)現(xiàn)延時(shí)效果。即當(dāng)觸發(fā)信號(hào)輸入時(shí)，晶體管導(dǎo)通，電容開始充電，當(dāng)電容達(dá)到電位計(jì)的設(shè)定值時(shí)，電容充電停止，晶體管截止，電容觸發(fā)執(zhí)行電路（圖1中的電磁繼電器）的吸合或斷開。依據(jù)其工作原理結(jié)合損壞時(shí)電源指示燈處于熄滅狀態(tài)的故障現(xiàn)象，筆者對(duì)其整流電路的電子元件進(jìn)行故障排查。筆者對(duì)4個(gè)二極管進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果顯示2個(gè)橋臂的二極管已經(jīng)被擊穿，這也是故障時(shí)電源指示燈處于熄滅狀態(tài)的直接原因，整流電路失效后，時(shí)間繼電器就無法正常工作，后續(xù)的具體原理不再展開贅述，針對(duì)整流二極管被擊穿的可能性原因，筆者對(duì)時(shí)間繼電器的工作電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析研究。

3.2 時(shí)間繼電器工作電路設(shè)計(jì)分析

由圖1可知該時(shí)間繼電器的作用是通電延時(shí)，其整個(gè)使用周期都是處于長期得電狀態(tài)，其延時(shí)作用僅在設(shè)備投入使用初期或斷電、恢復(fù)供電過程中體現(xiàn)，從延時(shí)功能角度上講，可認(rèn)為是短時(shí)工作制。電子元器件在整個(gè)使用周期中，隨著自身功耗的影響，其工作性能會(huì)逐漸降低，尤其是長期得電的電子元件，自身功耗的影響對(duì)其使用壽命及工作穩(wěn)定性的影響更大，因此整流電路中二極管損壞原因之一是其自身工作穩(wěn)定性下降導(dǎo)致。由于該輪任務(wù)的特殊性，換電操作相對(duì)其他類型船舶較為頻繁，該時(shí)間繼電器的電路設(shè)計(jì)，是否適用該輪頻繁換電操作場(chǎng)景，筆者對(duì)其工作電路進(jìn)行了分析研究。該延時(shí)繼電器KT1電源與主接觸器KM1線圈、中間繼電器K1線圈、以及變壓器TC1的線圈原邊并聯(lián)在一起，這些都是感性負(fù)載。感性負(fù)載的能耗相對(duì)阻性、容性負(fù)載較高，因此回路電流，在正常的控制電路中是偏高的。在船舶進(jìn)行換電操作時(shí)，主配電板AC380失電、供電過程中，接觸器KM1線圈、中間繼電器線圈、以及變壓器的原邊線圈都會(huì)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)。其大小為：eL=L*di/dt.其中：L是線圈電感量，di/dt是電流變化率。由于線圈是瞬時(shí)斷電的，dt值極小，導(dǎo)致di/dt值極大，所以自感電動(dòng)勢(shì)值相對(duì)較大，其產(chǎn)生的瞬間電壓會(huì)對(duì)電子元件有沖擊作用，因此在該電路中筆者認(rèn)為自感電動(dòng)勢(shì)是一種有害電勢(shì)。但在該電路設(shè)計(jì)中，并未裝設(shè)消除有害電勢(shì)的裝置，這勢(shì)必會(huì)對(duì)該電路中的電子元件形成沖擊。雖然時(shí)間繼電器整流電路中的MPB電容，具有阻容降壓作用，可減少對(duì)后端電路中電子元件的電壓沖擊，但是頻繁的換電操作，就會(huì)導(dǎo)致MPB電容的工作性能會(huì)有一定程度的下降，隨著時(shí)間、操作頻率的累積，其保護(hù)作用也逐漸降低，這也是二極管損壞的原因。

綜上所述，造成二極管損壞的主要原因是該時(shí)間繼電器的工作電路缺少消除自感電動(dòng)勢(shì)的裝置，即圖1電路設(shè)計(jì)并不滿足該輪日常使用需求，因此筆者立足本船實(shí)際環(huán)境，針對(duì)消除因電路的瞬時(shí)斷電、通電而產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)帶來的不良影響，對(duì)該時(shí)間繼電器的工作電路，提出改進(jìn)設(shè)想，以延長電氣元件的使用壽命，提高設(shè)備的工作可靠性。

4 改進(jìn)設(shè)想

消除因電路的瞬時(shí)斷電、通電而產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)帶來的不良影響方法眾多，在船舶有限條件下，采用低成本，相對(duì)功效良好的方法，對(duì)于輪機(jī)管理者來講，應(yīng)是方案審定的前提。針對(duì)該船的實(shí)際情況，筆者提出了2種方案。

