某型舰船变流机组的测试性研究

蒋超利，吴旭升，高 嵬，冯 进



某型舰船变流机组的测试性研究

蒋超利，吴旭升，高 嵬，冯 进

（海军工程大学电气工程学院，武汉 430033）

本文根据测试性的相关原则对某型舰船中频变流机组进行了测试性设计，重点分析研究了中频变流机组的结构组成、故障模式及其影响。对变流机组进行了测试性层次划分和测试性指标分配，确定了初步的测试信号和测试点，为变流机组测试性设计的后续工作打下基础。

变流机组 测试性设计 层次划分 测试性分配

0 引言

变流机组是舰船的重要组成部分，是确保舰船安全稳定运行的关键设备之一。变流机组主要由感应子发电机、直流电机和控制系统三部分组成。其中，感应子发电机和直流电机共轴旋转，在正常工况下，变流机组将单相交流电转换为直流电，给直流负载供电的同时对蓄电池进行充电以储存电能；在应急工况下，将蓄电池中的直流电转换为交流电供给交流负载，以确保舰船的安全稳定运行。可见，变流机组在交直流混合供电系统中占有举足轻重的地位，是重要的应急电源设备，其可靠性与安全性对舰船的正常运行有着至关重要的影响。

测试性是武器装备“六性”之一，是系统或装备本身的一种固有属性。根据GJB2547《装备测试性大纲》中的定义，测试性是指系统或设备能够及时、准确地确定其状态（可工作，不可工作或性能下降）并隔离其内部故障的一种设计特性。按照测试方式和位置的不同，测试性技术主要可以分为外部自动测试（ATS）和机内测试（BIT）。外部自动测试是指通过外部测试仪器、工具或设备对被测对象进行检测和隔离的测试；机内测试又叫嵌入式测试，是指系统或设备能够自己完成对系统、组件或功能模块的状态检测、故障诊断以及性能测试，一般在装备设计阶段就应当考虑。本文由于是对现役装备变流机组进行测试性研究，主要采用外部自动测试技术。

文献[1,2]分别研究分析了变流机组在运行状态切换时直流电机和交流电机的励磁控制系统，分别提出了直流电机和交流电机的励磁控制方案；文献[3]建立了变流机组完整的数学模型，并用MATLAB仿真实现了变流机组在各种工况下的运行特性，为变流机组的测试性设计打下了一定的基础。目前，对舰船变流机组开展测试性研究的单位相对较少，对变流机组的测试性研究处于起步阶段。针对上述现状，本文在前人研究的基础上，对变流机组进行了故障模式及其影响分析及测试性层次划分研究，重点阐述了现场可更换单元的划分准则和步骤，为后续变流机组的测试性指标分配研究提供一定的参考价值。

1 变流机组的结构

变流机组主要由感应子发电机、直流电机和控制系统三部分组成[4]。其中，感应子发电机和直流电机共轴运行，感应子发电机与交流电网及交流负载相连，直流电机与直流电网及直流负载相连，通过变流机组控制系统调节，确保机组在任何工况及工况切换过程中安全稳定地运行。感应子发电机主要由定子和转子组成，励磁绕组环绕着转子轴承位于定子上，转子上没有绕组，而是做成齿状，由整块钢锻造而成。根据转子同一段铁芯上各齿极性的差异，可将感应子发电机分为单极式与多极式感应子发电机[5]。控制系统主要包括起动器、频率控制系统和电压控制系统三部分。频率控制系统包括工作电源、频率采样电路、脉宽调制电路、晶体管驱动电路、保护电路五个部分。电压控制系统包括电源电路、脉宽调制回路、晶体管驱动电路和励磁主回路四个部分。直流电机为常规四极驱动电机，在此不做过多论述。变流机组总体结如图1所示。

