謝澎波，梅松濤，王冠

（1.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064；2.92858部隊(duì)，浙江寧波315812）

船用兩相斬波器的故障分析

謝澎波1，梅松濤1，王冠2

（1.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064；2.92858部隊(duì)，浙江寧波315812）

本文介紹了船用兩相斬波器的原理，對(duì)船用兩相斬波器的一些常見故障進(jìn)行了分析，提出使用和維修方面的建議。

船用兩相斬波器故障維修

0　引言

船用兩相斬波器是重要的直流推進(jìn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置，船用兩相斬波器通過其控制電路將推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速給定信號(hào)與反饋信號(hào)經(jīng)過比例積分運(yùn)算后產(chǎn)生PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)主回路的開關(guān)器件進(jìn)行斬波，將固定幅值的直流電壓變換成可調(diào)的直流電壓，從而實(shí)現(xiàn)推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。船用兩相斬波器主要由控制電路和主回路組成，控制電路有電源模塊、DSP板、信號(hào)調(diào)理板、光纖板、電流傳感器、驅(qū)動(dòng)板等，主回路有濾波電感、濾波電容，平衡電抗器、IGBT、續(xù)流二極管、緩沖吸收電路等。

船用兩相斬波器的各個(gè)組成器件都有其相應(yīng)的作用，當(dāng)某個(gè)器件損壞（失效）后，就會(huì)導(dǎo)致船用兩相斬波器功能不正常，嚴(yán)重時(shí)甚至無法運(yùn)行，本文對(duì)船用兩相斬波器的一些常見故障進(jìn)行分析，并針對(duì)這些故障提出相應(yīng)的解決辦法。

1　船用兩相斬波器原理

1.1主回路組成及工作原理

船用兩相斬波器主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　船用兩相斬波器主電路結(jié)構(gòu)圖

圖中濾波電路由L、C組成，開關(guān)器件VT1、VT2、VT3、VT4分別由兩個(gè)IGBT模塊并聯(lián)組成；VD1、VD2、VD3、VD4是續(xù)流二極管，Tr1、Tr2是平衡電抗器。VT1與VT3的開通、關(guān)斷時(shí)間一致，VT2與VT4的開通關(guān)斷時(shí)間一致，VT1、VT3的驅(qū)動(dòng)脈沖超前或滯后VT2、VT4的驅(qū)動(dòng)脈沖1/2個(gè)周期。

當(dāng)電路中發(fā)生短路情況時(shí)，IGBT的集電極電流增加至超過規(guī)定值，則C-E之間的電壓會(huì)急劇增加，會(huì)導(dǎo)致IGBT因自身溫度急劇上升而損壞。電源電壓越高，模塊溫度越高，其短路耐受能力就越小。因此需要檢測(cè)電路中的電流值，并在電流值超過一定值后迅速地關(guān)斷器件，以免造成器件的損壞。由于電路采用兩重兩相斬波，有4條支路，加上輸入、輸出，電路中一共需要檢測(cè)6個(gè)部位的電流，電流傳感器選擇霍爾電流傳感器。霍爾電流傳感器具有反應(yīng)速度快、測(cè)量精度高等特點(diǎn)。對(duì)于母線電流的變化，霍爾電流傳感器能及時(shí)準(zhǔn)確地做出反應(yīng)。

1.2控制電路組成及工作原理

船用兩相斬波器控制電路主要由DSP板、信號(hào)調(diào)理板、光纖板和驅(qū)動(dòng)板、電源及傳感器等組成。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　船用兩相斬波器控制電路結(jié)構(gòu)圖

DSP板主要采用DSP芯片加CPLD（可編程邏輯芯片）的電路架構(gòu)，輔以一些外圍擴(kuò)展輔助電路。DSP板采集主回路現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)運(yùn)算，輸出PWM脈沖信號(hào)，并提供系統(tǒng)保護(hù)功能。

信號(hào)調(diào)理板負(fù)責(zé)對(duì)主回路的1、2、3、4支路電流、輸入電流、輸出電流、電流給定、轉(zhuǎn)速給定以及轉(zhuǎn)速反饋等模擬信號(hào)進(jìn)行隔離、濾波和電平轉(zhuǎn)換。將其轉(zhuǎn)換為5V信號(hào)，送給DSP板。信號(hào)調(diào)理板同時(shí)還包含硬件檢測(cè)電路，通過將轉(zhuǎn)換后的主回路1、2、3、4支路電流、輸入電流、輸出電流信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比較，輸出過流報(bào)警信號(hào)至DSP板。

光纖板負(fù)責(zé)電信號(hào)/光信號(hào)和光信號(hào)/電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，通過光纖和驅(qū)動(dòng)板連接，光纖板將DSP板的PWM信號(hào)傳送至驅(qū)動(dòng)板、并將驅(qū)動(dòng)板的狀態(tài)信號(hào)傳送至DSP板，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)電信號(hào)和弱電信號(hào)的隔離，這樣可以避免驅(qū)動(dòng)信號(hào)因傳輸距離過長而受到電磁干擾。

