民用飛機輔助動力裝置起動電氣系統(tǒng)研究

孫振華

（上海飛機設計研究院 電氣系統(tǒng)設計研究部，中國 上海 201210）

0 引言

輔助動力裝置（簡稱APU），是在20世紀60年代被引入飛機設計中的，其主要功能是為飛機提供備用電源并為發(fā)動機起動及環(huán)控系統(tǒng)提供氣源。

現(xiàn)代化的大、中型客機上，APU是保證發(fā)動機空中停車后再啟動的重要裝備，它直接影響飛行安全，同時隨著越來越多的雙發(fā)飛機替代三發(fā)和四發(fā)飛機作洲際或越洋飛行，對雙發(fā)延程飛行（ETOPS）的飛機而言，APU是飛機上一個重要的不可或缺的系統(tǒng)[1]。APU電氣控制系統(tǒng)包括進氣、供油、防火、起動、點火、引氣和告警與指示等電氣分系統(tǒng)。起動電氣分系統(tǒng)作為輔助動力裝置系統(tǒng)的重要組成部分，是保證APU正常工作的前提條件。本文將詳細描述輔助動力裝置起動系統(tǒng)電氣設計的通用技術及典型構型。

1 輔助動力裝置起動系統(tǒng)電氣原理研究

1.1 典型構型1

該構型的輔助動力裝置起動系統(tǒng)的特點是APU起動機采用起動機，發(fā)電機合二為一的設計。全新設計的起動發(fā)電機(SG)，在APU起動時，作為起動機，采用三相交流起動機的工作原理，通過起動發(fā)電機內部的位置傳感器，提供轉子的位置反饋信號給起動控制器（SCU），使SCU計算瞬時的三相交流電供給SG，從而保證APU穩(wěn)定均勻地加速起動；發(fā)電時，作為發(fā)電機，采用三相同步發(fā)電機的工作原理。該設計的好處是起動機，發(fā)電機二者合一，減輕重量的同時也使得航線拆裝簡便易行(毋須吊下APU)。

圖1 典型構型1起動系統(tǒng)電氣原理框圖

起動電氣控制系統(tǒng)由起動電源裝置(SPU)、電子控制單元(ECU)、起動轉換單元(SCU)、起動發(fā)電機(SG)和發(fā)電機控制單元（GCU）等組成，如圖1所示。APU電子控制單元控制APU起動時序。起動發(fā)電機、起動電源裝置和起動轉換單元將由蓄電池或115V交流得到的起動能量轉換為供APU初始旋轉的力矩。

APU Master Switch采用旋鈕式設計，分別有OFF位、ON位和START位，OFF位到ON位為保持型的，ON位到START位為瞬通型的。ECU接到起動命令后，通過進氣風門作動器打開進氣風門，并通過速度傳感器檢測APU轉速。當風門打開和APU轉速小于7%時，發(fā)出起動使能命令給SCU。SCU檢測115V AC轉換匯流條是否可用，如果可用，就發(fā)出AC/DC使能信號給SPU，SPU將3相115V AC轉換成270V DC給SCU；如果不可用，就發(fā)出DC/DC使能信號給SPU，SPU將蓄電池電壓轉換成270V DC給SCU，SCU中的逆變器最后將270V DC轉換成3相交流電給起動發(fā)電機，起動發(fā)電機作為起動機發(fā)出起動力矩，驅動APU渦輪旋轉。當APU轉速達到70%時，ECU移除給SCU的起動使能命令，SCU不再為起動發(fā)電機提供3相交流電，不再進行勵磁，既切斷起動輔助，SCU轉由SG供電。當APU轉速達到95%左右時，ECU發(fā)出可以加載信號，表明APU起動完成，可以進行電載荷和氣載荷。

1.2 典型構型2

該構型的輔助動力裝置起動系統(tǒng)的特點是APU起動機采用有刷直流起動機，采用傳統(tǒng)的機械電刷和換相器，所以不需要電子換相電路，它的作用就是作為起動機使用，另一個專門的APU交流發(fā)電機為飛機系統(tǒng)提供交流電。

