某型直升机交流发电机控制器突加突卸电压曲线超标分析及改进

肖灵通

（中国直升机设计研究所，景德镇 333001）

随着电子技术的迅速发展，电传操纵技术、计算机自动控制技术、数字式自动管理、电子对抗技术等纷纷应用在直升机上，使得机载设备不断增多，导致对电源系统供电量的需求也越来越大。传统的28V低压直流供电系统已经不能满足直升机不断增加的供电需求，并且由于直升机涡轮轴发动机转速变化小的特点，恒频交流发电系统逐渐成为直升机的主电源系统，同时也对该系统的各项性能指标有了更高的要求。负载突加突卸作为考核交流电源性能指标的一个重要试验项目，必须满足相关国军标的要求。

1 背景

对于直升机交流电源系统，GJB181A—2003《飞机供电特性》中对其稳定电压范围、电压调制幅度、电压不平衡、电压相位差、畸变系数、畸变频谱、波峰系数、电压瞬变及频率瞬变等指标都有明确要求，其中，电压瞬变要求如图1所示。在直升机交流电源系统考核试验中，需要将功率因数为0.75的感性负载在10%和85%之间、20%和170%之间分别进行突加突卸，交流电源的瞬态电压必须在图1所示的包络线范围之内才能达到国军标的要求。

2 故障现象与定位

2.1 故障现象

在某型直升机交流电源系统地面联试过程中，试验人员进行了负载试验（功率因数为0.75），从20%负载突加至170%负载，以及从170%负载突卸至20%负载。在进行负载突加试验时，电压曲线满足要求，但在进行负载突卸试验时，电压曲线超出图1包络线的范围之外，具体情况如图2所示。

2.2 故障定位

根据故障现象，建立“突加突卸电压曲线超标”故障树，如图3所示。

由图3可知，导致突加突卸试验中电压曲线超标的可能原因主要包括发电机性能故障和控制器性能故障两大部分。其中，造成发电机性能故障的可能原因有励磁线圈损坏、发电机输出电压波形失真、永磁机损坏。造成控制器性能故障的可能原因有电源模块故障，无法为芯片提供稳定电压；调压电路RC常数较大；调压芯片的时钟周期较长；调压芯片基准电压不稳；调压芯片产生的锯齿波失真；电容充电导致励磁电流变化速度较慢。下面对每条可能的故障原因进行逐一分析。

（1）励磁线圈损坏。若励磁线圈损坏，励磁机提供给主电机的电流会受到影响，主电机无法产生均匀的磁场，则发电机无法正常发电，从而使得发电机输出电压发生漂移。为验证励磁线圈是否损坏，试验人员采用直流电源对发电机提供励磁的方法，对发电机加载10min电流后，发电机电压稳定在114.5V左右，说明电机性能正常，该故障原因可排除。

（2）发电机输出电压波形失真。若发电机输出电压的波形失真，不再为标准的正弦波，会使得经过控制器整流之后送到调压芯片的电压发生变化，进而影响控制器提供给发电机的励磁电流大小，导致发电机输出电压发生漂移。为验证发电机电压波形是否失真，在上述验证励磁线圈是否损坏的试验中，试验人员通过示波器检测发电机输出电压波形，检测结果为稳定的正弦波，未发生失真情况，该故障原因可排除。

图2 负载（0.75）突卸试验结果

图3 “突加突卸电压曲线超标”故障树

（3）永磁机损坏。控制器提供给发电机的励磁电流是由永磁机输出的三相电流整流转换而来的，若永磁机损坏，则发电机无法为控制器提供标准的三相电流，会导致控制器提供给发电机的励磁电流大小不足，从而导致发电机输出电压向下漂移。为验证永磁机是否损坏，试验人员通过拖动台来拖动电机转动，利用示波器检测发电机输出的电流波形，试验结果未出现失真情况，该故障原因可排除。

（4）电源模块故障，无法为芯片提供稳定电压。若电源模块故障，则无法为调压芯片提供稳定的+15V电压，芯片电压不稳定会导致芯片输出的电压波形受到影响，进而影响提供给发电机的励磁电流，从而使发电机输出电压发生漂移。为验证电源模块是否存在故障，试验人员用发电机和控制器进行联试，通过示波器检测芯片电源引脚电压，并进行10min过载试验。试验结果表明，电源引脚电压能够稳定在+15V，该故障原因可排除。

（5）调压电路RC常数较大。调压电路中，电阻R35与电容C19构成RC常数，若构成的RC常数较大，会使得在调压过程中，电容C19的充放电速度慢，响应时间长，导致发电机电压变化响应速度慢，电压变化曲线超出包络线的范围之外。为验证该故障原因，试验人员重新进行突加突卸试验，用示波器检测调压芯片2引脚的电压，当进行负载突卸时，芯片2引脚的电压上升较慢，响应时间较长，导致调压速度较慢。因此确定调压电路中RC常数较大会使电压变化速率慢，从而导致突加突卸时电压曲线超标。

