直升機(jī)交流發(fā)電系統(tǒng)掉電不并網(wǎng)故障分析

曹晨媛 董曉宇 賴耀祖

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所 江西省景德鎮(zhèn)市 333001）

1 概述

2019年12月，直升機(jī)交流發(fā)電系統(tǒng)在地面試車時(shí)出現(xiàn)掉電不并網(wǎng)問題，故障表現(xiàn)為：撥發(fā)電開關(guān)后，左發(fā)交流發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電正常且上報(bào)電壓，右發(fā)交流發(fā)電系統(tǒng)未上報(bào)電壓且不并網(wǎng)，重復(fù)撥動(dòng)兩次開關(guān)，仍然不能并網(wǎng)。

2020年6月，直升機(jī)交流發(fā)電系統(tǒng)在試飛過(guò)程中偶爾出現(xiàn)空中掉電不并網(wǎng)現(xiàn)象。

2 故障定位分析

根據(jù)機(jī)上故障和產(chǎn)品的工作原理，分析直升機(jī)交流發(fā)電系統(tǒng)掉電不并網(wǎng)故障可能的原因，建立故障樹如圖1 所示。引起交流發(fā)電系統(tǒng)掉電不并網(wǎng)故障的故障模式有6 種：A1 線路故障；A2 相序電路故障；A3 頻率采集電路故障；A4 開關(guān)電路故障；A5：故障標(biāo)志位故障；A6 發(fā)電電壓故障。這六種模式的一種或多種均可能導(dǎo)致該故障現(xiàn)象的出現(xiàn)。

對(duì)上述不同故障原因逐一進(jìn)行試驗(yàn)分析，結(jié)果分析下：

（1）A1 線路故障：給故障件通電做開環(huán)測(cè)試，通信發(fā)送、接收功能及過(guò)壓、欠壓、過(guò)頻、欠頻性能測(cè)試均正常，可排除A1 線路故障模式。

（2）A2 相序電路故障：DSP 通過(guò)采集運(yùn)放輸出的高低電平來(lái)判斷相序是否正確，若相序正確，運(yùn)放將輸出低電平，反之，則輸出高電平。試驗(yàn)測(cè)得運(yùn)放輸出0V，可確定相序電路無(wú)故障，因此A2 相序電路故障的因素可以排除；

（3）A3 頻率采集電路故障：通過(guò)串口傳輸試驗(yàn)測(cè)得頻率采集電路輸出正常，可確定頻率采集電路無(wú)故障，排除A3 頻率采集電路故障模式。

（4）A4 開關(guān)電路故障：對(duì)故障件進(jìn)行在線仿真測(cè)試，測(cè)得發(fā)電開關(guān)接通，軟件中開關(guān)的標(biāo)志位為“1”，開關(guān)斷開，標(biāo)志位為“0”，可確定開關(guān)電路無(wú)故障，排除A4 開關(guān)電路故障模式。

（5）A5 故障標(biāo)志位故障：通過(guò)通訊串口觀察故障標(biāo)志位，經(jīng)測(cè)試故障標(biāo)志位始終為初始化“1”，未發(fā)生改變，可確定故障標(biāo)志位無(wú)故障，排除A5 故障標(biāo)志位故障模式。

（6）A6 發(fā)電電壓故障：B1、B2、B3 可引起該故障模式。通過(guò)分析，進(jìn)一步定位故障如下：

1.B1 調(diào)壓電路故障：調(diào)壓電路是通過(guò)比較誤差放大端電壓來(lái)調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制芯片輸出的占空比實(shí)現(xiàn)的，可調(diào)占空比范圍在0 ～98%。試驗(yàn)測(cè)得芯片占空比輸出范圍正常，可排除B1 調(diào)壓電路故障模式。

2.B2 勵(lì)磁繼電器故障:試驗(yàn)測(cè)得故障件勵(lì)磁繼電器可正常吸合斷開，因此可排除B2 勵(lì)磁繼電器故障模式。

3.B3 DSP 勵(lì)磁控制信號(hào)故障：C1、C2 均可引起該故障模式，進(jìn)一步定位故障如下：

圖1：交流發(fā)電系統(tǒng)掉電不并網(wǎng)故障樹

圖2：勵(lì)磁電流接通時(shí)DSP 供電電源與GCR CLOSE 波形

圖3：?jiǎn)为?dú)供電DSP 供電電源與GCR CLOSE 波形

圖4：勵(lì)磁回路濾波器

圖5：實(shí)測(cè)容值0.96μF 勵(lì)磁電流波形

① C1復(fù)位信號(hào)故障：實(shí)驗(yàn)測(cè)得撥動(dòng)發(fā)電開關(guān)， 信號(hào)始終為高，可排除C1復(fù)位信號(hào)故障模式。

② C2 供電電源故障：供電電源故障分為D1 勵(lì)磁電流未接通時(shí)的電源故障和D2 勵(lì)磁電流接通時(shí)的電源兩種故障模式。

將外部電纜延長(zhǎng)至機(jī)上電纜長(zhǎng)度，測(cè)得DSP 供電電源無(wú)尖峰，勵(lì)磁控制信號(hào)GCR CLOSE 信號(hào)正常，可排除D1 勵(lì)磁電流未接通時(shí)的電源故模式。

