孫振華

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究部，中國(guó) 上海 201210）

0 引言

輔助動(dòng)力裝置（簡(jiǎn)稱APU），是在20世紀(jì)60年代被引入飛機(jī)設(shè)計(jì)中的，其主要功能是為飛機(jī)提供備用電源并為發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)及環(huán)控系統(tǒng)提供氣源。

現(xiàn)代化的大、中型客機(jī)上，APU是保證發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車后再啟動(dòng)的重要裝備，它直接影響飛行安全，同時(shí)隨著越來(lái)越多的雙發(fā)飛機(jī)替代三發(fā)和四發(fā)飛機(jī)作洲際或越洋飛行，對(duì)雙發(fā)延程飛行（ETOPS）的飛機(jī)而言，APU是飛機(jī)上一個(gè)重要的不可或缺的系統(tǒng)[1]。APU電氣控制系統(tǒng)包括進(jìn)氣、供油、防火、起動(dòng)、點(diǎn)火、引氣和告警與指示等電氣分系統(tǒng)。起動(dòng)電氣分系統(tǒng)作為輔助動(dòng)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(xì)描述輔助動(dòng)力裝置起動(dòng)系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)的通用技術(shù)及典型構(gòu)型。

1 輔助動(dòng)力裝置起動(dòng)系統(tǒng)電氣原理研究

1.1 典型構(gòu)型1

該構(gòu)型的輔助動(dòng)力裝置起動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)是APU起動(dòng)機(jī)采用起動(dòng)機(jī)，發(fā)電機(jī)合二為一的設(shè)計(jì)。全新設(shè)計(jì)的起動(dòng)發(fā)電機(jī)(SG)，在APU起動(dòng)時(shí)，作為起動(dòng)機(jī)，采用三相交流起動(dòng)機(jī)的工作原理，通過(guò)起動(dòng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部的位置傳感器，提供轉(zhuǎn)子的位置反饋信號(hào)給起動(dòng)控制器（SCU），使SCU計(jì)算瞬時(shí)的三相交流電供給SG，從而保證APU穩(wěn)定均勻地加速起動(dòng)；發(fā)電時(shí)，作為發(fā)電機(jī)，采用三相同步發(fā)電機(jī)的工作原理。該設(shè)計(jì)的好處是起動(dòng)機(jī)，發(fā)電機(jī)二者合一，減輕重量的同時(shí)也使得航線拆裝簡(jiǎn)便易行(毋須吊下APU)。

圖1 典型構(gòu)型1起動(dòng)系統(tǒng)電氣原理框圖

起動(dòng)電氣控制系統(tǒng)由起動(dòng)電源裝置(SPU)、電子控制單元(ECU)、起動(dòng)轉(zhuǎn)換單元(SCU)、起動(dòng)發(fā)電機(jī)(SG)和發(fā)電機(jī)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(dòng)時(shí)序。起動(dòng)發(fā)電機(jī)、起動(dòng)電源裝置和起動(dòng)轉(zhuǎn)換單元將由蓄電池或115V交流得到的起動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為供APU初始旋轉(zhuǎn)的力矩。

