Viking 35轉(zhuǎn)速控制器故障原因分析

尚 丹， 李安康， 單純正, 郭 晶

(1.海裝駐上海地區(qū)第四軍事代表室， 上海 201108; 2.上海船用柴油機(jī)研究所， 上海 201108)

0 引 言

Viking 35轉(zhuǎn)速控制器使用的控制板是與主機(jī)調(diào)速執(zhí)行器配套的控制板，因具有動(dòng)作靈敏、響應(yīng)速度快和動(dòng)靜態(tài)精度高等特點(diǎn)而在中速柴油機(jī)上得到廣泛使用。該轉(zhuǎn)速控制器是由海茵茨曼公司旗下的歐羅巴公司生產(chǎn)的，國內(nèi)船舶領(lǐng)域使用該轉(zhuǎn)速控制器的時(shí)間較短，目前僅對其控制原理、操作使用說明和使用維護(hù)等內(nèi)容有一定的研究，很少對其使用環(huán)境條件進(jìn)行分析。本文結(jié)合某艦船主推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)中的Viking 35轉(zhuǎn)速控制器在正常使用過程中存在的無主控電流輸出故障，對可能引發(fā)該故障的原因進(jìn)行分析，并通過試驗(yàn)了解該控制器的工作邊界，進(jìn)一步掌握其使用環(huán)境條件，為后續(xù)該類型控制器的使用和類似故障的排查提供參考。

圖1 Viking 35轉(zhuǎn)速控制器外形圖

1 Viking 35轉(zhuǎn)速控制器概述

Viking 35轉(zhuǎn)速控制器是一種集發(fā)動(dòng)機(jī)安全保護(hù)、報(bào)警、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和啟?？刂频裙δ苡谝惑w的轉(zhuǎn)速控制器，不僅能大大簡化整機(jī)控制系統(tǒng)，而且能保持各功能的獨(dú)立性，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。Viking 35轉(zhuǎn)速控制器外形圖見圖1。

該轉(zhuǎn)速控制器配備有一款專用的調(diào)試軟件，用戶可通過通信線連接實(shí)時(shí)監(jiān)測其運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)對部分配置參數(shù)的修改。

2 Viking 35轉(zhuǎn)速控制器故障及其產(chǎn)生原因分析

某艦船正常航行過程中，其左柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速突然從531 r/min降至280 r/min，此時(shí)在駕駛室內(nèi)通過遙控控制對該柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，無效。在此情況下，操作人員將操作部位由駕駛室轉(zhuǎn)至機(jī)旁，在機(jī)旁進(jìn)行停車操作，并再次啟動(dòng)柴油機(jī)，此時(shí)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速仍為后備轉(zhuǎn)速。經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，該問題是機(jī)旁控制臺內(nèi)部的Viking 35轉(zhuǎn)速控制器存在無主控電流輸出故障導(dǎo)致的。

為找到導(dǎo)致該轉(zhuǎn)速控制器發(fā)生無主控電流輸出故障的原因，將其與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連接，安裝于試驗(yàn)臺架上進(jìn)行功能測試(見圖2)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該轉(zhuǎn)速控制器無主控電流輸出。將該轉(zhuǎn)速控制器拆開之后進(jìn)行初步檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)線路板上FS11保險(xiǎn)絲已燒毀；更換保險(xiǎn)絲之后，該轉(zhuǎn)速控制器的主控電流輸出正常。通過查詢轉(zhuǎn)速控制器用戶手冊發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)S11保險(xiǎn)絲為設(shè)置在主控電流驅(qū)動(dòng)回路上的保險(xiǎn)絲(見圖3)，保險(xiǎn)絲燒毀會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速控制器無主控電流輸出，調(diào)速功能失效。

