飞机油冷交流控制器不并网故障分析

曹学睿

（中国直升机设计研究所，江西景德镇，333000）

0 引言

随着电子技术的迅速发展，电传飞控计算机、机电综合显示器、计算机自动控制技术、电子对抗技术、高功率的循环制冷设备、通风加温设备、雷达干扰吊舱等高功率、大负载设备纷纷应用在飞机上，使得机上用电设备和所需功率不断增多，导致电源供电系统需求也越来越大。使用传统的28V 低压直流供电系统已经不能满足飞机的用电需求，恒频交流发电系统因为其涡轮轴发动机转速变化小的特点，逐渐成为飞机的主电源系统。

飞机上交流系统主要分交流主电源系统和交流辅电源系统，一般交流辅电源系统以APU 交流发电机为主，其作用是，当机上交流主电源故障时向全机提供备用交流电源，通常以风冷交流发电机为主，通常功率较小，散热较差[2]。交流主电源系统通常以油冷交流发电机为主，其功率较高，散热效果较好，交流主电源系统主要包括油冷交流发电机、油冷交流发电机控制器、接触器和TRU 组成，油冷交流发电机与飞机上主发动机相连，为飞机提供主要交流电，油冷交流发电机控制器对油冷交流发电机的转速，三项电压值，频率进行采集，并根据上位机的指令对油冷交流发电机进行控制。接触器则通过接通和断开对油冷交流发电机进行直接的控制。当油冷交流发电机控制器采集到交流发电机出现，欠压、欠流、过压、过流、欠频、欠欠频等问题时，会通过接触器对发电机进行脱网处理，并将故障上报给上位机。油冷交流控制器与油冷交流发电机和接触器共同组成飞机上的主交流电源系统，在正常情况下向全机提供115V、400Hz 的恒压交流电[3～5]。根据GJB181A-2003《飞机供电特性》交流电入网时必须满足三相电压的最低相电压≥105V，频率上升到≥380Hz，延时（1±0.5）s 接通电网接触器，油冷交流控制器通过RS-422-A 通讯接口向供电处理机（PSP）传送交流电源系统的参数、状态和故障信息[5,6]。在机组进行地面检查工作时发现地面开车出现不并网的故障现象。经查飞参数据，发现三台产品的调压点电压频率出现跳变现象，跳变频率在0～393Hz 之间，电压值正常，均为115V。

1 故障定位

对产品进行性能检查，测量调压点电压频率，出现电压频率在0～393Hz 之间跳变的现象，上位机测得调压点电压跳变现象，产品报码16（频率采集故障），通讯上位机显示PMG 频率采样值为0，确认为产品故障。

先对产品内部进行静态检查，检查各印制板组件无明显烧毁、变色、变形；倒置并摇晃产品，内部无多余物，各紧固螺钉紧固牢固。

根据故障现象中GCU 的输入频率正常而通讯上报频率为0、报“16 码”（频率采集故障）和不投网的故障现象，结合产品内部的频率信号流向，（因永磁电压的频率为调压点电压频率的3 倍，因此产品内部采集永磁机频率/3 为调压点电压频率）见图1，不投网的逻辑见图2，及报“16 码”故障流程图见图3，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，画出故障树见图4。

图1 频率信号流向图

图2 投网流程图

图3 报“16”码流程图

图4 GCU 不并网故障树

依据图4 不并网故障树，得出X1—X7 引起交流发电机系统不并网的七种故障模式，通过对故障树的内容逐条排除，在将故障产品分解，对底座组件上AC/DC 模块故障进行振动试验时，发现AC/DC 电源模块中的E1 与E2 之间阻抗异常，在振动过程中随机出现开路现象。对模块进行开盖检查。发现模块内部频率检测变压器L4 次级侧第2 脚引线呈脱开状态（见图5）。因此可以判断是油冷交流控制器不并网是由X3 底座组件上的AC/DC 模块故障引起的。

图5 引线脱开

2 机理分析

产品投网逻辑为闭合发电机开关，发电机三相电压大于105V，频率大于380Hz，电源系统无过压故障、欠压故障、过频故障、过过频故障、欠频故障、欠欠频故障及差动故障延时800ms，发出投网指令，让主接触器吸合，投网流程图见图2。结合频率信号流向图1，当产品内部的AC/DC 模块的频率输出异常（频率在0 和393Hz 之间跳变）时，软件中采到的频率值相应也会跳变，不满足延时800ms 内频率始终大于380Hz 的条件，无法发出投网指令，最终导致不并网故障。

