曹學(xué)睿

（中國直升機設(shè)計研究所，江西景德鎮(zhèn)，333000）

0 引言

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電傳飛控計算機、機電綜合顯示器、計算機自動控制技術(shù)、電子對抗技術(shù)、高功率的循環(huán)制冷設(shè)備、通風(fēng)加溫設(shè)備、雷達(dá)干擾吊艙等高功率、大負(fù)載設(shè)備紛紛應(yīng)用在飛機上，使得機上用電設(shè)備和所需功率不斷增多，導(dǎo)致電源供電系統(tǒng)需求也越來越大。使用傳統(tǒng)的28V 低壓直流供電系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足飛機的用電需求，恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)因為其渦輪軸發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化小的特點，逐漸成為飛機的主電源系統(tǒng)。

飛機上交流系統(tǒng)主要分交流主電源系統(tǒng)和交流輔電源系統(tǒng)，一般交流輔電源系統(tǒng)以APU 交流發(fā)電機為主，其作用是，當(dāng)機上交流主電源故障時向全機提供備用交流電源，通常以風(fēng)冷交流發(fā)電機為主，通常功率較小，散熱較差[2]。交流主電源系統(tǒng)通常以油冷交流發(fā)電機為主，其功率較高，散熱效果較好，交流主電源系統(tǒng)主要包括油冷交流發(fā)電機、油冷交流發(fā)電機控制器、接觸器和TRU 組成，油冷交流發(fā)電機與飛機上主發(fā)動機相連，為飛機提供主要交流電，油冷交流發(fā)電機控制器對油冷交流發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，三項電壓值，頻率進(jìn)行采集，并根據(jù)上位機的指令對油冷交流發(fā)電機進(jìn)行控制。接觸器則通過接通和斷開對油冷交流發(fā)電機進(jìn)行直接的控制。當(dāng)油冷交流發(fā)電機控制器采集到交流發(fā)電機出現(xiàn)，欠壓、欠流、過壓、過流、欠頻、欠欠頻等問題時，會通過接觸器對發(fā)電機進(jìn)行脫網(wǎng)處理，并將故障上報給上位機。油冷交流控制器與油冷交流發(fā)電機和接觸器共同組成飛機上的主交流電源系統(tǒng)，在正常情況下向全機提供115V、400Hz 的恒壓交流電[3～5]。根據(jù)GJB181A-2003《飛機供電特性》交流電入網(wǎng)時必須滿足三相電壓的最低相電壓≥105V，頻率上升到≥380Hz，延時（1±0.5）s 接通電網(wǎng)接觸器，油冷交流控制器通過RS-422-A 通訊接口向供電處理機（PSP）傳送交流電源系統(tǒng)的參數(shù)、狀態(tài)和故障信息[5,6]。在機組進(jìn)行地面檢查工作時發(fā)現(xiàn)地面開車出現(xiàn)不并網(wǎng)的故障現(xiàn)象。經(jīng)查飛參數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)三臺產(chǎn)品的調(diào)壓點電壓頻率出現(xiàn)跳變現(xiàn)象，跳變頻率在0～393Hz 之間，電壓值正常，均為115V。

1 故障定位

對產(chǎn)品進(jìn)行性能檢查，測量調(diào)壓點電壓頻率，出現(xiàn)電壓頻率在0～393Hz 之間跳變的現(xiàn)象，上位機測得調(diào)壓點電壓跳變現(xiàn)象，產(chǎn)品報碼16（頻率采集故障），通訊上位機顯示PMG 頻率采樣值為0，確認(rèn)為產(chǎn)品故障。

先對產(chǎn)品內(nèi)部進(jìn)行靜態(tài)檢查，檢查各印制板組件無明顯燒毀、變色、變形；倒置并搖晃產(chǎn)品，內(nèi)部無多余物，各緊固螺釘緊固牢固。

