直升機交流發電系統掉電不并網故障分析

曹晨媛 董曉宇 賴耀祖

（中國直升機設計研究所 江西省景德鎮市 333001）

1 概述

2019年12月，直升機交流發電系統在地面試車時出現掉電不并網問題，故障表現為：撥發電開關后，左發交流發電系統發電正常且上報電壓，右發交流發電系統未上報電壓且不并網，重復撥動兩次開關，仍然不能并網。

2020年6月，直升機交流發電系統在試飛過程中偶爾出現空中掉電不并網現象。

2 故障定位分析

根據機上故障和產品的工作原理，分析直升機交流發電系統掉電不并網故障可能的原因，建立故障樹如圖1 所示。引起交流發電系統掉電不并網故障的故障模式有6 種：A1 線路故障；A2 相序電路故障；A3 頻率采集電路故障；A4 開關電路故障；A5：故障標志位故障；A6 發電電壓故障。這六種模式的一種或多種均可能導致該故障現象的出現。

對上述不同故障原因逐一進行試驗分析，結果分析下：

（1）A1 線路故障：給故障件通電做開環測試，通信發送、接收功能及過壓、欠壓、過頻、欠頻性能測試均正常，可排除A1 線路故障模式。

（2）A2 相序電路故障：DSP 通過采集運放輸出的高低電平來判斷相序是否正確，若相序正確，運放將輸出低電平，反之，則輸出高電平。試驗測得運放輸出0V，可確定相序電路無故障，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：通過串口傳輸試驗測得頻率采集電路輸出正常，可確定頻率采集電路無故障，排除A3 頻率采集電路故障模式。

（4）A4 開關電路故障：對故障件進行在線仿真測試，測得發電開關接通，軟件中開關的標志位為“1”，開關斷開，標志位為“0”，可確定開關電路無故障，排除A4 開關電路故障模式。

（5）A5 故障標志位故障：通過通訊串口觀察故障標志位，經測試故障標志位始終為初始化“1”，未發生改變，可確定故障標志位無故障，排除A5 故障標志位故障模式。

（6）A6 發電電壓故障：B1、B2、B3 可引起該故障模式。通過分析，進一步定位故障如下：

1.B1 調壓電路故障：調壓電路是通過比較誤差放大端電壓來調節脈寬調制芯片輸出的占空比實現的，可調占空比范圍在0 ～98%。試驗測得芯片占空比輸出范圍正常，可排除B1 調壓電路故障模式。

2.B2 勵磁繼電器故障:試驗測得故障件勵磁繼電器可正常吸合斷開，因此可排除B2 勵磁繼電器故障模式。

3.B3 DSP 勵磁控制信號故障：C1、C2 均可引起該故障模式，進一步定位故障如下：

圖1：交流發電系統掉電不并網故障樹

圖2：勵磁電流接通時DSP 供電電源與GCR CLOSE 波形

圖3：單獨供電DSP 供電電源與GCR CLOSE 波形

圖4：勵磁回路濾波器

圖5：實測容值0.96μF 勵磁電流波形

① C1復位信號故障：實驗測得撥動發電開關， 信號始終為高，可排除C1復位信號故障模式。

② C2 供電電源故障：供電電源故障分為D1 勵磁電流未接通時的電源故障和D2 勵磁電流接通時的電源兩種故障模式。

將外部電纜延長至機上電纜長度，測得DSP 供電電源無尖峰，勵磁控制信號GCR CLOSE 信號正常，可排除D1 勵磁電流未接通時的電源故模式。

將外部電纜延長至機上電纜長度，撥發電開關，測得DSP 供電電源與GCR CLOSE 信號如圖2 所示，DSP 供電電源出現最高80V 的尖峰，GCR CLOSE 信號持續出現跳動，且出現尖峰的頻率與GCR CLOSE 跳動的頻率是同步的，即每當DSP 供電電源有尖峰出現，GCR CLOSE 信號就會跳動，勵磁繼電器相應跳動，導致發電不正常，接觸器不能并網。

將外部電纜延長至機上電纜長度，給交流發電機控制器正常通電，單獨給DSP 單獨供+5V 電源，測得DSP 供電電源與GCR CLOSE 信號波形如圖3 所示，DSP 供電電源尖峰小于1V，且GCR CLOSE 信號一直為高未跳動，發電正常可以并網。通過圖2 與圖3 波形對比，可確定是勵磁接通使DSP 電源信號受干擾引起勵磁繼電器跳動，導致交流發電系統掉電不并網故障。

3 機理分析

機理分析如圖4 所示。勵磁回路濾波器有4 個接地電容C25、C26、C28、C29，1 個線間電容C27，接地電容的地線與殼體相接，對勵磁電流波形較小，線間電容C27 對勵磁電流波形影響較大。若濾波器中的濾波參數不匹配，會對電源信號與控制信號產生影響，從而影響交流發電機控制器的性能。

線間電容參數的理論設計步驟如下:

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

考慮到連接器的插針、引線及導線存在寄生電感，L 取值為0.3μH，可通過上式計算得到電容C 應不大于0.94μF。C27 電容的實際標稱值為1μF，精度為M 級（±20%），兩臺故障件線間電容實測值分別為為0.96μF 和0.94μF。將電纜長度延長至與機上電纜長度一致，發電時測得勵磁電流波形如圖5 所示，勵磁電流發生畸變且發電不正常。通過電容串并聯的方式，將線間電容容值調整為0.9μF，測得調整容值后的勵磁電流平緩，且發電正常。由此可知，當C27 線間電容容值偏大，會導致勵磁回路上電流畸變，使DSP供電電源電壓出現波動，產生尖峰信號。

實測值為0.96μF 的故障件，超過線間電容值的可選范圍，使勵磁電流波形發生畸變，導致DSP 供電電源電壓產生尖峰信號。當尖峰電壓超過DSP 供電電壓范圍會導致DSP 重啟，勵磁信號（GCR CLOSE、GCR TRIP）信號被初始化為低電平，勵磁繼電器斷開，因開關一直處于接通狀態，符合軟件中勵磁接通條件，GCR CLOSE、GCR TRIP 信號被置為高電平，勵磁繼電器吸合。勵磁繼電器不斷的吸合導致發電不正常，不能并網。實測值為0.94μF 的故障件，處于線間電容值的臨界值，在機上偶爾出現勵磁電流畸變，所以試飛中偶爾出現發電系統掉電不并網的情況。

4 改進方案

針對勵磁電流畸變引起的DSP 重啟問題，將勵磁回路濾波器返廠進行整改。濾波器線間電容的選取既要能滿足濾波要求同時不能影響實際信號，還要在設計中考慮電容可選標稱及電纜長度、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（±5%）。

濾波器改進后的發電機控制器，在撥發電開關后，測得DSP供電電源尖峰很小，GCR CLOSE 信號一直為高，且發電并網正常。連續開關通斷測試50 次，均能正常工作并網。

5 結論

通過對比改進前后的試驗情況，改進后的交流發電系統未再出現掉電不并網故障。由此可見，該改進措施有效，在后續產品研制過程中要充分借鑒此故障機理，避免此類故障的發生。