驅(qū)動(dòng)電路板主要由光纖接收器、發(fā)送器、驅(qū)動(dòng)模塊2SD315AI等組成。驅(qū)動(dòng)模塊2SD315AI以專用芯片組為基礎(chǔ)，外加必需的其它元件組成。驅(qū)動(dòng)模塊2SD315AI采用脈沖變壓器隔離方式，能同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)IGBT模塊，可提供±15V的驅(qū)動(dòng)電壓和±15 A的峰值電流，具有準(zhǔn)確可靠的驅(qū)動(dòng)功能與靈活可調(diào)的過流保護(hù)功能，同時(shí)可對(duì)電源電壓進(jìn)行欠壓檢測(cè)。

船用兩相斬波器采用兩種工作模式：電流單閉環(huán)調(diào)速模式和轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速模式。兩種工作模式可切換。裝置一般情況下采用雙閉環(huán)調(diào)速模式，這時(shí)電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)。

2　船用兩相斬波器常見故障分析

2.1濾波電容失效

因此，當(dāng)發(fā)現(xiàn)船用兩相斬波器熔斷器熔斷時(shí)，故障原因很有可能是濾波電容失效導(dǎo)致的。維修時(shí)，我們應(yīng)該按以下步驟進(jìn)行器件檢查：

1）檢查濾波電容是否有容值降低或者失效；2）檢查IGBT模塊是否有被擊穿或者開路；3）檢查驅(qū)動(dòng)板輸出波形是否正常。

因?yàn)槎搪冯娏骱艽?，超過線路中的電流傳感器的額定值，造成電流傳感器損壞，所以還需要對(duì)電流傳感器進(jìn)行檢查。

2.2輸出電流傳感器故障

如圖1所示，船用兩相斬波器主回路需要檢測(cè)6個(gè)部位的電流：4條支路電流i1、i2、i3、i4；輸出電流i5；輸入電流i6。

船用兩相斬波器調(diào)速的控制原理如圖3所示，圖中ACR為電流調(diào)節(jié)器，ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。

圖3　船用兩相斬波器調(diào)速的控制原理圖

當(dāng)輸出電流傳感器損壞而無信號(hào)輸出時(shí)，電流調(diào)節(jié)器ACR無反饋信號(hào)，此時(shí)電流調(diào)節(jié)器ACR是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)，并且開環(huán)增益很大。在斬波器單環(huán)調(diào)速模式運(yùn)行時(shí)，較小的電流給定信號(hào)就可以讓開環(huán)的電流調(diào)節(jié)器ACR很快達(dá)到飽和輸出，從而使斬波器的斬波脈寬一直為最大，這將造成斬波器輸出電流過載。

同理，在斬波器雙環(huán)調(diào)速模式運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出信號(hào)當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器ACR的輸入信號(hào)，再用ACR的輸出信號(hào)去控制IGBT模塊驅(qū)動(dòng)波形，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR是閉環(huán)控制，電流調(diào)節(jié)器ACR是開環(huán)控制，電流調(diào)節(jié)器ACR也是很快就達(dá)到飽和輸出。

因此，當(dāng)輸出電流傳感器無信號(hào)輸出時(shí)，會(huì)造成斬波器輸出電流過載，這在啟動(dòng)直流推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的過程中危害更大，因?yàn)橹绷麟妱?dòng)機(jī)在靜止時(shí)電樞無反電勢(shì)，電樞繞組的電阻值又很小，此時(shí)等效于斬波器輸出短路的狀態(tài)，較大的電流沖擊可能造成開關(guān)器件IGBT模塊的損壞。

2.2支路電流傳感器故障

圖4　VT1、VT3同時(shí)導(dǎo)通的等效電路圖

船用兩相斬波器的四個(gè)支路中，其中有兩個(gè)是同時(shí)開通或關(guān)斷的，圖4是VT1、VT3同時(shí)導(dǎo)通的等效電路，圖中：Em、Rm、Lm是直流電動(dòng)機(jī)電樞的等效電參數(shù)；L1、L3是W1、W3的等效電感；L21是W2、W1的互感；L43是W4、W3的互感；RL1、RL3是W1、W3的電阻（包括線路電阻）；VCEsat1、VCEsat3是VT1、VT3飽和壓降。

由圖4可知：

由式（1）、式（2）可知，當(dāng)L1、L3、RL1、RL3、VCEsat1、VCEsat3不同時(shí)，1支路、3支路的電流IC1、IC3就會(huì)不一致。同理，2支路、4支路的電流IC2、IC4與L2、L4、RL2、RL4、VCEsat2、VCEsat4有關(guān)。

船用兩相斬波器通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)各個(gè)支路電流均衡，調(diào)節(jié)原理如下：

將支路電流i1+i3的值與支路電流i2+i4的值進(jìn)行比較，并根據(jù)他們的差值來對(duì)VT2、VT4的驅(qū)動(dòng)波形進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖5所示。

