某型直升機(jī)交流發(fā)電機(jī)控制器突加突卸電壓曲線超標(biāo)分析及改進(jìn)

肖靈通

（中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，景德鎮(zhèn) 333001）

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電傳操縱技術(shù)、計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)字式自動(dòng)管理、電子對(duì)抗技術(shù)等紛紛應(yīng)用在直升機(jī)上，使得機(jī)載設(shè)備不斷增多，導(dǎo)致對(duì)電源系統(tǒng)供電量的需求也越來越大。傳統(tǒng)的28V低壓直流供電系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足直升機(jī)不斷增加的供電需求，并且由于直升機(jī)渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化小的特點(diǎn)，恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)逐漸成為直升機(jī)的主電源系統(tǒng)，同時(shí)也對(duì)該系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)有了更高的要求。負(fù)載突加突卸作為考核交流電源性能指標(biāo)的一個(gè)重要試驗(yàn)項(xiàng)目，必須滿足相關(guān)國軍標(biāo)的要求。

1 背景

對(duì)于直升機(jī)交流電源系統(tǒng)，GJB181A—2003《飛機(jī)供電特性》中對(duì)其穩(wěn)定電壓范圍、電壓調(diào)制幅度、電壓不平衡、電壓相位差、畸變系數(shù)、畸變頻譜、波峰系數(shù)、電壓瞬變及頻率瞬變等指標(biāo)都有明確要求，其中，電壓瞬變要求如圖1所示。在直升機(jī)交流電源系統(tǒng)考核試驗(yàn)中，需要將功率因數(shù)為0.75的感性負(fù)載在10%和85%之間、20%和170%之間分別進(jìn)行突加突卸，交流電源的瞬態(tài)電壓必須在圖1所示的包絡(luò)線范圍之內(nèi)才能達(dá)到國軍標(biāo)的要求。

2 故障現(xiàn)象與定位

2.1 故障現(xiàn)象

在某型直升機(jī)交流電源系統(tǒng)地面聯(lián)試過程中，試驗(yàn)人員進(jìn)行了負(fù)載試驗(yàn)（功率因數(shù)為0.75），從20%負(fù)載突加至170%負(fù)載，以及從170%負(fù)載突卸至20%負(fù)載。在進(jìn)行負(fù)載突加試驗(yàn)時(shí)，電壓曲線滿足要求，但在進(jìn)行負(fù)載突卸試驗(yàn)時(shí)，電壓曲線超出圖1包絡(luò)線的范圍之外，具體情況如圖2所示。

2.2 故障定位

根據(jù)故障現(xiàn)象，建立“突加突卸電壓曲線超標(biāo)”故障樹，如圖3所示。

由圖3可知，導(dǎo)致突加突卸試驗(yàn)中電壓曲線超標(biāo)的可能原因主要包括發(fā)電機(jī)性能故障和控制器性能故障兩大部分。其中，造成發(fā)電機(jī)性能故障的可能原因有勵(lì)磁線圈損壞、發(fā)電機(jī)輸出電壓波形失真、永磁機(jī)損壞。造成控制器性能故障的可能原因有電源模塊故障，無法為芯片提供穩(wěn)定電壓；調(diào)壓電路RC常數(shù)較大；調(diào)壓芯片的時(shí)鐘周期較長(zhǎng)；調(diào)壓芯片基準(zhǔn)電壓不穩(wěn)；調(diào)壓芯片產(chǎn)生的鋸齒波失真；電容充電導(dǎo)致勵(lì)磁電流變化速度較慢。下面對(duì)每條可能的故障原因進(jìn)行逐一分析。

