某輪充放電板裝置改進實例

摘 要：充放電板裝置，主要用于船舶蓄電池組的充放電轉(zhuǎn)換，對24 V蓄電池組的充放電監(jiān)測，并對由蓄電池組供電的電壓電路以及臨時應(yīng)急照明進行分配控制，因此充放電板的電力配置系統(tǒng)的正常工作，對船舶的安全具有重要意義。作者結(jié)合某輪充放電板時間繼電器頻繁發(fā)生故障的處理過程，依據(jù)其電路設(shè)計，提出改進性處理方案，并通過實際驗證，證明了方案的可行性，對船舶機電設(shè)備管理具有一定程度的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：時間繼電器；電壓；電流；晶體管；二極管；壓敏電阻；RC

1 設(shè)備概況

某12 000 kW大型遠洋救助船充放電板裝置，采用單片微機控制技術(shù)，實時監(jiān)控蓄電池組電壓變化，具有均充、浮充、過載、短路保護功能。該充放電板系統(tǒng)主要由供電模塊CH1-3（SIEMENS 6EP1437-3BA10 3×400-500AC /24DC/40A）、日用充電模塊CH3-4（PHOENIX TRI0-PS-3×400-500AC/24-26DC/40A）、自耦變壓器TC1、充放電控制器、絕緣測試部分及按鈕指示燈和儀表等組成。裝置配電負載采用3路DC/DC隔離電源輸出，設(shè)旁通開關(guān)，DC/DC隔離電源壞掉時短接用。每路DC/DC隔離電源額定電流40A，輸出電壓可微調(diào)，絕緣表可對輸入、輸出端測絕緣，可設(shè)轉(zhuǎn)換開關(guān)來控制。充電過程進行實時控制，工作穩(wěn)定、可靠。充電器采用變壓器硅整流，再通過DC/DC變換模塊進行充電的形式。DC/DC變換模塊輸出電壓受控制板控制，控制板通過檢測蓄電池組電壓的變化，控制變換模塊，蓄電池組電壓低于設(shè)定值，開始充電，電壓到達設(shè)定值，停止充電。通過監(jiān)控電壓的大小變化，有效保護蓄電池組和控制電路，延長整個充放電板的使用壽命，如圖1所示。

2 故障現(xiàn)象

某日，該救助船靠泊待命，由船電供電換為岸電供電。換電完成后，機艙監(jiān)測報警裝置顯示，充放電板主電源輸入故障。現(xiàn)場核查后發(fā)現(xiàn)，上圖時間繼電器KT1電源指示燈熄滅，萬用表測量其延時觸頭，處于斷開狀態(tài)，判斷該時間繼電器損壞。更換同型號時間繼電器后，報警消除，充放電板恢復(fù)正常使用。數(shù)日后，在岸電轉(zhuǎn)換船電操作程序后，該時間繼電器重復(fù)出現(xiàn)了損壞故障。同樣的故障重復(fù)出現(xiàn)，筆者開始重視這個問題，查閱該設(shè)備的維修保養(yǎng)記錄，發(fā)現(xiàn)該輪幾年的時間內(nèi)，該時間繼電器曾經(jīng)出現(xiàn)了多次損壞的記錄，并且都是在船舶換電過程中出現(xiàn)的。

3 故障分析

時間繼電器KT1損壞，是導(dǎo)致充放電板故障的直接原因，其故障處理相對簡單。鑒于該時間繼電器反復(fù)出現(xiàn)損壞的現(xiàn)象，筆者對該時間繼電器的損壞原因進行了細致的分析研究。一般電子元器件的損壞原因，除本身內(nèi)部組件問題外，還因電路環(huán)境導(dǎo)致。依據(jù)故障判斷先易后難，由簡至繁的原則，筆者圍繞這兩個方面，對其損壞的原因進行了驗證分析。

