某型直升機交流發電機控制器突加突卸電壓曲線超標分析及改進

肖靈通

（中國直升機設計研究所，景德鎮 333001）

隨著電子技術的迅速發展，電傳操縱技術、計算機自動控制技術、數字式自動管理、電子對抗技術等紛紛應用在直升機上，使得機載設備不斷增多，導致對電源系統供電量的需求也越來越大。傳統的28V低壓直流供電系統已經不能滿足直升機不斷增加的供電需求，并且由于直升機渦輪軸發動機轉速變化小的特點，恒頻交流發電系統逐漸成為直升機的主電源系統，同時也對該系統的各項性能指標有了更高的要求。負載突加突卸作為考核交流電源性能指標的一個重要試驗項目，必須滿足相關國軍標的要求。

1 背景

對于直升機交流電源系統，GJB181A—2003《飛機供電特性》中對其穩定電壓范圍、電壓調制幅度、電壓不平衡、電壓相位差、畸變系數、畸變頻譜、波峰系數、電壓瞬變及頻率瞬變等指標都有明確要求，其中，電壓瞬變要求如圖1所示。在直升機交流電源系統考核試驗中，需要將功率因數為0.75的感性負載在10%和85%之間、20%和170%之間分別進行突加突卸，交流電源的瞬態電壓必須在圖1所示的包絡線范圍之內才能達到國軍標的要求。

2 故障現象與定位

2.1 故障現象

在某型直升機交流電源系統地面聯試過程中，試驗人員進行了負載試驗（功率因數為0.75），從20%負載突加至170%負載，以及從170%負載突卸至20%負載。在進行負載突加試驗時，電壓曲線滿足要求，但在進行負載突卸試驗時，電壓曲線超出圖1包絡線的范圍之外，具體情況如圖2所示。

2.2 故障定位

根據故障現象，建立“突加突卸電壓曲線超標”故障樹，如圖3所示。

由圖3可知，導致突加突卸試驗中電壓曲線超標的可能原因主要包括發電機性能故障和控制器性能故障兩大部分。其中，造成發電機性能故障的可能原因有勵磁線圈損壞、發電機輸出電壓波形失真、永磁機損壞。造成控制器性能故障的可能原因有電源模塊故障，無法為芯片提供穩定電壓；調壓電路RC常數較大；調壓芯片的時鐘周期較長；調壓芯片基準電壓不穩；調壓芯片產生的鋸齒波失真；電容充電導致勵磁電流變化速度較慢。下面對每條可能的故障原因進行逐一分析。

（1）勵磁線圈損壞。若勵磁線圈損壞，勵磁機提供給主電機的電流會受到影響，主電機無法產生均勻的磁場，則發電機無法正常發電，從而使得發電機輸出電壓發生漂移。為驗證勵磁線圈是否損壞，試驗人員采用直流電源對發電機提供勵磁的方法，對發電機加載10min電流后，發電機電壓穩定在114.5V左右，說明電機性能正常，該故障原因可排除。

（2）發電機輸出電壓波形失真。若發電機輸出電壓的波形失真，不再為標準的正弦波，會使得經過控制器整流之后送到調壓芯片的電壓發生變化，進而影響控制器提供給發電機的勵磁電流大小，導致發電機輸出電壓發生漂移。為驗證發電機電壓波形是否失真，在上述驗證勵磁線圈是否損壞的試驗中，試驗人員通過示波器檢測發電機輸出電壓波形，檢測結果為穩定的正弦波，未發生失真情況，該故障原因可排除。

圖2 負載（0.75）突卸試驗結果

圖3 “突加突卸電壓曲線超標”故障樹

（3）永磁機損壞。控制器提供給發電機的勵磁電流是由永磁機輸出的三相電流整流轉換而來的，若永磁機損壞，則發電機無法為控制器提供標準的三相電流，會導致控制器提供給發電機的勵磁電流大小不足，從而導致發電機輸出電壓向下漂移。為驗證永磁機是否損壞，試驗人員通過拖動臺來拖動電機轉動，利用示波器檢測發電機輸出的電流波形，試驗結果未出現失真情況，該故障原因可排除。

（4）電源模塊故障，無法為芯片提供穩定電壓。若電源模塊故障，則無法為調壓芯片提供穩定的+15V電壓，芯片電壓不穩定會導致芯片輸出的電壓波形受到影響，進而影響提供給發電機的勵磁電流，從而使發電機輸出電壓發生漂移。為驗證電源模塊是否存在故障，試驗人員用發電機和控制器進行聯試，通過示波器檢測芯片電源引腳電壓，并進行10min過載試驗。試驗結果表明，電源引腳電壓能夠穩定在+15V，該故障原因可排除。

（5）調壓電路RC常數較大。調壓電路中，電阻R35與電容C19構成RC常數，若構成的RC常數較大，會使得在調壓過程中，電容C19的充放電速度慢，響應時間長，導致發電機電壓變化響應速度慢，電壓變化曲線超出包絡線的范圍之外。為驗證該故障原因，試驗人員重新進行突加突卸試驗，用示波器檢測調壓芯片2引腳的電壓，當進行負載突卸時，芯片2引腳的電壓上升較慢，響應時間較長，導致調壓速度較慢。因此確定調壓電路中RC常數較大會使電壓變化速率慢，從而導致突加突卸時電壓曲線超標。