將外部電纜延長(zhǎng)至機(jī)上電纜長(zhǎng)度，撥發(fā)電開關(guān)，測(cè)得DSP 供電電源與GCR CLOSE 信號(hào)如圖2 所示，DSP 供電電源出現(xiàn)最高80V 的尖峰，GCR CLOSE 信號(hào)持續(xù)出現(xiàn)跳動(dòng)，且出現(xiàn)尖峰的頻率與GCR CLOSE 跳動(dòng)的頻率是同步的，即每當(dāng)DSP 供電電源有尖峰出現(xiàn)，GCR CLOSE 信號(hào)就會(huì)跳動(dòng)，勵(lì)磁繼電器相應(yīng)跳動(dòng)，導(dǎo)致發(fā)電不正常，接觸器不能并網(wǎng)。

將外部電纜延長(zhǎng)至機(jī)上電纜長(zhǎng)度，給交流發(fā)電機(jī)控制器正常通電，單獨(dú)給DSP 單獨(dú)供+5V 電源，測(cè)得DSP 供電電源與GCR CLOSE 信號(hào)波形如圖3 所示，DSP 供電電源尖峰小于1V，且GCR CLOSE 信號(hào)一直為高未跳動(dòng)，發(fā)電正常可以并網(wǎng)。通過(guò)圖2 與圖3 波形對(duì)比，可確定是勵(lì)磁接通使DSP 電源信號(hào)受干擾引起勵(lì)磁繼電器跳動(dòng)，導(dǎo)致交流發(fā)電系統(tǒng)掉電不并網(wǎng)故障。

3 機(jī)理分析

機(jī)理分析如圖4 所示。勵(lì)磁回路濾波器有4 個(gè)接地電容C25、C26、C28、C29，1 個(gè)線間電容C27，接地電容的地線與殼體相接，對(duì)勵(lì)磁電流波形較小，線間電容C27 對(duì)勵(lì)磁電流波形影響較大。若濾波器中的濾波參數(shù)不匹配，會(huì)對(duì)電源信號(hào)與控制信號(hào)產(chǎn)生影響，從而影響交流發(fā)電機(jī)控制器的性能。

線間電容參數(shù)的理論設(shè)計(jì)步驟如下:

輸入信號(hào)的頻率約為30kHz,濾波電路的濾波截止頻率應(yīng)在信號(hào)頻率的20 倍以上即可保證信號(hào)不畸變，故濾波電路的截止頻率Fc 應(yīng)≥600kHz，即濾波電路的截止頻率：

考慮到連接器的插針、引線及導(dǎo)線存在寄生電感，L 取值為0.3μH，可通過(guò)上式計(jì)算得到電容C 應(yīng)不大于0.94μF。C27 電容的實(shí)際標(biāo)稱值為1μF，精度為M 級(jí)（±20%），兩臺(tái)故障件線間電容實(shí)測(cè)值分別為為0.96μF 和0.94μF。將電纜長(zhǎng)度延長(zhǎng)至與機(jī)上電纜長(zhǎng)度一致，發(fā)電時(shí)測(cè)得勵(lì)磁電流波形如圖5 所示，勵(lì)磁電流發(fā)生畸變且發(fā)電不正常。通過(guò)電容串并聯(lián)的方式，將線間電容容值調(diào)整為0.9μF，測(cè)得調(diào)整容值后的勵(lì)磁電流平緩，且發(fā)電正常。由此可知，當(dāng)C27 線間電容容值偏大，會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁回路上電流畸變，使DSP供電電源電壓出現(xiàn)波動(dòng)，產(chǎn)生尖峰信號(hào)。

實(shí)測(cè)值為0.96μF 的故障件，超過(guò)線間電容值的可選范圍，使勵(lì)磁電流波形發(fā)生畸變，導(dǎo)致DSP 供電電源電壓產(chǎn)生尖峰信號(hào)。當(dāng)尖峰電壓超過(guò)DSP 供電電壓范圍會(huì)導(dǎo)致DSP 重啟，勵(lì)磁信號(hào)（GCR CLOSE、GCR TRIP）信號(hào)被初始化為低電平，勵(lì)磁繼電器斷開，因開關(guān)一直處于接通狀態(tài)，符合軟件中勵(lì)磁接通條件，GCR CLOSE、GCR TRIP 信號(hào)被置為高電平，勵(lì)磁繼電器吸合。勵(lì)磁繼電器不斷的吸合導(dǎo)致發(fā)電不正常，不能并網(wǎng)。實(shí)測(cè)值為0.94μF 的故障件，處于線間電容值的臨界值，在機(jī)上偶爾出現(xiàn)勵(lì)磁電流畸變，所以試飛中偶爾出現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)掉電不并網(wǎng)的情況。

4 改進(jìn)方案

針對(duì)勵(lì)磁電流畸變引起的DSP 重啟問題，將勵(lì)磁回路濾波器返廠進(jìn)行整改。濾波器線間電容的選取既要能滿足濾波要求同時(shí)不能影響實(shí)際信號(hào)，還要在設(shè)計(jì)中考慮電容可選標(biāo)稱及電纜長(zhǎng)度、寄生電感電容等影響。綜合考慮電容C27 容值選取0.47μF，精度為J級(jí)（±5%）。

濾波器改進(jìn)后的發(fā)電機(jī)控制器，在撥發(fā)電開關(guān)后，測(cè)得DSP供電電源尖峰很小，GCR CLOSE 信號(hào)一直為高，且發(fā)電并網(wǎng)正常。連續(xù)開關(guān)通斷測(cè)試50 次，均能正常工作并網(wǎng)。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比改進(jìn)前后的試驗(yàn)情況，改進(jìn)后的交流發(fā)電系統(tǒng)未再出現(xiàn)掉電不并網(wǎng)故障。由此可見，該改進(jìn)措施有效，在后續(xù)產(chǎn)品研制過(guò)程中要充分借鑒此故障機(jī)理，避免此類故障的發(fā)生。