1.引言

  直流電路(指電感及其驅(qū)動(dòng)元件組成的局部電路是直流的)中,電感元件中的電流突變會(huì)產(chǎn)生自感反向電勢(shì)。若此自感電勢(shì)過(guò)高,會(huì)危害電路尤其是驅(qū)動(dòng)該電感的元件。在電感兩端并聯(lián)一個(gè)二極管快速消除此自感電勢(shì),就不會(huì)燒壞驅(qū)動(dòng)該電感的元件。通常并聯(lián)在電感兩端的這種二極管稱為續(xù)流二極管(FWD)。

  續(xù)流二極管的型號(hào),必須選擇導(dǎo)通電壓低并能快速導(dǎo)通的二極管(例如肖特基二極管導(dǎo)通電壓一般0.3V,而普通二極管高于0.7V);脈沖頻率較高的直流電路中最好選用快恢復(fù)二極管。

  續(xù)流二極管的功率, 要能保證不被反電勢(shì)所產(chǎn)生的電流損壞:

  ·驅(qū)動(dòng)器件為晶體三極管、集成電路或繼電器觸頭, 可選用小功率續(xù)流二極管同時(shí)在續(xù)流回路中串接限流電阻減少續(xù)流電流。

  ·驅(qū)動(dòng)器件為單向可控硅,續(xù)流二極管功率要大,續(xù)流回路中絕不能串聯(lián)電阻。因?yàn)槔m(xù)流二極管的作用是確保流過(guò)單向可控硅的電流小于其維持電流使單向可控硅能處于可控狀態(tài), 所以續(xù)流二極管必須迅速短接線圈的反向電勢(shì)以減小電感兩端電勢(shì)差。若串接限流電阻,將延緩電感兩端電勢(shì)差降低,破壞單向可控硅的截止條件。

  ·相對(duì)于電感兩端的直流電壓, 續(xù)流二極管只在電感產(chǎn)生反向電勢(shì)時(shí)才導(dǎo)通,所以其極性總是反接的。

 

  2. 電感并聯(lián)續(xù)流二極管避免某些故障

  例如某輪應(yīng)急發(fā)電機(jī)組經(jīng)常不能自動(dòng)起動(dòng)。

  觀察發(fā)現(xiàn), 柴油機(jī)控制總油門因電磁鐵失控而常處于關(guān)閉狀態(tài)。電磁鐵控制電路如圖1所示。

 

  檢查見(jiàn)電磁鐵線圈正常, 但控制電磁鐵線圈L的自啟動(dòng)故障停機(jī)繼電器J12的常開(kāi)觸頭被燒死。更換24V直流繼電器J12后故障排除, 但起動(dòng)幾次后故障又重復(fù)出現(xiàn)。

  為什么常開(kāi)觸頭被燒死呢?因?yàn)殡姶盆F線圈L受該觸頭控制, 當(dāng)其斷電時(shí)產(chǎn)生的自感電勢(shì)與電源電壓相加,常開(kāi)觸頭J12的動(dòng)、靜觸頭之間電流過(guò)大,燒蝕或燒粘觸頭。

  為消除故障原因, 適當(dāng)改進(jìn)電路見(jiàn)圖1。

  在電磁鐵線圈L兩端并接一個(gè)續(xù)流二極管與限流電阻組成的放電電路, 此后再無(wú)此類故障發(fā)生。

 

  3. 續(xù)流二極管引起故障的分析

  續(xù)流二極管引起的故障時(shí)有發(fā)生。但不少人認(rèn)為續(xù)流二極管只是保護(hù)電感不會(huì)導(dǎo)致故障, 排除故障時(shí)因忽視續(xù)流二極管而走彎路甚至不能走出困境。

本文分析船舶電氣設(shè)備常遇到的續(xù)流二極管引發(fā)的幾種故障,意在提醒留心續(xù)流二極管的存在,希望掌握續(xù)流二極管所引發(fā)故障的特征, 從而快速、準(zhǔn)確判斷、提高工作效率，確保安全。

  (1)續(xù)流二極管接線松動(dòng)

  某輪一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)組剛起動(dòng), 電壓還沒(méi)建立起來(lái),勵(lì)磁電路的保險(xiǎn)管(RD1或RD2)或就被燒斷,不能正常供電。

  該輪的同步發(fā)電機(jī)采用可控硅自勵(lì)恒壓裝置,其勵(lì)磁部分電路如圖2所示。

 

 

  故障后檢查：

  ·二極管SR1、SR2和可控硅SCR1、SCR2等元件均正常;

  ·可控硅SCR1、SCR2等的觸發(fā)電路, 在三極管VT3和VT4上的觸發(fā)脈沖導(dǎo)通角可隨輸入電壓變化,證明脈沖觸發(fā)電路工作正常。

  幾乎檢查了整個(gè)電路,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何疑點(diǎn),更換熔斷器后再次起動(dòng)發(fā)電機(jī)組故障依舊。