（1）勵(lì)磁線圈損壞。若勵(lì)磁線圈損壞，勵(lì)磁機(jī)提供給主電機(jī)的電流會(huì)受到影響，主電機(jī)無法產(chǎn)生均勻的磁場(chǎng)，則發(fā)電機(jī)無法正常發(fā)電，從而使得發(fā)電機(jī)輸出電壓發(fā)生漂移。為驗(yàn)證勵(lì)磁線圈是否損壞，試驗(yàn)人員采用直流電源對(duì)發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁的方法，對(duì)發(fā)電機(jī)加載10min電流后，發(fā)電機(jī)電壓穩(wěn)定在114.5V左右，說明電機(jī)性能正常，該故障原因可排除。

（2）發(fā)電機(jī)輸出電壓波形失真。若發(fā)電機(jī)輸出電壓的波形失真，不再為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，會(huì)使得經(jīng)過控制器整流之后送到調(diào)壓芯片的電壓發(fā)生變化，進(jìn)而影響控制器提供給發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流大小，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出電壓發(fā)生漂移。為驗(yàn)證發(fā)電機(jī)電壓波形是否失真，在上述驗(yàn)證勵(lì)磁線圈是否損壞的試驗(yàn)中，試驗(yàn)人員通過示波器檢測(cè)發(fā)電機(jī)輸出電壓波形，檢測(cè)結(jié)果為穩(wěn)定的正弦波，未發(fā)生失真情況，該故障原因可排除。

圖2 負(fù)載（0.75）突卸試驗(yàn)結(jié)果

圖3 “突加突卸電壓曲線超標(biāo)”故障樹

（3）永磁機(jī)損壞?？刂破魈峁┙o發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流是由永磁機(jī)輸出的三相電流整流轉(zhuǎn)換而來的，若永磁機(jī)損壞，則發(fā)電機(jī)無法為控制器提供標(biāo)準(zhǔn)的三相電流，會(huì)導(dǎo)致控制器提供給發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流大小不足，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出電壓向下漂移。為驗(yàn)證永磁機(jī)是否損壞，試驗(yàn)人員通過拖動(dòng)臺(tái)來拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，利用示波器檢測(cè)發(fā)電機(jī)輸出的電流波形，試驗(yàn)結(jié)果未出現(xiàn)失真情況，該故障原因可排除。

（4）電源模塊故障，無法為芯片提供穩(wěn)定電壓。若電源模塊故障，則無法為調(diào)壓芯片提供穩(wěn)定的+15V電壓，芯片電壓不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致芯片輸出的電壓波形受到影響，進(jìn)而影響提供給發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，從而使發(fā)電機(jī)輸出電壓發(fā)生漂移。為驗(yàn)證電源模塊是否存在故障，試驗(yàn)人員用發(fā)電機(jī)和控制器進(jìn)行聯(lián)試，通過示波器檢測(cè)芯片電源引腳電壓，并進(jìn)行10min過載試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，電源引腳電壓能夠穩(wěn)定在+15V，該故障原因可排除。

（5）調(diào)壓電路RC常數(shù)較大。調(diào)壓電路中，電阻R35與電容C19構(gòu)成RC常數(shù)，若構(gòu)成的RC常數(shù)較大，會(huì)使得在調(diào)壓過程中，電容C19的充放電速度慢，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)電壓變化響應(yīng)速度慢，電壓變化曲線超出包絡(luò)線的范圍之外。為驗(yàn)證該故障原因，試驗(yàn)人員重新進(jìn)行突加突卸試驗(yàn)，用示波器檢測(cè)調(diào)壓芯片2引腳的電壓，當(dāng)進(jìn)行負(fù)載突卸時(shí)，芯片2引腳的電壓上升較慢，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致調(diào)壓速度較慢。因此確定調(diào)壓電路中RC常數(shù)較大會(huì)使電壓變化速率慢，從而導(dǎo)致突加突卸時(shí)電壓曲線超標(biāo)。