APU Master Switch采用旋鈕式設(shè)計(jì)，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(dòng)命令后，通過(guò)進(jìn)氣風(fēng)門作動(dòng)器打開進(jìn)氣風(fēng)門，并通過(guò)速度傳感器檢測(cè)APU轉(zhuǎn)速。當(dāng)風(fēng)門打開和APU轉(zhuǎn)速小于7%時(shí)，發(fā)出起動(dòng)使能命令給SCU。SCU檢測(cè)115V AC轉(zhuǎn)換匯流條是否可用，如果可用，就發(fā)出AC/DC使能信號(hào)給SPU，SPU將3相115V AC轉(zhuǎn)換成270V DC給SCU；如果不可用，就發(fā)出DC/DC使能信號(hào)給SPU，SPU將蓄電池電壓轉(zhuǎn)換成270V DC給SCU，SCU中的逆變器最后將270V DC轉(zhuǎn)換成3相交流電給起動(dòng)發(fā)電機(jī)，起動(dòng)發(fā)電機(jī)作為起動(dòng)機(jī)發(fā)出起動(dòng)力矩，驅(qū)動(dòng)APU渦輪旋轉(zhuǎn)。當(dāng)APU轉(zhuǎn)速達(dá)到70%時(shí)，ECU移除給SCU的起動(dòng)使能命令，SCU不再為起動(dòng)發(fā)電機(jī)提供3相交流電，不再進(jìn)行勵(lì)磁，既切斷起動(dòng)輔助，SCU轉(zhuǎn)由SG供電。當(dāng)APU轉(zhuǎn)速達(dá)到95%左右時(shí)，ECU發(fā)出可以加載信號(hào)，表明APU起動(dòng)完成，可以進(jìn)行電載荷和氣載荷。

1.2 典型構(gòu)型2

該構(gòu)型的輔助動(dòng)力裝置起動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)是APU起動(dòng)機(jī)采用有刷直流起動(dòng)機(jī)，采用傳統(tǒng)的機(jī)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(dòng)機(jī)使用，另一個(gè)專門的APU交流發(fā)電機(jī)為飛機(jī)系統(tǒng)提供交流電。

起動(dòng)電氣控制系統(tǒng)由電子控制盒 (ECB)、起動(dòng)機(jī)(Starter Motor)、APU主開關(guān)/起動(dòng)開關(guān)(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(dòng)時(shí)序和控制起動(dòng)能量的提供。起動(dòng)能量可以直接由蓄電池獲得。

圖2 典型構(gòu)型2起動(dòng)系統(tǒng)電氣原理框圖

圖3 典型構(gòu)型3起動(dòng)系統(tǒng)電氣原理框圖

APU控制板采用按鈕式設(shè)計(jì)，一個(gè)Master Switch按鈕和一個(gè)瞬態(tài)Start按鈕。當(dāng)按下Master Switch按鈕到ON位時(shí)，驅(qū)動(dòng) APU Main Control Relay，給APU ECB供電，完成上電初始化，同時(shí)打開進(jìn)氣風(fēng)門，這時(shí)APU ECB還會(huì)發(fā)出一個(gè)主繼電器輸出信號(hào)，對(duì)Main Control Relay驅(qū)動(dòng)進(jìn)行自鎖，這樣當(dāng)APU Master Switch按鈕處于OFF位，進(jìn)行APU正常停車時(shí)，APU ECB可以在關(guān)掉APU進(jìn)氣風(fēng)門幾秒后，再解鎖掉自身的供電；當(dāng)APU ECB收到起動(dòng)命令后，APU ECB首先檢測(cè)進(jìn)氣風(fēng)門是否打開、APU轉(zhuǎn)速是否小于7%、自檢測(cè)是否完成、是否檢測(cè)到自動(dòng)停車及Master Switch按鈕處于OFF位，如果條件滿足即進(jìn)氣風(fēng)門打開、APU轉(zhuǎn)速小于7%、無(wú)自動(dòng)停車要求和Master Switch按鈕處于ON位，APU ECB就會(huì)發(fā)出離散信號(hào)驅(qū)動(dòng)Back-Up Start Contactor，大約1.5s后，再發(fā)出離散信號(hào)驅(qū)動(dòng)Start Contactor，從而將蓄電池的能量用于對(duì)Starter Motor勵(lì)磁。

當(dāng)APU起動(dòng)被觸發(fā)，APU ECB會(huì)發(fā)出正在起動(dòng)命令，驅(qū)動(dòng)APU控制板上Start開關(guān)上的ON燈，表明APU在起動(dòng)過(guò)程中；當(dāng)APU轉(zhuǎn)速達(dá)到大約95%時(shí)，APU ECB會(huì)發(fā)出可以加載命令，驅(qū)動(dòng)AVAIL燈，同時(shí)滅掉ON燈，此時(shí)表明APU可以進(jìn)行氣載荷和電載荷。