2 变流机组的测试性层次划分

系统层次划分是测试性设计的基础，尤其是外场可更换单元（LRU）的规划，直接影响到不同维修体制下武器装备故障诊断与隔离的最小单元，是确保测试性设计正确性与有效性的关键。当前，我国装备维修体制采用基层级、中继级和基地级三级维修体制。对于舰船装备来说，提出了舰员级维修的概念，实际上等同于三级维修体制下的基层级。为了提高维修工作效率，保障装备的安全性和战备完好性，将系统划分为三个层次，分别对应三级维修等级，从高到低依次是外场可更换单元、内场可更换单元（SRU）和内场可更换子部件（SSRU）。因此复杂装备系统在进行测试性设计和故障诊断过程中，一般将系统划分为“系统—分系统—机组—LRU—SRU—SSRU”六个等级。装备三级维修体制如图2所示。

图2 三级维修体制示意图

2.1 测试性分配的基本原则

为了确保测试性层次划分的合理性，保证各级维修的顺利进行，系统层次划分应遵循如下几点原则。

1）应采用自顶向下的原则进行层次划分；

2）应适应故障诊断分析的要求；

3）各层级应根据功能和结构特性分别定义故障模式；

4）应符合系统各部分功能结构之间的逻辑关系。

根据上述测试性层次划分原则，对变流机组进行测试性设计，不仅可以满足不同维修等级对故障定位的精度，而且可以降低测试维修规模，减少维修时间和成本，提高诊断效率，最大程度地保障装备系统的正常运行。

2.2 LRU规划设计

在舰员级维修时，由于测试技术和测试条件受到限制，很难降故障定位到SRU和SSRU层级，只需将故障模式定位或隔离到LRU即可。然后利用备用的LRU模块替换相应的故障LRU即可完成舰员级维修。如何对变流机组进行准确的LRU划分，这对于执行远海航行的舰船具有重大的研究意义和研究需求。

在对LRU进行规划设计时，需要考虑许多因素，主要包括测试性因素、可靠性因素、维修性因素、保障性因素以及安全性因素等。为了使LRU规划分析评价的范围更加全面，操作更加简便，围绕着现场维修工作，将性能和综合因素分成与现场维修关系最大的几个方面，包括供应保障因素、现场诊断因素、现场更换和其他处理因素等。在每一个大方面影响因素下面展开一系列子因素，构成了LRU规划设计综合因素体系的层次结构。

根据LRU规划设计综合影响因素，可以初步确定系统的LRU层次划分，对划分的LRU进行评价，具体准则如表1所示。

2.3 变流机组的系统层次划分

变流机组主要应用于舰船装备，其维修等级一般为舰员级，故障定位到外场可更换单元即可，根据前面所述系统层次划分的原则及LRU规划设计方法，本文将变流机组划分为“系统—分系统—LRU”3个层次，其中分系统层级包括感应子发电机模块、直流电机模块、控制系统模块，各分系统又由若干LRU组成。变流机组系统层次划分至LRU级的结果如图3所示。

表1 LRU定性评价准则

图3 变流机组系统层次划分

对各LRU各影响因素进行规划评价，其分析结果说明了以上LRU划分较为合理。

3 变流机组测试性分配

测试性分配是指通过协调分配各层次测试性指标以满足系统设计的要求。同时也是测试性设计验收的依据。常见的测试性指标有故障检测率（FDR）、故障隔离率（FIR）和虚警率等，具体如图4所示。

图4 测试性指标分类

系统级BIT虚警率一般要求在5%以下，可采用等值分配法进行分配，即各组成部分的虚警率和整个变流机组的虚警率相同。故障检测时间和故障隔离时间一般在对系统进行维修性设计时考虑，故本文重点对故障检测率和故障隔离率进行测试性指标分配。

3.1 测试性分配方法

常见的测试性分配方法有：故障率分配法、加权分配法、综合加权分配法、优化分配法和层次分析法等。本文将采用基于故障率分配方法进行设计。

故障率分配法是根据系统总的测试性指标要求完全按组成部分（分系统、子系统或设备）的故障率进行分配，以便保证故障率高的组成部分分配到较高的测试性指标，故障率低的组成部分分配到较低的测试性指标。具体分配方法和步骤如下：

