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民用飞机辅助动力装置起动电气系统研究

民用飞机辅助动力装置起动电气系统研究 【摘 要】辅助动力装置系统的主要作用是为飞机在地面和空中提供备用电 源并为发动机起动及环控系统提供气源。 起动系统作为辅助动力装置系统的重要 组成部分,是保证 APU 正常工作的前提条件。文本对辅助动力装置起动系统几 个典型构型的电气原理和电气接口进行了介绍和分析, 并通过对各种电气设计的 对比, 分析得出民用飞机在辅助动力装置起动系统电气设计上的发展方向,为民 用飞机辅助动力装置起动系统设计方案的选择提供参考和借鉴。 【关键词】辅助动力装置;起动系统;电气接口;起动机 0 引言 辅助动力装置(简称 APU) ,是在 20 世纪 60 年代被引入飞机设计中的,其 主要功能是为飞机提供备用电源并为发动机起动及环控系统提供气源。 现代化的大、中型客机上,APU 是保证发动机空中停车后再启动的重要装 备, 它直接影响飞行安全, 同时随着越来越多的双发飞机替代三发和四发飞机作 洲际或越洋飞行,对双发延程飞行(ETOPS)的飞机而言,APU 是飞机上一个 重要的不可或缺的系统[1]。APU 电气控制系统包括进气、供油、防火、起动、 点火、 引气和告警与指示等电气分系统。起动电气分系统作为辅助动力装置系统 的重要组成部分,是保证 APU 正常工作的前提条件。本文将详细描述辅助动力 装置起动系统电气设计的通用技术及典型构型。 1 辅助动力装置起动系统电气原理研究 1.1 典型构型 1 该构型的辅助动力装置起动系统的特点是 APU 起动机采用起动机,发电机 合二为一的设计。全新设计的起动发电机(SG) ,在 APU 起动时,作为起动机, 采用三相交流起动机的工作原理,通过起动发电机内部的位置传感器,提供转子 的位置反馈信号给起动控制器(SCU) ,使 SCU 计算瞬时的三相交流电供给 SG, 从而保证 APU 稳定均匀地加速起动;发电时,作为发电机,采用三相同步发电 机的工作原理。该设计的好处是起动机,发电机二者合一,减轻重量的同时也使 得航线拆装简便易行(毋须吊下 APU) 。 起动电气控制系统由起动电源装置(SPU) 、电子控制单元(ECU) 、起动转 换单元(SCU) 、起动发电机(SG)和发电机控制单元(GCU)等组成,如图 1 所示。APU 电子控制单元控制 APU 起动时序。起动发电机、起动电源装置和起 动转换单元将由蓄电池或 115V 交流得到的起动能量转换为供 APU 初始旋转的 力矩。 APU Master Switch 采用旋钮式设计,分别有 OFF 位、ON 位和 START 位, OFF 位到 ON 位为保持型的,ON 位到 START 位为瞬通型的。ECU 接到起动命 令后,通过进气风门作动器打开进气风门,并通过速度传感器检测 APU 转速。 当风门打开和 APU 转速小于 7%时,发出起动使能命令给 SCU。SCU 检测 115V AC 转换汇流条是否可用,如果可用,就发出 AC/DC 使能信号给 SPU,SPU 将 3 相 115V AC 转换成 270V DC 给 SCU; 如果不可用, 就发出 DC/DC 使能信号给 SPU, SPU 将蓄电池电压转换成 270V DC 给 SCU, SCU 中的逆变器最后将 270V DC 转换成 3 相交流电给起动发电机,起动发电机作为起动机发出起动力矩,驱 动 APU 涡轮旋转。 当 APU 转速达到 70%时, ECU 移除给 SCU 的起动使能命令, SCU 不再为起动发电机提供 3 相交流电,不再进行励磁,既切断起动辅助,SCU 转由 SG 供电。 当 APU 转速达到 95%左右时, ECU 发出可以加载信号, 表明 APU 起动完成,可以进行电载荷和气载荷。 1.2 典型构型 2 该构型的辅助动力装置起动系统的特点是 APU 起动机采用有刷直流起动 机,采用传统的机械电刷和换相器,所以不需要电子换相电路,它的作用就是作 为起动机使用,另一个专门的 APU 交流发电机为飞机系统提供交流电。 起动电气控制系统由电子控制盒(ECB) 、起动机(Starter Motor) 、APU 主 开关/起动开关(APU Master Switch/Start Switch)和电子控制元器件等组成,如 图 2 所示。APU ECB 控制 APU 起动时序和控制起动能量的提供。起动能量可以 直接由蓄电池获得。 APU 控制板采用按钮式设计, 一个 Master Switch 按钮和一个瞬态 Start 按钮。 当按下 Master Switch 按钮到 ON 位时, 驱动 APU Main Control Relay, 给 APU ECB 供电,完成上电初始化,同时打开进气风门,这时 APU ECB 还会发出一个主继 电器输出信号,对 Main Control Relay 驱动进行自锁,这样当 APU Master Switch 按钮处于 OFF 位,进行 APU 正常停车时,APU ECB 可以在关掉 APU 进气风门 几秒后,再解锁掉自身的供电;当 APU ECB 收到起动命令后,APU ECB 首先 检测进气风门是否打开、APU 转速是否小于 7%、自检测是否完成、是否检测到 自动停车及 Master Switch 按钮处于 OFF 位, 如果条件满足即进气风门打开、 APU 转速小于 7%、无自动停车要求和 Master Switch 按钮处于 ON 位,APU ECB 就 会发出离散信号驱动 Back-Up Start Contactor,大约 1.5s 后,再发出离散信号驱 动 Start Contactor,从而将蓄电池的能量用于对 Starter Motor 励磁。 当 APU 起动被触发,APU ECB 会发出正在起动命令,驱动 APU 控制板上 Start 开关上的 ON 灯,表明 APU 在起动过程中;当 APU 转速达到大约 95%时, APU ECB 会发出可以加载命令,驱动 AVAIL 灯,

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