（6）调压芯片的时钟周期较长。若调压芯片的时钟周期较长，其在进行脉冲宽度（PWM）调节时响应速度较慢，导致发电机输出电压变化响应速度也较慢，从而使得电压曲线超出包络线范围之外。试验人员通过查阅调压芯片的手册得知，在当前设置的参数下，芯片产生的时钟周期为100µs，即频率为1000Hz，可以满足要求，该故障原因可排除。

（7）调压芯片基准电压不稳。若调压芯片基准电压不稳，会导致芯片1引脚处的电压大小不稳，无法进行PWM调节，控制器提供给发电机的励磁电流大小会受到影响，使得发电机的输出电压发生漂移。为验证该故障原因，试验人员用发电机与控制器联试，通过示波器检测调压芯片18引脚的电压。试验结果表明，该引脚电压一直稳定在5V，该故障原因可排除。

（8）调压芯片产生的锯齿波失真。调压芯片的调节方式为PWM调节，将经过处理的调压点的电压与芯片产生的振荡锯齿波进行比较，若芯片产生的振荡锯齿波失真，芯片将无法进行正常的PWM调节，控制器提供给发电机的励磁电流大小会受到影响，从而导致发电机输出电压发生漂移。为验证该故障原因，试验人员在发电机正常工作时，通过示波器检测调压芯片12引脚的波形。试验结果表明，该芯片产生的是稳定的锯齿波，无失真现象，该故障原因可排除。

（9）电容充电导致励磁电流变化速度较慢。励磁电压稳定电路中，若电容C29的电容过大，充放电会导致励磁电压变化速率慢，进而使励磁电流变化速率变慢，导致发电机输出电压响应较慢，电压曲线超出包络线范围之外。为验证该故障原因，试验人员去掉电容C29，重新进行突加突卸试验，试验结果表明，发电机电压曲线均无明显变化且同样超出包络线范围之外，该故障原因可排除。

对上述可能造成故障的原因进行分析和验证后，最终可确定故障原因为调压电路RC常数较大，使得电压变化速率慢，导致突加突卸时电压曲线超标。

3 机理分析

图4为交流发电机系统闭环调压原理示意图。从图4中可以看出，当发电机负载大小发生变化时，发电机输出的A、B、C三相电压随之发生变化，电压敏感电路输入电压也相应变化，对比调理后的三相电压与基准电压，并将比较输出的值与集成芯片内部锯齿波发生器产生的锯齿波进行比较，进而调节功率管导通的占空比来改变激磁绕组中的平均激磁电流的大小，从而达到自动闭环调节电压的目的。可以看出，若占空比越大，则激磁电流越大，使得发电机发出的电压越高。

图5为模拟式专用调压芯片外围电路示意图。从图5中可以看出，调理后的电压送入调压芯片的2引脚，基准电压送入调压芯片的1引脚。在正常负载突卸时，由于负载突然变小，调压点电压突然上升，使得调压芯片2引脚的电压远大于1引脚的基准电压，输出PWM波形的占空比减小，使得输出励磁电流减小，发电机发出的电压同步减小，从而保证电压瞬变曲线在图1的包络线范围之内。

图4 交流发电机系统闭环调压原理

在故障出现时，若送到芯片2引脚的电压增大，由于有电容C19的存在，芯片2引脚的电压不会突然增大，而是会对电容C19进行充电，使得电压逐渐增大。而由于RC常数较大，对电容C19的充电速度较慢，使得调压芯片2引脚的电压上升速度较慢，误差放大器输出的误差信号Ue上升速度也会较慢，经过PWM调节后，输出波形占空比的减小速率较慢，励磁电流减小速度较慢，导致电压曲线下降速度较慢，从而超出包络线的范围。

图5 模拟式专用调压芯片外围电路

4 纠正措施

为使电压曲线下降的速度变快，需要减小R35与C19所构成电路的RC常数大小。由于更改电容大小会对调压精度带来较大影响，因此采取保持C19大小不变，只减小R35阻值大小的方法。R35阻值大小的理论计算过程如下：

从图2中可以看出，当前R35阻值为21kΩ时电压降到118V所需时间约为0.105s，而图1包络线中要求电压降到118V所需时间不能超过0.088s，即：

从上式中可以得出，R35的阻值小于17.6kΩ可以使电压曲线满足要求。

以上为理论计算，为了验证计算的正确性，将R35分别更换为18kΩ、15kΩ及10kΩ这3个不同阻值，并重新进行电压突卸试验，查看电压曲线的变化趋势，各阻值下的电压曲线如图6 —图8所示。

图6 负载（0.75）突卸试验结果（R35=18kΩ）

图7 负载（0.75）突卸试验结果（R35=15kΩ）

图8 负载（0.75）突卸试验结果（R35=10kΩ）

由图6 — 图8可知，当电阻R35阻值越小时，电压曲线下降的速度越快，与理论上的变化趋势一致，并且在R35为18kΩ时基本达到临界值，与理论计算结果大体相同。

5 结束语

通过对某型直升机交流发电机控制器在突加突卸试验中电压曲线超标故障的分析、计算和验证可知，调压电路的RC常数会对交流发电机的输出电压变化响应速度有较大的影响。今后在设计直升机交流电源系统时，对调压电路中的元器件选型要进行合理的计算和验证，从而使交流电源系统的各项性能指标满足国军标的相关要求。