電源轉電時負載管理中心配電斷開故障分析

王元君，韓先德

（1.中國直升機設計研究所，江西景德鎮，333000；2.漢中一零一航空電子設備有限公司，陜西西安，710000）

由于近代直升機越來越依賴電氣設施，所以這些年來直升機電氣系統取得了重大的進展。這些發展與“多電飛機”和“全電飛機”概念有關[1]，這一概念試圖將直升機上更多的系統工作歸到用電的方法來實現，電氣負載管理中心（ELMC）加入直升機電氣系統，使直升機上的所有負載都以一種精確的智能方式控制，飛行員不需要對所有的負載一個個地進行控制，只需要發出直升機的當前飛行階段和一些控制指令，自動配電系統會根據直升機的飛行狀態和電源情況自動管理直升機電力系統和各個負載。

自動配電與常規式或遙控式配電系統相比，自動化程度高，且配電系統的體積重量大大減小，并且由于其具有自檢測（BIT）功能，飛機的維修性更好。SSPC的保護動作響應迅速，故障保護特性符合I2t反延時保護規律；由于SSPC內部采用固態功率技術，沒有機械觸點等活動部件，因此通斷時無電弧和燒蝕現象，抗振性能優；SSPC利用固態傳感裝置對電流進行直接檢測，不是基于熱特性進行保護，保護時間精度更高[2]。負載管理中心作為自動配電系統的核心技術，能根據飛行員指令對負載進行加卸載，負載管理中心的可靠性是直升機自動配電系統配電綜合處理的關鍵。

盡管在供電系統和電子設備中增加了輔助電路如儲能電容等，來減少轉電時電子設備不正常工作的事件發生，但因轉電時電源中斷導致電子設備不正常工作的事件仍有發生，因此不中斷供電也是自動配電系統一項技術挑戰。自動配電系統作為機上配電系統，既是用電設備又是供電設備，自身既要具備轉電不間斷工作，又要保證SSPC配電通道在轉電過程中正常工作，配電系統轉電過程中不間斷工作是保證直升機的供電裕度、可靠性和安全性的必要條件。

1 背景

自動配電技術以及固態功率控制器件已經相當成熟，并運用到包括直升機的各種有人和無人飛行器中，用于對負載的精準控制，可視性操作和實時性反饋都比常規配電大大提高。負載管理中心對電源特性和負載特性的反應也更加靈敏,元器件性能指標的匹配性成為設計和試驗的重要考核項目。

某型直升機供配電網絡主要由三大部分組成，分別是供電網絡、負載管理中心（ELMC）、供電處理機組成，如圖1所示。

圖1 供配電原理框圖

機上電源AC115V、DC28V輸送給ELMC，作為ELMC的工作電源及后端負載配電功率電源。ELMC根據供電處理機的RS422總線控制命令控制SSPC通斷，完成后端負載配電的接通和斷開的控制。

當機上出現轉電時，由于配電盒中接觸器固有吸合、斷開動作特性，導致供電網絡輸入至ELMC的DC28V和AC115V電源會出現短暫的斷電現象（掉電時間不大于40ms），國軍標要求電源轉電時間不大于50ms[3]。由于ELMC具備50ms以內斷電持續工作的能力，故而在此期間能正常工作，輸出的功率配電電源與輸入電源一致（40ms以內的短時掉電），由于機上用電負載同樣具備50ms以內斷電持續工作的能力，故在50ms以內的電源轉電過程中，機上用電設備可以保證正常工作。

2 故障現象與定位

■ 2.1 故障現象

某型直升機在外廠地面轉電過程中，出現多路負載短時掉電重啟現象。

■ 2.2 故障定位

根據故障現象并結合機上配電原理建立故障樹T1，如圖2所示。

圖2 故障樹

根據故障樹進行故障逐一排查，搭建測試平臺模擬機上轉電環境，對供電處理機軟件輸出控制命令建立數據監測點，當模擬機上環境進行轉電控制時，供電處理機未發出異?？刂浦噶?；對負載管理中心機上軟件狀態進行檢查，結果為正常；將機上負載管理中心拆下，對其主控板電路進行檢查，結果為正常（具體檢測內容：數據通信、邏輯處理等功能），對其板級控制器電路進行檢查，結果為正常（具體檢測內容：數據通信等功能），對其SSPC模塊電路進行檢查，結果為正常（具體檢測內容：數據通信、負載通斷控制等功能）。

