Viking 35转速控制器故障原因分析

2022-03-16李安康单纯正

上海船舶运输科学研究所学报 2022年1期

尚丹，李安康，单纯正, 郭晶

(1.海装驻上海地区第四军事代表室，上海 201108; 2.上海船用柴油机研究所，上海 201108)

0 引言

Viking 35转速控制器使用的控制板是与主机调速执行器配套的控制板，因具有动作灵敏、响应速度快和动静态精度高等特点而在中速柴油机上得到广泛使用。该转速控制器是由海茵茨曼公司旗下的欧罗巴公司生产的，国内船舶领域使用该转速控制器的时间较短，目前仅对其控制原理、操作使用说明和使用维护等内容有一定的研究，很少对其使用环境条件进行分析。本文结合某舰船主推进监控系统中的Viking 35转速控制器在正常使用过程中存在的无主控电流输出故障，对可能引发该故障的原因进行分析，并通过试验了解该控制器的工作边界，进一步掌握其使用环境条件，为后续该类型控制器的使用和类似故障的排查提供参考。

图1 Viking 35转速控制器外形图

1 Viking 35转速控制器概述

Viking 35转速控制器是一种集发动机安全保护、报警、转速调节和启停控制等功能于一体的转速控制器，不仅能大大简化整机控制系统，而且能保持各功能的独立性，保证系统安全运行。Viking 35转速控制器外形图见图1。

该转速控制器配备有一款专用的调试软件，用户可通过通信线连接实时监测其运行状态，同时能实现对部分配置参数的修改。

2 Viking 35转速控制器故障及其产生原因分析

某舰船正常航行过程中，其左柴油机的转速突然从531 r/min降至280 r/min，此时在驾驶室内通过遥控控制对该柴油机的转速进行调节，无效。在此情况下，操作人员将操作部位由驾驶室转至机旁，在机旁进行停车操作，并再次启动柴油机，此时柴油机的转速仍为后备转速。经现场检查发现，该问题是机旁控制台内部的Viking 35转速控制器存在无主控电流输出故障导致的。

为找到导致该转速控制器发生无主控电流输出故障的原因，将其与执行机构相连接，安装于试验台架上进行功能测试(见图2)，结果发现该转速控制器无主控电流输出。将该转速控制器拆开之后进行初步检测，结果发现线路板上FS11保险丝已烧毁；更换保险丝之后，该转速控制器的主控电流输出正常。通过查询转速控制器用户手册发现，FS11保险丝为设置在主控电流驱动回路上的保险丝(见图3)，保险丝烧毁会导致转速控制器无主控电流输出，调速功能失效。

图2 台架测试

图3 保险丝熔断实况

针对FS11保险丝烧毁的情况，通过与生产厂家进行讨论和初步分析，梳理可能引发该故障的原因如下：

1) 环境温度过高导致器件失效；

2) 主控输出线路对地导致回路电流增大；

3) 主控输出线路短路导致回路电流增大；

4) 外部线路干扰。

3 故障排查和故障定位

3.1 故障排查

针对上述可能导致FS11保险丝烧毁的原因开展台架模拟试验，对故障进行排查。

3.1.1 环境温度试验

在多艘实船上采用点温计对转速控制器所处的机舱环境进行温度检测。转速控制器安装于主机舱机旁控制台内部，待其稳定运行之后，实测壳体温度不超过52 ℃。

在实验室将一台全新的Viking 35转速控制器放入温度试验箱(见图4)，所有线路都与测试台设备相连接，温度设定为55 ℃(参照GJB 150A—2009低温试验要求)，通电运行12 h之后，保险丝未烧毁。通过调试软件强制输出主控电流，测试各项功能正常。随后将温度升至70 ℃，保温2 h之后进行功能测试，转速控制器功能正常。由此，排除实船环境温度较高导致设备发生故障。

图4 环境温度试验箱

3.1.2 主控电流输出线路短路试验

将Viking 35转速控制器与试验台架上的执行器(见图5)相连接，对照执行器内部接线图(见图6)，用示波器接入主控电流回路，此时将执行器端子A端与C端短接，通过示波器测得主控电流稳定，转速控制器未出现故障代码，功能正常。由于未出现保险丝熔断现象，因此排除主控电流输出线路短路导致设备发生故障。

图5 试验台架上的执行器

图6 执行器内部接线图

3.1.3 主控电流输出线路接地试验

将执行器端子A端与C端分别接地，通过示波器测得主控电流出现瞬时尖峰之后恢复稳定，测试转速控制器功能正常。由于未出现保险丝熔断现象，因此排除主控电流输出线路接地导致设备发生故障。

3.1.4 外部线路干扰

部分电路原理图见图7。由该电路原理图和MC56F8014芯片手册可知，C518为MC56F8014芯片的基准电源旁路电容，通过该电容和芯片内部电路，可将芯片的供电电源VCC转为芯片内核需使用的基准电源(2.5 V)。在C518两端阻抗变小甚至被击穿的情况下，VCC对地的阻抗会变小甚至发生短路，VCC回路电流会变大，保险丝FS13可能会熔断。由于VCC是由VDD产生的，因此VDD回路的电流会变大，保险丝FS11可能会熔断。

