直升机汇流条功率控制器工作异常故障分析

吴昊，宋宜欣

（1.中国直升机设计研究所，江西景德镇，333001；2.中国人民解放军91548部队，海南三亚，572000）

0 前言

直升机电源系统主要交流发电机、交流发电机控制器、变压整流器（简称：TRU）、汇流条功率控制器（简称：BPCU）、蓄电池组、电气控制盒、交流配电盒、直流配电盒等组成。其中：BPCU 是直升机电源系统重要组成部分，用于对直升机交、直流电源系统进行状态监测、控制和保护以及电能分配；TRU 作为二次电源，将交流发电机产生的115V、400Hz 交流电转换为28V 直流电；蓄电池组作为应急电源，在TRU 丧失功能后为直升机部分用电设备供电，确保直升机安全着陆或返航。

BPCU 主要由敏感电路、逻辑控制电路、驱动电路、电源调理电路以及通讯电路等组成：敏感电路监测电源系统电压、电流以及频率等参数，并将数据通过通讯电路发送给机电管理系统，然后由机电管理系统发送给综合任务处理系统进行显示；逻辑控制电路将控制指令发送给驱动电路，驱动电路收到控制指令后操控相应继电器或接触器动作，实现不同电源间转换以及故障保护等控制功能；电源调理电路通过DC/DC 转换，为BPCU 内部各种电路提供所需工作电压。

在某次地面通电过程中，直升机综合任务处理系统显示TRU 输出电压为24V，与正常值28V 不符；断开TRU 开关，综合任务处理系统显示蓄电池组输出电压为20V，与正常值24V 不符；断开蓄电池组开关，蓄电池组接触器无法断开、蓄电池组不能正常退网。在该型号电源系统设计原理中，蓄电池组接触器受BPCU 控制，TRU 及蓄电池组输出电压由BPCU 采集后经机电管理系统送综合任务处理系统进行显示。同时发生蓄电池组接触器、TRU 以及蓄电池组故障的可能性极小，且蓄电池接触器通断控制、TRU 及蓄电池组输出电压显示均与BPCU 有关，因此可以初步判断BPCU工作异常。

本文以此为背景，针对BPCU 工作异常进行分析，提出了排故建议和改进措施。

1 BPCU 工作原理

BPCU 内部与电压敏感和蓄电池组接触器控制相关部分原理图见图1。电源调理电路将电源系统输入的直流电通过DC/DC 变换后为内部各种电路供电。电压敏感电路主要由电阻R1、R2 及运算放大器组成，R1 阻值为200kΩ，R2 阻值为10kΩ，R1、R2 通过串联分压将运算放大器输入电压降低到合适范围，经运算放大器隔离后送下级电路，通过软件计算汇流条与BPCU 参考地之间电势差值得出TRU 及蓄电池组输出电压。接通蓄电池组开关时，逻辑控制电路向驱动电路G 极发送高电平信号，D 极与S 极导通，通过二极管D2 向蓄电池组接触器控制线圈输入27V 电压，蓄电池组接触器接通；断开蓄电池组开关时，逻辑控制电路向驱动电路G 级发送地电平信号，D 极与S 极不通，蓄电池组接触器控制线圈输入电压为0V，蓄电池组接触器断开；由于蓄电池组接触器控制线圈可以视同为电感，为防止在断开蓄电池组开关时电感电压突变损坏其他元器件，设置一条由机体、PGND/CGND 及二极管D1、D2 形成的续流通路，释放蓄电池组接触器控制线圈储存的电能。PGND 为功率地，CGND 为控制地，两者在BPCU 内部连接在一起，均为BPCU 的参考地。BPCU 内部PGND/CGND 与外部插座之间通过导线连接，导线一端与PGND/CGND 采用锡焊形式进行连接固定，另一端与插座通过接触偶进行连接固定；BPCU 通过电连接器与机上线缆连接，线缆另一端通过接地块与机体相连。

图1 BPCU 内部原理图

TRU 与蓄电池组并联连接在同一根汇流条上，通过一根导线将汇流条与BPCU 连接，用于TRU 与蓄电池组输出电压的采集。TRU 正常工作期间，向汇流条输出28V 电压；蓄电池组正常工作期间，向汇流条输出24V 电压。TRU 和蓄电池组同时并网时，蓄电池组等同于负载，TRU 向蓄电池组充电，同时由于TRU 输出电压比蓄电池组输出电压高，因此BPCU 测量的汇流条电压等于TRU 输出电压；断开TRU 开关时，TRU 与汇流条断开连接，蓄电池组向汇流条供电，此时BPCU 测量的汇流条电压等于蓄电池组输出电压。