4.1電阻分壓法

在時(shí)間繼電器的工作電源輸入端并聯(lián)電阻，利用電阻分壓、限流的原理，降低工作回路電流，降低電流變化率，使時(shí)間繼電器電源輸入端的自感電動(dòng)勢(shì)下降。此種方案，優(yōu)點(diǎn)是成本低，缺點(diǎn)是電阻長時(shí)間工作發(fā)熱量高，對(duì)電路的不利影響較大。為規(guī)避這一缺點(diǎn)，因此采用壓敏電阻。壓敏電阻是一種具有非線性伏安特性的電阻器件，主要用于在電路中提供過電壓保護(hù)。其基本原理是當(dāng)加在壓敏電阻兩端的電壓低于其閾值電壓時(shí)，它的電阻值非常高，相當(dāng)于一個(gè)斷開的開關(guān)，而當(dāng)電壓超過閾值時(shí)，電阻值急劇下降，相當(dāng)于一個(gè)閉合的開關(guān)，從而將電壓鉗位在一個(gè)相對(duì)固定的水平，保護(hù)后續(xù)電路免受過高電壓的損害。充分利用壓敏電阻抑制電路中的瞬態(tài)電壓尖峰抑制特性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電感性負(fù)載斷開時(shí)產(chǎn)生的尖峰抑制。但是壓敏電阻在過電壓的情況下，會(huì)被擊穿，需考慮其標(biāo)稱電壓、壓敏電壓、漏電流和寄生電容等參數(shù)，在該電路上的改進(jìn)上，壓敏電阻的選擇，需要嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的計(jì)算。

4.2 RC阻容吸收

在電路中，電阻的作用主要是阻礙電流的變化，上述方案主要是利用電阻的限流特性，來實(shí)現(xiàn)分壓，將電路中產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)，轉(zhuǎn)換為熱能，從而降低對(duì)電子元件的影響，該方案的特性主要是限制過流。根據(jù)電容的儲(chǔ)能特性，即當(dāng)電路中出現(xiàn)瞬態(tài)過電壓時(shí)，電容會(huì)迅速充電以吸收這部分能量，從而保護(hù)電路中的其他元件。理論上采用電容是理想的選擇，但電容的充電速度，會(huì)對(duì)電容造成不利影響，因此在電路中并聯(lián)電阻來限制電容的充電速度，防止過大的電流沖擊，以保護(hù)電容，這就是典型的RC阻容吸收裝置，是交流電路的主要阻尼手段。此做法主要用于消除感性負(fù)載在失電、得電時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，抑制由此產(chǎn)生的各種干擾，保護(hù)驅(qū)動(dòng)部件或觸點(diǎn)不受損害，保護(hù)設(shè)備長期穩(wěn)定工作。根據(jù)本船充電電板的電路設(shè)計(jì)特點(diǎn)，結(jié)合該船舶的使用特點(diǎn)，筆者認(rèn)為將RC阻容吸收裝置和壓敏電阻并聯(lián)使用是比較理想的。

5 解決方案

筆者通過物料采購商購得RC+MOV 380電子滅弧器2只，其帶有RC阻容吸收裝置和MOV壓敏電阻，設(shè)想利用電阻的限流，電容的儲(chǔ)能特性，來該進(jìn)電路的設(shè)計(jì)，電路改進(jìn)如圖3所示。

改進(jìn)后，著重對(duì)該時(shí)間繼電器的工作狀態(tài)進(jìn)行關(guān)注，發(fā)現(xiàn)在數(shù)月內(nèi)并未出現(xiàn)類似故障現(xiàn)象，初步驗(yàn)證該改進(jìn)方案具有實(shí)際成效。

6 結(jié) 語

充放電板的故障判斷相對(duì)簡(jiǎn)單，但是究其問題根源的探索，筆者耗時(shí)相對(duì)較長。作為輪機(jī)管理人員，能夠依據(jù)故障現(xiàn)象，迅速判斷故障原因，保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)是必備技能，但在分析問題時(shí)，要追根溯源，通過現(xiàn)象看本質(zhì)，充分利用輪機(jī)知識(shí)儲(chǔ)備，實(shí)現(xiàn)船舶設(shè)備的精細(xì)化管理，這對(duì)船舶的營運(yùn)成本控制及輪機(jī)管理人員的培養(yǎng)，具有一定的實(shí)踐意義。