對機上后負載管理中心的匯流條電源輸入（直升機電源系統輸出）和后端負載配電輸出建立檢測點（這里隨機選擇一路轉電時掉電重啟的配電輸出通道），測試其轉電過程中的電壓變化，其結果如圖3、圖4所示。

圖3 匯流條電壓變化

圖4 配電輸出通道電壓變化

根據轉電過程中測試電壓顯示，黃線為后負載管理中心的匯流條電源輸入電壓，綠線為后負載管理中心后端負載配電輸出電壓，匯流條輸入電壓在轉電過程中掉電時間小于30ms，此現象正常，可證明機上供電網絡工作正常，配電輸出通道電壓在轉電過程中掉電時間為1.5s左右，此現象異常，可初步判斷機上用電設備短時掉電是由于負載管理中心輸出電源在轉電過程中出現大于50ms的電源掉電現象引起的。

對圖1中負載管理中心電源電路分析發現，其主要包含兩個模塊，分別是電源維持模塊和電源轉換模塊，其功能及性能指標如下：

（1）電源維持模塊：實時監控負載管理中心的功率匯流條上的輸入電源，當發現其電壓大于放電閾值(18V±1V)時,則將功率匯流條上的電源輸出給電源轉換模塊，并同時給自身電容儲備電能；當發現其電壓小于放電閾值時，則停止將功率匯流條上的電源輸出給電源轉換模塊，將自身儲能電容的電能釋放輸出電源轉換模塊（滿能量的儲能電容可以瞬間釋放35V±1V（2A）的電源，并隨時間的變化，輸出電壓逐漸降至0V，其中35V-0V的時間不小于60ms）；

（2）電源轉換模塊：將來自電源維持模塊的電源轉換為5V±0.1V的內部電源，用于產品正常工作，其輸入電源的轉換范圍為18V～36V。

根據上述特性，搭建測試平臺模擬機上轉電環境，對負載管理中心（廠內同批次的庫房產品）電源維持模塊的輸出及電源轉換模塊的輸出（5V工作電源）建立測試點，測試電源維持模塊和電源轉換模塊在轉電過程中的電源輸出狀態，結果如圖5所示。

圖5 電源維持模塊電源輸出狀態及電源轉換模塊電源輸出示意圖

如圖5所示，黃線為電源維持模塊輸出，綠線為電源轉換模塊輸出，其轉電過程中變化如下：

（1）電源維持模塊輸出的電源電壓隨著外部輸入電源電壓降低而降低，當降低至18V時，未能及時將輸出電源由外部電源切換至內部儲能電容的電源，導致其輸出電壓持續降低至18V以下，當輸出電壓降至17V左右時，其電壓瞬間上升至36V左右（此時將外部電源切換至內部儲能電容的電源），10ms后，輸出的電源電壓重新降低至18V以下，持續時間為30ms左右，然后上升至35V左右緩慢放電。

（2）電源維持模塊輸出的電源電壓低于18V時，電源轉換模塊輸出的5V電源迅速降低至0V（電源輸入不滿足正常轉換范圍導致其輸出異常），持續時間為50ms左右，電源維持模塊輸出的電源大于18V時，且持續時間大于10ms（產品內部電源建立時間），輸出電壓為5V。

