電源轉(zhuǎn)電時負載管理中心配電斷開故障分析

王元君，韓先德

（1.中國直升機設(shè)計研究所，江西景德鎮(zhèn)，333000；2.漢中一零一航空電子設(shè)備有限公司，陜西西安，710000）

由于近代直升機越來越依賴電氣設(shè)施，所以這些年來直升機電氣系統(tǒng)取得了重大的進展。這些發(fā)展與“多電飛機”和“全電飛機”概念有關(guān)[1]，這一概念試圖將直升機上更多的系統(tǒng)工作歸到用電的方法來實現(xiàn)，電氣負載管理中心（ELMC）加入直升機電氣系統(tǒng)，使直升機上的所有負載都以一種精確的智能方式控制，飛行員不需要對所有的負載一個個地進行控制，只需要發(fā)出直升機的當前飛行階段和一些控制指令，自動配電系統(tǒng)會根據(jù)直升機的飛行狀態(tài)和電源情況自動管理直升機電力系統(tǒng)和各個負載。

自動配電與常規(guī)式或遙控式配電系統(tǒng)相比，自動化程度高，且配電系統(tǒng)的體積重量大大減小，并且由于其具有自檢測（BIT）功能，飛機的維修性更好。SSPC的保護動作響應迅速，故障保護特性符合I2t反延時保護規(guī)律；由于SSPC內(nèi)部采用固態(tài)功率技術(shù)，沒有機械觸點等活動部件，因此通斷時無電弧和燒蝕現(xiàn)象，抗振性能優(yōu)；SSPC利用固態(tài)傳感裝置對電流進行直接檢測，不是基于熱特性進行保護，保護時間精度更高[2]。負載管理中心作為自動配電系統(tǒng)的核心技術(shù)，能根據(jù)飛行員指令對負載進行加卸載，負載管理中心的可靠性是直升機自動配電系統(tǒng)配電綜合處理的關(guān)鍵。

盡管在供電系統(tǒng)和電子設(shè)備中增加了輔助電路如儲能電容等，來減少轉(zhuǎn)電時電子設(shè)備不正常工作的事件發(fā)生，但因轉(zhuǎn)電時電源中斷導致電子設(shè)備不正常工作的事件仍有發(fā)生，因此不中斷供電也是自動配電系統(tǒng)一項技術(shù)挑戰(zhàn)。自動配電系統(tǒng)作為機上配電系統(tǒng)，既是用電設(shè)備又是供電設(shè)備，自身既要具備轉(zhuǎn)電不間斷工作，又要保證SSPC配電通道在轉(zhuǎn)電過程中正常工作，配電系統(tǒng)轉(zhuǎn)電過程中不間斷工作是保證直升機的供電裕度、可靠性和安全性的必要條件。

1 背景

自動配電技術(shù)以及固態(tài)功率控制器件已經(jīng)相當成熟，并運用到包括直升機的各種有人和無人飛行器中，用于對負載的精準控制，可視性操作和實時性反饋都比常規(guī)配電大大提高。負載管理中心對電源特性和負載特性的反應也更加靈敏,元器件性能指標的匹配性成為設(shè)計和試驗的重要考核項目。

某型直升機供配電網(wǎng)絡(luò)主要由三大部分組成，分別是供電網(wǎng)絡(luò)、負載管理中心（ELMC）、供電處理機組成，如圖1所示。

圖1 供配電原理框圖

機上電源AC115V、DC28V輸送給ELMC，作為ELMC的工作電源及后端負載配電功率電源。ELMC根據(jù)供電處理機的RS422總線控制命令控制SSPC通斷，完成后端負載配電的接通和斷開的控制。

當機上出現(xiàn)轉(zhuǎn)電時，由于配電盒中接觸器固有吸合、斷開動作特性，導致供電網(wǎng)絡(luò)輸入至ELMC的DC28V和AC115V電源會出現(xiàn)短暫的斷電現(xiàn)象（掉電時間不大于40ms），國軍標要求電源轉(zhuǎn)電時間不大于50ms[3]。由于ELMC具備50ms以內(nèi)斷電持續(xù)工作的能力，故而在此期間能正常工作，輸出的功率配電電源與輸入電源一致（40ms以內(nèi)的短時掉電），由于機上用電負載同樣具備50ms以內(nèi)斷電持續(xù)工作的能力，故在50ms以內(nèi)的電源轉(zhuǎn)電過程中，機上用電設(shè)備可以保證正常工作。

