某新型訓(xùn)練艦舵機(jī)斷路器跳閘原因分析與解決方案

蔣恒深，丁 平，李洪聰

(無錫德林防務(wù)裝備股份有限公司，江蘇 無錫 214000)

舵機(jī)是控制船舶航向，保障航行安全的重要設(shè)備，一旦失靈，船即失去控制。因此，我國《鋼制海船入級(jí)與建造規(guī)范》根據(jù)《國際海上人命安全公約》(SOLAS公約)的規(guī)定，對(duì)舵機(jī)提出了明確要求：必須要有一套主操舵裝置和一套輔操舵裝置或主操舵裝置有2套以上的動(dòng)力設(shè)備，當(dāng)其中1套失效時(shí)，另外1套能迅速投入工作[1]。

1 操舵系統(tǒng)組成

該艦配備2個(gè)獨(dú)立的舵機(jī)，每個(gè)舵機(jī)配備2個(gè)獨(dú)立電機(jī)液壓泵組，用于驅(qū)動(dòng)舵機(jī)運(yùn)行，如圖1所示。

圖1 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意圖

通過操舵儀上的旋轉(zhuǎn)開關(guān)可以選擇運(yùn)行左Ⅰ液壓泵組或者左Ⅱ液壓泵組，以及右Ⅰ液壓泵組或者右Ⅱ液壓泵組，如圖2所示。

圖2 操舵儀廠家配置的旋轉(zhuǎn)開關(guān)

該艦舵機(jī)的電機(jī)液壓泵組，采用ABB380 V/50 HZ/4級(jí)18.5 kW船用三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，額定電流IN=35.1 A。啟動(dòng)方式為直接啟動(dòng)，按照電機(jī)樣本啟動(dòng)電流IS=7IN=245.7 A。啟動(dòng)箱配備的斷路器為施耐德NSX80H-MA50斷路器，該斷路器的額定電流為IN=50 A，脫扣電流出廠時(shí)設(shè)置為11倍的IN，約為550 A，符合技術(shù)要求。但是該艦在試航過程中，當(dāng)電機(jī)泵組旋轉(zhuǎn)切換時(shí)出現(xiàn)多次偶發(fā)舵機(jī)啟動(dòng)箱斷路器跳閘現(xiàn)象。

2 原因分析

在排除電氣元件質(zhì)量問題、漏電等故障后，檢修人員對(duì)電機(jī)工作工況進(jìn)行了仔細(xì)的檢查，并對(duì)跳閘現(xiàn)象進(jìn)行了總結(jié)，發(fā)現(xiàn)使用操舵儀的旋轉(zhuǎn)開關(guān)在進(jìn)行電機(jī)泵組旋轉(zhuǎn)切換時(shí)，即當(dāng)舵機(jī)電機(jī)泵組處于左Ⅱ右Ⅱ檔位運(yùn)行時(shí)，在切換到左Ⅱ右Ⅰ時(shí)，偶然會(huì)出現(xiàn)左Ⅱ電機(jī)啟動(dòng)箱斷路器跳閘，當(dāng)舵機(jī)電機(jī)泵組處于左Ⅰ右Ⅱ檔位運(yùn)行時(shí)，在切換到左Ⅰ右Ⅰ時(shí)，偶然會(huì)出現(xiàn)左Ⅰ電機(jī)啟動(dòng)箱斷路器跳閘。反復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)左Ⅱ右Ⅱ檔切換到左Ⅱ右Ⅰ檔時(shí)，左Ⅱ觸點(diǎn)有瞬間失電狀態(tài)，同理左Ⅰ觸點(diǎn)也有類似情況，經(jīng)過拆解操舵儀旋轉(zhuǎn)切換開關(guān)，發(fā)現(xiàn)其機(jī)械結(jié)構(gòu)確實(shí)存在觸點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)過程中瞬間斷開又接通的情況。

2.1 電機(jī)啟動(dòng)特性

圖3是三相異步電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)的典型曲線，其中Ir為額定電流：電動(dòng)機(jī)滿額定負(fù)載情況下的電流；Id為啟動(dòng)電流，根據(jù)具體應(yīng)用情況的不同，啟動(dòng)時(shí)間td為5～30 s不同，其平均啟動(dòng)電流為7.2倍的額定電流；Id為峰值啟動(dòng)電流，系統(tǒng)通電后前兩個(gè)半波期間的瞬態(tài)電流:10～15 ms，約為14倍額定電流。該舵機(jī)啟動(dòng)箱斷路器設(shè)置11脫扣電流即550 A大于14倍電機(jī)額定電流，滿足要求。

圖3 典型電機(jī)的啟動(dòng)曲線

2.2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

采用示波器及電流探頭對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)的啟動(dòng)電流進(jìn)行了檢測(cè)，通過快速旋轉(zhuǎn)操舵儀的旋轉(zhuǎn)開關(guān)在進(jìn)行電機(jī)泵組切換，檢測(cè)出電機(jī)最大沖擊電流為640 A(電流探頭為1mV/A)，即現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)出沖擊電流為電機(jī)額定電流35.1 A的18.2倍。

通過查找文獻(xiàn)[2]、[3]，異步電動(dòng)機(jī)在電源短暫中斷后，又重新恢復(fù)供電。由于加到電機(jī)上的電壓，是電源電壓和轉(zhuǎn)子剩余磁場(chǎng)在定子感應(yīng)的電壓的向量差，在最不利的投入分離角時(shí)，會(huì)產(chǎn)生比正常啟動(dòng)嚴(yán)重得多的非周期沖擊電流和電磁力矩而造成電機(jī)的損傷。電機(jī)瞬間斷電重啟的沖擊電流與三相異步電機(jī)斷電后的殘余電壓和斷電后重新恢復(fù)供電時(shí)電源的初始相位角有關(guān)，當(dāng)殘余電壓和恢復(fù)供電時(shí)的相位角相反時(shí)，沖擊電流最大，約出現(xiàn)在瞬時(shí)斷電再上電的10 ms內(nèi)出現(xiàn)。沖擊電流約為額定電流的15～21倍。本文實(shí)測(cè)電流約為額定電流的18.2倍，驗(yàn)證了文獻(xiàn)結(jié)論。

2.3 解決方案

為了避免出現(xiàn)電機(jī)泵組切換時(shí)，電機(jī)出現(xiàn)瞬時(shí)斷電再上電的工況，將操舵儀的組合旋轉(zhuǎn)開關(guān)更改為兩個(gè)獨(dú)立旋轉(zhuǎn)開關(guān)，如圖4所示，并且在轉(zhuǎn)換過程中稍作停頓，等待電機(jī)滅磁后進(jìn)行轉(zhuǎn)換，避免切換時(shí)的電流沖擊。

圖4 旋轉(zhuǎn)開關(guān)改進(jìn)措施

3 結(jié)束語

通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證了該艦舵機(jī)的電機(jī)在通過操舵儀旋轉(zhuǎn)開關(guān)進(jìn)行泵組切換時(shí)，存在瞬時(shí)斷電再上電的工況，導(dǎo)致瞬時(shí)沖擊超出正常啟動(dòng)范圍。通過現(xiàn)場(chǎng)整改，將操舵儀的組合旋轉(zhuǎn)開關(guān)更改為兩個(gè)獨(dú)立旋轉(zhuǎn)開關(guān)，徹底解決了偶發(fā)跳閘問題。另外分析了異步電動(dòng)機(jī)斷電后重合閘的非同期沖擊和防護(hù)措施，為后續(xù)類似解決類似問題及技術(shù)設(shè)計(jì)提供了參考思路。