船用两相斩波器的故障分析

谢澎波，梅松涛，王冠

（1.武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064；2.92858部队，浙江宁波315812）

船用两相斩波器的故障分析

谢澎波1，梅松涛1，王冠2

（1.武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064；2.92858部队，浙江宁波315812）

本文介绍了船用两相斩波器的原理，对船用两相斩波器的一些常见故障进行了分析，提出使用和维修方面的建议。

船用两相斩波器故障维修

0　引言

船用两相斩波器是重要的直流推进电动机调速装置，船用两相斩波器通过其控制电路将推进电动机的转速给定信号与反馈信号经过比例积分运算后产生PWM信号，驱动主回路的开关器件进行斩波，将固定幅值的直流电压变换成可调的直流电压，从而实现推进电动机的调速。船用两相斩波器主要由控制电路和主回路组成，控制电路有电源模块、DSP板、信号调理板、光纤板、电流传感器、驱动板等，主回路有滤波电感、滤波电容，平衡电抗器、IGBT、续流二极管、缓冲吸收电路等。

船用两相斩波器的各个组成器件都有其相应的作用，当某个器件损坏（失效）后，就会导致船用两相斩波器功能不正常，严重时甚至无法运行，本文对船用两相斩波器的一些常见故障进行分析，并针对这些故障提出相应的解决办法。

1　船用两相斩波器原理

1.1主回路组成及工作原理

船用两相斩波器主电路结构如图1所示。

图1　船用两相斩波器主电路结构图

图中滤波电路由L、C组成，开关器件VT1、VT2、VT3、VT4分别由两个IGBT模块并联组成；VD1、VD2、VD3、VD4是续流二极管，Tr1、Tr2是平衡电抗器。VT1与VT3的开通、关断时间一致，VT2与VT4的开通关断时间一致，VT1、VT3的驱动脉冲超前或滞后VT2、VT4的驱动脉冲1/2个周期。

当电路中发生短路情况时，IGBT的集电极电流增加至超过规定值，则C-E之间的电压会急剧增加，会导致IGBT因自身温度急剧上升而损坏。电源电压越高，模块温度越高，其短路耐受能力就越小。因此需要检测电路中的电流值，并在电流值超过一定值后迅速地关断器件，以免造成器件的损坏。由于电路采用两重两相斩波，有4条支路，加上输入、输出，电路中一共需要检测6个部位的电流，电流传感器选择霍尔电流传感器。霍尔电流传感器具有反应速度快、测量精度高等特点。对于母线电流的变化，霍尔电流传感器能及时准确地做出反应。

1.2控制电路组成及工作原理

船用两相斩波器控制电路主要由DSP板、信号调理板、光纤板和驱动板、电源及传感器等组成。其结构图如图2所示。

图2　船用两相斩波器控制电路结构图

DSP板主要采用DSP芯片加CPLD（可编程逻辑芯片）的电路架构，辅以一些外围扩展辅助电路。DSP板采集主回路现场数据，进行转速、电流双闭环调节运算，输出PWM脉冲信号，并提供系统保护功能。

信号调理板负责对主回路的1、2、3、4支路电流、输入电流、输出电流、电流给定、转速给定以及转速反馈等模拟信号进行隔离、滤波和电平转换。将其转换为5V信号，送给DSP板。信号调理板同时还包含硬件检测电路，通过将转换后的主回路1、2、3、4支路电流、输入电流、输出电流信号与设定值进行比较，输出过流报警信号至DSP板。

光纤板负责电信号/光信号和光信号/电信号的转换，通过光纤和驱动板连接，光纤板将DSP板的PWM信号传送至驱动板、并将驱动板的状态信号传送至DSP板，实现了强电信号和弱电信号的隔离，这样可以避免驱动信号因传输距离过长而受到电磁干扰。

驱动电路板主要由光纤接收器、发送器、驱动模块2SD315AI等组成。驱动模块2SD315AI以专用芯片组为基础，外加必需的其它元件组成。驱动模块2SD315AI采用脉冲变压器隔离方式，能同时驱动两个IGBT模块，可提供±15V的驱动电压和±15 A的峰值电流，具有准确可靠的驱动功能与灵活可调的过流保护功能，同时可对电源电压进行欠压检测。

船用两相斩波器采用两种工作模式：电流单闭环调速模式和转速、电流双闭环调速模式。两种工作模式可切换。装置一般情况下采用双闭环调速模式，这时电流环为内环，转速环为外环。

2　船用两相斩波器常见故障分析

2.1滤波电容失效

因此，当发现船用两相斩波器熔断器熔断时，故障原因很有可能是滤波电容失效导致的。维修时，我们应该按以下步骤进行器件检查：

1）检查滤波电容是否有容值降低或者失效；2）检查IGBT模块是否有被击穿或者开路；3）检查驱动板输出波形是否正常。

因为短路电流很大，超过线路中的电流传感器的额定值，造成电流传感器损坏，所以还需要对电流传感器进行检查。

2.2输出电流传感器故障

如图1所示，船用两相斩波器主回路需要检测6个部位的电流：4条支路电流i1、i2、i3、i4；输出电流i5；输入电流i6。

船用两相斩波器调速的控制原理如图3所示，图中ACR为电流调节器，ASR为转速调节器。

图3　船用两相斩波器调速的控制原理图

当输出电流传感器损坏而无信号输出时，电流调节器ACR无反馈信号，此时电流调节器ACR是一个开环控制系统，并且开环增益很大。在斩波器单环调速模式运行时，较小的电流给定信号就可以让开环的电流调节器ACR很快达到饱和输出，从而使斩波器的斩波脉宽一直为最大，这将造成斩波器输出电流过载。