  再三分析,找不到其他疑點(diǎn),陷入困境。

  當(dāng)時(shí)認(rèn)為續(xù)流二極管SR3只是保護(hù)電感L, 即使失效也不可能導(dǎo)致燒斷保險(xiǎn)管RD1或RD2。后來(lái)因找不到其他疑點(diǎn),姑且驗(yàn)證一下續(xù)流二極管SR3,用萬(wàn)用表測(cè)量正常,但發(fā)現(xiàn)一端接線螺絲松動(dòng)。

  擰緊續(xù)流二極管SR3松動(dòng)的接線螺絲, 再起動(dòng)發(fā)電機(jī)組,工作恢復(fù)正常。

  可控硅自勵(lì)恒壓裝置主要波形圖見(jiàn)圖3。

 

  這起故障的機(jī)理是, 一端接線螺絲松動(dòng),相當(dāng)于續(xù)流二極管SR3串聯(lián)了一只接觸電阻, 當(dāng)發(fā)電機(jī)定子電壓經(jīng)SR1、SR2、SCR1、SCR2整流成的正脈沖電壓下降時(shí), 續(xù)流二極管不能及時(shí)充分消除勵(lì)磁線圈L產(chǎn)生的自感電勢(shì),當(dāng)發(fā)電機(jī)定子交流電U_be：

  ·從上半周向下半周過(guò)渡時(shí), 勵(lì)磁線圈L的自感電勢(shì)因并接的串聯(lián)了一個(gè)接觸電阻而不能充分短路,破壞了可控硅截止條件,可控硅和之一仍維持導(dǎo)通且電流大于其維持電流；

  ·到下半周,前一可控硅仍處于導(dǎo)通狀態(tài),加上觸發(fā)脈沖又導(dǎo)通了另一可控硅,即SR1、SR2、SCR1、SCR2等同時(shí)導(dǎo)通,相當(dāng)于它們短接了電源,大電流導(dǎo)致或燒斷。

 

  (2)續(xù)流二極管性能變差

  某輪自動(dòng)舵隨動(dòng)操舵,左舵正常,但只要從正舵操一點(diǎn)右舵就會(huì)失去控制,舵機(jī)一直轉(zhuǎn)到右滿舵。

  自動(dòng)舵的電氣控制部分,由信號(hào)發(fā)送器、比較放大環(huán)節(jié)、反饋環(huán)節(jié)、觸發(fā)脈沖發(fā)生器、可控硅、電磁閥等環(huán)節(jié)組成。隨動(dòng)操舵方式的左舵工作正常,可以說(shuō)明信號(hào)發(fā)送器正常,故障點(diǎn)只能在放大/反饋環(huán)節(jié)、觸發(fā)脈沖發(fā)生器、控制左舵的可控硅等環(huán)節(jié)。

  檢查放大反饋環(huán)節(jié)、觸發(fā)脈沖發(fā)生器等,發(fā)現(xiàn)它們都能正常工作。

  該輪自動(dòng)舵可控硅控制電磁閥部分, 電氣原理圖見(jiàn)圖4。圖中, JD1為電磁閥, SCR1為單向可控硅, D1為續(xù)流二極管。

 

圖4 可控硅控制電磁閥電路

  ·查電磁閥JD1正常。

  ·查可控硅SCR1, 為查證操右舵時(shí)它是否失控,用一只白熾燈代替電磁閥, 結(jié)果白熾燈的亮度隨操舵信號(hào)變化而不是一直亮著, 證明控制轉(zhuǎn)右舵的可控硅能正常關(guān)斷。但是白熾燈換成電磁閥,故障依舊。

  這時(shí)根據(jù)可控硅驅(qū)動(dòng)電感元件的特殊情況, 想到了續(xù)流二極管的作用, 用萬(wàn)用表的電阻檔檢查續(xù)流二極管D1,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常;但將該二極管通電后檢查,發(fā)現(xiàn)其導(dǎo)通電壓變高。更換續(xù)流二極管后故障消失,可見(jiàn)故障點(diǎn)在續(xù)流二極管。

  如所周知,關(guān)斷導(dǎo)通的可控硅,有兩種方法,施加反向電壓,或使流過(guò)可控硅的電流小于其維持電流。

  按該自動(dòng)舵電路, 驅(qū)動(dòng)電磁閥的正向脈動(dòng)電壓下降時(shí), 電磁閥JD1產(chǎn)生的自感反向電勢(shì)會(huì)阻止單向可控硅SCR1關(guān)閉。這樣當(dāng)加在電磁閥JD1上的正向脈動(dòng)電壓下降→JD1電流減少→JD1自感電勢(shì)增大→阻止單向可控硅SCR1中的電流減小,單向可控硅SCR1不能關(guān)閉。