3.1 時間繼電器自身問題排查

為排查時間繼電器損壞的原因，筆者對換下的時間繼電器進行解體，內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2。該時間繼電器由晶體管、電容、電阻、二極管等多種電子元器件組成4個典型電路，分別是整流電路、信號比較放大電路、觸發(fā)電路、執(zhí)行電路。其延時原理是利用晶體管的開關(guān)作用，對電容進行充、放電，從而實現(xiàn)延時效果。即當(dāng)觸發(fā)信號輸入時，晶體管導(dǎo)通，電容開始充電，當(dāng)電容達到電位計的設(shè)定值時，電容充電停止，晶體管截止，電容觸發(fā)執(zhí)行電路（圖1中的電磁繼電器）的吸合或斷開。依據(jù)其工作原理結(jié)合損壞時電源指示燈處于熄滅狀態(tài)的故障現(xiàn)象，筆者對其整流電路的電子元件進行故障排查。筆者對4個二極管進行了測量，測量結(jié)果顯示2個橋臂的二極管已經(jīng)被擊穿，這也是故障時電源指示燈處于熄滅狀態(tài)的直接原因，整流電路失效后，時間繼電器就無法正常工作，后續(xù)的具體原理不再展開贅述，針對整流二極管被擊穿的可能性原因，筆者對時間繼電器的工作電路設(shè)計進行了分析研究。

3.2 時間繼電器工作電路設(shè)計分析

由圖1可知該時間繼電器的作用是通電延時，其整個使用周期都是處于長期得電狀態(tài)，其延時作用僅在設(shè)備投入使用初期或斷電、恢復(fù)供電過程中體現(xiàn)，從延時功能角度上講，可認為是短時工作制。電子元器件在整個使用周期中，隨著自身功耗的影響，其工作性能會逐漸降低，尤其是長期得電的電子元件，自身功耗的影響對其使用壽命及工作穩(wěn)定性的影響更大，因此整流電路中二極管損壞原因之一是其自身工作穩(wěn)定性下降導(dǎo)致。由于該輪任務(wù)的特殊性，換電操作相對其他類型船舶較為頻繁，該時間繼電器的電路設(shè)計，是否適用該輪頻繁換電操作場景，筆者對其工作電路進行了分析研究。該延時繼電器KT1電源與主接觸器KM1線圈、中間繼電器K1線圈、以及變壓器TC1的線圈原邊并聯(lián)在一起，這些都是感性負載。感性負載的能耗相對阻性、容性負載較高，因此回路電流，在正常的控制電路中是偏高的。在船舶進行換電操作時，主配電板AC380失電、供電過程中，接觸器KM1線圈、中間繼電器線圈、以及變壓器的原邊線圈都會產(chǎn)生自感電動勢。其大小為：eL=L*di/dt.其中：L是線圈電感量，di/dt是電流變化率。由于線圈是瞬時斷電的，dt值極小，導(dǎo)致di/dt值極大，所以自感電動勢值相對較大，其產(chǎn)生的瞬間電壓會對電子元件有沖擊作用，因此在該電路中筆者認為自感電動勢是一種有害電勢。但在該電路設(shè)計中，并未裝設(shè)消除有害電勢的裝置，這勢必會對該電路中的電子元件形成沖擊。雖然時間繼電器整流電路中的MPB電容，具有阻容降壓作用，可減少對后端電路中電子元件的電壓沖擊，但是頻繁的換電操作，就會導(dǎo)致MPB電容的工作性能會有一定程度的下降，隨著時間、操作頻率的累積，其保護作用也逐漸降低，這也是二極管損壞的原因。

綜上所述，造成二極管損壞的主要原因是該時間繼電器的工作電路缺少消除自感電動勢的裝置，即圖1電路設(shè)計并不滿足該輪日常使用需求，因此筆者立足本船實際環(huán)境，針對消除因電路的瞬時斷電、通電而產(chǎn)生的自感電動勢帶來的不良影響，對該時間繼電器的工作電路，提出改進設(shè)想，以延長電氣元件的使用壽命，提高設(shè)備的工作可靠性。