2 故障現(xiàn)象與定位

■ 2.1 故障現(xiàn)象

某型直升機在外廠地面轉(zhuǎn)電過程中，出現(xiàn)多路負載短時掉電重啟現(xiàn)象。

■ 2.2 故障定位

根據(jù)故障現(xiàn)象并結(jié)合機上配電原理建立故障樹T1，如圖2所示。

圖2 故障樹

根據(jù)故障樹進行故障逐一排查，搭建測試平臺模擬機上轉(zhuǎn)電環(huán)境，對供電處理機軟件輸出控制命令建立數(shù)據(jù)監(jiān)測點，當模擬機上環(huán)境進行轉(zhuǎn)電控制時，供電處理機未發(fā)出異常控制指令；對負載管理中心機上軟件狀態(tài)進行檢查，結(jié)果為正常；將機上負載管理中心拆下，對其主控板電路進行檢查，結(jié)果為正常（具體檢測內(nèi)容：數(shù)據(jù)通信、邏輯處理等功能），對其板級控制器電路進行檢查，結(jié)果為正常（具體檢測內(nèi)容：數(shù)據(jù)通信等功能），對其SSPC模塊電路進行檢查，結(jié)果為正常（具體檢測內(nèi)容：數(shù)據(jù)通信、負載通斷控制等功能）。

對機上后負載管理中心的匯流條電源輸入（直升機電源系統(tǒng)輸出）和后端負載配電輸出建立檢測點（這里隨機選擇一路轉(zhuǎn)電時掉電重啟的配電輸出通道），測試其轉(zhuǎn)電過程中的電壓變化，其結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 匯流條電壓變化

圖4 配電輸出通道電壓變化

根據(jù)轉(zhuǎn)電過程中測試電壓顯示，黃線為后負載管理中心的匯流條電源輸入電壓，綠線為后負載管理中心后端負載配電輸出電壓，匯流條輸入電壓在轉(zhuǎn)電過程中掉電時間小于30ms，此現(xiàn)象正常，可證明機上供電網(wǎng)絡(luò)工作正常，配電輸出通道電壓在轉(zhuǎn)電過程中掉電時間為1.5s左右，此現(xiàn)象異常，可初步判斷機上用電設(shè)備短時掉電是由于負載管理中心輸出電源在轉(zhuǎn)電過程中出現(xiàn)大于50ms的電源掉電現(xiàn)象引起的。

對圖1中負載管理中心電源電路分析發(fā)現(xiàn)，其主要包含兩個模塊，分別是電源維持模塊和電源轉(zhuǎn)換模塊，其功能及性能指標如下：

（1）電源維持模塊：實時監(jiān)控負載管理中心的功率匯流條上的輸入電源，當發(fā)現(xiàn)其電壓大于放電閾值(18V±1V)時,則將功率匯流條上的電源輸出給電源轉(zhuǎn)換模塊，并同時給自身電容儲備電能；當發(fā)現(xiàn)其電壓小于放電閾值時，則停止將功率匯流條上的電源輸出給電源轉(zhuǎn)換模塊，將自身儲能電容的電能釋放輸出電源轉(zhuǎn)換模塊（滿能量的儲能電容可以瞬間釋放35V±1V（2A）的電源，并隨時間的變化，輸出電壓逐漸降至0V，其中35V-0V的時間不小于60ms）；

（2）電源轉(zhuǎn)換模塊：將來自電源維持模塊的電源轉(zhuǎn)換為5V±0.1V的內(nèi)部電源，用于產(chǎn)品正常工作，其輸入電源的轉(zhuǎn)換范圍為18V～36V。

根據(jù)上述特性，搭建測試平臺模擬機上轉(zhuǎn)電環(huán)境，對負載管理中心（廠內(nèi)同批次的庫房產(chǎn)品）電源維持模塊的輸出及電源轉(zhuǎn)換模塊的輸出（5V工作電源）建立測試點，測試電源維持模塊和電源轉(zhuǎn)換模塊在轉(zhuǎn)電過程中的電源輸出狀態(tài)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 電源維持模塊電源輸出狀態(tài)及電源轉(zhuǎn)換模塊電源輸出示意圖

如圖5所示，黃線為電源維持模塊輸出，綠線為電源轉(zhuǎn)換模塊輸出，其轉(zhuǎn)電過程中變化如下：

（1）電源維持模塊輸出的電源電壓隨著外部輸入電源電壓降低而降低，當降低至18V時，未能及時將輸出電源由外部電源切換至內(nèi)部儲能電容的電源，導致其輸出電壓持續(xù)降低至18V以下，當輸出電壓降至17V左右時，其電壓瞬間上升至36V左右（此時將外部電源切換至內(nèi)部儲能電容的電源），10ms后，輸出的電源電壓重新降低至18V以下，持續(xù)時間為30ms左右，然后上升至35V左右緩慢放電。

（2）電源維持模塊輸出的電源電壓低于18V時，電源轉(zhuǎn)換模塊輸出的5V電源迅速降低至0V（電源輸入不滿足正常轉(zhuǎn)換范圍導致其輸出異常），持續(xù)時間為50ms左右，電源維持模塊輸出的電源大于18V時，且持續(xù)時間大于10ms（產(chǎn)品內(nèi)部電源建立時間），輸出電壓為5V。

