飛機油冷交流控制器不并網故障分析

曹學睿

（中國直升機設計研究所，江西景德鎮，333000）

0 引言

隨著電子技術的迅速發展，電傳飛控計算機、機電綜合顯示器、計算機自動控制技術、電子對抗技術、高功率的循環制冷設備、通風加溫設備、雷達干擾吊艙等高功率、大負載設備紛紛應用在飛機上，使得機上用電設備和所需功率不斷增多，導致電源供電系統需求也越來越大。使用傳統的28V 低壓直流供電系統已經不能滿足飛機的用電需求，恒頻交流發電系統因為其渦輪軸發動機轉速變化小的特點，逐漸成為飛機的主電源系統。

飛機上交流系統主要分交流主電源系統和交流輔電源系統，一般交流輔電源系統以APU 交流發電機為主，其作用是，當機上交流主電源故障時向全機提供備用交流電源，通常以風冷交流發電機為主，通常功率較小，散熱較差[2]。交流主電源系統通常以油冷交流發電機為主，其功率較高，散熱效果較好，交流主電源系統主要包括油冷交流發電機、油冷交流發電機控制器、接觸器和TRU 組成，油冷交流發電機與飛機上主發動機相連，為飛機提供主要交流電，油冷交流發電機控制器對油冷交流發電機的轉速，三項電壓值，頻率進行采集，并根據上位機的指令對油冷交流發電機進行控制。接觸器則通過接通和斷開對油冷交流發電機進行直接的控制。當油冷交流發電機控制器采集到交流發電機出現，欠壓、欠流、過壓、過流、欠頻、欠欠頻等問題時，會通過接觸器對發電機進行脫網處理，并將故障上報給上位機。油冷交流控制器與油冷交流發電機和接觸器共同組成飛機上的主交流電源系統，在正常情況下向全機提供115V、400Hz 的恒壓交流電[3～5]。根據GJB181A-2003《飛機供電特性》交流電入網時必須滿足三相電壓的最低相電壓≥105V，頻率上升到≥380Hz，延時（1±0.5）s 接通電網接觸器，油冷交流控制器通過RS-422-A 通訊接口向供電處理機（PSP）傳送交流電源系統的參數、狀態和故障信息[5,6]。在機組進行地面檢查工作時發現地面開車出現不并網的故障現象。經查飛參數據，發現三臺產品的調壓點電壓頻率出現跳變現象，跳變頻率在0～393Hz 之間，電壓值正常，均為115V。

1 故障定位

對產品進行性能檢查，測量調壓點電壓頻率，出現電壓頻率在0～393Hz 之間跳變的現象，上位機測得調壓點電壓跳變現象，產品報碼16（頻率采集故障），通訊上位機顯示PMG 頻率采樣值為0，確認為產品故障。

先對產品內部進行靜態檢查，檢查各印制板組件無明顯燒毀、變色、變形；倒置并搖晃產品，內部無多余物，各緊固螺釘緊固牢固。

根據故障現象中GCU 的輸入頻率正常而通訊上報頻率為0、報“16 碼”（頻率采集故障）和不投網的故障現象，結合產品內部的頻率信號流向，（因永磁電壓的頻率為調壓點電壓頻率的3 倍，因此產品內部采集永磁機頻率/3 為調壓點電壓頻率）見圖1，不投網的邏輯見圖2，及報“16 碼”故障流程圖見圖3，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，畫出故障樹見圖4。

圖1 頻率信號流向圖

圖2 投網流程圖

圖3 報“16”碼流程圖

圖4 GCU 不并網故障樹

依據圖4 不并網故障樹，得出X1—X7 引起交流發電機系統不并網的七種故障模式，通過對故障樹的內容逐條排除，在將故障產品分解，對底座組件上AC/DC 模塊故障進行振動試驗時，發現AC/DC 電源模塊中的E1 與E2 之間阻抗異常，在振動過程中隨機出現開路現象。對模塊進行開蓋檢查。發現模塊內部頻率檢測變壓器L4 次級側第2 腳引線呈脫開狀態（見圖5）。因此可以判斷是油冷交流控制器不并網是由X3 底座組件上的AC/DC 模塊故障引起的。

圖5 引線脫開

2 機理分析

產品投網邏輯為閉合發電機開關，發電機三相電壓大于105V，頻率大于380Hz，電源系統無過壓故障、欠壓故障、過頻故障、過過頻故障、欠頻故障、欠欠頻故障及差動故障延時800ms，發出投網指令，讓主接觸器吸合，投網流程圖見圖2。結合頻率信號流向圖1，當產品內部的AC/DC 模塊的頻率輸出異常（頻率在0 和393Hz 之間跳變）時，軟件中采到的頻率值相應也會跳變，不滿足延時800ms 內頻率始終大于380Hz 的條件，無法發出投網指令，最終導致不并網故障。

