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1.引言
直流電路(指電感及其驅動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產生自感反向電勢。若此自感電勢過高,會危害電路尤其是驅動該電感的元件。在電感兩端并聯一個二極管快速消除此自感電勢,就不會燒壞驅動該電感的元件。通常并聯在電感兩端的這種二極管稱為續流二極管(FWD)。
續流二極管的型號,必須選擇導通電壓低并能快速導通的二極管(例如肖特基二極管導通電壓一般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二極管。
續流二極管的功率, 要能保證不被反電勢所產生的電流損壞:
·驅動器件為晶體三極管、集成電路或繼電器觸頭, 可選用小功率續流二極管同時在續流回路中串接限流電阻減少續流電流。
·驅動器件為單向可控硅,續流二極管功率要大,續流回路中絕不能串聯電阻。因為續流二極管的作用是確保流過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, 所以續流二極管必須迅速短接線圈的反向電勢以減小電感兩端電勢差。若串接限流電阻,將延緩電感兩端電勢差降低,破壞單向可控硅的截止條件。
·相對于電感兩端的直流電壓, 續流二極管只在電感產生反向電勢時才導通,所以其極性總是反接的。
2. 電感并聯續流二極管避免某些故障
例如某輪應急發電機組經常不能自動起動。
觀察發現, 柴油機控制總油門因電磁鐵失控而常處于關閉狀態。電磁鐵控制電路如圖1所示。
檢查見電磁鐵線圈正常, 但控制電磁鐵線圈L的自啟動故障停機繼電器J12的常開觸頭被燒死。更換24V直流繼電器J12后故障排除, 但起動幾次后故障又重復出現。
為什么常開觸頭被燒死呢?因為電磁鐵線圈L受該觸頭控制, 當其斷電時產生的自感電勢與電源電壓相加,常開觸頭J12的動、靜觸頭之間電流過大,燒蝕或燒粘觸頭。
為消除故障原因, 適當改進電路見圖1。
在電磁鐵線圈L兩端并接一個續流二極管與限流電阻組成的放電電路, 此后再無此類故障發生。
3. 續流二極管引起故障的分析
續流二極管引起的故障時有發生。但不少人認為續流二極管只是保護電感不會導致故障, 排除故障時因忽視續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備常遇到的續流二極管引發的幾種故障,意在提醒留心續流二極管的存在,希望掌握續流二極管所引發故障的特征, 從而快速、準確判斷、提高工作效率，確保安全。
(1)續流二極管接線松動
某輪一臺同步發電機組剛起動, 電壓還沒建立起來,勵磁電路的保險管(RD1或RD2)或就被燒斷,不能正常供電。
該輪的同步發電機采用可控硅自勵恒壓裝置,其勵磁部分電路如圖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等的觸發電路, 在三極管VT3和VT4上的觸發脈沖導通角可隨輸入電壓變化,證明脈沖觸發電路工作正常。
幾乎檢查了整個電路,沒有發現任何疑點,更換熔斷器后再次起動發電機組故障依舊。
再三分析,找不到其他疑點,陷入困境。
當時認為續流二極管SR3只是保護電感L, 即使失效也不可能導致燒斷保險管RD1或RD2。后來因找不到其他疑點,姑且驗證一下續流二極管SR3,用萬用表測量正常,但發現一端接線螺絲松動。
擰緊續流二極管SR3松動的接線螺絲, 再起動發電機組,工作恢復正常。
可控硅自勵恒壓裝置主要波形圖見圖3。
這起故障的機理是, 一端接線螺絲松動,相當于續流二極管SR3串聯了一只接觸電阻, 當發電機定子電壓經SR1、SR2、SCR1、SCR2整流成的正脈沖電壓下降時, 續流二極管不能及時充分消除勵磁線圈L產生的自感電勢,當發電機定子交流電Ube：
·從上半周向下半周過渡時, 勵磁線圈L的自感電勢因并接的串聯了一個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通且電流大于其維持電流；
·到下半周,前一可控硅仍處于導通狀態,加上觸發脈沖又導通了另一可控硅,即SR1、SR2、SCR1、SCR2等同時導通,相當于它們短接了電源,大電流導致或燒斷。
(2)續流二極管性能變差
某輪自動舵隨動操舵,左舵正常,但只要從正舵操一點右舵就會失去控制,舵機一直轉到右滿舵。