根據(jù)故障現(xiàn)象中GCU 的輸入頻率正常而通訊上報頻率為0、報“16 碼”（頻率采集故障）和不投網(wǎng)的故障現(xiàn)象，結(jié)合產(chǎn)品內(nèi)部的頻率信號流向，（因永磁電壓的頻率為調(diào)壓點電壓頻率的3 倍，因此產(chǎn)品內(nèi)部采集永磁機頻率/3 為調(diào)壓點電壓頻率）見圖1，不投網(wǎng)的邏輯見圖2，及報“16 碼”故障流程圖見圖3，根據(jù)機上故障和產(chǎn)品的工作原理，分析直升機交流發(fā)電系統(tǒng)掉電不并網(wǎng)故障可能的原因，畫出故障樹見圖4。

圖1 頻率信號流向圖

圖2 投網(wǎng)流程圖

圖3 報“16”碼流程圖

圖4 GCU 不并網(wǎng)故障樹

依據(jù)圖4 不并網(wǎng)故障樹，得出X1—X7 引起交流發(fā)電機系統(tǒng)不并網(wǎng)的七種故障模式，通過對故障樹的內(nèi)容逐條排除，在將故障產(chǎn)品分解，對底座組件上AC/DC 模塊故障進(jìn)行振動試驗時，發(fā)現(xiàn)AC/DC 電源模塊中的E1 與E2 之間阻抗異常，在振動過程中隨機出現(xiàn)開路現(xiàn)象。對模塊進(jìn)行開蓋檢查。發(fā)現(xiàn)模塊內(nèi)部頻率檢測變壓器L4 次級側(cè)第2 腳引線呈脫開狀態(tài)（見圖5）。因此可以判斷是油冷交流控制器不并網(wǎng)是由X3 底座組件上的AC/DC 模塊故障引起的。

圖5 引線脫開

2 機理分析

產(chǎn)品投網(wǎng)邏輯為閉合發(fā)電機開關(guān)，發(fā)電機三相電壓大于105V，頻率大于380Hz，電源系統(tǒng)無過壓故障、欠壓故障、過頻故障、過過頻故障、欠頻故障、欠欠頻故障及差動故障延時800ms，發(fā)出投網(wǎng)指令，讓主接觸器吸合，投網(wǎng)流程圖見圖2。結(jié)合頻率信號流向圖1，當(dāng)產(chǎn)品內(nèi)部的AC/DC 模塊的頻率輸出異常（頻率在0 和393Hz 之間跳變）時，軟件中采到的頻率值相應(yīng)也會跳變，不滿足延時800ms 內(nèi)頻率始終大于380Hz 的條件，無法發(fā)出投網(wǎng)指令，最終導(dǎo)致不并網(wǎng)故障。

電路原理方面，頻率檢測通過采樣三相交流輸入，再通過隔離變壓器進(jìn)行降壓整合輸出，如圖6 所示。三相交流輸入信號通過電阻限流輸入至隔離變壓器，通過變壓器耦合輸出信號至E1、E2。變壓器圈比為4:1，即輸出信號電壓幅度為三相交流輸入信號的1/4，頻率與三相交流信號頻率一致。

圖6 輸入頻率檢測電路

當(dāng)變壓器次級側(cè)的線圈焊點焊接不良或松脫開路后，會導(dǎo)致變壓器次級側(cè)（即頻率檢測）回路斷開，導(dǎo)致無頻率信號輸出，從而導(dǎo)致整機系統(tǒng)頻率檢測故障。

該故障TVS 管經(jīng)解剖觀察芯片，發(fā)現(xiàn)結(jié)邊緣發(fā)生熔融現(xiàn)象，且發(fā)生在芯片邊緣最為脆弱位置。失效機理為結(jié)邊緣焊料形成金屬化合物而脆化，使芯片與底座熱承逐漸分離，結(jié)邊緣的散熱能力減低，長時間工作結(jié)溫持續(xù)增大導(dǎo)致過熱燒毀。

3 問題復(fù)現(xiàn)

故障品產(chǎn)品返廠后，進(jìn)行故障確認(rèn)，起初產(chǎn)品工作正常，通過拍擊產(chǎn)品或進(jìn)行振動試驗后，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品通訊上報頻率為0，且報“16 碼”（頻率采集故障），產(chǎn)品不并網(wǎng)，故障復(fù)現(xiàn)。

