某型艦消磁設(shè)備損壞機(jī)理研究及改進(jìn)設(shè)計(jì)*

徐 杰

(海軍駐桂林地區(qū)軍事代表室 桂林 541002)

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某型艦消磁設(shè)備損壞機(jī)理研究及改進(jìn)設(shè)計(jì)*

徐 杰

(海軍駐桂林地區(qū)軍事代表室 桂林 541002)

針對(duì)某型艦消磁設(shè)備由手動(dòng)輸入經(jīng)度、緯度、航向工況轉(zhuǎn)換為自動(dòng)工況時(shí),電源柜出現(xiàn)了多個(gè)電源模塊損壞的問(wèn)題,指出了原設(shè)計(jì)電路上中低通濾波電容值偏小的問(wèn)題,并加以改進(jìn)。改進(jìn)電路經(jīng)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證后,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

消磁設(shè)備; 改進(jìn)設(shè)計(jì)

Class Number TP16

1 引言

某新型艦消磁設(shè)備在實(shí)船試驗(yàn)過(guò)程中,為了測(cè)試不同工況下的諧波分量,電流控制儀由手動(dòng)工況(手動(dòng)輸入經(jīng)度、緯度、航向)轉(zhuǎn)換為自動(dòng)工況,每隔3分鐘轉(zhuǎn)換一次,在連續(xù)轉(zhuǎn)換六次后,四個(gè)消磁電源模塊損壞。指出了原設(shè)計(jì)電路上中低通濾波電容值偏小的問(wèn)題,并加以改進(jìn)。改進(jìn)電路經(jīng)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證后,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2 原因分析

經(jīng)分析,消磁電源模塊都是在工況轉(zhuǎn)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(jí)IGBT模塊、IGBT的驅(qū)動(dòng)和尖峰吸收電阻。

電源模塊的后級(jí)IGBT與負(fù)載電路示意如圖1所示。

圖1 電源模塊后級(jí)IGBT與負(fù)載電路示意圖

當(dāng)輸入信號(hào)發(fā)生突變(從輸出大電流突變至0)時(shí),因消磁繞組為感性負(fù)載,輸出電流不能突變,會(huì)產(chǎn)生很大的反向電壓[1～2]。同時(shí),電源系統(tǒng)機(jī)柜對(duì)應(yīng)每個(gè)電源模塊并聯(lián)了30μF電容,根據(jù)電容兩端電壓不能突變的特性,此時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的反向峰值電流。在IGBT關(guān)斷的情況下,電流通過(guò)IGBT體內(nèi)等效二極管,再通過(guò)能量釋放回路的電阻R15,給換向IGBT前端的電容充電。該過(guò)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(dāng)電流突變瞬間電阻負(fù)荷的能量超過(guò)電阻可承受的極限時(shí),該電阻將被擊穿開(kāi)路。電阻開(kāi)路后,不影響電源模塊的正常使用,當(dāng)再次發(fā)生信號(hào)突變,電源模塊輸出電流瞬間由大電流突變到0時(shí),能量釋放回路已經(jīng)斷開(kāi),感性負(fù)載瞬間產(chǎn)生的電壓和電容瞬間產(chǎn)生的電流和電壓將超過(guò)IGBT的額定值,導(dǎo)致IGBT損壞。IGBT損壞后,驅(qū)動(dòng)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(jìn)方案

3.1 摸底試驗(yàn)一

負(fù)載電阻:4Ω、串接20mH電感;

試驗(yàn)方法:誤差測(cè)試儀給定信號(hào),斷開(kāi)給定信號(hào),用示波器測(cè)量信號(hào)突變瞬間負(fù)載兩端的最大電壓,試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 瞬間最大電壓值

經(jīng)分析,損壞的電源模塊能量釋放回路電阻開(kāi)路,更換該電阻后,電源恢復(fù)正常。

3.2 摸底試驗(yàn)二

負(fù)載電阻:4Ω、串接20mH電感;

試驗(yàn)方法:誤差測(cè)試儀給定信號(hào),給定信號(hào)由額定輸出的30%、40%、50%、60%、70%、80%分別突變到0,用示波器測(cè)量信號(hào)突變瞬間負(fù)載兩端的最大電壓和隨機(jī)選取的一個(gè)功率模塊的輸出電流信號(hào)。給定信號(hào)突變過(guò)程中電壓、電流波形如圖2所示。

圖2 電壓和電流波形

所測(cè)參數(shù)如下:

1) 初始狀態(tài)

表2 初始狀態(tài)電壓和電流值

圖3 初始狀態(tài)電壓和電流圖

2) 電阻損壞后的狀態(tài)

表3 損壞狀態(tài)電壓和電流值

圖4 損壞狀態(tài)電壓和電流圖

由此可見(jiàn),電阻損壞后,輸出電流向0突變時(shí),負(fù)載兩端有很大的電壓并成線性上升狀態(tài),當(dāng)電壓超過(guò)IGBT反向耐壓1200V時(shí),IGBT將被電壓擊穿。

3.3 整改方案

在感性負(fù)載端負(fù)載狀態(tài)不變的情況下,電流控制儀的控制電流信號(hào)通過(guò)電源系統(tǒng)的監(jiān)控模塊時(shí),經(jīng)低通濾波并將信號(hào)放大后再同時(shí)控制換向級(jí)跟隨信號(hào)。將低通濾波的電容增大,使給定電流信號(hào)有一定的緩沖,以減小突變信號(hào)的速率,則電源系統(tǒng)輸出端的瞬變狀態(tài)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(hào)緩沖時(shí)間由1ms提高到7.8ms,大大降低了電感負(fù)載在電流突變時(shí)產(chǎn)生的反向電壓。同時(shí),增大低通濾波的電容還能提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試,該緩沖措施亦能滿足系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)技術(shù)指標(biāo)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)方法及要求:

1) 電源模塊設(shè)置為5+1模式,負(fù)載電阻4Ω串接20mH電感,控制信號(hào)由50%→0、60%→0、80%→0、100%→0階躍突變時(shí),測(cè)量電源柜輸出反沖電壓和單個(gè)模塊輸出反沖電流值。試驗(yàn)過(guò)程中模塊不損壞。

2) 電源模塊設(shè)置為5+1模式,負(fù)載電阻4Ω串接20mH電感,進(jìn)行跟蹤誤差、靜態(tài)誤差、過(guò)渡過(guò)程測(cè)試,結(jié)果符合技術(shù)要求。

表4 控制信號(hào)突變時(shí)反沖電壓和電流值

表5 誤差

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某型艦消磁設(shè)備由手動(dòng)輸入經(jīng)度、緯度、航向工況轉(zhuǎn)換為自動(dòng)工況時(shí),電源柜出現(xiàn)了多個(gè)電源模塊損壞的問(wèn)題,本文采取緩沖措施解決了外部給定信號(hào)誤操作或外部信號(hào)瞬間突變時(shí),電源系統(tǒng)在感性負(fù)載狀態(tài)下的瞬時(shí)電壓過(guò)沖與電流過(guò)沖的問(wèn)題,提高了電源系統(tǒng)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(huán)境及防護(hù)工程。

TP16

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.033