民用飛機輔助動力裝置起動電氣系統研究

孫振華

（上海飛機設計研究院 電氣系統設計研究部，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動機起動及環控系統提供氣源。

現代化的大、中型客機上，APU是保證發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飛機替代三發和四發飛機作洲際或越洋飛行，對雙發延程飛行（ETOPS）的飛機而言，APU是飛機上一個重要的不可或缺的系統[1]。APU電氣控制系統包括進氣、供油、防火、起動、點火、引氣和告警與指示等電氣分系統。起動電氣分系統作為輔助動力裝置系統的重要組成部分，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的特點是APU起動機采用起動機，發電機合二為一的設計。全新設計的起動發電機(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穩定均勻地加速起動；發電時，作為發電機，采用三相同步發電機的工作原理。該設計的好處是起動機，發電機二者合一，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起動系統電氣原理框圖

起動電氣控制系統由起動電源裝置(SPU)、電子控制單元(ECU)、起動轉換單元(SCU)、起動發電機(SG)和發電機控制單元（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相交流電給起動發電機，起動發電機作為起動機發出起動力矩，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的特點是APU起動機采用有刷直流起動機，采用傳統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交流發電機為飛機系統提供交流電。

起動電氣控制系統由電子控制盒 (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起動系統電氣原理框圖

圖3 典型構型3起動系統電氣原理框圖

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就會發出離散信號驅動Back-Up Start Contactor，大約1.5s后，再發出離散信號驅動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，APU ECB會發出正在起動命令，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的特點是APU起動機采用永磁無刷直流起動發電機，通過ESC內部的電子換相電路取代傳統的機械電刷和換向器，使定子繞組所產生的電樞磁場與轉子磁鋼產生的永磁磁場相互作用，產生連續的轉矩，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電機為ESC供電。一個專門的APU交流發電機為飛機系統提供115V，400Hz交流電。

起動電氣控制系統由APU全權限數字電子控制器 (FADEC)、電子起動控制器(ESC)、無刷直流起動發電機 (BSG)、APU發電機控制器(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，當條件滿足后，就會發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過ESC轉換為無刷直流起動發電機(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的發展趨勢及電氣設計

通過上面對輔助動力裝置起動系統電氣原理的研究，分析得出，目前起動系統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電氣控制線路。相比較而言，有刷直流電機采用傳統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起動電氣控制系統設計上，都有明顯的優勢，并且具有起動/發電雙功能[2-3]。

輔助動力裝置起動系統可以在將起動機和發電機合二為一的全新設計理念下，進一步去除無刷起動發電機的位置傳感器，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，對輔助動力裝置起動系統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電氣設計的發展方向，以期對民用飛機輔助動力裝置起動系統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.電源自動管理系統中功率控制器（SSPC）的設計與實現[J].海軍航空工程學院院報，2010，25（3）：329-332.