4 改進設(shè)想

消除因電路的瞬時斷電、通電而產(chǎn)生的自感電動勢帶來的不良影響方法眾多，在船舶有限條件下，采用低成本，相對功效良好的方法，對于輪機管理者來講，應(yīng)是方案審定的前提。針對該船的實際情況，筆者提出了2種方案。

4.1電阻分壓法

在時間繼電器的工作電源輸入端并聯(lián)電阻，利用電阻分壓、限流的原理，降低工作回路電流，降低電流變化率，使時間繼電器電源輸入端的自感電動勢下降。此種方案，優(yōu)點是成本低，缺點是電阻長時間工作發(fā)熱量高，對電路的不利影響較大。為規(guī)避這一缺點，因此采用壓敏電阻。壓敏電阻是一種具有非線性伏安特性的電阻器件，主要用于在電路中提供過電壓保護。其基本原理是當(dāng)加在壓敏電阻兩端的電壓低于其閾值電壓時，它的電阻值非常高，相當(dāng)于一個斷開的開關(guān)，而當(dāng)電壓超過閾值時，電阻值急劇下降，相當(dāng)于一個閉合的開關(guān)，從而將電壓鉗位在一個相對固定的水平，保護后續(xù)電路免受過高電壓的損害。充分利用壓敏電阻抑制電路中的瞬態(tài)電壓尖峰抑制特性，可實現(xiàn)對電感性負載斷開時產(chǎn)生的尖峰抑制。但是壓敏電阻在過電壓的情況下，會被擊穿，需考慮其標(biāo)稱電壓、壓敏電壓、漏電流和寄生電容等參數(shù)，在該電路上的改進上，壓敏電阻的選擇，需要嚴謹細致的計算。

4.2 RC阻容吸收

在電路中，電阻的作用主要是阻礙電流的變化，上述方案主要是利用電阻的限流特性，來實現(xiàn)分壓，將電路中產(chǎn)生的自感電動勢，轉(zhuǎn)換為熱能，從而降低對電子元件的影響，該方案的特性主要是限制過流。根據(jù)電容的儲能特性，即當(dāng)電路中出現(xiàn)瞬態(tài)過電壓時，電容會迅速充電以吸收這部分能量，從而保護電路中的其他元件。理論上采用電容是理想的選擇，但電容的充電速度，會對電容造成不利影響，因此在電路中并聯(lián)電阻來限制電容的充電速度，防止過大的電流沖擊，以保護電容，這就是典型的RC阻容吸收裝置，是交流電路的主要阻尼手段。此做法主要用于消除感性負載在失電、得電時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，抑制由此產(chǎn)生的各種干擾，保護驅(qū)動部件或觸點不受損害，保護設(shè)備長期穩(wěn)定工作。根據(jù)本船充電電板的電路設(shè)計特點，結(jié)合該船舶的使用特點，筆者認為將RC阻容吸收裝置和壓敏電阻并聯(lián)使用是比較理想的。

5 解決方案

筆者通過物料采購商購得RC+MOV 380電子滅弧器2只，其帶有RC阻容吸收裝置和MOV壓敏電阻，設(shè)想利用電阻的限流，電容的儲能特性，來該進電路的設(shè)計，電路改進如圖3所示。

改進后，著重對該時間繼電器的工作狀態(tài)進行關(guān)注，發(fā)現(xiàn)在數(shù)月內(nèi)并未出現(xiàn)類似故障現(xiàn)象，初步驗證該改進方案具有實際成效。

6 結(jié) 語

充放電板的故障判斷相對簡單，但是究其問題根源的探索，筆者耗時相對較長。作為輪機管理人員，能夠依據(jù)故障現(xiàn)象，迅速判斷故障原因，保證設(shè)備正常運轉(zhuǎn)是必備技能，但在分析問題時，要追根溯源，通過現(xiàn)象看本質(zhì)，充分利用輪機知識儲備，實現(xiàn)船舶設(shè)備的精細化管理，這對船舶的營運成本控制及輪機管理人員的培養(yǎng)，具有一定的實踐意義。