蔣超利，吳旭升，高 嵬，馮 進(jìn)

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某型艦船變流機(jī)組的測(cè)試性研究

蔣超利，吳旭升，高 嵬，馮 進(jìn)

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

本文根據(jù)測(cè)試性的相關(guān)原則對(duì)某型艦船中頻變流機(jī)組進(jìn)行了測(cè)試性設(shè)計(jì)，重點(diǎn)分析研究了中頻變流機(jī)組的結(jié)構(gòu)組成、故障模式及其影響。對(duì)變流機(jī)組進(jìn)行了測(cè)試性層次劃分和測(cè)試性指標(biāo)分配，確定了初步的測(cè)試信號(hào)和測(cè)試點(diǎn)，為變流機(jī)組測(cè)試性設(shè)計(jì)的后續(xù)工作打下基礎(chǔ)。

變流機(jī)組 測(cè)試性設(shè)計(jì) 層次劃分 測(cè)試性分配

0 引言

變流機(jī)組是艦船的重要組成部分，是確保艦船安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備之一。變流機(jī)組主要由感應(yīng)子發(fā)電機(jī)、直流電機(jī)和控制系統(tǒng)三部分組成。其中，感應(yīng)子發(fā)電機(jī)和直流電機(jī)共軸旋轉(zhuǎn)，在正常工況下，變流機(jī)組將單相交流電轉(zhuǎn)換為直流電，給直流負(fù)載供電的同時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電以?xún)?chǔ)存電能；在應(yīng)急工況下，將蓄電池中的直流電轉(zhuǎn)換為交流電供給交流負(fù)載，以確保艦船的安全穩(wěn)定運(yùn)行?？梢?jiàn)，變流機(jī)組在交直流混合供電系統(tǒng)中占有舉足輕重的地位，是重要的應(yīng)急電源設(shè)備，其可靠性與安全性對(duì)艦船的正常運(yùn)行有著至關(guān)重要的影響。

測(cè)試性是武器裝備“六性”之一，是系統(tǒng)或裝備本身的一種固有屬性。根據(jù)GJB2547《裝備測(cè)試性大綱》中的定義，測(cè)試性是指系統(tǒng)或設(shè)備能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地確定其狀態(tài)（可工作，不可工作或性能下降）并隔離其內(nèi)部故障的一種設(shè)計(jì)特性。按照測(cè)試方式和位置的不同，測(cè)試性技術(shù)主要可以分為外部自動(dòng)測(cè)試（ATS）和機(jī)內(nèi)測(cè)試（BIT）。外部自動(dòng)測(cè)試是指通過(guò)外部測(cè)試儀器、工具或設(shè)備對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)和隔離的測(cè)試；機(jī)內(nèi)測(cè)試又叫嵌入式測(cè)試，是指系統(tǒng)或設(shè)備能夠自己完成對(duì)系統(tǒng)、組件或功能模塊的狀態(tài)檢測(cè)、故障診斷以及性能測(cè)試，一般在裝備設(shè)計(jì)階段就應(yīng)當(dāng)考慮。本文由于是對(duì)現(xiàn)役裝備變流機(jī)組進(jìn)行測(cè)試性研究，主要采用外部自動(dòng)測(cè)試技術(shù)。

文獻(xiàn)[1,2]分別研究分析了變流機(jī)組在運(yùn)行狀態(tài)切換時(shí)直流電機(jī)和交流電機(jī)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)，分別提出了直流電機(jī)和交流電機(jī)的勵(lì)磁控制方案；文獻(xiàn)[3]建立了變流機(jī)組完整的數(shù)學(xué)模型，并用MATLAB仿真實(shí)現(xiàn)了變流機(jī)組在各種工況下的運(yùn)行特性，為變流機(jī)組的測(cè)試性設(shè)計(jì)打下了一定的基礎(chǔ)。目前，對(duì)艦船變流機(jī)組開(kāi)展測(cè)試性研究的單位相對(duì)較少，對(duì)變流機(jī)組的測(cè)試性研究處于起步階段。針對(duì)上述現(xiàn)狀，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)變流機(jī)組進(jìn)行了故障模式及其影響分析及測(cè)試性層次劃分研究，重點(diǎn)闡述了現(xiàn)場(chǎng)可更換單元的劃分準(zhǔn)則和步驟，為后續(xù)變流機(jī)組的測(cè)試性指標(biāo)分配研究提供一定的參考價(jià)值。