為驗證電源模塊失效原因，進(jìn)行了如下故障復(fù)現(xiàn)試驗。

樣品制備：采用8 塊B1-PCB-HM240AC40S28A-V1.3A電路板，24 只與變壓器相同尺寸的磁環(huán)，繞0.15mm 和0.1mm 的漆包線，按作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行焊接，并人為調(diào)整焊接狀態(tài)進(jìn)行樣品制備，并將其人為命名為A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4。此后，對8 塊板進(jìn)行外殼安裝+封裝。試驗方案：見表1。

試驗結(jié)果：在第三輪溫循+隨機振動試驗過程，發(fā)現(xiàn)B3 樣品其引出線阻值隨產(chǎn)品振動會發(fā)生變化；查B3 號樣品狀態(tài)，為引線焊偏并上浮的樣品，其狀態(tài)見焊接后的X光照片（圖7），鎖定為L5 2 號引線異常。對其挖開灌封膠發(fā)現(xiàn)該引線已脫出，見圖8，故障復(fù)現(xiàn)。

圖7 B3 樣品X 光

圖8 焊點脫落復(fù)現(xiàn)

4 改進(jìn)措施

經(jīng)查故障批次的AC/DC 電源模塊HM240AC40S28A均裝在GCU D2001 批產(chǎn)品內(nèi)，為防止AC/DC 電源模塊HM240AC40S28A 由于焊接不良導(dǎo)致頻率輸出異常故障，整改措施如下：

（a）對于線徑＜0.25mm 引線焊接產(chǎn)品，控制焊接工人在單位時間內(nèi)的焊接數(shù)量，針對該產(chǎn)品，按5-7 只/小時控制。同時增加上午10:00、下午15:00 兩個時間點，中途休息10 分鐘緩解員工工作壓力及視覺疲勞。

（b）修改作業(yè)指導(dǎo)書組裝：（1）將焊接細(xì)分為去漆搪錫和引線焊接兩個工步進(jìn)行管理；（2）變壓器引線焊接完成后，采用20 倍放大鏡100%目檢，并增加10%抽樣進(jìn)行X 射線檢查的要求；（3）在變壓器引線距離焊點2mm-3mm 處，點DG-3S 環(huán)氧膠固定引線，消除灌封后引線對焊點傳導(dǎo)的溫度及機械應(yīng)力。

（c）在AC/DC 電源模塊HM240AC40S28A 詳細(xì)規(guī)范（02 版）中，增加隨機振動篩選試驗，并加電監(jiān)控試驗過程。振動試驗按GJB1032-1990 經(jīng)典譜型,加速度功率譜密度0.04g2/Hz，X、Y、Z 每方向各15 分鐘。

（d）在GCU 二次篩選規(guī)范中，增加隨機振動篩選試驗，并測量模塊頻率輸出的阻抗。

通過上述措施，有效地預(yù)防AC/DC 電源模塊由于焊接不良導(dǎo)致頻率輸出異常故障，進(jìn)而預(yù)防了油冷交流控制器報頻率采集故障而導(dǎo)致不并網(wǎng)故障。將更改后故障件進(jìn)行實驗室試驗，故障現(xiàn)象消失。再將更改后故障件裝機驗證，交流發(fā)電系統(tǒng)正常工作。

5 結(jié)論

本文以飛機油冷交流控制器不并網(wǎng)故障為背景，從故障現(xiàn)象入手通過對問題故障樹的建立和排除，找到由于底座組件上的AC/DC 模塊中引線異常導(dǎo)致GCU 采集頻率故障，分析了此次油冷交流控制器不并網(wǎng)的故障機理，對故障進(jìn)行了復(fù)現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)措施：（1）減少因過勞作業(yè)引起的人為操作問題；（2）完善作業(yè)指導(dǎo)書中內(nèi)容；（3）增加對AC/DC 電源模塊隨機振動篩選試驗。改進(jìn)后的交流發(fā)電機控制器通過了裝機驗證考核。該故障對后續(xù)油冷交流發(fā)電機控制器的設(shè)計和工程應(yīng)用具有較大的參考價值。