起動電氣控制系統(tǒng)由電子控制盒 (ECB)、起動機(Starter Motor)、APU主開關/起動開關(APU Master Switch/Start Switch)和電子控制元器件等組成，如圖2所示。APU ECB控制APU起動時序和控制起動能量的提供。起動能量可以直接由蓄電池獲得。

圖2 典型構型2起動系統(tǒng)電氣原理框圖

圖3 典型構型3起動系統(tǒng)電氣原理框圖

APU控制板采用按鈕式設計，一個Master Switch按鈕和一個瞬態(tài)Start按鈕。當按下Master Switch按鈕到ON位時，驅動 APU Main Control Relay，給APU ECB供電，完成上電初始化，同時打開進氣風門，這時APU ECB還會發(fā)出一個主繼電器輸出信號，對Main Control Relay驅動進行自鎖，這樣當APU Master Switch按鈕處于OFF位，進行APU正常停車時，APU ECB可以在關掉APU進氣風門幾秒后，再解鎖掉自身的供電；當APU ECB收到起動命令后，APU ECB首先檢測進氣風門是否打開、APU轉速是否小于7%、自檢測是否完成、是否檢測到自動停車及Master Switch按鈕處于OFF位，如果條件滿足即進氣風門打開、APU轉速小于7%、無自動停車要求和Master Switch按鈕處于ON位，APU ECB就會發(fā)出離散信號驅動Back-Up Start Contactor，大約1.5s后，再發(fā)出離散信號驅動Start Contactor，從而將蓄電池的能量用于對Starter Motor勵磁。

當APU起動被觸發(fā)，APU ECB會發(fā)出正在起動命令，驅動APU控制板上Start開關上的ON燈，表明APU在起動過程中；當APU轉速達到大約95%時，APU ECB會發(fā)出可以加載命令，驅動AVAIL燈，同時滅掉ON燈，此時表明APU可以進行氣載荷和電載荷。

1.3 典型構型3

該構型的輔助動力裝置起動系統(tǒng)的特點是APU起動機采用永磁無刷直流起動發(fā)電機，通過ESC內部的電子換相電路取代傳統(tǒng)的機械電刷和換向器，使定子繞組所產(chǎn)生的電樞磁場與轉子磁鋼產(chǎn)生的永磁磁場相互作用，產(chǎn)生連續(xù)的轉矩，同時通過位置檢測裝置檢測轉子的位置，控制電子換相電路換相，BSG在APU起動后期作為交流發(fā)電機為ESC供電。一個專門的APU交流發(fā)電機為飛機系統(tǒng)提供115V，400Hz交流電。

起動電氣控制系統(tǒng)由APU全權限數(shù)字電子控制器 (FADEC)、電子起動控制器(ESC)、無刷直流起動發(fā)電機 (BSG)、APU發(fā)電機控制器(GCU)和電子控制元器件等組成，如圖3所示。APU FADEC控制APU起動時序，并通過ESC控制BSG和APU燃油模塊。起動能量源由APU蓄電池提供，由ESC將APU蓄電池24V直流轉換成三相交流。

APU控制板上有兩個開關：一個是APU起動/正常停車開關，采用旋鈕式設計,分別有OFF位、ON位和START位，OFF位到ON位為保持型的，ON位到START位為瞬通型的；一個是APU應急停車開關，在APU運行發(fā)生故障時使用，還有一個APU防火手柄也可以起到應急停車的作用，如圖3所示。APU起動電氣控制原理，分為APU FADEC上電/掉電電氣控制和BSG起動/停車電氣控制。APU FADEC上電電氣控制：旋轉APU起動正常停車開關到ON位，至少3秒鐘，以實現(xiàn)APU FADEC軟硬件的初始化和自檢，同時驅動APU FADEC Power Control Relay，給APU FADEC上電，并通過diode 1對 APU FADEC PowerControl Relay進行驅動，形成自鎖電路。BSG起動電氣控制：旋轉到START位。APU FADEC接收到起動命令后，會檢測APU轉速和APU進氣風門狀態(tài)，當條件滿足后，就會發(fā)出起動能量控制命令，并驅動APU Start Power Contactor1和 2，這樣由APU蓄電池提供的能量經(jīng)過ESC轉換為無刷直流起動發(fā)電機(BSG)的起動力矩。APU FADEC掉電和BSG停車電氣控制：當APU FADEC接收到正常停車命令后，會去掉起動能量控制命令，終止BSG的運行，然后發(fā)出掉電控制命令，驅動APU FADEC De-power Control Relay，從而解除自鎖電路，APU FADEC實現(xiàn)掉電；當APU FADEC接收到應急停車命令時，APU start Emergency Stop Relay會立刻被驅動，終止BSG的運行，然后發(fā)出掉電控制命令，驅動APU FADEC De-power Control Relay，從而解除自鎖電路，APU FADEC實現(xiàn)掉電。