（6）調(diào)壓芯片的時(shí)鐘周期較長(zhǎng)。若調(diào)壓芯片的時(shí)鐘周期較長(zhǎng)，其在進(jìn)行脈沖寬度（PWM）調(diào)節(jié)時(shí)響應(yīng)速度較慢，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出電壓變化響應(yīng)速度也較慢，從而使得電壓曲線超出包絡(luò)線范圍之外。試驗(yàn)人員通過查閱調(diào)壓芯片的手冊(cè)得知，在當(dāng)前設(shè)置的參數(shù)下，芯片產(chǎn)生的時(shí)鐘周期為100μs，即頻率為1000Hz，可以滿足要求，該故障原因可排除。

（7）調(diào)壓芯片基準(zhǔn)電壓不穩(wěn)。若調(diào)壓芯片基準(zhǔn)電壓不穩(wěn)，會(huì)導(dǎo)致芯片1引腳處的電壓大小不穩(wěn)，無法進(jìn)行PWM調(diào)節(jié)，控制器提供給發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流大小會(huì)受到影響，使得發(fā)電機(jī)的輸出電壓發(fā)生漂移。為驗(yàn)證該故障原因，試驗(yàn)人員用發(fā)電機(jī)與控制器聯(lián)試，通過示波器檢測(cè)調(diào)壓芯片18引腳的電壓。試驗(yàn)結(jié)果表明，該引腳電壓一直穩(wěn)定在5V，該故障原因可排除。

（8）調(diào)壓芯片產(chǎn)生的鋸齒波失真。調(diào)壓芯片的調(diào)節(jié)方式為PWM調(diào)節(jié)，將經(jīng)過處理的調(diào)壓點(diǎn)的電壓與芯片產(chǎn)生的振蕩鋸齒波進(jìn)行比較，若芯片產(chǎn)生的振蕩鋸齒波失真，芯片將無法進(jìn)行正常的PWM調(diào)節(jié)，控制器提供給發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流大小會(huì)受到影響，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出電壓發(fā)生漂移。為驗(yàn)證該故障原因，試驗(yàn)人員在發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，通過示波器檢測(cè)調(diào)壓芯片12引腳的波形。試驗(yàn)結(jié)果表明，該芯片產(chǎn)生的是穩(wěn)定的鋸齒波，無失真現(xiàn)象，該故障原因可排除。

（9）電容充電導(dǎo)致勵(lì)磁電流變化速度較慢。勵(lì)磁電壓穩(wěn)定電路中，若電容C29的電容過大，充放電會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁電壓變化速率慢，進(jìn)而使勵(lì)磁電流變化速率變慢，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出電壓響應(yīng)較慢，電壓曲線超出包絡(luò)線范圍之外。為驗(yàn)證該故障原因，試驗(yàn)人員去掉電容C29，重新進(jìn)行突加突卸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)電機(jī)電壓曲線均無明顯變化且同樣超出包絡(luò)線范圍之外，該故障原因可排除。

對(duì)上述可能造成故障的原因進(jìn)行分析和驗(yàn)證后，最終可確定故障原因?yàn)檎{(diào)壓電路RC常數(shù)較大，使得電壓變化速率慢，導(dǎo)致突加突卸時(shí)電壓曲線超標(biāo)。

3 機(jī)理分析

圖4為交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)壓原理示意圖。從圖4中可以看出，當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)載大小發(fā)生變化時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出的A、B、C三相電壓隨之發(fā)生變化，電壓敏感電路輸入電壓也相應(yīng)變化，對(duì)比調(diào)理后的三相電壓與基準(zhǔn)電壓，并將比較輸出的值與集成芯片內(nèi)部鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生的鋸齒波進(jìn)行比較，進(jìn)而調(diào)節(jié)功率管導(dǎo)通的占空比來改變激磁繞組中的平均激磁電流的大小，從而達(dá)到自動(dòng)閉環(huán)調(diào)節(jié)電壓的目的?？梢钥闯?，若占空比越大，則激磁電流越大，使得發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓越高。