同理，在斩波器双环调速模式运行时，转速调节器ASR的输出信号当作电流调节器ACR的输入信号，再用ACR的输出信号去控制IGBT模块驱动波形，转速调节器ASR是闭环控制，电流调节器ACR是开环控制，电流调节器ACR也是很快就达到饱和输出。

因此，当输出电流传感器无信号输出时，会造成斩波器输出电流过载，这在启动直流推进电动机的过程中危害更大，因为直流电动机在静止时电枢无反电势，电枢绕组的电阻值又很小，此时等效于斩波器输出短路的状态，较大的电流冲击可能造成开关器件IGBT模块的损坏。

2.2支路电流传感器故障

图4　VT1、VT3同时导通的等效电路图

船用两相斩波器的四个支路中，其中有两个是同时开通或关断的，图4是VT1、VT3同时导通的等效电路，图中：Em、Rm、Lm是直流电动机电枢的等效电参数；L1、L3是W1、W3的等效电感；L21是W2、W1的互感；L43是W4、W3的互感；RL1、RL3是W1、W3的电阻（包括线路电阻）；VCEsat1、VCEsat3是VT1、VT3饱和压降。

由图4可知：

由式（1）、式（2）可知，当L1、L3、RL1、RL3、VCEsat1、VCEsat3不同时，1支路、3支路的电流IC1、IC3就会不一致。同理，2支路、4支路的电流IC2、IC4与L2、L4、RL2、RL4、VCEsat2、VCEsat4有关。

船用两相斩波器通过调节驱动信号来实现各个支路电流均衡，调节原理如下：

将支路电流i1+i3的值与支路电流i2+i4的值进行比较，并根据他们的差值来对VT2、VT4的驱动波形进行调节，如图5所示。

图5　驱动调节波形图

当i1+i3的值大于i2+i4的值时，控制器将VT2、VT4的导通时间增加Δt，直至i2+i4的值等于i1+i3的值；当i1+i3的值小于i2+i4的值时，控制器将VT2、VT4的导通时间减少Δt，直至i2+i4的值等于i1+i3的值。

现假设1支路的电流传感器发生故障，传送至控制器i1的值为0 A，即：

根据斩波器控制器均衡电流的原理和式（3），控制器最终会将各支路电流调节至如下结果：

而实际情况是：1支路有电流并且理论上等于3支路的电流值i3，结合式（4），就有：

为了避免出现式（5）这种极端情况的出现，我们在控制器电流均衡的程序中为VT2、VT4可调节的导通时间设定一个限值TL/2，为了保证出现支路电流较大差距时也能够调节均衡，TL/2取值设定为斩波周期的3%左右。但在启动直流推进电动机的时候，由于负载电阻很小，这时脉宽差别即使很小也会导致支路电流差距很大，造成支路电流过载而报警。

2.3转速反馈信号故障

转速信号是由推进电动机带动一个测速发电机发电，测速发电机输出的电压值与转速信号成正比，将此电压信号经过霍尔电压传感器变换、隔离后就是船用两相斩波器的转速反馈信号。

由图3可知，在船用两相斩波器控制器中，控制器将转速给定信号UN与转速反馈信号的差值，由转速调节器ASR经过比例、积分运算后输入给电流调节器ACR，再由电流调节器ACR的输出信号去控制IGBT模块驱动波形，达到调节推进电机电枢电压平均值的目的，从而实现调节推进电机的转速。船用两相斩波器的系统结构图如图6所示。

图6　船用两相斩波器的系统结构图

转速调节器ASR的传递函数为：

转速调节器ASR的时域表达式为：

其中：Kp=Kn为比例系数，KI=1/τ为积分系数

当测速发电机或者霍尔电压传感器损坏导致转速反馈信号故障时，转速反馈为0，船用两相斩波器控制器的转速调节器ASR就变成了一个开环控制的调节器，由式（7）可知，由于转速反馈为0，误差一直存在，由于积分的作用，当转速调节器积分饱和时，转速环输出的饱和值输入给电流环，由电流环根据转速环输出的饱和值来调节电流，这就造成推进电机转速上升至最大值且不可调节。

3　总结及建议

根据前述分析，在船用两相斩波器的使用维护和维修方面，有以下几点建议：

1）定期检查斩波器滤波电容的容值，如不合格应立即更换，否则会造成IGBT模块损坏。

2）当出现熔断器熔断的故障情况时，还需要检查斩波器的滤波电容、驱动板和IGBT模块。

3）出现过载报警的故障时，检查电流传感器。

4）出现转速不可调节时，检查转速反馈信号。

［1］谢锡成，王坚强.两相斩波器［J］.舰船科学技术，1991，（4）：1-12.

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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

谢澎波（1977-），男，高工。研究方向：自动控制。