1）画出系统功能层次图，说明系统指标分配的产品层次。

2）分析各层次产品的组成单元特性，取得故障率数据和系统要求指标。

3）用下面数学模型计算各组成单元的FDR和FIR分配值：

4）确定各组成单元的分配值。测试性指标一般为两位百分数，而计算的分配值多为小数，所以应将第三位小数进位，取两位即可。

一般来说，舰船系统故障检测率指标不小于80%，故障隔离率（隔离到分系统级）指标不小于70%。本文采用基于故障率分配方法，结合各系统故障率统计数据，自生而下，得到变流机组的测试性分配的结果如表2所示。

4 故障模式及其影响分析

根据GJB1391-92《故障模式、影响及危害性分析程序》，故障严酷度可分为：

1）Ⅰ类(灾难的)—这是一种会引起人员死亡或系统毁坏的故障；

2）Ⅱ类(致命的)—这种故障会引起人员的严重伤害、重大经济损失或导致任务失败的系统严重损坏；

3）Ⅲ类(临界的)—这种故障会引起人员的轻度伤害、一定的经济损失或导致任务延误或降级的系统轻度损坏；

4）Ⅳ类(轻度的)—这是一种不足以导致人员伤害、一定的经济损失或系统损坏的故障，但它会导致非计划性维护或修理。

本文在前人研究的基础上，赴现场调研收集舰船变流机组典型故障模式相关数据信息，按照故障严酷度的划分准则，将典型故障模式及其严酷等级统计如表3、表4、表5所示。

表2 变流机组测试性分配

表3 直流电机故障模式及严酷度等级

表4 控制系统故障故障模式及严酷度等级

5 测试性方案设计

综合上述研究结果，可以初步确定舰船变流机组的测试信号类型和测试点，得到系统的初步测试方案，具体测试性设计结构如图5所示。

1）监测的非电量参数有：轴承温度、风温、电机内部气隙温度、定子温度、转子温度、励磁变压器温度、电机内部湿度、以及轴承的振动等。

2）监测的电量参数有：感应子发电机机端电压频率、直流电机电压幅值、励磁电压、励磁电流、功率因素、二极管和晶体管两端电压和流过的电流等。

通过实时监测被测信号的波形走势，可以初步实现对电机状态的故障预测，将大大提高变流机组的故障诊断和维修效率，增强系统的安全性和可靠性。

本文研究了变流机组的测试性，得到了变流机组初步的测试方案，为下一步的测试性建模和测试性验证研究打下了一定的基础。

表5 感应子发电机故障模式及严酷度等级

[1] 雷蕾, 郑中祥, 刘梅林等. 变流机组运行状态转换直流电机励磁控制[J]. 舰船科学技术, 2004, 26(增刊): 65-70.

[2] 徐正喜, 孙瑜. 变流机组交流电机励磁系统控制研究[J]. 舰船工程, 2003, 25(5): 40-43.

[3] 贺慧英, 沈建清, 李红江. 变流机组在交直流混合供电系统中的仿真研究[J]. 系统仿真学报, 2007, 19(8): 1828-1882.

[4] 陈立志, 高嵬. 船用中频变流机组感应子发电机模型的研究与应用[J]. 船电技术, 2011, 31(12): 28-31.

[5] 王苗. 脉冲功率电源用储能式感应子发电机的研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2016

[6] 郑应荣. 系统级层次化测试性建模与分析[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2014.

[7] 石君友. 测试性设计分析与验证[M]. 北京: 国防工业出版社, 2015.

[8] 肖方. 直流电机在线监测与故障诊断的应用研究[D]. 武汉: 武汉科技大学, 2003.

[9] 赵薇. 航天用高压电源测试性设计分析与故障诊断[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2015.

Research on the Testability of a Certain Type of Warship Convertor Unit

Jiang Chaoli, Wu Xusheng, Gao Wei, Feng Jin

（Naval University of Engineering College of Electrical Engineering, Wuhan 430033, China）

TM46

A

1003-4862（2018）09-0044-05

2018-05-07

蒋超利（1993-），男，研究生。研究方向：测试性设计技术。Email: 502075389@qq.com