正常的APU起動，APU轉速小于50%，BSG作為起動機使用，由APU蓄電池提供起動力矩，當APU轉速高于50%，就會撤掉來自APU蓄電池的能量，BSG作為發(fā)電機使用，給ESC供電，并通過APU渦輪旋轉及控制燃油供給量，來逐步提高APU的轉速，當APU轉速達到95%左右時，APU FADEC會發(fā)出可以加載信號給AGCU，表明APU起動完成，可以進行電載荷和氣載荷。

2 輔助動力裝置起動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢及電氣設計

通過上面對輔助動力裝置起動系統(tǒng)電氣原理的研究，分析得出，目前起動系統(tǒng)的起動機主要采用了三種電機，分別為：有刷直流電機、永磁無刷直流電機和無刷交流同步電機。由于各種電機本身不同的結構特點，相應設計出了不同的起動系統(tǒng)電氣控制線路。相比較而言，有刷直流電機采用傳統(tǒng)的機械電刷和換向器，使用壽命較短，維護不方便，但起動系統(tǒng)電氣控制接口簡單,而永磁無刷直流電機結合APU起動功能特點相應外部電氣接口及電氣元器件使用較多，導致故障點增多，也不便于電氣線路故障分析與排除。無刷交流同步電機無論是在使用壽命，維護性，還是在APU起動電氣控制系統(tǒng)設計上，都有明顯的優(yōu)勢，并且具有起動/發(fā)電雙功能[2-3]。

輔助動力裝置起動系統(tǒng)可以在將起動機和發(fā)電機合二為一的全新設計理念下，進一步去除無刷起動發(fā)電機的位置傳感器，采用軟件或硬件的方法去檢測轉子的位置信息，提高起動可靠性，再將起動轉換單元和發(fā)電機控制單元綜合到一起，提高設備的利用率，同時采用固態(tài)功率控制器（SSPC）技術減少電氣元器件的使用，使電氣接口更加簡單，總體上減輕飛機的重量[4－5]。

3 結論

本文從電氣功能原理，電氣接口及典型構型的實際應用出發(fā)，對輔助動力裝置起動系統(tǒng)電氣設計進行詳細的介紹和分析，并通過對比研究，分析得出民用飛機輔助動力裝置起動系統(tǒng)電氣設計的發(fā)展方向，以期對民用飛機輔助動力裝置起動系統(tǒng)設計方案的選擇提供參考和借鑒。

［1］孫立.APU技術進展和維修現(xiàn)狀[J].國際航空，2009(3):58-60.

［2］梅彥平.航空高壓直流稀土永磁無刷電機控制技術研究[D].西安：西北工業(yè)大學，2005.

［3］李廣偉.無刷直流電機的直接轉矩控制研究[D].山西：太原科技大學，2009.

［4］李國生.電勵磁雙凸極起動／發(fā)電機起動控制技術研究[D].江蘇：南京航天航空大學，2011.

［5］李國柱，董進武，馬建毅.電源自動管理系統(tǒng)中功率控制器（SSPC）的設計與實現(xiàn)[J].海軍航空工程學院院報，2010，25（3）：329-332.