圖5　驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)波形圖

當(dāng)i1+i3的值大于i2+i4的值時(shí)，控制器將VT2、VT4的導(dǎo)通時(shí)間增加Δt，直至i2+i4的值等于i1+i3的值；當(dāng)i1+i3的值小于i2+i4的值時(shí)，控制器將VT2、VT4的導(dǎo)通時(shí)間減少Δt，直至i2+i4的值等于i1+i3的值。

現(xiàn)假設(shè)1支路的電流傳感器發(fā)生故障，傳送至控制器i1的值為0 A，即：

根據(jù)斬波器控制器均衡電流的原理和式（3），控制器最終會(huì)將各支路電流調(diào)節(jié)至如下結(jié)果：

而實(shí)際情況是：1支路有電流并且理論上等于3支路的電流值i3，結(jié)合式（4），就有：

為了避免出現(xiàn)式（5）這種極端情況的出現(xiàn)，我們?cè)诳刂破麟娏骶獾某绦蛑袨閂T2、VT4可調(diào)節(jié)的導(dǎo)通時(shí)間設(shè)定一個(gè)限值TL/2，為了保證出現(xiàn)支路電流較大差距時(shí)也能夠調(diào)節(jié)均衡，TL/2取值設(shè)定為斬波周期的3%左右。但在啟動(dòng)直流推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的時(shí)候，由于負(fù)載電阻很小，這時(shí)脈寬差別即使很小也會(huì)導(dǎo)致支路電流差距很大，造成支路電流過載而報(bào)警。

2.3轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)故障

轉(zhuǎn)速信號(hào)是由推進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)一個(gè)測(cè)速發(fā)電機(jī)發(fā)電，測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出的電壓值與轉(zhuǎn)速信號(hào)成正比，將此電壓信號(hào)經(jīng)過霍爾電壓傳感器變換、隔離后就是船用兩相斬波器的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)。

由圖3可知，在船用兩相斬波器控制器中，控制器將轉(zhuǎn)速給定信號(hào)UN與轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)的差值，由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)過比例、積分運(yùn)算后輸入給電流調(diào)節(jié)器ACR，再由電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出信號(hào)去控制IGBT模塊驅(qū)動(dòng)波形，達(dá)到調(diào)節(jié)推進(jìn)電機(jī)電樞電壓平均值的目的，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。船用兩相斬波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6　船用兩相斬波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的傳遞函數(shù)為：

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的時(shí)域表達(dá)式為：

其中：Kp=Kn為比例系數(shù)，KI=1/τ為積分系數(shù)

當(dāng)測(cè)速發(fā)電機(jī)或者霍爾電壓傳感器損壞導(dǎo)致轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)故障時(shí)，轉(zhuǎn)速反饋為0，船用兩相斬波器控制器的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR就變成了一個(gè)開環(huán)控制的調(diào)節(jié)器，由式（7）可知，由于轉(zhuǎn)速反饋為0，誤差一直存在，由于積分的作用，當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器積分飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)輸出的飽和值輸入給電流環(huán)，由電流環(huán)根據(jù)轉(zhuǎn)速環(huán)輸出的飽和值來調(diào)節(jié)電流，這就造成推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升至最大值且不可調(diào)節(jié)。

3　總結(jié)及建議

根據(jù)前述分析，在船用兩相斬波器的使用維護(hù)和維修方面，有以下幾點(diǎn)建議：

1）定期檢查斬波器濾波電容的容值，如不合格應(yīng)立即更換，否則會(huì)造成IGBT模塊損壞。

2）當(dāng)出現(xiàn)熔斷器熔斷的故障情況時(shí)，還需要檢查斬波器的濾波電容、驅(qū)動(dòng)板和IGBT模塊。

3）出現(xiàn)過載報(bào)警的故障時(shí)，檢查電流傳感器。

4）出現(xiàn)轉(zhuǎn)速不可調(diào)節(jié)時(shí)，檢查轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)。

［1］謝錫成，王堅(jiān)強(qiáng).兩相斬波器［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，1991，（4）：1-12.

［2］陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

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［4］M.M.Peretz，S.Ben-Yaakov.Time domain identification of PWM converters for digital controllers design［J］. IEEE Power Electron.Spec.Conf.，Orlando，F(xiàn)L，Jun. 2007：809-813.

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Analysis on the Failures of Two-phase Direct Current Chopper

Xie Pengbo1，Meisongtao1，Wang Guan2
（1.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan430064，China；2.The Unit 92858 of PLA，Ningbo315812，Zhejiang，China）

This paper introduces the principle of two-phase chopper for marine,and analyzessome common fault of two-phase chopper.Based on the findings,somesuggestions of using and repairing two-phase chopper are proposed.

marine two-phase chopper;fault;repair

TM46

A

1003-4862（2015）10-0055-04

2015-03-14

謝澎波（1977-），男，高工。研究方向：自動(dòng)控制。