1 變流機(jī)組的結(jié)構(gòu)

變流機(jī)組主要由感應(yīng)子發(fā)電機(jī)、直流電機(jī)和控制系統(tǒng)三部分組成[4]。其中，感應(yīng)子發(fā)電機(jī)和直流電機(jī)共軸運(yùn)行，感應(yīng)子發(fā)電機(jī)與交流電網(wǎng)及交流負(fù)載相連，直流電機(jī)與直流電網(wǎng)及直流負(fù)載相連，通過(guò)變流機(jī)組控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，確保機(jī)組在任何工況及工況切換過(guò)程中安全穩(wěn)定地運(yùn)行。感應(yīng)子發(fā)電機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子組成，勵(lì)磁繞組環(huán)繞著轉(zhuǎn)子軸承位于定子上，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組，而是做成齒狀，由整塊鋼鍛造而成。根據(jù)轉(zhuǎn)子同一段鐵芯上各齒極性的差異，可將感應(yīng)子發(fā)電機(jī)分為單極式與多極式感應(yīng)子發(fā)電機(jī)[5]?？刂葡到y(tǒng)主要包括起動(dòng)器、頻率控制系統(tǒng)和電壓控制系統(tǒng)三部分。頻率控制系統(tǒng)包括工作電源、頻率采樣電路、脈寬調(diào)制電路、晶體管驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路五個(gè)部分。電壓控制系統(tǒng)包括電源電路、脈寬調(diào)制回路、晶體管驅(qū)動(dòng)電路和勵(lì)磁主回路四個(gè)部分。直流電機(jī)為常規(guī)四極驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在此不做過(guò)多論述。變流機(jī)組總體結(jié)如圖1所示。

2 變流機(jī)組的測(cè)試性層次劃分

系統(tǒng)層次劃分是測(cè)試性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，尤其是外場(chǎng)可更換單元（LRU）的規(guī)劃，直接影響到不同維修體制下武器裝備故障診斷與隔離的最小單元，是確保測(cè)試性設(shè)計(jì)正確性與有效性的關(guān)鍵。當(dāng)前，我國(guó)裝備維修體制采用基層級(jí)、中繼級(jí)和基地級(jí)三級(jí)維修體制。對(duì)于艦船裝備來(lái)說(shuō)，提出了艦員級(jí)維修的概念，實(shí)際上等同于三級(jí)維修體制下的基層級(jí)。為了提高維修工作效率，保障裝備的安全性和戰(zhàn)備完好性，將系統(tǒng)劃分為三個(gè)層次，分別對(duì)應(yīng)三級(jí)維修等級(jí)，從高到低依次是外場(chǎng)可更換單元、內(nèi)場(chǎng)可更換單元（SRU）和內(nèi)場(chǎng)可更換子部件（SSRU）。因此復(fù)雜裝備系統(tǒng)在進(jìn)行測(cè)試性設(shè)計(jì)和故障診斷過(guò)程中，一般將系統(tǒng)劃分為“系統(tǒng)—分系統(tǒng)—機(jī)組—LRU—SRU—SSRU”六個(gè)等級(jí)。裝備三級(jí)維修體制如圖2所示。

圖2 三級(jí)維修體制示意圖

2.1 測(cè)試性分配的基本原則

為了確保測(cè)試性層次劃分的合理性，保證各級(jí)維修的順利進(jìn)行，系統(tǒng)層次劃分應(yīng)遵循如下幾點(diǎn)原則。

1）應(yīng)采用自頂向下的原則進(jìn)行層次劃分；

2）應(yīng)適應(yīng)故障診斷分析的要求；

3）各層級(jí)應(yīng)根據(jù)功能和結(jié)構(gòu)特性分別定義故障模式；

4）應(yīng)符合系統(tǒng)各部分功能結(jié)構(gòu)之間的邏輯關(guān)系。

根據(jù)上述測(cè)試性層次劃分原則，對(duì)變流機(jī)組進(jìn)行測(cè)試性設(shè)計(jì)，不僅可以滿(mǎn)足不同維修等級(jí)對(duì)故障定位的精度，而且可以降低測(cè)試維修規(guī)模，減少維修時(shí)間和成本，提高診斷效率，最大程度地保障裝備系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.2 LRU規(guī)劃設(shè)計(jì)

