Abstract：　　This paper introduces the VSCF power system and the actual method of malfunction diagnosis ——Fault tree , and analyzes the limitation of Fault Tree and introduces a new program method ——Fault Dictionary. A new diagnosis method ——Fault Dictionary based on Frequency Spectrum——is brought forward and the simulation result proved it’s feasible.

Keyword：VSCF power Fault Tree Fault Dictionary Frequency spectrum

1　变速恒频电源系统的组成

　　图1.1为变速恒频电源的系统组成，我们可以把这个系统分成三部分，即变频交流发电机，电子变换器和控制器（如图1.2）。

　　其中变频无刷交流发电机为风冷三级无刷交流发电机，它由永磁副励磁机，交流励磁机，旋转整流器和主发电机组成。发电机输出电压由调压器控制，调压器检测逆变桥输出端调节点处三相电压，控制发电机励磁机的励磁电流，使输出电压在电机转速，负载变化和工作环境温度变化范围内保持不变。电子变换器是VSCF电源的关键部件，VSCF电源的主要技术指标由它来实现。变换器将发电机产生的变频交流电转化为直流电，然后再变为400HZ交流电输出给用电设备。它由整流桥，直流滤波电路，直流电压限制电路，逆变桥，交流滤波电路和电磁干扰抑制电路，中点形成变压器和电流与电压检测元件组成。逆变器由六只大功率晶体管和与之反并联的快恢复二极管构成三相桥式逆变器，采用开关点预置的最优脉宽调制波方案，输出滤波器谐振频率为1800HZ，中点形成变压器将输出的三相电压转化为有中点的三相四线制交流输出。控制器由微机板，输入输出接口板，内部电源板，调压器板和变换器控制器板，能够实现对发电机，变换器的控制，结合飞机座舱仪表开关完成对电源系统的自检测，它使用了微处理器技术，能够为电源系统提供有效的故障诊断和隔离。


2　目前检测系统采用的诊断隔离方法——故障树隔离法

　　VSCF电源共有11种跳闸保护项目，以及需要提供故障信息的25个检测点。由于篇幅关系，这里不作详细叙述，详见参考文献一。对于采用了微处理器技术的电源系统来说，必须有一套完善的自动检测和自动保护及故障隔离功能。针对跳闸保护项目及相应检测点，目前采用故障树隔离树来隔离故障。在程序中我们实时采样被检信号，与预先设定的相应的故障下限或上限数字量比较来判断是否发生故障，若发生了故障，就转入相应的故障树隔离程序。

　　所谓故障树隔离法，就是采用逐个判断排除来探求故障根源的方法。如图2.1，这就是一棵故障树。我们称Ki为顶端事件，是人们观察到的故障现象；称Si为初始事件，是不能进一步分解或不需要进一步分解的事件，它指明了故障原因。一旦建立了故障树，就可以清楚地看到哪些故障原因会造成给定的故障现象，即建立了函数关系
　　　　　 Kj=Fj（S1，S2，……Sm） j=1，2，……m

　　VSCF电源系统的11种跳闸保护项目又可分为单因素故障和多因素故障。单因素故障定位简单，因为引发故障的原因只有一个；而多因素故障的定位就较麻烦，就采取了故障树隔离法。由于篇幅关系，我们仅给出欠压故障隔离树来讨论。

图2.2

　　由此图可见多因素故障隔离程序的编写是相当繁琐的，而且它最大的缺点是程序的修改很麻烦，因为一旦电路的某个参数发生了变化，由维护人员（他们可能不是程序的编制人员）来做修改是非常困难的，它需要做大篇幅的改动。


3　编程方法上的改进——故障树故障字典法

　　我们先来讨论一下什么是故障字典。

　　对于一个被测对象，若可能发生n种故障即相应于n个故障模式S1，S2，……Sn，被

　　测对象有m个症兆（或特征）K1，K2，……Km，并定义

　　令K=（K1，K2，……,Km）为特征向量，当已经知道存在第j个故障时，哪些症兆出现，哪些不出现，即已经知道

　　Si=fi（K1，K2，……，Km）=fi（k）
时，就可以按实际观察到的症兆特征来确定故障原因了。上式中的fi（K）为各特征的布尔表达式，将上式表示成表格的形式，就是故障字典。

　　被测对象特点不同，形成故障字典的方法也不同。那么对于本系统而言，我们在实际中依据现有的检测点，检测项目以及多因素故障隔离树框图，运用故障树故障字典法建立故障字典。

　　下面我们就详细讨论一下基于此法的欠压隔离故障字典的建立方法。对于图2.2，我们已定义了K1～K6，S1～S6，也就是已建立了函数关系

　　Kj=Fj（S1，S2，……,S6）j=1，2，……，6

对上式求逆就可建立故障字典。

　　K1=S1+S2+S3+S4+S5+S6　（“+”为或的关系，即S1～S6中的任一个发生必导致K1出现）
　　
　　K2=S1；K3=S2；K4=S3；K5=S4；K6=S5