圖2 臺架測試

圖3 保險(xiǎn)絲熔斷實(shí)況

針對FS11保險(xiǎn)絲燒毀的情況，通過與生產(chǎn)廠家進(jìn)行討論和初步分析，梳理可能引發(fā)該故障的原因如下：

1) 環(huán)境溫度過高導(dǎo)致器件失效；

2) 主控輸出線路對地導(dǎo)致回路電流增大；

3) 主控輸出線路短路導(dǎo)致回路電流增大；

4) 外部線路干擾。

3 故障排查和故障定位

3.1 故障排查

針對上述可能導(dǎo)致FS11保險(xiǎn)絲燒毀的原因開展臺架模擬試驗(yàn)，對故障進(jìn)行排查。

3.1.1 環(huán)境溫度試驗(yàn)

在多艘實(shí)船上采用點(diǎn)溫計(jì)對轉(zhuǎn)速控制器所處的機(jī)艙環(huán)境進(jìn)行溫度檢測。轉(zhuǎn)速控制器安裝于主機(jī)艙機(jī)旁控制臺內(nèi)部，待其穩(wěn)定運(yùn)行之后，實(shí)測殼體溫度不超過52 ℃。

在實(shí)驗(yàn)室將一臺全新的Viking 35轉(zhuǎn)速控制器放入溫度試驗(yàn)箱(見圖4)，所有線路都與測試臺設(shè)備相連接，溫度設(shè)定為55 ℃(參照GJB 150A—2009低溫試驗(yàn)要求)，通電運(yùn)行12 h之后，保險(xiǎn)絲未燒毀。通過調(diào)試軟件強(qiáng)制輸出主控電流，測試各項(xiàng)功能正常。隨后將溫度升至70 ℃，保溫2 h之后進(jìn)行功能測試，轉(zhuǎn)速控制器功能正常。由此，排除實(shí)船環(huán)境溫度較高導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生故障。

圖4 環(huán)境溫度試驗(yàn)箱

3.1.2 主控電流輸出線路短路試驗(yàn)

將Viking 35轉(zhuǎn)速控制器與試驗(yàn)臺架上的執(zhí)行器(見圖5)相連接，對照執(zhí)行器內(nèi)部接線圖(見圖6)，用示波器接入主控電流回路，此時(shí)將執(zhí)行器端子A端與C端短接，通過示波器測得主控電流穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速控制器未出現(xiàn)故障代碼，功能正常。由于未出現(xiàn)保險(xiǎn)絲熔斷現(xiàn)象，因此排除主控電流輸出線路短路導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生故障。

圖5 試驗(yàn)臺架上的執(zhí)行器

圖6 執(zhí)行器內(nèi)部接線圖

3.1.3 主控電流輸出線路接地試驗(yàn)

將執(zhí)行器端子A端與C端分別接地，通過示波器測得主控電流出現(xiàn)瞬時(shí)尖峰之后恢復(fù)穩(wěn)定，測試轉(zhuǎn)速控制器功能正常。由于未出現(xiàn)保險(xiǎn)絲熔斷現(xiàn)象，因此排除主控電流輸出線路接地導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生故障。

3.1.4 外部線路干擾

部分電路原理圖見圖7。由該電路原理圖和MC56F8014芯片手冊可知，C518為MC56F8014芯片的基準(zhǔn)電源旁路電容，通過該電容和芯片內(nèi)部電路，可將芯片的供電電源VCC轉(zhuǎn)為芯片內(nèi)核需使用的基準(zhǔn)電源(2.5 V)。在C518兩端阻抗變小甚至被擊穿的情況下，VCC對地的阻抗會(huì)變小甚至發(fā)生短路，VCC回路電流會(huì)變大，保險(xiǎn)絲FS13可能會(huì)熔斷。由于VCC是由VDD產(chǎn)生的，因此VDD回路的電流會(huì)變大，保險(xiǎn)絲FS11可能會(huì)熔斷。