1.3 典型構(gòu)型3

該構(gòu)型的輔助動(dòng)力裝置起動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)是APU起動(dòng)機(jī)采用永磁無(wú)刷直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)，通過(guò)ESC內(nèi)部的電子換相電路取代傳統(tǒng)的機(jī)械電刷和換向器，使定子繞組所產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永磁磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生連續(xù)的轉(zhuǎn)矩，同時(shí)通過(guò)位置檢測(cè)裝置檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，控制電子換相電路換相，BSG在APU起動(dòng)后期作為交流發(fā)電機(jī)為ESC供電。一個(gè)專門的APU交流發(fā)電機(jī)為飛機(jī)系統(tǒng)提供115V，400Hz交流電。

起動(dòng)電氣控制系統(tǒng)由APU全權(quán)限數(shù)字電子控制器 (FADEC)、電子起動(dòng)控制器(ESC)、無(wú)刷直流起動(dòng)發(fā)電機(jī) (BSG)、APU發(fā)電機(jī)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(dòng)時(shí)序，并通過(guò)ESC控制BSG和APU燃油模塊。起動(dòng)能量源由APU蓄電池提供，由ESC將APU蓄電池24V直流轉(zhuǎn)換成三相交流。

APU控制板上有兩個(gè)開關(guān)：一個(gè)是APU起動(dòng)/正常停車開關(guān)，采用旋鈕式設(shè)計(jì),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(gè)是APU應(yīng)急停車開關(guān)，在APU運(yùn)行發(fā)生故障時(shí)使用，還有一個(gè)APU防火手柄也可以起到應(yīng)急停車的作用，如圖3所示。APU起動(dòng)電氣控制原理，分為APU FADEC上電/掉電電氣控制和BSG起動(dòng)/停車電氣控制。APU FADEC上電電氣控制：旋轉(zhuǎn)APU起動(dòng)正常停車開關(guān)到ON位，至少3秒鐘，以實(shí)現(xiàn)APU FADEC軟硬件的初始化和自檢，同時(shí)驅(qū)動(dòng)APU FADEC Power Control Relay，給APU FADEC上電，并通過(guò)diode 1對(duì) APU FADEC PowerControl Relay進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，形成自鎖電路。BSG起動(dòng)電氣控制：旋轉(zhuǎn)到START位。APU FADEC接收到起動(dòng)命令后，會(huì)檢測(cè)APU轉(zhuǎn)速和APU進(jìn)氣風(fēng)門狀態(tài)，當(dāng)條件滿足后，就會(huì)發(fā)出起動(dòng)能量控制命令，并驅(qū)動(dòng)APU Start Power Contactor1和 2，這樣由APU蓄電池提供的能量經(jīng)過(guò)ESC轉(zhuǎn)換為無(wú)刷直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)(BSG)的起動(dòng)力矩。APU FADEC掉電和BSG停車電氣控制：當(dāng)APU FADEC接收到正常停車命令后，會(huì)去掉起動(dòng)能量控制命令，終止BSG的運(yùn)行，然后發(fā)出掉電控制命令，驅(qū)動(dòng)APU FADEC De-power Control Relay，從而解除自鎖電路，APU FADEC實(shí)現(xiàn)掉電；當(dāng)APU FADEC接收到應(yīng)急停車命令時(shí)，APU start Emergency Stop Relay會(huì)立刻被驅(qū)動(dòng)，終止BSG的運(yùn)行，然后發(fā)出掉電控制命令，驅(qū)動(dòng)APU FADEC De-power Control Relay，從而解除自鎖電路，APU FADEC實(shí)現(xiàn)掉電。

