關(guān)于直升機APU交流發(fā)電機電壓顯示異常的故障分析

賴耀祖

摘 要：本文就某型直升機飛行中出現(xiàn)的APU交流發(fā)電機電壓顯示異常的問題，進行了理論分析和故障定位，并提出了解決措施，經(jīng)試驗驗證，表明原理分析正確，解決措施有效。

關(guān)鍵詞：APU交流發(fā)電機；電壓顯示異常；試驗驗證

Abstract：The paper aims to analysis the trouble of abnormal voltage display of helicopter alternator when flight.Theoretical analysis and fault location are carried out，and the solutions are put forward.The test results show that the principle analysis is correct and the solutions are effective.

Key words：APU alternator；abnormal voltage display；experimental verification

APU交流發(fā)電機是直升機上的交流輔助電源，其作用是1）當機上交流主電源故障時向全機提供備用交流電源；2）向機上的變壓整流器（TRU）提供交流電，TRU將其轉(zhuǎn)換為直流電源輸出給機上的直流用電設(shè)備；其電壓異常會影響其直流電源品質(zhì)，進而影響用電設(shè)備的效能。2014年8月初，某直升機在空中進行科目試飛時，機上的APU交流發(fā)電機開啟，并將機上的變壓整流器（TRU）并網(wǎng)后，APU交流發(fā)電機電壓顯示為113V，低于正常值115V。本文就APU交流發(fā)電機電壓顯示偏低的故障進行了研究和分析，并提供解決措施。

1 故障復(fù)現(xiàn)

直升機著陸后，地面重新上電檢查，將APU交流發(fā)電機開啟后，電壓顯示為115V，將TRU開關(guān)接通后，APU發(fā)電機的電壓從115V下降至113V，重新斷開TRU開關(guān)后，APU發(fā)電機電壓正常，顯示為115V。故障復(fù)現(xiàn)，初步判斷APU發(fā)電機受TRU影響，導(dǎo)致電壓指示異常。

2 原因分析和故障定位

圖1為該型直升機APU交流發(fā)電機工作以及電壓采集的工作框圖。如下圖所示，APU交流發(fā)電機同時給交流電網(wǎng)和TRU供電，APU交流發(fā)電機控制器給交流發(fā)電機提供控制和保護，并同步采集交流發(fā)電機的電壓、電流等狀態(tài)，上傳至機電參數(shù)顯示器進行實時顯示。

根據(jù)故障現(xiàn)象進行分析，有以下幾種可能：

1）TRU開啟后，APU交流發(fā)電機出現(xiàn)異常，導(dǎo)致采集的電壓值偏低；

2）TRU開啟后，APU交流發(fā)電機控制器出現(xiàn)異常，導(dǎo)致對采集電壓數(shù)值誤判，進而顯示電壓值偏低；

3）TRU開啟后，機電參數(shù)顯示器出現(xiàn)異常，對GCU送過來的電壓數(shù)值誤讀，進而導(dǎo)致顯示電壓值偏低。

為了進行故障定位，在交流GCU上抽引出通訊信號，用外置設(shè)備進行實時監(jiān)測，同時在TRU的交流輸入端用數(shù)字萬用表實時監(jiān)測，檢測結(jié)果如下表1、2所示。

通過對比表1、表2數(shù)據(jù)可得出結(jié)論：

當TRU開啟后，交流GCU送出的APU交流電壓的通訊值異常，且與機電顯示的數(shù)值一致，但TRU交流輸入端實測的交流電壓值數(shù)值正常，因此可定位于交流GCU的電壓采集問題。

為進一步甄別該故障是否由單臺交流GCU故障引起，現(xiàn)場更換了一臺新的APU交流GCU，重新進行地面通電驗證，故障現(xiàn)象依舊存在，因此故障可定位于APU交流GCU電壓采集的問題，非單臺產(chǎn)品的個性問題。

3 機理分析

通過上述分析，可以明確該故障是由APU交流GCU電壓采集引起的，為進一步明確故障原因，2014年8月，將APU交流電機、交流GCU與TRU在602所電氣試驗室進行地面聯(lián)合試驗，并對交流電源品質(zhì)等（包括波峰系數(shù)）進行實時監(jiān)測。測試數(shù)據(jù)如下表3所示。

其中，波峰系數(shù)是電流的峰值與電流的平均值的比值，當波形為理想正弦波時，波峰系數(shù)為1.414。國軍標中對波峰系數(shù)要求為應(yīng)滿足1.414±0.15的范圍。

通過表3對比，可發(fā)現(xiàn)當TRU開啟后，APU交流電機的波峰系數(shù)由1.419下降至1.389，經(jīng)分析，這是由于TRU中的變壓器鐵芯設(shè)計時選取的磁通密度過高，容易達到磁飽和，磁飽和后會將交流峰值電壓拉低，且飽和后會引起電流畸變，諧波含量增加。同時，可觀察到，波峰系數(shù)降低后依然滿足軍標中交流電壓波峰系數(shù)的要求。