對該故障模塊進(jìn)行故障檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)存在故障的轉(zhuǎn)速控制模塊除了保險(xiǎn)絲FS11熔斷以外，電路板上C518電容兩端阻抗也不正常，測量值為330 Ω(正常值為40 kΩ左右)。此時(shí)通電測得保險(xiǎn)絲FS11回路電流為97 mA(正常值為80 mA左右)，保險(xiǎn)絲FS13回路電流為75 mA(正常值為60 mA左右)，隨著通電時(shí)間的增加，故障設(shè)備線路板上保險(xiǎn)絲FS13和FS11回路電流不斷增大，直至保險(xiǎn)絲FS11熔斷。

由此可知，電容C518加速失效，阻抗變小引起保險(xiǎn)絲FS11和FS13回路電流增大，最終導(dǎo)致保險(xiǎn)絲FS11熔斷，該電容在電路板上的位置見圖8。

更換電容C518，由于該電容發(fā)生故障可能會(huì)影響集成電路IC1，故也對IC1芯片進(jìn)行更換，更換之后通電測得保險(xiǎn)絲FS11和FS13回路電流分別為77 mA和61 mA，電流恢復(fù)正常。經(jīng)測試，更換器件之后臺架試驗(yàn)設(shè)備工作正常。

a) 電路原理圖1

圖8 故障器件圖

3.2 故障定位

針對C518電容加速失效的原因，根據(jù)電容失效的機(jī)理，分別從介質(zhì)擊穿、介質(zhì)材料(因環(huán)境、溫度等)改變和介質(zhì)損壞等3個(gè)方面進(jìn)行檢查分析，這些因素均被排除。最后分析得出可能的原因是電容過壓。

根據(jù)電容上標(biāo)注的信息，該電容的耐壓范圍為20 V。根據(jù)線路板原理，該電容正常工作時(shí)，其兩端電壓不超過3.3 V，但當(dāng)線路板電源輸入信號受到尖峰干擾時(shí)，尖峰電壓可傳導(dǎo)至電容兩端，導(dǎo)致電容承受超過其耐壓范圍的電壓，引起電容加速失效或被擊穿。僅有該因素存在導(dǎo)致電容失效的可能性，下面繼續(xù)對線路板的工作機(jī)理進(jìn)行分析。

從圖7中可看出，VDD是由24 V輸入電源通過LDO芯片TL431產(chǎn)生的，其中芯片TL431可通過不同電阻配比將輸入范圍小于36 V的電壓轉(zhuǎn)為需要的電壓。由于電路原理設(shè)計(jì)中并不存在電氣隔離，因此當(dāng)24 V電源受其他因素影響產(chǎn)生干擾尖峰等異常信號時(shí)，該信號會(huì)傳遞到VDD上，使VDD電源也受到相應(yīng)影響。另外，從原理上可看出，保險(xiǎn)絲FS11是用來保護(hù)VDD電源回路的。當(dāng)VDD電源回路出現(xiàn)短路和對地阻抗變小等情況時(shí)，VDD回路上的電流會(huì)迅速增大，當(dāng)電流超過保險(xiǎn)絲FS11的熔斷閾值時(shí)，保險(xiǎn)絲 FS11會(huì)熔斷。

從圖7中可看出，VDD通過TL431轉(zhuǎn)換成VCC。通過分析可知，當(dāng)24 V電源受到影響時(shí)，VCC也會(huì)受到影響。保險(xiǎn)絲FS13用于保護(hù)VCC電源回路，其保護(hù)機(jī)制與VDD類似。

上述分析與廠家出具的檢測報(bào)告中的測試結(jié)果一致，即當(dāng)電容加速失效，阻抗變小或完全被擊穿之后，VCC和VDD回路經(jīng)過保險(xiǎn)絲FS11和FS13回路的電流會(huì)增大，當(dāng)電流大于保險(xiǎn)絲熔斷值之后，保險(xiǎn)絲會(huì)熔斷。