正常的APU起動(dòng)，APU轉(zhuǎn)速小于50%，BSG作為起動(dòng)機(jī)使用，由APU蓄電池提供起動(dòng)力矩，當(dāng)APU轉(zhuǎn)速高于50%，就會(huì)撤掉來(lái)自APU蓄電池的能量，BSG作為發(fā)電機(jī)使用，給ESC供電，并通過(guò)APU渦輪旋轉(zhuǎn)及控制燃油供給量，來(lái)逐步提高APU的轉(zhuǎn)速，當(dāng)APU轉(zhuǎn)速達(dá)到95%左右時(shí)，APU FADEC會(huì)發(fā)出可以加載信號(hào)給AGCU，表明APU起動(dòng)完成，可以進(jìn)行電載荷和氣載荷。

2 輔助動(dòng)力裝置起動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)及電氣設(shè)計(jì)

通過(guò)上面對(duì)輔助動(dòng)力裝置起動(dòng)系統(tǒng)電氣原理的研究，分析得出，目前起動(dòng)系統(tǒng)的起動(dòng)機(jī)主要采用了三種電機(jī)，分別為：有刷直流電機(jī)、永磁無(wú)刷直流電機(jī)和無(wú)刷交流同步電機(jī)。由于各種電機(jī)本身不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，相應(yīng)設(shè)計(jì)出了不同的起動(dòng)系統(tǒng)電氣控制線路。相比較而言，有刷直流電機(jī)采用傳統(tǒng)的機(jī)械電刷和換向器，使用壽命較短，維護(hù)不方便，但起動(dòng)系統(tǒng)電氣控制接口簡(jiǎn)單,而永磁無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)合APU起動(dòng)功能特點(diǎn)相應(yīng)外部電氣接口及電氣元器件使用較多，導(dǎo)致故障點(diǎn)增多，也不便于電氣線路故障分析與排除。無(wú)刷交流同步電機(jī)無(wú)論是在使用壽命，維護(hù)性，還是在APU起動(dòng)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，都有明顯的優(yōu)勢(shì)，并且具有起動(dòng)/發(fā)電雙功能[2-3]。

輔助動(dòng)力裝置起動(dòng)系統(tǒng)可以在將起動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)合二為一的全新設(shè)計(jì)理念下，進(jìn)一步去除無(wú)刷起動(dòng)發(fā)電機(jī)的位置傳感器，采用軟件或硬件的方法去檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置信息，提高起動(dòng)可靠性，再將起動(dòng)轉(zhuǎn)換單元和發(fā)電機(jī)控制單元綜合到一起，提高設(shè)備的利用率，同時(shí)采用固態(tài)功率控制器（SSPC）技術(shù)減少電氣元器件的使用，使電氣接口更加簡(jiǎn)單，總體上減輕飛機(jī)的重量[4－5]。

3 結(jié)論

本文從電氣功能原理，電氣接口及典型構(gòu)型的實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，對(duì)輔助動(dòng)力裝置起動(dòng)系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的介紹和分析，并通過(guò)對(duì)比研究，分析得出民用飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置起動(dòng)系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，以期對(duì)民用飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置起動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的選擇提供參考和借鑒。

［1］孫立.APU技術(shù)進(jìn)展和維修現(xiàn)狀[J].國(guó)際航空，2009(3):58-60.

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

［3］李廣偉.無(wú)刷直流電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制研究[D].山西：太原科技大學(xué)，2009.

［4］李國(guó)生.電勵(lì)磁雙凸極起動(dòng)／發(fā)電機(jī)起動(dòng)控制技術(shù)研究[D].江蘇：南京航天航空大學(xué)，2011.

［5］李國(guó)柱，董進(jìn)武，馬建毅.電源自動(dòng)管理系統(tǒng)中功率控制器（SSPC）的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].海軍航空工程學(xué)院院報(bào)，2010，25（3）：329-332.