在艦員級(jí)維修時(shí)，由于測(cè)試技術(shù)和測(cè)試條件受到限制，很難降故障定位到SRU和SSRU層級(jí)，只需將故障模式定位或隔離到LRU即可。然后利用備用的LRU模塊替換相應(yīng)的故障LRU即可完成艦員級(jí)維修。如何對(duì)變流機(jī)組進(jìn)行準(zhǔn)確的LRU劃分，這對(duì)于執(zhí)行遠(yuǎn)海航行的艦船具有重大的研究意義和研究需求。

在對(duì)LRU進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮許多因素，主要包括測(cè)試性因素、可靠性因素、維修性因素、保障性因素以及安全性因素等。為了使LRU規(guī)劃分析評(píng)價(jià)的范圍更加全面，操作更加簡(jiǎn)便，圍繞著現(xiàn)場(chǎng)維修工作，將性能和綜合因素分成與現(xiàn)場(chǎng)維修關(guān)系最大的幾個(gè)方面，包括供應(yīng)保障因素、現(xiàn)場(chǎng)診斷因素、現(xiàn)場(chǎng)更換和其他處理因素等。在每一個(gè)大方面影響因素下面展開(kāi)一系列子因素，構(gòu)成了LRU規(guī)劃設(shè)計(jì)綜合因素體系的層次結(jié)構(gòu)。

根據(jù)LRU規(guī)劃設(shè)計(jì)綜合影響因素，可以初步確定系統(tǒng)的LRU層次劃分，對(duì)劃分的LRU進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體準(zhǔn)則如表1所示。

2.3 變流機(jī)組的系統(tǒng)層次劃分

變流機(jī)組主要應(yīng)用于艦船裝備，其維修等級(jí)一般為艦員級(jí)，故障定位到外場(chǎng)可更換單元即可，根據(jù)前面所述系統(tǒng)層次劃分的原則及LRU規(guī)劃設(shè)計(jì)方法，本文將變流機(jī)組劃分為“系統(tǒng)—分系統(tǒng)—LRU”3個(gè)層次，其中分系統(tǒng)層級(jí)包括感應(yīng)子發(fā)電機(jī)模塊、直流電機(jī)模塊、控制系統(tǒng)模塊，各分系統(tǒng)又由若干LRU組成。變流機(jī)組系統(tǒng)層次劃分至LRU級(jí)的結(jié)果如圖3所示。

表1 LRU定性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

圖3 變流機(jī)組系統(tǒng)層次劃分

對(duì)各LRU各影響因素進(jìn)行規(guī)劃評(píng)價(jià)，其分析結(jié)果說(shuō)明了以上LRU劃分較為合理。

3 變流機(jī)組測(cè)試性分配

測(cè)試性分配是指通過(guò)協(xié)調(diào)分配各層次測(cè)試性指標(biāo)以滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。同時(shí)也是測(cè)試性設(shè)計(jì)驗(yàn)收的依據(jù)。常見(jiàn)的測(cè)試性指標(biāo)有故障檢測(cè)率（FDR）、故障隔離率（FIR）和虛警率等，具體如圖4所示。

圖4 測(cè)試性指標(biāo)分類(lèi)

系統(tǒng)級(jí)BIT虛警率一般要求在5%以下，可采用等值分配法進(jìn)行分配，即各組成部分的虛警率和整個(gè)變流機(jī)組的虛警率相同。故障檢測(cè)時(shí)間和故障隔離時(shí)間一般在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維修性設(shè)計(jì)時(shí)考慮，故本文重點(diǎn)對(duì)故障檢測(cè)率和故障隔離率進(jìn)行測(cè)試性指標(biāo)分配。

3.1 測(cè)試性分配方法

常見(jiàn)的測(cè)試性分配方法有：故障率分配法、加權(quán)分配法、綜合加權(quán)分配法、優(yōu)化分配法和層次分析法等。本文將采用基于故障率分配方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

故障率分配法是根據(jù)系統(tǒng)總的測(cè)試性指標(biāo)要求完全按組成部分（分系統(tǒng)、子系統(tǒng)或設(shè)備）的故障率進(jìn)行分配，以便保證故障率高的組成部分分配到較高的測(cè)試性指標(biāo)，故障率低的組成部分分配到較低的測(cè)試性指標(biāo)。具體分配方法和步驟如下：