圖5為模擬式專用調(diào)壓芯片外圍電路示意圖。從圖5中可以看出，調(diào)理后的電壓送入調(diào)壓芯片的2引腳，基準(zhǔn)電壓送入調(diào)壓芯片的1引腳。在正常負(fù)載突卸時(shí)，由于負(fù)載突然變小，調(diào)壓點(diǎn)電壓突然上升，使得調(diào)壓芯片2引腳的電壓遠(yuǎn)大于1引腳的基準(zhǔn)電壓，輸出PWM波形的占空比減小，使得輸出勵(lì)磁電流減小，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓同步減小，從而保證電壓瞬變曲線在圖1的包絡(luò)線范圍之內(nèi)。

圖4 交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)壓原理

在故障出現(xiàn)時(shí)，若送到芯片2引腳的電壓增大，由于有電容C19的存在，芯片2引腳的電壓不會(huì)突然增大，而是會(huì)對(duì)電容C19進(jìn)行充電，使得電壓逐漸增大。而由于RC常數(shù)較大，對(duì)電容C19的充電速度較慢，使得調(diào)壓芯片2引腳的電壓上升速度較慢，誤差放大器輸出的誤差信號(hào)Ue上升速度也會(huì)較慢，經(jīng)過PWM調(diào)節(jié)后，輸出波形占空比的減小速率較慢，勵(lì)磁電流減小速度較慢，導(dǎo)致電壓曲線下降速度較慢，從而超出包絡(luò)線的范圍。

圖5 模擬式專用調(diào)壓芯片外圍電路

4 糾正措施

為使電壓曲線下降的速度變快，需要減小R35與C19所構(gòu)成電路的RC常數(shù)大小。由于更改電容大小會(huì)對(duì)調(diào)壓精度帶來較大影響，因此采取保持C19大小不變，只減小R35阻值大小的方法。R35阻值大小的理論計(jì)算過程如下：

從圖2中可以看出，當(dāng)前R35阻值為21kΩ時(shí)電壓降到118V所需時(shí)間約為0.105s，而圖1包絡(luò)線中要求電壓降到118V所需時(shí)間不能超過0.088s，即：

從上式中可以得出，R35的阻值小于17.6kΩ可以使電壓曲線滿足要求。

以上為理論計(jì)算，為了驗(yàn)證計(jì)算的正確性，將R35分別更換為18kΩ、15kΩ及10kΩ這3個(gè)不同阻值，并重新進(jìn)行電壓突卸試驗(yàn)，查看電壓曲線的變化趨勢(shì)，各阻值下的電壓曲線如圖6 —圖8所示。

圖6 負(fù)載（0.75）突卸試驗(yàn)結(jié)果（R35=18kΩ）

圖7 負(fù)載（0.75）突卸試驗(yàn)結(jié)果（R35=15kΩ）

圖8 負(fù)載（0.75）突卸試驗(yàn)結(jié)果（R35=10kΩ）

由圖6 — 圖8可知，當(dāng)電阻R35阻值越小時(shí)，電壓曲線下降的速度越快，與理論上的變化趨勢(shì)一致，并且在R35為18kΩ時(shí)基本達(dá)到臨界值，與理論計(jì)算結(jié)果大體相同。

5 結(jié)束語

通過對(duì)某型直升機(jī)交流發(fā)電機(jī)控制器在突加突卸試驗(yàn)中電壓曲線超標(biāo)故障的分析、計(jì)算和驗(yàn)證可知，調(diào)壓電路的RC常數(shù)會(huì)對(duì)交流發(fā)電機(jī)的輸出電壓變化響應(yīng)速度有較大的影響。今后在設(shè)計(jì)直升機(jī)交流電源系統(tǒng)時(shí)，對(duì)調(diào)壓電路中的元器件選型要進(jìn)行合理的計(jì)算和驗(yàn)證，從而使交流電源系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足國軍標(biāo)的相關(guān)要求。