关于直升机APU交流发电机电压显示异常的故障分析

赖耀祖

摘 要：本文就某型直升机飞行中出现的APU交流发电机电压显示异常的问题，进行了理论分析和故障定位，并提出了解决措施，经试验验证，表明原理分析正确，解决措施有效。

关键词：APU交流发电机；电压显示异常；试验验证

Abstract：The paper aims to analysis the trouble of abnormal voltage display of helicopter alternator when flight.Theoretical analysis and fault location are carried out，and the solutions are put forward.The test results show that the principle analysis is correct and the solutions are effective.

Key words：APU alternator；abnormal voltage display；experimental verification

APU交流发电机是直升机上的交流辅助电源，其作用是1）当机上交流主电源故障时向全机提供备用交流电源；2）向机上的变压整流器（TRU）提供交流电，TRU将其转换为直流电源输出给机上的直流用电设备；其电压异常会影响其直流电源品质，进而影响用电设备的效能。2014年8月初，某直升机在空中进行科目试飞时，机上的APU交流发电机开启，并将机上的变压整流器（TRU）并网后，APU交流发电机電压显示为113V，低于正常值115V。本文就APU交流发电机电压显示偏低的故障进行了研究和分析，并提供解决措施。

1 故障复现

直升机着陆后，地面重新上电检查，将APU交流发电机开启后，电压显示为115V，将TRU开关接通后，APU发电机的电压从115V下降至113V，重新断开TRU开关后，APU发电机电压正常，显示为115V。故障复现，初步判断APU发电机受TRU影响，导致电压指示异常。

2 原因分析和故障定位

图1为该型直升机APU交流发电机工作以及电压采集的工作框图。如下图所示，APU交流发电机同时给交流电网和TRU供电，APU交流发电机控制器给交流发电机提供控制和保护，并同步采集交流发电机的电压、电流等状态，上传至机电参数显示器进行实时显示。

根据故障现象进行分析，有以下几种可能：

1）TRU开启后，APU交流发电机出现异常，导致采集的电压值偏低；

2）TRU开启后，APU交流发电机控制器出现异常，导致对采集电压数值误判，进而显示电压值偏低；

3）TRU开启后，机电参数显示器出现异常，对GCU送过来的电压数值误读，进而导致显示电压值偏低。

为了进行故障定位，在交流GCU上抽引出通讯信号，用外置设备进行实时监测，同时在TRU的交流输入端用数字万用表实时监测，检测结果如下表1、2所示。

通过对比表1、表2数据可得出结论：

当TRU开启后，交流GCU送出的APU交流电压的通讯值异常，且与机电显示的数值一致，但TRU交流输入端实测的交流电压值数值正常，因此可定位于交流GCU的电压采集问题。

为进一步甄别该故障是否由单台交流GCU故障引起，现场更换了一台新的APU交流GCU，重新进行地面通电验证，故障现象依旧存在，因此故障可定位于APU交流GCU电压采集的问题，非单台产品的个性问题。

3 机理分析

通过上述分析，可以明确该故障是由APU交流GCU电压采集引起的，为进一步明确故障原因，2014年8月，将APU交流电机、交流GCU与TRU在602所电气试验室进行地面联合试验，并对交流电源品质等（包括波峰系数）进行实时监测。测试数据如下表3所示。

其中，波峰系数是电流的峰值与电流的平均值的比值，当波形为理想正弦波时，波峰系数为1.414。国军标中对波峰系数要求为应满足1.414±0.15的范围。

通过表3对比，可发现当TRU开启后，APU交流电机的波峰系数由1.419下降至1.389，经分析，这是由于TRU中的变压器铁芯设计时选取的磁通密度过高，容易达到磁饱和，磁饱和后会将交流峰值电压拉低，且饱和后会引起电流畸变，谐波含量增加。同时，可观察到，波峰系数降低后依然满足军标中交流电压波峰系数的要求。

进一步分析，交流GCU中对于电压有效值的测量采用的是峰值测量法，即检测电压的峰值，除以默认波峰系数1.414得出检测值，该检测方式对正弦波是准确有效的。当TRU未工作时，交流电压谐波含量小，波峰系数趋近于1.414，接近正弦波，因此机上显示数值未受影响；但TRU开启后，交流电压的波形受影响，不再是理想正弦波，继续使用峰值测量法将不再适合。这是因为电压实际有效值不变，TRU开启后拉低了波峰系数，使电压的实际峰值降低了（从表3可观察得出），而交流GCU根据实际检测的峰值除以1.414得出通讯显示值，该数值所以也降低了。

因此，根据上述分析，可得出结论，此次APU交流电压显示异常是由以下两个原因导致：

1）TRU设计时，选取的铁芯磁通工作点偏高，导致TRU工作时容易达到饱和点，影响交流侧的波形畸变和波峰系数；

2）交流GCU进行电压采样检测时，选用的峰值测量法在波形畸变的情况下，是不合适的，会导致机上显示电压异常。

4 解决措施

根据以上分析，为了解决此次故障，可以采取以下措施：

（1）优化TRU中的铁芯磁通设计。方案一：目前TRU中铁芯选用的高导磁材料，其饱和磁通密度为2.3T，而设计选取的磁通密度为2.2T，经计算，重新选取磁通密度为2.0T，但为保证同样的磁通量，需加大铁芯截面积，经评估，落实该更改后TRU需增重约490g；

方案二：铁芯选用磁通密度较小的材料——DG6硅钢片，其饱和磁通密度较低，只有1.9T，选取磁通密度工作点为1.8T，但为保证同样的磁通量，同样需增大铁芯截面积，经评估，落实该更改后TRU需增重约增加600g左右。

（2）優化交流GCU的电压采样方法，根据分析，峰值检测的方法不适用于电压容易发生畸变的场合。目前市面上对有效值检测主要用专门的真有效值芯片，可以规避畸变问题，提高测量精度。GCU内部可以使用该方法，但落实更改还需考虑更改周期、成本以及产品的增重问题。

（3）更改交流电压的采集路径。机上交流电压采集除了交流GCU直接采集外，还有汇流条功率控制器（BPCU）也可采集电压，经核实，BPCU内部电压采集使用的是专门的真有效值检测芯片。因此，还可通过BPCU直接采集APU交流电压并上传给机电系统，这种更改方案更便捷，还可以节约成本，缩短更改周期，同时不增加系统重量。

综合上述几个方案，选取了第3方案—更改交流电压的采集路径，在机上落实更改方案后，并同步经过地面试验和飞行验证，故障消除，更改有效。

5 小结

直升机电气系统是个复杂系统，电源品质与机上电源系统状态、控制电路、负载状态等相关联，是一个复杂综合系统。因此在对直升机电源系统故障分析时，不能仅仅从某一方面，或者某一个设备角度进行分析，更应该从全局、系统角度，综合地的进行分析与设计。

如上述的APU交流电压显示偏低的故障，如果仅从系统故障定位角度出发，此次故障由交流GCU的电压采集方式不合理导致，直接由GCU整改亦可，但从系统工程角度出发，该故障是由TRU和交流GCU共同作用导致。另外在系统的故障解决措施上也因综合考虑，在满足系统使用的前提下，还应综合考虑更改周期、设计成本等因素。

另外，通过此次故障分析，表明系统设计时还应考虑负载端对电源的影响，如TRU带载后的波形畸变会对交流电源品质的影响关系等等，因此在电源设计时，有效识别系统工作的边界与反馈是很有必要的。

参考文献：

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