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(jù)測試性的相關(guān)原則對某型艦船中頻變流機組進行了測試性設(shè)計，重點分析研究了中頻變流機組的結(jié)構(gòu)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(shè)計的后續(xù)工作打下基礎(chǔ)。

變流機組 測試性設(shè)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(wěn)定運行的關(guān)鍵設(shè)備之一。變流機組主要由感應(yīng)子發(fā)電機、直流電機和控制系統(tǒng)三部分組成。其中，感應(yīng)子發(fā)電機和直流電機共軸旋轉(zhuǎn)，在正常工況下，變流機組將單相交流電轉(zhuǎn)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(yīng)急工況下，將蓄電池中的直流電轉(zhuǎn)換為交流電供給交流負載，以確保艦船的安全穩(wěn)定運行?？梢?，變流機組在交直流混合供電系統(tǒng)中占有舉足輕重的地位，是重要的應(yīng)急電源設(shè)備，其可靠性與安全性對艦船的正常運行有著至關(guān)重要的影響。

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

文獻[1,2]分別研究分析了變流機組在運行狀態(tài)切換時直流電機和交流電機的勵磁控制系統(tǒng)，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(shù)學模型，并用MATLAB仿真實現(xiàn)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(shè)計打下了一定的基礎(chǔ)。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(xiàn)狀，本文在前人研究的基礎(chǔ)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(xiàn)場可更換單元的劃分準則和步驟，為后續(xù)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(jié)構(gòu)

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

2 變流機組的測試性層次劃分

系統(tǒng)層次劃分是測試性設(shè)計的基礎(chǔ)，尤其是外場可更換單元（LRU）的規(guī)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(shè)計正確性與有效性的關(guān)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(zhàn)備完好性，將系統(tǒng)劃分為三個層次，分別對應(yīng)三級維修等級，從高到低依次是外場可更換單元、內(nèi)場可更換單元（SRU）和內(nèi)場可更換子部件（SSRU）。因此復(fù)雜裝備系統(tǒng)在進行測試性設(shè)計和故障診斷過程中，一般將系統(tǒng)劃分為“系統(tǒng)—分系統(tǒng)—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(tǒng)層次劃分應(yīng)遵循如下幾點原則。

1）應(yīng)采用自頂向下的原則進行層次劃分；

2）應(yīng)適應(yīng)故障診斷分析的要求；

3）各層級應(yīng)根據(jù)功能和結(jié)構(gòu)特性分別定義故障模式；

4）應(yīng)符合系統(tǒng)各部分功能結(jié)構(gòu)之間的邏輯關(guān)系。

根據(jù)上述測試性層次劃分原則，對變流機組進行測試性設(shè)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(guī)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(tǒng)的正常運行。

2.2 LRU規(guī)劃設(shè)計

在艦員級維修時，由于測試技術(shù)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(yīng)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(zhí)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(guī)劃設(shè)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(guī)劃分析評價的范圍更加全面，操作更加簡便，圍繞著現(xiàn)場維修工作，將性能和綜合因素分成與現(xiàn)場維修關(guān)系最大的幾個方面，包括供應(yīng)保障因素、現(xiàn)場診斷因素、現(xiàn)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(gòu)成了LRU規(guī)劃設(shè)計綜合因素體系的層次結(jié)構(gòu)。

根據(jù)LRU規(guī)劃設(shè)計綜合影響因素，可以初步確定系統(tǒng)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(tǒng)層次劃分

變流機組主要應(yīng)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(jù)前面所述系統(tǒng)層次劃分的原則及LRU規(guī)劃設(shè)計方法，本文將變流機組劃分為“系統(tǒng)—分系統(tǒng)—LRU”3個層次，其中分系統(tǒng)層級包括感應(yīng)子發(fā)電機模塊、直流電機模塊、控制系統(tǒng)模塊，各分系統(tǒng)又由若干LRU組成。變流機組系統(tǒng)層次劃分至LRU級的結(jié)果如圖3所示。

表1 LRU定性評價準則

圖3 變流機組系統(tǒng)層次劃分

對各LRU各影響因素進行規(guī)劃評價，其分析結(jié)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(xié)調(diào)分配各層次測試性指標以滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。同時也是測試性設(shè)計驗收的依據(jù)。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(tǒng)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(tǒng)進行維修性設(shè)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(quán)分配法、綜合加權(quán)分配法、優(yōu)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(shè)計。

故障率分配法是根據(jù)系統(tǒng)總的測試性指標要求完全按組成部分（分系統(tǒng)、子系統(tǒng)或設(shè)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(tǒng)功能層次圖，說明系統(tǒng)指標分配的產(chǎn)品層次。

2）分析各層次產(chǎn)品的組成單元特性，取得故障率數(shù)據(jù)和系統(tǒng)要求指標。

3）用下面數(shù)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(shù)，而計算的分配值多為小數(shù)，所以應(yīng)將第三位小數(shù)進位，取兩位即可。

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

4 故障模式及其影響分析

根據(jù)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(zāi)難的)—這是一種會引起人員死亡或系統(tǒng)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(jīng)濟損失或?qū)е氯蝿?wù)失敗的系統(tǒng)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(jīng)濟損失或?qū)е氯蝿?wù)延誤或降級的系統(tǒng)輕度損壞；

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

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，赴現(xiàn)場調(diào)研收集艦船變流機組典型故障模式相關(guān)數(shù)據(jù)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(tǒng)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(tǒng)故障故障模式及嚴酷度等級

5 測試性方案設(shè)計

綜合上述研究結(jié)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(tǒng)的初步測試方案，具體測試性設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1）監(jiān)測的非電量參數(shù)有：軸承溫度、風溫、電機內(nèi)部氣隙溫度、定子溫度、轉(zhuǎn)子溫度、勵磁變壓器溫度、電機內(nèi)部濕度、以及軸承的振動等。

2）監(jiān)測的電量參數(shù)有：感應(yīng)子發(fā)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(jiān)測被測信號的波形走勢，可以初步實現(xiàn)對電機狀態(tài)的故障預(yù)測，將大大提高變流機組的故障診斷和維修效率，增強系統(tǒng)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(chǔ)。

表5 感應(yīng)子發(fā)電機故障模式及嚴酷度等級

[1] 雷蕾, 鄭中祥, 劉梅林等. 變流機組運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換直流電機勵磁控制[J]. 艦船科學技術(shù), 2004, 26(增刊): 65-70.

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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(shè)計技術(shù)。Email: 502075389@qq.com