電路原理方面，頻率檢測通過采樣三相交流輸入，再通過隔離變壓器進行降壓整合輸出，如圖6 所示。三相交流輸入信號通過電阻限流輸入至隔離變壓器，通過變壓器耦合輸出信號至E1、E2。變壓器圈比為4:1，即輸出信號電壓幅度為三相交流輸入信號的1/4，頻率與三相交流信號頻率一致。

圖6 輸入頻率檢測電路

當變壓器次級側的線圈焊點焊接不良或松脫開路后，會導致變壓器次級側（即頻率檢測）回路斷開，導致無頻率信號輸出，從而導致整機系統頻率檢測故障。

該故障TVS 管經解剖觀察芯片，發現結邊緣發生熔融現象，且發生在芯片邊緣最為脆弱位置。失效機理為結邊緣焊料形成金屬化合物而脆化，使芯片與底座熱承逐漸分離，結邊緣的散熱能力減低，長時間工作結溫持續增大導致過熱燒毀。

3 問題復現

故障品產品返廠后，進行故障確認，起初產品工作正常，通過拍擊產品或進行振動試驗后，發現產品通訊上報頻率為0，且報“16 碼”（頻率采集故障），產品不并網，故障復現。

為驗證電源模塊失效原因，進行了如下故障復現試驗。

樣品制備：采用8 塊B1-PCB-HM240AC40S28A-V1.3A電路板，24 只與變壓器相同尺寸的磁環，繞0.15mm 和0.1mm 的漆包線，按作業指導書進行焊接，并人為調整焊接狀態進行樣品制備，并將其人為命名為A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4。此后，對8 塊板進行外殼安裝+封裝。試驗方案：見表1。

試驗結果：在第三輪溫循+隨機振動試驗過程，發現B3 樣品其引出線阻值隨產品振動會發生變化；查B3 號樣品狀態，為引線焊偏并上浮的樣品，其狀態見焊接后的X光照片（圖7），鎖定為L5 2 號引線異常。對其挖開灌封膠發現該引線已脫出，見圖8，故障復現。

圖7 B3 樣品X 光

圖8 焊點脫落復現

4 改進措施

經查故障批次的AC/DC 電源模塊HM240AC40S28A均裝在GCU D2001 批產品內，為防止AC/DC 電源模塊HM240AC40S28A 由于焊接不良導致頻率輸出異常故障，整改措施如下：

（a）對于線徑＜0.25mm 引線焊接產品，控制焊接工人在單位時間內的焊接數量，針對該產品，按5-7 只/小時控制。同時增加上午10:00、下午15:00 兩個時間點，中途休息10 分鐘緩解員工工作壓力及視覺疲勞。

（b）修改作業指導書組裝：（1）將焊接細分為去漆搪錫和引線焊接兩個工步進行管理；（2）變壓器引線焊接完成后，采用20 倍放大鏡100%目檢，并增加10%抽樣進行X 射線檢查的要求；（3）在變壓器引線距離焊點2mm-3mm 處，點DG-3S 環氧膠固定引線，消除灌封后引線對焊點傳導的溫度及機械應力。

（c）在AC/DC 電源模塊HM240AC40S28A 詳細規范（02 版）中，增加隨機振動篩選試驗，并加電監控試驗過程。振動試驗按GJB1032-1990 經典譜型,加速度功率譜密度0.04g2/Hz，X、Y、Z 每方向各15 分鐘。

（d）在GCU 二次篩選規范中，增加隨機振動篩選試驗，并測量模塊頻率輸出的阻抗。

通過上述措施，有效地預防AC/DC 電源模塊由于焊接不良導致頻率輸出異常故障，進而預防了油冷交流控制器報頻率采集故障而導致不并網故障。將更改后故障件進行實驗室試驗，故障現象消失。再將更改后故障件裝機驗證，交流發電系統正常工作。

5 結論

本文以飛機油冷交流控制器不并網故障為背景，從故障現象入手通過對問題故障樹的建立和排除，找到由于底座組件上的AC/DC 模塊中引線異常導致GCU 采集頻率故障，分析了此次油冷交流控制器不并網的故障機理，對故障進行了復現，在此基礎上提出了改進措施：（1）減少因過勞作業引起的人為操作問題；（2）完善作業指導書中內容；（3）增加對AC/DC 電源模塊隨機振動篩選試驗。改進后的交流發電機控制器通過了裝機驗證考核。該故障對后續油冷交流發電機控制器的設計和工程應用具有較大的參考價值。