對上述檢測結(jié)果分析可知，由于電源維持模塊的放電閾值為17V左右（符合放電閾值18±1V的要求），而電源模塊的正常工作范圍為18V～36V，因此當外部輸入電源低于18V時，電源維持模塊由于其電壓依然大于放電閾值（17V左右），未能及時將電源輸出由外部電源切換至內(nèi)部儲能電源的電源，導致電源轉(zhuǎn)換模塊在輸入電源低于18V時無法輸出有效的5V電源，引起負載管理中心掉電，SSPC模塊關(guān)閉配電通道，導致機上后端負載掉電。故可以確認故障D3。

故障發(fā)生后，電源維持模塊廠家對公司內(nèi)庫存產(chǎn)品進行檢查，發(fā)現(xiàn)放電閾值低于18V的電源維持模塊的同批次產(chǎn)品皆出現(xiàn)此問題。

綜上所述，由于當前批次的電源維持模塊的放電閾值低于18V，與電源轉(zhuǎn)換模塊不匹配，導致ELMC在機上轉(zhuǎn)電過程中，電源維持模塊無法在輸入電源低于18V之前將電源輸出由外部電源切換至內(nèi)部儲能電容電源，造成電源轉(zhuǎn)換模塊在輸入電源低于18V時，無法正常輸出5V有效電源，引起負載管理中心掉電，SSPC模塊關(guān)閉配電通道，引起后端負載掉電。

3 機理分析

電源維持模塊的放電門限電路主要由比較器U4，信號管Q2，及阻容器件組成，如圖6所示，輸入電壓在放電閾值電壓值以下時，比較器U4輸出高電平，驅(qū)動放電開關(guān)打開，實現(xiàn)儲能電容放電并同時禁止升壓電路給儲能電容充電，將電源輸出由外部輸入電源切換為內(nèi)部儲能電容電源；輸入電壓大于放電門限電壓值時，比較器U4輸出低電平，放電開關(guān)關(guān)閉，儲能電容不會進行放電，同時升壓電路會持續(xù)工作保持儲能電容充滿電，輸出電源由內(nèi)部儲能電容電源切換至外部輸入電源。

圖6 放電閾值控制電路

當放電閾值設(shè)置偏低（低于18V）時，導致外部輸入電源低于18V時，無法及時將電源輸出由外部電源切換至內(nèi)部儲能電容電源，給電源轉(zhuǎn)換模塊輸出的電源低于18V以下，然而電源轉(zhuǎn)換模塊在輸入電源低于18V時，由于其不滿足正常轉(zhuǎn)換范圍（18V～36V），導致無法正常輸出5V電源，引起負載管理中心掉電，SSPC模塊關(guān)閉配電通道，導致后端負載掉電。當外部輸入電源恢復正常時（轉(zhuǎn)電完成），電源維持模塊電源輸出為外部輸入電源（28V），電源轉(zhuǎn)換模塊正常輸出5V電源，此時產(chǎn)品正常上電，由于供電處理機在負載控制命令未發(fā)生變化時，控制命令的發(fā)送周期為1s（2個RS422總線通信周期），故負載管理中心接收到控制接通指令時間最長為1s后。由于負載管理中心內(nèi)部控制指令的傳輸需要經(jīng)歷2級總線通信網(wǎng)絡(luò)（主控板->負載控制器->SSPC模塊），其總線通信周期為500ms，結(jié)合產(chǎn)品軟件上電工作時間不大于300ms，故SSPC接收到來自供電處理機的控制接通指令時間最長為1.8s，故產(chǎn)品在上電后1.8s內(nèi)控制SSPC模塊配電通道接通，完成負載配電，所以機上負載斷電后，1.5s后重新上電屬于正?，F(xiàn)象。

4 改進措施

(1)修改對此電源維持模塊的放電閾值誤差要求，由18V±1V改為18+2V，提升性能指標的匹配度；

(2)相關(guān)入廠驗收文件中增加對電源維持模塊的功能、性能二次篩選；

(3)產(chǎn)品工藝文件中增加對50ms以內(nèi)供電中斷后的正常工作的板級驗證（電源板）性能要求；

(4)產(chǎn)品規(guī)范及試驗大綱中，在小組驗收、軍檢驗收中增加產(chǎn)品50ms以內(nèi)斷電的正常工作性能測試。

5 結(jié)束語

轉(zhuǎn)電過程是直升機的重要的供電特性，國軍標要求供電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)電時間應不超過50ms，同時要求機載產(chǎn)品具有轉(zhuǎn)電時不間斷工作的能力。這就對供電系統(tǒng)和用電設(shè)備提出了轉(zhuǎn)電時不間斷工作的要求。在元器件的選擇和匹配上技術(shù)指標要清晰準確，增加元器件入廠后相關(guān)技術(shù)指標的二次篩選和驗證，產(chǎn)品板級試驗要包含轉(zhuǎn)電試驗驗證滿足轉(zhuǎn)電要求。對元器件更換批次或廠家后，要嚴格入廠驗證以及產(chǎn)品驗證。保證不同批次和廠家的元器件不會對設(shè)備功能性能產(chǎn)生影響。