2 故障分析与定位

■2.1 故障分析

为减轻线缆重量，直升机直流电源系统一般采用单线制，负极接机体，所以直升机机体为电源系统及各用电设备的参考地。BPCU 内部以PGND/CGND 为参考地，当BPCU与机体之间连接良好时，PGND/CGND 与机体之间电阻mR不大于50mΩ（含导线电阻和接触电阻），根据BPCU 工作电流约为2A来计算，PGND/CGND与机体之间最大电压差：

设定汇流条真实电压为U，BPCU 测量的汇流条电压为U1，PGND/CGND 电压为U2，机体电压为0V，则：

BPCU 测量的汇流条电压与真实值存在一定误差，该误差等于BPCU 参考地PGND/CGND 与机体之间电压差∆U，而∆U最大值不超过0.1V，可以忽略不计，此时BPCU 将内部PGND/CGND 作为参考地，采集的汇流条电压能真实反映电源系统电压值。

而当BPCU 与机体之间连接异常，导致PGND/CGND与机体之间电压差不可忽略时，将会导致BPCU 测量的汇流条电压与正常值存在较大误差。当TRU 和蓄电池组分别向汇流条供电时，输出电压正常值与综合任务处理系统显示值均有4V 压差，根据U-U1=U2=∆U= 4V，说明此时PGND/CGND 点电压已抬升至4V。假定BPCU 在此时工作电流仍维持2A 不变，则：

可见此时PGND/CGND 与机体之间电阻远大于正常情况下的电阻值。

断开蓄电池组开关，虽然驱动电路D 极与S 极不通，驱动电路对外无27V 输出电压，但PGND/CGND 点仍存在4V 电压，电流经过续流二极管D1 和D2，输出至蓄电池组接触器控制线圈，可以维持蓄电池组接触器保持在接通状态（接触器控制线圈释放电压为1.0V～3.0V），此时蓄电池组将无法与电源系统断开连接，继续向机上供电。

根据上述分析，由于BPCU 与机体之间连接异常、PGND/CGND 与机体之间电阻mR远大于正常值，导致BPCU 参考地与电源系统参考地（机体）之间有较大电压差，该电压差使BPCU 测量的汇流条与PGND/CGND 电势差值变小，从而引起综合任务处理系统电压显示不准确；同时在BPCU 参考地与机体之间形成较大电压差时，断开蓄电池组开关，PGND/CGND 点电压能维持蓄电池组接触器继续保持接通状态。

PGND/CGND 与机体之间电阻mR主要包含导线电阻和接触电阻，由于BPCU 是在装机使用一段使用时间之后出现工作异常情况，导线电阻正常情况下不会随使用时间增长出现阻值变化情况，而在振动、电连接器接触不良等情况下可能会引起接触电阻增大。引起接触电阻增大可能有以下几方面原因：

（1）BPCU 内部故障

BPCU 内部PGND/CGND 与插座之间的导线采用锡焊形式进行连接，当焊接点存在虚焊情况时，在随直升机长时间飞行情况下，由于振动原因出现松动，导致PGND/CGND与导线之间接触电阻增大。

（2）机上线缆与BPCU 连接异常

BPCU 与机上线缆采用电连接器连接，当线缆插头与BPCU 插座没有拧紧到位时，可能会导致插头与插座之间出现松动，从而引起电连接器的接触销和接触偶之间接触电阻增大；或者由于电连接器插拔次数过多，导致电连接器出现缩针、松动情况时，会导致接触销和接触偶之间接触电阻增大。

（3）接地块异常

机上线缆与机体之间通过接地块连接，接地块在安装前，需要对机体和接地块接触面进行打磨，然后在打磨区域涂上导电胶，再通过螺钉将接地块固定在机体上。当接地块固定螺钉松动时，会导致接地块与机体之间接触电阻增大；或者接地块与机体之间导电胶导电性能下降时，也会导致接地块与机体之间接触电阻增大。

■2.2 故障定位

结合上述分析，开展下述工作以进行故障定位：

（1）更换BPCU。将另一架直升机上工作正常的BPCU 串换至故障直升机上，重新上电，故障依旧存在。

（2）检查机上线缆与BPCU 连接情况。对机上线缆插头和BPCU 插座进行目视检查和晃动，未发现电连接器缩针或松动现象。将线缆插头与BPCU 插座恢复连接，按要求紧固到位，重新上电，故障依旧存在。