對上述檢測結果分析可知，由于電源維持模塊的放電閾值為17V左右（符合放電閾值18±1V的要求），而電源模塊的正常工作范圍為18V～36V，因此當外部輸入電源低于18V時，電源維持模塊由于其電壓依然大于放電閾值（17V左右），未能及時將電源輸出由外部電源切換至內部儲能電源的電源，導致電源轉換模塊在輸入電源低于18V時無法輸出有效的5V電源，引起負載管理中心掉電，SSPC模塊關閉配電通道，導致機上后端負載掉電。故可以確認故障D3。

故障發生后，電源維持模塊廠家對公司內庫存產品進行檢查，發現放電閾值低于18V的電源維持模塊的同批次產品皆出現此問題。

綜上所述，由于當前批次的電源維持模塊的放電閾值低于18V，與電源轉換模塊不匹配，導致ELMC在機上轉電過程中，電源維持模塊無法在輸入電源低于18V之前將電源輸出由外部電源切換至內部儲能電容電源，造成電源轉換模塊在輸入電源低于18V時，無法正常輸出5V有效電源，引起負載管理中心掉電，SSPC模塊關閉配電通道，引起后端負載掉電。

3 機理分析

電源維持模塊的放電門限電路主要由比較器U4，信號管Q2，及阻容器件組成，如圖6所示，輸入電壓在放電閾值電壓值以下時，比較器U4輸出高電平，驅動放電開關打開，實現儲能電容放電并同時禁止升壓電路給儲能電容充電，將電源輸出由外部輸入電源切換為內部儲能電容電源；輸入電壓大于放電門限電壓值時，比較器U4輸出低電平，放電開關關閉，儲能電容不會進行放電，同時升壓電路會持續工作保持儲能電容充滿電，輸出電源由內部儲能電容電源切換至外部輸入電源。

圖6 放電閾值控制電路

當放電閾值設置偏低（低于18V）時，導致外部輸入電源低于18V時，無法及時將電源輸出由外部電源切換至內部儲能電容電源，給電源轉換模塊輸出的電源低于18V以下，然而電源轉換模塊在輸入電源低于18V時，由于其不滿足正常轉換范圍（18V～36V），導致無法正常輸出5V電源，引起負載管理中心掉電，SSPC模塊關閉配電通道，導致后端負載掉電。當外部輸入電源恢復正常時（轉電完成），電源維持模塊電源輸出為外部輸入電源（28V），電源轉換模塊正常輸出5V電源，此時產品正常上電，由于供電處理機在負載控制命令未發生變化時，控制命令的發送周期為1s（2個RS422總線通信周期），故負載管理中心接收到控制接通指令時間最長為1s后。由于負載管理中心內部控制指令的傳輸需要經歷2級總線通信網絡（主控板->負載控制器->SSPC模塊），其總線通信周期為500ms，結合產品軟件上電工作時間不大于300ms，故SSPC接收到來自供電處理機的控制接通指令時間最長為1.8s，故產品在上電后1.8s內控制SSPC模塊配電通道接通，完成負載配電，所以機上負載斷電后，1.5s后重新上電屬于正?，F象。

4 改進措施

(1)修改對此電源維持模塊的放電閾值誤差要求，由18V±1V改為18+2V，提升性能指標的匹配度；

(2)相關入廠驗收文件中增加對電源維持模塊的功能、性能二次篩選；

(3)產品工藝文件中增加對50ms以內供電中斷后的正常工作的板級驗證（電源板）性能要求；

(4)產品規范及試驗大綱中，在小組驗收、軍檢驗收中增加產品50ms以內斷電的正常工作性能測試。

5 結束語

轉電過程是直升機的重要的供電特性，國軍標要求供電系統的轉電時間應不超過50ms，同時要求機載產品具有轉電時不間斷工作的能力。這就對供電系統和用電設備提出了轉電時不間斷工作的要求。在元器件的選擇和匹配上技術指標要清晰準確，增加元器件入廠后相關技術指標的二次篩選和驗證，產品板級試驗要包含轉電試驗驗證滿足轉電要求。對元器件更換批次或廠家后，要嚴格入廠驗證以及產品驗證。保證不同批次和廠家的元器件不會對設備功能性能產生影響。