（6）調壓芯片的時鐘周期較長。若調壓芯片的時鐘周期較長，其在進行脈沖寬度（PWM）調節時響應速度較慢，導致發電機輸出電壓變化響應速度也較慢，從而使得電壓曲線超出包絡線范圍之外。試驗人員通過查閱調壓芯片的手冊得知，在當前設置的參數下，芯片產生的時鐘周期為100μs，即頻率為1000Hz，可以滿足要求，該故障原因可排除。

（7）調壓芯片基準電壓不穩。若調壓芯片基準電壓不穩，會導致芯片1引腳處的電壓大小不穩，無法進行PWM調節，控制器提供給發電機的勵磁電流大小會受到影響，使得發電機的輸出電壓發生漂移。為驗證該故障原因，試驗人員用發電機與控制器聯試，通過示波器檢測調壓芯片18引腳的電壓。試驗結果表明，該引腳電壓一直穩定在5V，該故障原因可排除。

（8）調壓芯片產生的鋸齒波失真。調壓芯片的調節方式為PWM調節，將經過處理的調壓點的電壓與芯片產生的振蕩鋸齒波進行比較，若芯片產生的振蕩鋸齒波失真，芯片將無法進行正常的PWM調節，控制器提供給發電機的勵磁電流大小會受到影響，從而導致發電機輸出電壓發生漂移。為驗證該故障原因，試驗人員在發電機正常工作時，通過示波器檢測調壓芯片12引腳的波形。試驗結果表明，該芯片產生的是穩定的鋸齒波，無失真現象，該故障原因可排除。

（9）電容充電導致勵磁電流變化速度較慢。勵磁電壓穩定電路中，若電容C29的電容過大，充放電會導致勵磁電壓變化速率慢，進而使勵磁電流變化速率變慢，導致發電機輸出電壓響應較慢，電壓曲線超出包絡線范圍之外。為驗證該故障原因，試驗人員去掉電容C29，重新進行突加突卸試驗，試驗結果表明，發電機電壓曲線均無明顯變化且同樣超出包絡線范圍之外，該故障原因可排除。

對上述可能造成故障的原因進行分析和驗證后，最終可確定故障原因為調壓電路RC常數較大，使得電壓變化速率慢，導致突加突卸時電壓曲線超標。

3 機理分析

圖4為交流發電機系統閉環調壓原理示意圖。從圖4中可以看出，當發電機負載大小發生變化時，發電機輸出的A、B、C三相電壓隨之發生變化，電壓敏感電路輸入電壓也相應變化，對比調理后的三相電壓與基準電壓，并將比較輸出的值與集成芯片內部鋸齒波發生器產生的鋸齒波進行比較，進而調節功率管導通的占空比來改變激磁繞組中的平均激磁電流的大小，從而達到自動閉環調節電壓的目的。可以看出，若占空比越大，則激磁電流越大，使得發電機發出的電壓越高。

圖5為模擬式專用調壓芯片外圍電路示意圖。從圖5中可以看出，調理后的電壓送入調壓芯片的2引腳，基準電壓送入調壓芯片的1引腳。在正常負載突卸時，由于負載突然變小，調壓點電壓突然上升，使得調壓芯片2引腳的電壓遠大于1引腳的基準電壓，輸出PWM波形的占空比減小，使得輸出勵磁電流減小，發電機發出的電壓同步減小，從而保證電壓瞬變曲線在圖1的包絡線范圍之內。

圖4 交流發電機系統閉環調壓原理

在故障出現時，若送到芯片2引腳的電壓增大，由于有電容C19的存在，芯片2引腳的電壓不會突然增大，而是會對電容C19進行充電，使得電壓逐漸增大。而由于RC常數較大，對電容C19的充電速度較慢，使得調壓芯片2引腳的電壓上升速度較慢，誤差放大器輸出的誤差信號Ue上升速度也會較慢，經過PWM調節后，輸出波形占空比的減小速率較慢，勵磁電流減小速度較慢，導致電壓曲線下降速度較慢，從而超出包絡線的范圍。

圖5 模擬式專用調壓芯片外圍電路

4 糾正措施

為使電壓曲線下降的速度變快，需要減小R35與C19所構成電路的RC常數大小。由于更改電容大小會對調壓精度帶來較大影響，因此采取保持C19大小不變，只減小R35阻值大小的方法。R35阻值大小的理論計算過程如下：

從圖2中可以看出，當前R35阻值為21kΩ時電壓降到118V所需時間約為0.105s，而圖1包絡線中要求電壓降到118V所需時間不能超過0.088s，即：

從上式中可以得出，R35的阻值小于17.6kΩ可以使電壓曲線滿足要求。

以上為理論計算，為了驗證計算的正確性，將R35分別更換為18kΩ、15kΩ及10kΩ這3個不同阻值，并重新進行電壓突卸試驗，查看電壓曲線的變化趨勢，各阻值下的電壓曲線如圖6 —圖8所示。

圖6 負載（0.75）突卸試驗結果（R35=18kΩ）

圖7 負載（0.75）突卸試驗結果（R35=15kΩ）

圖8 負載（0.75）突卸試驗結果（R35=10kΩ）

由圖6 — 圖8可知，當電阻R35阻值越小時，電壓曲線下降的速度越快，與理論上的變化趨勢一致，并且在R35為18kΩ時基本達到臨界值，與理論計算結果大體相同。

5 結束語

通過對某型直升機交流發電機控制器在突加突卸試驗中電壓曲線超標故障的分析、計算和驗證可知，調壓電路的RC常數會對交流發電機的輸出電壓變化響應速度有較大的影響。今后在設計直升機交流電源系統時，對調壓電路中的元器件選型要進行合理的計算和驗證，從而使交流電源系統的各項性能指標滿足國軍標的相關要求。