（3）检查接地块。检查接地块固定螺钉，未发现松动现象。将接地块拆下，用砂纸将接地块和机体残余导电胶打磨掉，重新涂抹导电胶后恢复接地块安装。重新上电，TRU和蓄电池组输出电压显示正常；断开蓄电池组开关，蓄电池组可以与汇流条正常脱开连接。

通过开展相关工作，故障最终定位为接地块与机体之间接触电阻增大，导致BPCU 工作异常。

3 机理分析

导电胶是一种固化或干燥后具有一定导电性的胶粘剂，对施胶工艺和工作环境都有着较高的要求。在施胶过程中，如果施胶温度或固化时间不够，会导致粘接力达不到使用要求，从而在后期导电性能逐步下降；同时，由于直升机在夏天高温环境下长时间停放在无防护措施的停机坪上，舱内温度可高达70℃，高温环境会加速导电胶的老化，使其导电性能降低；另外，当直升机进行油料加注作业时，燃油、液压油、滑油等油料可能顺着机体流向地面，当料流过接地块表面时，导电胶与油料发生反应，使其导电性能降低。多种因素综合下，当导电胶导电性能下降后，接地块与机体接触电阻增大，BPCU 内部PGND/CGND 电压抬升，引起BPCU 工作异常。

4 排故建议

在日常使用过程中因BPCU与机体之间电阻增大导致BPCU工作异常的概率较小，发生故障后准确定位佐证故障现象，为后续排故提供方向。当确定电源系统故障与BPCU 有关时，因BPCU 拆装简单，应优先更换BPCU，排除产品自身问题，然后再进行BPCU 接地电阻检查，以缩短排故时间、减少工作量。进行接地电阻检查时，应使用微欧计、毫欧计等专业检测设备，而不建议使用万用表。根据上述分析，即使导电胶导电性能下降后，BPCU 与机体之间电阻增大，但增大后电阻值仅有2Ω，万用表由于精度原因难以准确测量出电阻变化异常情况。

5 改进措施

（1）接地块安装时严格按照施胶工艺流程进行，并在接地块安装后使用微欧计等专业测量仪器测量接地块与机体之间接触电阻，确保接地块接触电阻在出厂前处于合格范围内；选用耐温、耐油性能更加优异的导电胶，延长导电胶使用寿命，避免导电胶过早出现导电性能下降现象。

（2）对接地块安装工艺进行改进，在安装接地块时不再涂抹导电胶，采用其他方式来保证两个搭接面的搭接电阻满足要求。例如在搭接面采用镀银工艺，由于银的导电性能优于铝合金，镀银后再安装接地块可以将接触电阻控制在有效范围内。

（3）对BPCU 进行改进设计，将PGND 与CGND 分开接地，可以有效避免BPCU 与机体之间电阻增大导致BPCU 工作异常问题，改进后电路图见图2。BPCU 改进设计前，根据运算放大器虚断原理，运算放大器输入电流可以忽略不计，则电压敏感电路工作电流：

图2 改进后BPCU 内部原理图

由于1R阻值为200kΩ，2R阻值为10kΩ，mR电阻远小于1R、2R，可以忽略不计，则：

由于I2= 0.13mA，相对于BPCU 工作电流2A 可以忽略不计，因此I≈I1。由于BPCU 内部PGND 与CGND 连接在一起，当BPCU 与机体接地电阻变大后，PGND 和CGND 电压会一起抬升。而对BPCU 改进设计后，即使PGND 与CGND 接地电阻均偏大，假设此时Rm1、Rm2电阻均为2Ω，则：

PGND 电压抬升对CGND 没有影响，CGND 与机体之间电压差依旧较小，仍然可以忽略不计，电压敏感电路测量的电压值依旧具有参考意义；断开蓄电池组开关，蓄电池组接触器可以正常断开、蓄电池组能正常退网。

6 结论

通过对故障进行原因分析和定位，并通过机理分析，最终确定BPCU 工作异常与接地块上涂抹的导电胶导电性能下降有关。在日常使用维护过程中，如果发生与BPCU 工作正常异常有关故障，建议先更换BPCU，在排除产品自身问题后再进行接地电阻检查，从而缩短排故周期、减少工作量。另外，建议在后续型号设计工作中，选用耐温、耐油性能更加优异的导电胶或采用改进工艺替代导电胶；当然，将BPCU 的PGND 与CGND 分开接地，才是排除外部因素干扰，确保自身正常工作的最有效手段。