某型艦消磁電流控制設(shè)備故障原因及改進(jìn)措施

余錫斌

（海裝駐廣州地區(qū)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(shè)備電源變流裝置采用傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)式電源變流裝置ZKK 系列電機(jī)擴(kuò)大機(jī)，在等級(jí)修理報(bào)修故障時(shí)，艦方反映消磁電流控制設(shè)備開啟后YQ 繞組和ZF 繞組電機(jī)擴(kuò)大機(jī)有異響，其輸出消磁電流處于過載狀態(tài)且不受控制。船廠修理人員經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)靜態(tài)勘驗(yàn)后，初步確認(rèn)消磁系統(tǒng)工作不正常，需要進(jìn)行維修。

2 原因分析

（1）消磁系統(tǒng)組成

鋼質(zhì)艦船被地球磁場(chǎng)磁化后具有磁性，形成磁場(chǎng)，容易被各種水中磁性武器所利用成為攻擊對(duì)象。為了提高艦艇生命力，一般會(huì)在艦艇內(nèi)部安裝消磁系統(tǒng)，以降低水中磁性武器的攻擊概率。目前艦艇上大量采用測(cè)地磁消艦磁的控制模式，即消磁電流控制信號(hào)來源于安裝在艦船桅桿上的三分量磁場(chǎng)探測(cè)器，測(cè)量艦船所在區(qū)域的地球磁場(chǎng)作為控制信號(hào)開展工作，因此消磁系統(tǒng)在功能上由磁場(chǎng)探測(cè)器、消磁電流控制設(shè)備、電源變流裝置和消磁繞組四部分組成：磁場(chǎng)探測(cè)器負(fù)責(zé)測(cè)量艦船所在地球磁場(chǎng)信號(hào)；消磁電流控制設(shè)備負(fù)責(zé)將獲取的地球磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)送至電源變流裝置（電機(jī)擴(kuò)大機(jī)）的控制繞組端，以控制電機(jī)擴(kuò)大機(jī)輸出電流到消磁繞組，消磁繞組將消磁電流轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)。消磁系統(tǒng)功能框圖，如圖1 所示。

圖1 消磁系統(tǒng)功能框圖

（2）消磁電流控制設(shè)備與電機(jī)擴(kuò)大機(jī)的接口原理

從圖1 可以看出：消磁電流控制設(shè)備連接電機(jī)擴(kuò)大機(jī)，其電路末級(jí)輸出與電機(jī)擴(kuò)大機(jī)控制繞組端相連，工作時(shí)向電機(jī)擴(kuò)大機(jī)控制繞組端傳送直流電壓信號(hào)，電機(jī)擴(kuò)大機(jī)利用其自身旋轉(zhuǎn)式二級(jí)放大功能，將弱小的電壓控制信號(hào)放大成較強(qiáng)的電功率輸出，起到功率放大作用，電機(jī)擴(kuò)大機(jī)輸出負(fù)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(shè)備與電機(jī)擴(kuò)大機(jī)連接圖