根據(jù)電路原理圖，當(dāng)24 V電源受到外部干擾產(chǎn)生尖峰信號時(shí)，VCC同樣會(huì)產(chǎn)生尖峰信號。旁路電容C518是由VCC供電的，該電容的耐壓等級為20 V，當(dāng)VCC上的尖峰信號電壓超過C518的耐壓等級時(shí)，可能會(huì)使C518遭到破壞，導(dǎo)致其加速失效，甚至被擊穿。因此，當(dāng)外部24 V電源受到干擾，通過耦合干擾或傳導(dǎo)輸入產(chǎn)生尖峰電壓時(shí)，會(huì)導(dǎo)致C518承受超過其耐壓等級的電壓，進(jìn)而加速失效或損壞。由此可知，電容C518失效主要是DC 24 V電源輸入干擾導(dǎo)致的。

通過對線路板的工作機(jī)理進(jìn)行分析可確認(rèn)外部電源干擾致使電容超壓為導(dǎo)致電容失效的主要原因。

4 問題復(fù)現(xiàn)和解決方法分析

根據(jù)上述分析，電容C518失效導(dǎo)致轉(zhuǎn)速控制器保險(xiǎn)絲熔斷，進(jìn)而引發(fā)故障。因此，在試驗(yàn)臺架上進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)測試，在電容C518兩端并接一臺滑動(dòng)變阻器，模擬電容失效時(shí)電容兩端阻抗變小的情況，測得電容兩端阻抗數(shù)值和保險(xiǎn)絲回路電流數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

圖9 測試環(huán)境

由表1可知：當(dāng)電阻箱阻值低于10 Ω之后，保險(xiǎn)絲FS11回路電流達(dá)到265 mA(大于保險(xiǎn)絲的熔斷值250 mA)，保險(xiǎn)絲FS13回路電流達(dá)到244 mA(接近保險(xiǎn)絲的熔斷值250 mA)；持續(xù)數(shù)秒之后，保險(xiǎn)絲FS11熔斷，保險(xiǎn)絲FS13未熔斷。測試環(huán)境見圖9。

根據(jù)上述試驗(yàn)和分析結(jié)果，引發(fā)調(diào)速故障的原因是轉(zhuǎn)速控制器上電容C518因電源輸入尖峰干擾而失效，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速控制器保險(xiǎn)絲熔斷。

該轉(zhuǎn)速控制器安裝在主機(jī)機(jī)旁控制臺上，主機(jī)機(jī)旁控制臺由推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)電源柜提供DC 24 V電源，通過電源柜內(nèi)的開關(guān)電源將AC 220 V船電轉(zhuǎn)換為DC 24 V電源輸出，可過濾AC 220 V電源波動(dòng)帶來的干擾，但電源柜輸出的DC 24 V電源除了給轉(zhuǎn)速控制器供電以外，還為機(jī)旁控制臺內(nèi)的其他設(shè)備供電，同時(shí)為增壓器轉(zhuǎn)速分配器等系統(tǒng)外設(shè)備供電，不排除其他設(shè)備啟動(dòng)或運(yùn)行對電源品質(zhì)產(chǎn)生干擾。因此，結(jié)合原理和機(jī)理分析，首先更換原有故障轉(zhuǎn)速控制器，其次在實(shí)船機(jī)旁控制臺上增設(shè)DC/DC 24 V隔離電源，將電源柜送至機(jī)旁控制臺的DC 24 V電源經(jīng)隔離電源隔離后接至Viking 35轉(zhuǎn)速控制器電源輸入端，使得外部電纜或其他用電設(shè)備產(chǎn)生的干擾不會(huì)傳導(dǎo)至轉(zhuǎn)速控制器電源輸入端。

5 結(jié) 語

加裝隔離電源之后，經(jīng)測試轉(zhuǎn)速控制器調(diào)速功能正常，無主控電流輸出故障未再次出現(xiàn)，再次驗(yàn)證了本文所提方法的有效性。本文的研究可供以后同類型轉(zhuǎn)速控制器的設(shè)計(jì)參考，對于核心重要部件，特別是對于對電源質(zhì)量要求比較高的設(shè)備，要求使用隔離后的電源作為工作電源，防止設(shè)備之間相互干擾，起到保護(hù)設(shè)備的作用。