自動舵的電氣控制部分,由信號發送器、比較放大環節、反饋環節、觸發脈沖發生器、可控硅、電磁閥等環節組成。隨動操舵方式的左舵工作正常,可以說明信號發送器正常,故障點只能在放大/反饋環節、觸發脈沖發生器、控制左舵的可控硅等環節。
檢查放大反饋環節、觸發脈沖發生器等,發現它們都能正常工作。
該輪自動舵可控硅控制電磁閥部分, 電氣原理圖見圖4。圖中, JD1為電磁閥, SCR1為單向可控硅, D1為續流二極管。
·查電磁閥JD1正常。
·查可控硅SCR1, 為查證操右舵時它是否失控,用一只白熾燈代替電磁閥, 結果白熾燈的亮度隨操舵信號變化而不是一直亮著, 證明控制轉右舵的可控硅能正常關斷。但是白熾燈換成電磁閥,故障依舊。
這時根據可控硅驅動電感元件的特殊情況, 想到了續流二極管的作用, 用萬用表的電阻檔檢查續流二極管D1,沒有發現異常;但將該二極管通電后檢查,發現其導通電壓變高。更換續流二極管后故障消失,可見故障點在續流二極管。
如所周知,關斷導通的可控硅,有兩種方法,施加反向電壓,或使流過可控硅的電流小于其維持電流。
按該自動舵電路, 驅動電磁閥的正向脈動電壓下降時, 電磁閥JD1產生的自感反向電勢會阻止單向可控硅SCR1關閉。這樣當加在電磁閥JD1上的正向脈動電壓下降→JD1電流減少→JD1自感電勢增大→阻止單向可控硅SCR1中的電流減小,單向可控硅SCR1不能關閉。
而續流二極管D1的作用就是降低電磁閥JD1的自感電勢以保證單向可控硅SCR1關閉。
該自動舵故障,續流二極管D1性能變差,雖能導通, 但壓降增大。當驅動電磁閥的正向脈動電壓下降時,電磁閥JD1產生的自感電勢沒能被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, 操舵手輪轉一點點右舵就會導通控制右舵電磁閥的可控硅SCR1,并因續流二極管性能變差而一直導通, 所以舵機直轉到觸及右滿舵限位行程開關后才停止。
(3)續流二極管損壞
某輪單邊帶電話(SSB)發信機,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,說明各信道共用部分正常,故障點在各信道的非公共部位。
開通單邊帶電話(SSB)故障信道觀察發現,先是天線調諧器內部的許多繼電器不停地在吸合、釋放,隨后發信機面板上過載指示燈亮,發信機停止工作。
自動天線調諧器(以下簡稱天調,組成原理見圖5), 作用是使天線與功放匹配。因為GMDSS
通信系統的地面通信系統的最大特點之一是頻率范圍寬, 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。天調以單片機為核心,運行控制算法自動調整電容與電感陣列系統,解決諧振與匹配的矛盾。
SSB天調的繼電器驅動電路原理見圖6。
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| 圖5 自動天調部分框圖 | 圖6 天調繼電器驅動電路圖 |
懷疑故障信道的天調失效,逐個檢查:
·切換電容陣列和電感陣列各繼電器未見異常。
·各繼電器的驅動電路, 發現一個驅動繼電器的晶體三極管損壞。
·檢查了該驅動電路所對應繼電器線圈兩端并聯的續流二極管,見已損壞(根據經驗,驅動繼電器的晶體三極管損壞,往往是其續流二極管失效所致)。
·更換損壞的晶體管三極管和續流二極管, 單邊帶電話SSB恢復正常。
該故障的機理:
①繼電器J12斷電時的自感電勢, 因續流二極管D23損壞得不到消除,且與電源電壓同相,一起加到驅動繼電器的晶體管T24長上致其損壞；
②晶體三極管T24損壞,使得繼電器J12常開觸點所連接的電感、電容(如圖7所示)不能被加到天調網絡中去,導致相應信道天線與功放不能諧振；
③相應信道天線與功放不諧振,單片機得到的檢測信號仍是失諧,就繼續運行控制程序不斷吸合/放開其他繼電器企圖達到匹配；
④天線與功放長時間失諧就會嚴重發熱,過熱保護系統發出過載報警。
3. 結束語
隨著電子技術的不斷發展, 在船舶的其他電氣設備中也廣為應用續流二極管,如開關電源、無刷直流電機、變頻調速等設備中。這里要提醒的是,在使用變頻調速的船舶錨機和起貨機中, 變頻器中的續流二極管是直接并聯在輸出級的大功率三極管(IGBT)兩端的,但變頻器所驅動的負載是電動機, 所以這時的續流二極管仍是與電感并聯的, 對驅動電動機的大功率三極管(IGBT)起著保護作用。
