直升机交流发电系统掉电不并网故障分析

曹晨媛 董晓宇 赖耀祖

（中国直升机设计研究所 江西省景德镇市 333001）

1 概述

2019年12月，直升机交流发电系统在地面试车时出现掉电不并网问题，故障表现为：拨发电开关后，左发交流发电系统发电正常且上报电压，右发交流发电系统未上报电压且不并网，重复拨动两次开关，仍然不能并网。

2020年6月，直升机交流发电系统在试飞过程中偶尔出现空中掉电不并网现象。

2 故障定位分析

根据机上故障和产品的工作原理，分析直升机交流发电系统掉电不并网故障可能的原因，建立故障树如图1 所示。引起交流发电系统掉电不并网故障的故障模式有6 种：A1 线路故障；A2 相序电路故障；A3 频率采集电路故障；A4 开关电路故障；A5：故障标志位故障；A6 发电电压故障。这六种模式的一种或多种均可能导致该故障现象的出现。

对上述不同故障原因逐一进行试验分析，结果分析下：

（1）A1 线路故障：给故障件通电做开环测试，通信发送、接收功能及过压、欠压、过频、欠频性能测试均正常，可排除A1 线路故障模式。

（2）A2 相序电路故障：DSP 通过采集运放输出的高低电平来判断相序是否正确，若相序正确，运放将输出低电平，反之，则输出高电平。试验测得运放输出0V，可确定相序电路无故障，因此A2 相序电路故障的因素可以排除；

（3）A3 频率采集电路故障：通过串口传输试验测得频率采集电路输出正常，可确定频率采集电路无故障，排除A3 频率采集电路故障模式。

（4）A4 开关电路故障：对故障件进行在线仿真测试，测得发电开关接通，软件中开关的标志位为“1”，开关断开，标志位为“0”，可确定开关电路无故障，排除A4 开关电路故障模式。

（5）A5 故障标志位故障：通过通讯串口观察故障标志位，经测试故障标志位始终为初始化“1”，未发生改变，可确定故障标志位无故障，排除A5 故障标志位故障模式。

（6）A6 发电电压故障：B1、B2、B3 可引起该故障模式。通过分析，进一步定位故障如下：

1.B1 调压电路故障：调压电路是通过比较误差放大端电压来调节脉宽调制芯片输出的占空比实现的，可调占空比范围在0 ～98%。试验测得芯片占空比输出范围正常，可排除B1 调压电路故障模式。

2.B2 励磁继电器故障:试验测得故障件励磁继电器可正常吸合断开，因此可排除B2 励磁继电器故障模式。

3.B3 DSP 励磁控制信号故障：C1、C2 均可引起该故障模式，进一步定位故障如下：

图1：交流发电系统掉电不并网故障树

图2：励磁电流接通时DSP 供电电源与GCR CLOSE 波形

图3：单独供电DSP 供电电源与GCR CLOSE 波形

图4：励磁回路滤波器

图5：实测容值0.96μF 励磁电流波形

① C1复位信号故障：实验测得拨动发电开关， 信号始终为高，可排除C1复位信号故障模式。

② C2 供电电源故障：供电电源故障分为D1 励磁电流未接通时的电源故障和D2 励磁电流接通时的电源两种故障模式。

将外部电缆延长至机上电缆长度，测得DSP 供电电源无尖峰，励磁控制信号GCR CLOSE 信号正常，可排除D1 励磁电流未接通时的电源故模式。

将外部电缆延长至机上电缆长度，拨发电开关，测得DSP 供电电源与GCR CLOSE 信号如图2 所示，DSP 供电电源出现最高80V 的尖峰，GCR CLOSE 信号持续出现跳动，且出现尖峰的频率与GCR CLOSE 跳动的频率是同步的，即每当DSP 供电电源有尖峰出现，GCR CLOSE 信号就会跳动，励磁继电器相应跳动，导致发电不正常，接触器不能并网。

将外部电缆延长至机上电缆长度，给交流发电机控制器正常通电，单独给DSP 单独供+5V 电源，测得DSP 供电电源与GCR CLOSE 信号波形如图3 所示，DSP 供电电源尖峰小于1V，且GCR CLOSE 信号一直为高未跳动，发电正常可以并网。通过图2 与图3 波形对比，可确定是励磁接通使DSP 电源信号受干扰引起励磁继电器跳动，导致交流发电系统掉电不并网故障。

3 机理分析

机理分析如图4 所示。励磁回路滤波器有4 个接地电容C25、C26、C28、C29，1 个线间电容C27，接地电容的地线与壳体相接，对励磁电流波形较小，线间电容C27 对励磁电流波形影响较大。若滤波器中的滤波参数不匹配，会对电源信号与控制信号产生影响，从而影响交流发电机控制器的性能。

线间电容参数的理论设计步骤如下:

输入信号的频率约为30kHz,滤波电路的滤波截止频率应在信号频率的20 倍以上即可保证信号不畸变，故滤波电路的截止频率Fc 应≥600kHz，即滤波电路的截止频率：

考虑到连接器的插针、引线及导线存在寄生电感，L 取值为0.3μH，可通过上式计算得到电容C 应不大于0.94μF。C27 电容的实际标称值为1μF，精度为M 级（±20%），两台故障件线间电容实测值分别为为0.96μF 和0.94μF。将电缆长度延长至与机上电缆长度一致，发电时测得励磁电流波形如图5 所示，励磁电流发生畸变且发电不正常。通过电容串并联的方式，将线间电容容值调整为0.9μF，测得调整容值后的励磁电流平缓，且发电正常。由此可知，当C27 线间电容容值偏大，会导致励磁回路上电流畸变，使DSP供电电源电压出现波动，产生尖峰信号。

实测值为0.96μF 的故障件，超过线间电容值的可选范围，使励磁电流波形发生畸变，导致DSP 供电电源电压产生尖峰信号。当尖峰电压超过DSP 供电电压范围会导致DSP 重启，励磁信号（GCR CLOSE、GCR TRIP）信号被初始化为低电平，励磁继电器断开，因开关一直处于接通状态，符合软件中励磁接通条件，GCR CLOSE、GCR TRIP 信号被置为高电平，励磁继电器吸合。励磁继电器不断的吸合导致发电不正常，不能并网。实测值为0.94μF 的故障件，处于线间电容值的临界值，在机上偶尔出现励磁电流畸变，所以试飞中偶尔出现发电系统掉电不并网的情况。

4 改进方案

针对励磁电流畸变引起的DSP 重启问题，将励磁回路滤波器返厂进行整改。滤波器线间电容的选取既要能满足滤波要求同时不能影响实际信号，还要在设计中考虑电容可选标称及电缆长度、寄生电感电容等影响。综合考虑电容C27 容值选取0.47μF，精度为J级（±5%）。

滤波器改进后的发电机控制器，在拨发电开关后，测得DSP供电电源尖峰很小，GCR CLOSE 信号一直为高，且发电并网正常。连续开关通断测试50 次，均能正常工作并网。

5 结论

通过对比改进前后的试验情况，改进后的交流发电系统未再出现掉电不并网故障。由此可见，该改进措施有效，在后续产品研制过程中要充分借鉴此故障机理，避免此类故障的发生。