（3）產(chǎn)生故障的原因

由于艦艇航行過程中姿態(tài)變化不大，磁場(chǎng)探測(cè)器所獲取的地磁場(chǎng)信號(hào)變化量不大，反映到消磁電流控制設(shè)備輸出的電壓控制信號(hào)變化也不大，這些因素造成電機(jī)擴(kuò)大機(jī)控制繞組長期處于一種單方向的勵(lì)磁狀態(tài)，容易引起電機(jī)擴(kuò)大機(jī)剩磁電壓偏于一邊或過大；如果在消磁系統(tǒng)運(yùn)行過程中因?yàn)椴僮鞑划?dāng)，在電機(jī)擴(kuò)大機(jī)組沒有完全停轉(zhuǎn)的情況下即斷開消磁繞組，將使擴(kuò)大機(jī)電樞電流出現(xiàn)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(yīng)形式耦合到周邊回路，疊加自身剩磁電壓的影響，會(huì)造成在電機(jī)擴(kuò)大機(jī)控制繞組端輸出反向的干擾交流電壓，當(dāng)反向的干擾交流電壓超過控制設(shè)備末級(jí)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(jīng)技術(shù)人員檢查，發(fā)現(xiàn)艦方反映的YQ 繞組和ZF 繞組對(duì)應(yīng)的消磁電流控制設(shè)備末級(jí)輸出三極管已燒壞，元器件處于短路狀態(tài)，如果對(duì)控制設(shè)備進(jìn)行通電工作，消磁電流控制設(shè)備對(duì)應(yīng)輸出到控制繞組端的控制電壓將始終處于負(fù)載開路時(shí)的DC35V 飽和狀態(tài)，電機(jī)擴(kuò)大機(jī)將會(huì)超額定飽和輸出造成異響，如果不及時(shí)關(guān)斷控制電壓信號(hào)，會(huì)造成電機(jī)擴(kuò)大機(jī)長期處于過載狀態(tài)而損壞；檢查四臺(tái)電機(jī)擴(kuò)大機(jī)組的工作狀況，發(fā)現(xiàn)電機(jī)擴(kuò)大機(jī)剩磁電壓較大，其中有異響的YQ 繞組和ZF 繞組經(jīng)測(cè)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(duì)應(yīng)電機(jī)擴(kuò)大機(jī)控制繞組端剩磁電壓分別為AC7.1 V和AC7.8V；現(xiàn)場(chǎng)對(duì)消磁電流控制設(shè)備檢查時(shí)，根據(jù)設(shè)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(zhuǎn)換到控制YQ 繞組、ZF繞組的控制通道上，開關(guān)機(jī)存在前面同樣的電路元器件損壞現(xiàn)象；而將修復(fù)后的控制分量插件再次用于控制XQ 繞組、ZQ 繞組對(duì)應(yīng)電機(jī)擴(kuò)大機(jī)時(shí)，兩組電機(jī)擴(kuò)大機(jī)均正常工作，相應(yīng)消磁繞組回路輸出電流符合要求；由于重復(fù)出現(xiàn)這樣的故障現(xiàn)象將引起控制設(shè)備電路元器件的損壞，所以我們不再過多地進(jìn)行故障問題復(fù)現(xiàn)，而從電路原理分析可以知道，從電機(jī)擴(kuò)大機(jī)剩磁電壓的不同造成對(duì)消磁電流控制設(shè)備的影響，判定損壞消磁電流控制設(shè)備元器件的原因是電機(jī)擴(kuò)大機(jī)剩磁過大所引起。

3 改進(jìn)措施

從以上的分析可知，造成本次消磁電流控制設(shè)備電路板元件損壞的主要原因，是電機(jī)擴(kuò)大機(jī)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(jī)擴(kuò)大機(jī)控制繞組兩端并聯(lián)吸收電路，把剩磁電壓通過并聯(lián)電路進(jìn)行釋放。

（1）電機(jī)擴(kuò)大機(jī)在設(shè)計(jì)制造時(shí)，為了削弱由磁滯效應(yīng)引起的剩磁電壓對(duì)電機(jī)特性的影響，改善電機(jī)擴(kuò)大機(jī)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(duì)于小功率的電機(jī)擴(kuò)大機(jī)交流去磁供電電源，由同驅(qū)殼的異步電動(dòng)機(jī)供給，用戶不需要外接電源；而對(duì)于大功率電機(jī)擴(kuò)大機(jī)則在使用時(shí)由用戶自行接入，在擴(kuò)大機(jī)的接線座上預(yù)留有QC-QC 標(biāo)識(shí)的去磁繞組接線端頭。根據(jù)電機(jī)擴(kuò)大機(jī)隨機(jī)文件，可以清楚了解到ZKK330 型電機(jī)擴(kuò)大機(jī)的外接去磁電源，為AC10～11 V、1～2 A 的交流電；ZKK2000 型電機(jī)擴(kuò)大機(jī)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(fā)現(xiàn)剩磁電壓過大時(shí)人為進(jìn)行消除，即在電機(jī)擴(kuò)大機(jī)空載運(yùn)行狀態(tài)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(dòng)機(jī)電源，在轉(zhuǎn)速降低的同時(shí)再繼續(xù)增加控制電流到3～5 倍，直到電樞完全停止轉(zhuǎn)動(dòng)約5～10 s 后，再減小控制電流至零。這樣反復(fù)進(jìn)行數(shù)次，直至剩磁電壓符合要求；如果效果不理想或剩磁單邊嚴(yán)重，可在剩磁小的方向加上略大于額定的負(fù)載，然后斷開驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)電源，在轉(zhuǎn)速及負(fù)載逐漸降低的同時(shí)逐漸增大控制電流至3～5倍，直到電樞完全停止轉(zhuǎn)動(dòng)約10～15 s 后，再減小控制電流至零，這樣反復(fù)進(jìn)行數(shù)次即可。