  而續(xù)流二極管D1的作用就是降低電磁閥JD1的自感電勢(shì)以保證單向可控硅SCR1關(guān)閉。

  該自動(dòng)舵故障,續(xù)流二極管D1性能變差,雖能導(dǎo)通, 但壓降增大。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電磁閥的正向脈動(dòng)電壓下降時(shí),電磁閥JD1產(chǎn)生的自感電勢(shì)沒(méi)能被D1短路,使得單向可控硅SCR1中的電流大于本身的維持電流。這種情況下, 操舵手輪轉(zhuǎn)一點(diǎn)點(diǎn)右舵就會(huì)導(dǎo)通控制右舵電磁閥的可控硅SCR1,并因續(xù)流二極管性能變差而一直導(dǎo)通, 所以舵機(jī)直轉(zhuǎn)到觸及右滿舵限位行程開(kāi)關(guān)后才停止。

 

  (3)續(xù)流二極管損壞

  某輪單邊帶電話(SSB)發(fā)信機(jī),有些信道工作正常,有些不能工作。

  有些信道正常,另一些信道故障,說(shuō)明各信道共用部分正常,故障點(diǎn)在各信道的非公共部位。

  開(kāi)通單邊帶電話(SSB)故障信道觀察發(fā)現(xiàn),先是天線調(diào)諧器內(nèi)部的許多繼電器不停地在吸合、釋放,隨后發(fā)信機(jī)面板上過(guò)載指示燈亮,發(fā)信機(jī)停止工作。

  自動(dòng)天線調(diào)諧器(以下簡(jiǎn)稱天調(diào),組成原理見(jiàn)圖5), 作用是使天線與功放匹配。因?yàn)镚MDSS

通信系統(tǒng)的地面通信系統(tǒng)的最大特點(diǎn)之一是頻率范圍寬, 而不同信道(頻率)需要天線與功放的不同匹配,才能使功放所提供的功率最大限度地輸送到天線。天調(diào)以單片機(jī)為核心,運(yùn)行控制算法自動(dòng)調(diào)整電容與電感陣列系統(tǒng),解決諧振與匹配的矛盾。

  SSB天調(diào)的繼電器驅(qū)動(dòng)電路原理見(jiàn)圖6。

圖5 自動(dòng)天調(diào)部分框圖	圖6 天調(diào)繼電器驅(qū)動(dòng)電路圖

 

  懷疑故障信道的天調(diào)失效,逐個(gè)檢查:

  ·切換電容陣列和電感陣列各繼電器未見(jiàn)異常。

  ·各繼電器的驅(qū)動(dòng)電路, 發(fā)現(xiàn)一個(gè)驅(qū)動(dòng)繼電器的晶體三極管損壞。

  ·檢查了該驅(qū)動(dòng)電路所對(duì)應(yīng)繼電器線圈兩端并聯(lián)的續(xù)流二極管,見(jiàn)已損壞(根據(jù)經(jīng)驗(yàn),驅(qū)動(dòng)繼電器的晶體三極管損壞,往往是其續(xù)流二極管失效所致)。

  ·更換損壞的晶體管三極管和續(xù)流二極管, 單邊帶電話SSB恢復(fù)正常。

  該故障的機(jī)理:

  ①繼電器J12斷電時(shí)的自感電勢(shì), 因續(xù)流二極管D23損壞得不到消除,且與電源電壓同相,一起加到驅(qū)動(dòng)繼電器的晶體管T24長(zhǎng)上致其損壞；

  ②晶體三極管T24損壞,使得繼電器J12常開(kāi)觸點(diǎn)所連接的電感、電容(如圖7所示)不能被加到天調(diào)網(wǎng)絡(luò)中去,導(dǎo)致相應(yīng)信道天線與功放不能諧振；

  ③相應(yīng)信道天線與功放不諧振,單片機(jī)得到的檢測(cè)信號(hào)仍是失諧,就繼續(xù)運(yùn)行控制程序不斷吸合/放開(kāi)其他繼電器企圖達(dá)到匹配；

  ④天線與功放長(zhǎng)時(shí)間失諧就會(huì)嚴(yán)重發(fā)熱,過(guò)熱保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出過(guò)載報(bào)警。

 

 

  3. 結(jié)束語(yǔ)

  隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展, 在船舶的其他電氣設(shè)備中也廣為應(yīng)用續(xù)流二極管,如開(kāi)關(guān)電源、無(wú)刷直流電機(jī)、變頻調(diào)速等設(shè)備中。這里要提醒的是,在使用變頻調(diào)速的船舶錨機(jī)和起貨機(jī)中, 變頻器中的續(xù)流二極管是直接并聯(lián)在輸出級(jí)的大功率三極管(IGBT)兩端的,但變頻器所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載是電動(dòng)機(jī), 所以這時(shí)的續(xù)流二極管仍是與電感并聯(lián)的, 對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的大功率三極管(IGBT)起著保護(hù)作用。