对该故障模块进行故障检测，结果发现存在故障的转速控制模块除了保险丝FS11熔断以外，电路板上C518电容两端阻抗也不正常，测量值为330 Ω(正常值为40 kΩ左右)。此时通电测得保险丝FS11回路电流为97 mA(正常值为80 mA左右)，保险丝FS13回路电流为75 mA(正常值为60 mA左右)，随着通电时间的增加，故障设备线路板上保险丝FS13和FS11回路电流不断增大，直至保险丝FS11熔断。

由此可知，电容C518加速失效，阻抗变小引起保险丝FS11和FS13回路电流增大，最终导致保险丝FS11熔断，该电容在电路板上的位置见图8。

更换电容C518，由于该电容发生故障可能会影响集成电路IC1，故也对IC1芯片进行更换，更换之后通电测得保险丝FS11和FS13回路电流分别为77 mA和61 mA，电流恢复正常。经测试，更换器件之后台架试验设备工作正常。

a) 电路原理图1

图8 故障器件图

3.2 故障定位

针对C518电容加速失效的原因，根据电容失效的机理，分别从介质击穿、介质材料(因环境、温度等)改变和介质损坏等3个方面进行检查分析，这些因素均被排除。最后分析得出可能的原因是电容过压。

根据电容上标注的信息，该电容的耐压范围为20 V。根据线路板原理，该电容正常工作时，其两端电压不超过3.3 V，但当线路板电源输入信号受到尖峰干扰时，尖峰电压可传导至电容两端，导致电容承受超过其耐压范围的电压，引起电容加速失效或被击穿。仅有该因素存在导致电容失效的可能性，下面继续对线路板的工作机理进行分析。

从图7中可看出，VDD是由24 V输入电源通过LDO芯片TL431产生的，其中芯片TL431可通过不同电阻配比将输入范围小于36 V的电压转为需要的电压。由于电路原理设计中并不存在电气隔离，因此当24 V电源受其他因素影响产生干扰尖峰等异常信号时，该信号会传递到VDD上，使VDD电源也受到相应影响。另外，从原理上可看出，保险丝FS11是用来保护VDD电源回路的。当VDD电源回路出现短路和对地阻抗变小等情况时，VDD回路上的电流会迅速增大，当电流超过保险丝FS11的熔断阈值时，保险丝 FS11会熔断。

从图7中可看出，VDD通过TL431转换成VCC。通过分析可知，当24 V电源受到影响时，VCC也会受到影响。保险丝FS13用于保护VCC电源回路，其保护机制与VDD类似。

上述分析与厂家出具的检测报告中的测试结果一致，即当电容加速失效，阻抗变小或完全被击穿之后，VCC和VDD回路经过保险丝FS11和FS13回路的电流会增大，当电流大于保险丝熔断值之后，保险丝会熔断。

根据电路原理图，当24 V电源受到外部干扰产生尖峰信号时，VCC同样会产生尖峰信号。旁路电容C518是由VCC供电的，该电容的耐压等级为20 V，当VCC上的尖峰信号电压超过C518的耐压等级时，可能会使C518遭到破坏，导致其加速失效，甚至被击穿。因此，当外部24 V电源受到干扰，通过耦合干扰或传导输入产生尖峰电压时，会导致C518承受超过其耐压等级的电压，进而加速失效或损坏。由此可知，电容C518失效主要是DC 24 V电源输入干扰导致的。

通过对线路板的工作机理进行分析可确认外部电源干扰致使电容超压为导致电容失效的主要原因。

4 问题复现和解决方法分析

根据上述分析，电容C518失效导致转速控制器保险丝熔断，进而引发故障。因此，在试验台架上进行故障复现测试，在电容C518两端并接一台滑动变阻器，模拟电容失效时电容两端阻抗变小的情况，测得电容两端阻抗数值和保险丝回路电流数据见表1。

表1 试验数据记录

图9 测试环境

由表1可知：当电阻箱阻值低于10 Ω之后，保险丝FS11回路电流达到265 mA(大于保险丝的熔断值250 mA)，保险丝FS13回路电流达到244 mA(接近保险丝的熔断值250 mA)；持续数秒之后，保险丝FS11熔断，保险丝FS13未熔断。测试环境见图9。

根据上述试验和分析结果，引发调速故障的原因是转速控制器上电容C518因电源输入尖峰干扰而失效，导致转速控制器保险丝熔断。

该转速控制器安装在主机机旁控制台上，主机机旁控制台由推进监控系统电源柜提供DC 24 V电源，通过电源柜内的开关电源将AC 220 V船电转换为DC 24 V电源输出，可过滤AC 220 V电源波动带来的干扰，但电源柜输出的DC 24 V电源除了给转速控制器供电以外，还为机旁控制台内的其他设备供电，同时为增压器转速分配器等系统外设备供电，不排除其他设备启动或运行对电源品质产生干扰。因此，结合原理和机理分析，首先更换原有故障转速控制器，其次在实船机旁控制台上增设DC/DC 24 V隔离电源，将电源柜送至机旁控制台的DC 24 V电源经隔离电源隔离后接至Viking 35转速控制器电源输入端，使得外部电缆或其他用电设备产生的干扰不会传导至转速控制器电源输入端。