（3）對(duì)于使用過程因電機(jī)擴(kuò)大機(jī)剩磁過大造成的反向干擾電壓影響，根據(jù)反向干擾電壓為交流電壓的特點(diǎn)，與消磁電流控制設(shè)備輸出的直流電壓信號(hào)存在較大的頻率差，可在電機(jī)擴(kuò)大機(jī)的控制繞組兩端并聯(lián)一個(gè)RC 吸收回路，見圖3 所示；由于消磁電流控制設(shè)備輸出的電壓信號(hào)為一個(gè)慢變直流信號(hào)，電機(jī)擴(kuò)大機(jī)剩磁過大造成的反向干擾電壓主要以工頻50 Hz 交流信號(hào)為主，我們利用電容的通交流、隔直流的原理，通過調(diào)整R、C 參數(shù)，剩磁過大造成的反向干擾電壓信號(hào)大部份可通過RC 電路進(jìn)行消耗吸收。

圖3 控制繞組兩端并聯(lián)RC 電路圖

下面從理論上進(jìn)行驗(yàn)證，控制設(shè)備輸出與電機(jī)擴(kuò)大機(jī)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(shí)如有剩磁干擾V 干 ，其影響控制設(shè)備末級(jí)電路是直接的，影響程度可通過作用于控制設(shè)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(hào)的最大工作頻率為，則增加的RC 回路阻抗主要體現(xiàn)為容抗：

若電容C 選用2.2μF，R 選取與電機(jī)擴(kuò)大機(jī)控制繞組相近電阻910 Ω，并保證在正常運(yùn)行狀態(tài)下控制電路輸出對(duì)C 的充電不超過其極限電流，則正常正向輸出控制信號(hào)時(shí)：說明RC 電路的接入對(duì)流向控制繞組電流影響可以忽略。

相對(duì)于消磁電流控制設(shè)備輸出的電壓信號(hào)頻率，電機(jī)擴(kuò)大機(jī)剩磁反向干擾信號(hào)的頻率大，因而在剩磁干擾情況下，控制設(shè)備輸出端到電機(jī)擴(kuò)大機(jī)控制繞組之間等效電路變?yōu)椋?/p>

圖5 增加后等效電路

增加的RC 回路阻抗主要體現(xiàn)為阻抗，此時(shí)剩磁反向干擾信號(hào)對(duì)控制設(shè)備末級(jí)的影響電壓可表示為：

增加RC 電路后，電機(jī)擴(kuò)大機(jī)剩磁反向干擾信號(hào)的影響大為減少，降低了對(duì)控制設(shè)備未級(jí)輸出器件損壞的影響。

4 結(jié)論

維修后的電機(jī)擴(kuò)大機(jī)裝艦后，結(jié)合在控制繞組兩端并聯(lián)RC 電路，消磁系統(tǒng)經(jīng)過多次的開機(jī)關(guān)機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)，同時(shí)在控制繞組兩端進(jìn)行電壓監(jiān)測(cè)，沒有發(fā)現(xiàn)大的反向干擾電壓信號(hào)，也未發(fā)生因關(guān)機(jī)過程損壞控制設(shè)備末級(jí)輸出元器件現(xiàn)象，說明對(duì)故障原因分析正確，電路改進(jìn)措施合理可行。另外，現(xiàn)行消磁系統(tǒng)在實(shí)船安裝中，大功率電機(jī)擴(kuò)大機(jī)沒有按生產(chǎn)廠的使用說明書要求，因外接交流去磁電源對(duì)于新交付的裝備來說，電機(jī)擴(kuò)大機(jī)剩磁幾乎沒有，短時(shí)間內(nèi)對(duì)消磁電流控制設(shè)備影響很小，但隨著裝備使用頻次的提高，電機(jī)擴(kuò)大機(jī)長時(shí)間運(yùn)行，其剩磁將會(huì)逐漸累積。建議能提出明確要求，在電機(jī)擴(kuò)大機(jī)的使用安裝時(shí)完善去磁電源電路的連接，盡量延緩電機(jī)擴(kuò)大機(jī)剩磁的產(chǎn)生，以降低電機(jī)擴(kuò)大機(jī)剩磁對(duì)消磁電流控制設(shè)備的影響，進(jìn)一步提高消磁系統(tǒng)可靠性。