某型舰消磁设备损坏机理研究及改进设计*

徐 杰

(海军驻桂林地区军事代表室 桂林 541002)



某型舰消磁设备损坏机理研究及改进设计*

徐 杰

(海军驻桂林地区军事代表室 桂林 541002)

针对某型舰消磁设备由手动输入经度、纬度、航向工况转换为自动工况时,电源柜出现了多个电源模块损坏的问题,指出了原设计电路上中低通滤波电容值偏小的问题,并加以改进。改进电路经实验室验证后,达到设计要求。

消磁设备; 改进设计

Class Number TP16

1 引言

某新型舰消磁设备在实船试验过程中,为了测试不同工况下的谐波分量,电流控制仪由手动工况(手动输入经度、纬度、航向)转换为自动工况,每隔3分钟转换一次,在连续转换六次后,四个消磁电源模块损坏。指出了原设计电路上中低通滤波电容值偏小的问题,并加以改进。改进电路经实验室验证后,达到设计要求。

2 原因分析

经分析,消磁电源模块都是在工况转换瞬间损坏,损坏部位均为电流变化量大的绕组(ZQS绕组和ZGS绕组),即消磁电源模块的后级IGBT模块、IGBT的驱动和尖峰吸收电阻。

电源模块的后级IGBT与负载电路示意如图1所示。

图1 电源模块后级IGBT与负载电路示意图

当输入信号发生突变(从输出大电流突变至0)时,因消磁绕组为感性负载,输出电流不能突变,会产生很大的反向电压[1～2]。同时,电源系统机柜对应每个电源模块并联了30μF电容,根据电容两端电压不能突变的特性,此时会产生很大的反向峰值电流。在IGBT关断的情况下,电流通过IGBT体内等效二极管,再通过能量释放回路的电阻R15,给换向IGBT前端的电容充电。该过程使电阻R15两端电压迅速升高,电阻R阻值为47Ω,功率为5W,是金属膜电阻,电阻两端最大可承受500V电压。当电流突变瞬间电阻负荷的能量超过电阻可承受的极限时,该电阻将被击穿开路。电阻开路后,不影响电源模块的正常使用,当再次发生信号突变,电源模块输出电流瞬间由大电流突变到0时,能量释放回路已经断开,感性负载瞬间产生的电压和电容瞬间产生的电流和电压将超过IGBT的额定值,导致IGBT损坏。IGBT损坏后,驱动极的箝位二极管两端电压高于其额定电压,将损坏箝位二极管[3～6]。

3 改进方案

3.1 摸底试验一

负载电阻:4Ω、串接20mH电感;

试验方法:误差测试仪给定信号,断开给定信号,用示波器测量信号突变瞬间负载两端的最大电压,试验结果如表1所示。

表1 瞬间最大电压值

经分析,损坏的电源模块能量释放回路电阻开路,更换该电阻后,电源恢复正常。

3.2 摸底试验二

负载电阻:4Ω、串接20mH电感;

试验方法:误差测试仪给定信号,给定信号由额定输出的30%、40%、50%、60%、70%、80%分别突变到0,用示波器测量信号突变瞬间负载两端的最大电压和随机选取的一个功率模块的输出电流信号。给定信号突变过程中电压、电流波形如图2所示。

图2 电压和电流波形

所测参数如下:

1) 初始状态

表2 初始状态电压和电流值

图3 初始状态电压和电流图

2) 电阻损坏后的状态

表3 损坏状态电压和电流值

图4 损坏状态电压和电流图

由此可见,电阻损坏后,输出电流向0突变时,负载两端有很大的电压并成线性上升状态,当电压超过IGBT反向耐压1200V时,IGBT将被电压击穿。

3.3 整改方案

在感性负载端负载状态不变的情况下,电流控制仪的控制电流信号通过电源系统的监控模块时,经低通滤波并将信号放大后再同时控制换向级跟随信号。将低通滤波的电容增大,使给定电流信号有一定的缓冲,以减小突变信号的速率,则电源系统输出端的瞬变状态也得到了缓冲[7～10]。

图5 整改电路

将低通滤波的电容由0.1μ提高到0.78μ后,原信号缓冲时间由1ms提高到7.8ms,大大降低了电感负载在电流突变时产生的反向电压。同时,增大低通滤波的电容还能提高系统稳定性。经试验测试,该缓冲措施亦能满足系统的动静态技术指标。

4 试验验证

试验方法及要求:

1) 电源模块设置为5+1模式,负载电阻4Ω串接20mH电感,控制信号由50%→0、60%→0、80%→0、100%→0阶跃突变时,测量电源柜输出反冲电压和单个模块输出反冲电流值。试验过程中模块不损坏。

2) 电源模块设置为5+1模式,负载电阻4Ω串接20mH电感,进行跟踪误差、静态误差、过渡过程测试,结果符合技术要求。

表4 控制信号突变时反冲电压和电流值

表5 误差

5 结语

针对某型舰消磁设备由手动输入经度、纬度、航向工况转换为自动工况时,电源柜出现了多个电源模块损坏的问题,本文采取缓冲措施解决了外部给定信号误操作或外部信号瞬间突变时,电源系统在感性负载状态下的瞬时电压过冲与电流过冲的问题,提高了电源系统的可靠性。

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Analysis and Ameliorating Design of Damage of Degaussing Equipment of Some Marine

XU Jie

(Navy Representative Office in Guilin, Guilin 541002)

When inputting the precision and latitude and course by manual operation of degaussing equipment of some marine, several modules of power supply do not work. This paper indicates the deficiency of originally circuit. The improving circuit achieves the design request by the lab validating.

degaussing equipment, ameliorating design

2015年3月11日,

2015年4月26日

徐杰,男,硕士,工程师,研究方向:电磁环境及防护工程。

TP16

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.033