1）畫(huà)出系統(tǒng)功能層次圖，說(shuō)明系統(tǒng)指標(biāo)分配的產(chǎn)品層次。

2）分析各層次產(chǎn)品的組成單元特性，取得故障率數(shù)據(jù)和系統(tǒng)要求指標(biāo)。

3）用下面數(shù)學(xué)模型計(jì)算各組成單元的FDR和FIR分配值：

4）確定各組成單元的分配值。測(cè)試性指標(biāo)一般為兩位百分?jǐn)?shù)，而計(jì)算的分配值多為小數(shù)，所以應(yīng)將第三位小數(shù)進(jìn)位，取兩位即可。

一般來(lái)說(shuō)，艦船系統(tǒng)故障檢測(cè)率指標(biāo)不小于80%，故障隔離率（隔離到分系統(tǒng)級(jí)）指標(biāo)不小于70%。本文采用基于故障率分配方法，結(jié)合各系統(tǒng)故障率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，自生而下，得到變流機(jī)組的測(cè)試性分配的結(jié)果如表2所示。

4 故障模式及其影響分析

根據(jù)GJB1391-92《故障模式、影響及危害性分析程序》，故障嚴(yán)酷度可分為：

1）Ⅰ類(lèi)(災(zāi)難的)—這是一種會(huì)引起人員死亡或系統(tǒng)毀壞的故障；

2）Ⅱ類(lèi)(致命的)—這種故障會(huì)引起人員的嚴(yán)重傷害、重大經(jīng)濟(jì)損失或?qū)е氯蝿?wù)失敗的系統(tǒng)嚴(yán)重?fù)p壞；

3）Ⅲ類(lèi)(臨界的)—這種故障會(huì)引起人員的輕度傷害、一定的經(jīng)濟(jì)損失或?qū)е氯蝿?wù)延誤或降級(jí)的系統(tǒng)輕度損壞；

4）Ⅳ類(lèi)(輕度的)—這是一種不足以導(dǎo)致人員傷害、一定的經(jīng)濟(jì)損失或系統(tǒng)損壞的故障，但它會(huì)導(dǎo)致非計(jì)劃性維護(hù)或修理。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，赴現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研收集艦船變流機(jī)組典型故障模式相關(guān)數(shù)據(jù)信息，按照故障嚴(yán)酷度的劃分準(zhǔn)則，將典型故障模式及其嚴(yán)酷等級(jí)統(tǒng)計(jì)如表3、表4、表5所示。

表2 變流機(jī)組測(cè)試性分配

表3 直流電機(jī)故障模式及嚴(yán)酷度等級(jí)

表4 控制系統(tǒng)故障故障模式及嚴(yán)酷度等級(jí)

5 測(cè)試性方案設(shè)計(jì)

綜合上述研究結(jié)果，可以初步確定艦船變流機(jī)組的測(cè)試信號(hào)類(lèi)型和測(cè)試點(diǎn)，得到系統(tǒng)的初步測(cè)試方案，具體測(cè)試性設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1）監(jiān)測(cè)的非電量參數(shù)有：軸承溫度、風(fēng)溫、電機(jī)內(nèi)部氣隙溫度、定子溫度、轉(zhuǎn)子溫度、勵(lì)磁變壓器溫度、電機(jī)內(nèi)部濕度、以及軸承的振動(dòng)等。

2）監(jiān)測(cè)的電量參數(shù)有：感應(yīng)子發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓頻率、直流電機(jī)電壓幅值、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流、功率因素、二極管和晶體管兩端電壓和流過(guò)的電流等。

通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)被測(cè)信號(hào)的波形走勢(shì)，可以初步實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)狀態(tài)的故障預(yù)測(cè)，將大大提高變流機(jī)組的故障診斷和維修效率，增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性和可靠性。

本文研究了變流機(jī)組的測(cè)試性，得到了變流機(jī)組初步的測(cè)試方案，為下一步的測(cè)試性建模和測(cè)試性驗(yàn)證研究打下了一定的基礎(chǔ)。

表5 感應(yīng)子發(fā)電機(jī)故障模式及嚴(yán)酷度等級(jí)

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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

蔣超利（1993-），男，研究生。研究方向：測(cè)試性設(shè)計(jì)技術(shù)。Email: 502075389@qq.com