進一步分析，交流GCU中對于電壓有效值的測量采用的是峰值測量法，即檢測電壓的峰值，除以默認波峰系數(shù)1.414得出檢測值，該檢測方式對正弦波是準確有效的。當TRU未工作時，交流電壓諧波含量小，波峰系數(shù)趨近于1.414，接近正弦波，因此機上顯示數(shù)值未受影響；但TRU開啟后，交流電壓的波形受影響，不再是理想正弦波，繼續(xù)使用峰值測量法將不再適合。這是因為電壓實際有效值不變，TRU開啟后拉低了波峰系數(shù)，使電壓的實際峰值降低了（從表3可觀察得出），而交流GCU根據(jù)實際檢測的峰值除以1.414得出通訊顯示值，該數(shù)值所以也降低了。

因此，根據(jù)上述分析，可得出結(jié)論，此次APU交流電壓顯示異常是由以下兩個原因?qū)е拢?/p>

1）TRU設(shè)計時，選取的鐵芯磁通工作點偏高，導(dǎo)致TRU工作時容易達到飽和點，影響交流側(cè)的波形畸變和波峰系數(shù)；

2）交流GCU進行電壓采樣檢測時，選用的峰值測量法在波形畸變的情況下，是不合適的，會導(dǎo)致機上顯示電壓異常。

4 解決措施

根據(jù)以上分析，為了解決此次故障，可以采取以下措施：

（1）優(yōu)化TRU中的鐵芯磁通設(shè)計。方案一：目前TRU中鐵芯選用的高導(dǎo)磁材料，其飽和磁通密度為2.3T，而設(shè)計選取的磁通密度為2.2T，經(jīng)計算，重新選取磁通密度為2.0T，但為保證同樣的磁通量，需加大鐵芯截面積，經(jīng)評估，落實該更改后TRU需增重約490g；

方案二：鐵芯選用磁通密度較小的材料——DG6硅鋼片，其飽和磁通密度較低，只有1.9T，選取磁通密度工作點為1.8T，但為保證同樣的磁通量，同樣需增大鐵芯截面積，經(jīng)評估，落實該更改后TRU需增重約增加600g左右。

（2）優(yōu)化交流GCU的電壓采樣方法，根據(jù)分析，峰值檢測的方法不適用于電壓容易發(fā)生畸變的場合。目前市面上對有效值檢測主要用專門的真有效值芯片，可以規(guī)避畸變問題，提高測量精度。GCU內(nèi)部可以使用該方法，但落實更改還需考慮更改周期、成本以及產(chǎn)品的增重問題。

（3）更改交流電壓的采集路徑。機上交流電壓采集除了交流GCU直接采集外，還有匯流條功率控制器（BPCU）也可采集電壓，經(jīng)核實，BPCU內(nèi)部電壓采集使用的是專門的真有效值檢測芯片。因此，還可通過BPCU直接采集APU交流電壓并上傳給機電系統(tǒng)，這種更改方案更便捷，還可以節(jié)約成本，縮短更改周期，同時不增加系統(tǒng)重量。

綜合上述幾個方案，選取了第3方案—更改交流電壓的采集路徑，在機上落實更改方案后，并同步經(jīng)過地面試驗和飛行驗證，故障消除，更改有效。

5 小結(jié)

直升機電氣系統(tǒng)是個復(fù)雜系統(tǒng)，電源品質(zhì)與機上電源系統(tǒng)狀態(tài)、控制電路、負載狀態(tài)等相關(guān)聯(lián)，是一個復(fù)雜綜合系統(tǒng)。因此在對直升機電源系統(tǒng)故障分析時，不能僅僅從某一方面，或者某一個設(shè)備角度進行分析，更應(yīng)該從全局、系統(tǒng)角度，綜合地的進行分析與設(shè)計。

如上述的APU交流電壓顯示偏低的故障，如果僅從系統(tǒng)故障定位角度出發(fā)，此次故障由交流GCU的電壓采集方式不合理導(dǎo)致，直接由GCU整改亦可，但從系統(tǒng)工程角度出發(fā)，該故障是由TRU和交流GCU共同作用導(dǎo)致。另外在系統(tǒng)的故障解決措施上也因綜合考慮，在滿足系統(tǒng)使用的前提下，還應(yīng)綜合考慮更改周期、設(shè)計成本等因素。

另外，通過此次故障分析，表明系統(tǒng)設(shè)計時還應(yīng)考慮負載端對電源的影響，如TRU帶載后的波形畸變會對交流電源品質(zhì)的影響關(guān)系等等，因此在電源設(shè)計時，有效識別系統(tǒng)工作的邊界與反饋是很有必要的。

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