电路原理方面，频率检测通过采样三相交流输入，再通过隔离变压器进行降压整合输出，如图6 所示。三相交流输入信号通过电阻限流输入至隔离变压器，通过变压器耦合输出信号至E1、E2。变压器圈比为4:1，即输出信号电压幅度为三相交流输入信号的1/4，频率与三相交流信号频率一致。

图6 输入频率检测电路

当变压器次级侧的线圈焊点焊接不良或松脱开路后，会导致变压器次级侧（即频率检测）回路断开，导致无频率信号输出，从而导致整机系统频率检测故障。

该故障TVS 管经解剖观察芯片，发现结边缘发生熔融现象，且发生在芯片边缘最为脆弱位置。失效机理为结边缘焊料形成金属化合物而脆化，使芯片与底座热承逐渐分离，结边缘的散热能力减低，长时间工作结温持续增大导致过热烧毁。

3 问题复现

故障品产品返厂后，进行故障确认，起初产品工作正常，通过拍击产品或进行振动试验后，发现产品通讯上报频率为0，且报“16 码”（频率采集故障），产品不并网，故障复现。

为验证电源模块失效原因，进行了如下故障复现试验。

样品制备：采用8 块B1-PCB-HM240AC40S28A-V1.3A电路板，24 只与变压器相同尺寸的磁环，绕0.15mm 和0.1mm 的漆包线，按作业指导书进行焊接，并人为调整焊接状态进行样品制备，并将其人为命名为A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4。此后，对8 块板进行外壳安装+封装。试验方案：见表1。

试验结果：在第三轮温循+随机振动试验过程，发现B3 样品其引出线阻值随产品振动会发生变化；查B3 号样品状态，为引线焊偏并上浮的样品，其状态见焊接后的X光照片（图7），锁定为L5 2 号引线异常。对其挖开灌封胶发现该引线已脱出，见图8，故障复现。

图7 B3 样品X 光

图8 焊点脱落复现

4 改进措施

经查故障批次的AC/DC 电源模块HM240AC40S28A均装在GCU D2001 批产品内，为防止AC/DC 电源模块HM240AC40S28A 由于焊接不良导致频率输出异常故障，整改措施如下：

（a）对于线径＜0.25mm 引线焊接产品，控制焊接工人在单位时间内的焊接数量，针对该产品，按5-7 只/小时控制。同时增加上午10:00、下午15:00 两个时间点，中途休息10 分钟缓解员工工作压力及视觉疲劳。

（b）修改作业指导书组装：（1）将焊接细分为去漆搪锡和引线焊接两个工步进行管理；（2）变压器引线焊接完成后，采用20 倍放大镜100%目检，并增加10%抽样进行X 射线检查的要求；（3）在变压器引线距离焊点2mm-3mm 处，点DG-3S 环氧胶固定引线，消除灌封后引线对焊点传导的温度及机械应力。

（c）在AC/DC 电源模块HM240AC40S28A 详细规范（02 版）中，增加随机振动筛选试验，并加电监控试验过程。振动试验按GJB1032-1990 经典谱型,加速度功率谱密度0.04g2/Hz，X、Y、Z 每方向各15 分钟。

（d）在GCU 二次筛选规范中，增加随机振动筛选试验，并测量模块频率输出的阻抗。

通过上述措施，有效地预防AC/DC 电源模块由于焊接不良导致频率输出异常故障，进而预防了油冷交流控制器报频率采集故障而导致不并网故障。将更改后故障件进行实验室试验，故障现象消失。再将更改后故障件装机验证，交流发电系统正常工作。

5 结论

本文以飞机油冷交流控制器不并网故障为背景，从故障现象入手通过对问题故障树的建立和排除，找到由于底座组件上的AC/DC 模块中引线异常导致GCU 采集频率故障，分析了此次油冷交流控制器不并网的故障机理，对故障进行了复现，在此基础上提出了改进措施：（1）减少因过劳作业引起的人为操作问题；（2）完善作业指导书中内容；（3）增加对AC/DC 电源模块随机振动筛选试验。改进后的交流发电机控制器通过了装机验证考核。该故障对后续油冷交流发电机控制器的设计和工程应用具有较大的参考价值。