编成表格为：

　　表3.1即欠压隔离的故障字典，同样我们可以建立其它多因素故障的故障字典，这里不多作讨论。这样我们就可以将所有检测点的信息采集进来，置成相应的布尔代码，若判断某故障发生，直接转入相应的隔离模块，进行查表即可确定故障。我们已用这种方法改进了原有程序，取得了良好效果。这种编程方法简单，修改相当容易，在方法上优于故障树程序。


4　VSCF电源系统故障诊断的新思路——基于频谱分析的故障字典法

　　由上分析可知，基于故障树的诊断方法的缺点是检测点多，隔离程序复杂，而检测点多自然会导致检测系统的可靠性降低（很明显在隔离程序中我们首先要检测敏感电路）。而且上述故障树故障字典法也仅仅是编程方法上的改进，并没有改变检测点多的缺点。

　　所以我们必须研究在尽量减少检测点的条件下来获取故障信息的方法。这就要求我们选择理想的检测点，理想检测点的标准在于它能反映尽可能多的故障因素所造成的影响，即由该检测点的检测信息帮助隔离出最多的故障因素。对于VSCF电源来说，无论是发电机，变换器还是控制器中的每一个功能部件发生故障都会直接影响到输出电压的变化，所以输出三相检测点是最理想的检测点。我们进一步思考，如果我们通过对输出电压的采样截取后，再进行离散傅立叶变换，可以得到输出电压的频谱，即输出电压的直流分量，基波及各次谐波。是不是不同功能部件的损坏会得到不同的频谱呢？若能的话，我们就可以通过某种方法预先得到在各种故障下的输出电压频谱，就可以按故障字典法的思想把各种故障频谱编成表格，在实际应用中，我们可以实时对信号进行采集处理做出它们的频谱来与故障字典中的特征向量比较来判断发生故障与否以及发生了何种故障。


5　对VSCF电源变换器主电路的仿真

　　为了验证频谱故障字典的可行性，我们进行了变换器主电路的防真。仿真时认为发电机和控制器都是正常的，并且有以下几点说明：

　　1）只考虑电路硬故障，即如果某个元件发生故障，那么不是开路就是短路，不存在第三种情况。

　　2）只考虑单故障。因为在实际应用中，多故障发生的概率很小，更常见的情况是：一个元件发生故障而导致其它元件故障，通常一个元件发生故障时，系统就已做出响应，保护系统，隔离故障，因此考虑单故障更有实际意义。

　　3）对于电路中某些元件故障导致变换器无输出的情况不仿真，因为无法做出频谱，并且这种故障是极端严重的故障，在实际中很少遇见。

　　4）VSCF电源输出为三相交流电，其逆变电路也具有三相对称的性质，因此仿真时只需对同一类型的一相故障进行仿真，另外两相的故障特征，可根据三相对称推出。

　　按照以上说明，对变换器主电路进行仿真，为了使仿真尽量接近实际情况，对每一种故障均按不同负载，不同功率因数和不对称负载几种情况进行。在仿真过程中采用通过计算三相电压平均值，以变换器正常情况下，输出电压为额定值时的输出电压平均值为基准，调节变换器输入电压的幅值来模拟调压起功能，是仿真结果接近实际情况。

　　通过大量仿真结果分析，在各种类型故障情况下，虽然对应于不同电路参数情况下，各次谐波值的大小略有不同，但发生异常的谐波次数是一样的，而且很明显发现对应于不同故障有不同次的谐波发生异常，总结如下：

　　并且我们认为用频谱分析故障的方法是可行的，但由表5.1看出，有一些故障发生时，其发生异常的谐波次数是类似的，单从谐波次数来判断是何种故障是不行的，还需要结合谐波幅值大小来判断。而且我们知道模拟电路的输入激励和输出响应都是连续量，电路中各元件的参数通常也是连续的；而且模拟电路中的元件参数具有很大的离散性，即具有容差。也就是说我们对同一故障在同一电路参数下的每次仿真得到的谐波幅值是不固定的，这就要求我们通过大量仿真来确定不同故障在同一次发生异常变化的谐波幅值中划分模糊域（即一个区间），对应于不同区间的值我们就认为是不同的故障。在模糊域建好后就可以编制故障字典了。


6　总结

　　通过以上分析，我们知道用频谱故障字典法来隔离故障是可行的，而且系统在减少检测点的前提下会更加可靠。当然并不是所有故障都能依靠频谱来确定，这就要求我们尽可能少的设置检测点，用频谱故障字典法与其它方法相结合去寻找故障诊断最有效可靠的方法。当然目前的频谱仿真也仅仅是停留在变换器主电路上，以后的工作还很多，我们将不懈努力去探求将发电机，控制器，变换器集于一体的频谱分析法，使频谱故障字典更加完善。它必将VSCF电源故障诊断技术提到一个更高的水平。


参考文献：

1）《航空航天器供电系统》　 严仰光　　航空工业出版社

2) H．H．Schreiber, “Fault Dictionary based upon Stimulus Design”,IEEE Trans.CAS-26,p529　

3) 变速恒频电源系统BIT设计方案　 南京航空航天大学航空电源教研室

4）研究生硕士学位论文　 赵巍　 西北工业大学

5）研究生硕士学位论文　 徐建生　南京航空航天大学

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