[B737] 737NG飞机APU起动发电机工作分析

最近，在机务平台上看到一些机务人员提出的几个关于737NG飞机APU从启动到供电过程的一些问题，主要有:

为什么不直接将28VDC电瓶电压转换成115VAC去启动APU，而是先把电瓶28VDC升压为270VDC再逆变为三相交流去启动APU，这270VDC是根据怎么来确定的？

飞机在地面由外电源供电时为什么不用TR1 汇流条上的115VAC直接启动APU？

APU起动发电机的电动机功能和发电机功能是如何实现的?

4.维护手册上的这段话：The SCU receives starter-generator rotor

position from the starter-generator resolver. The SCU uses

this signal to synchronize the three-phase start power to the

starter-generator rotor position.  怎么理解？

其实，这些问题我也在思考，前段时间我问了基地一线的一些业务主力，得到的回答都是不知道，没想过。我想我们每天都在用APU，维护APU，十几年来一直和它相随相伴，可对它在这些方面的认知可以说几乎是一片空白。

带着这些问题看了一下机务各平台网站，希望能看到有关对737NG飞机APU起动发电机的工作原理给出全面分析的文章。结果所有的文章全部都是对起动发电机的发电机部分给出了详细论述，却都回避分析起动机部分。这是因为维护手册SDS部分对发电机工作原理给出了详细的分析，而对起动机部分讲解的确很少，系统图上也就画了一方框图，也没有给出起动机部分内部结构图，直接结果就是对目前大多是机务人来说，对它的认知一直是“雾里看花，似懂非懂，一知半解”。

看来要弄明白这些问题又只能自力更生了。想当初我撰写“737NG飞机大翼防冰系统工作原理分析”和“一起极具特色的波音飞机广播系统故障与排除”不也一样找不到现成可参考的文章吗？又只能“重走长征路”，再作一次“它山之石”来“抛砖引玉”了。

我们看到随着直流变交流这一逆变技术的日益成熟，新型号的波音和空客飞机均把APU起动机和发电机融为一体，并称为启动发电机。这些飞机有波音737NG,737MAX和787和空客的350等。此前的波音飞机如737-300，777飞机和空客的320序列均用的是直流起动机。其实，直流起动机具有良好的启动特性和调速特性，转矩较大，节能等优点。它的缺点是造价高，有碳刷，寿命短，维护成本高，直流换向问题使得电机结构复杂，直流电动机通过改变转子电流来改变转速和转矩。相对直流电动机来说，交流电动机结构简单，维护容易。随着矢量变频技术的发展，交流电机可以用变频电机模拟成直流电机，交流电机启动性和调速性差的缺点正在逐步被克服，通过矢量变频技术可以使交流电机无极调速，在调速性能上与可比肩直流电机，交流电机比直流电机更节能、更环保、更高效。交流电机是通过改变频率来调速的。

下面我们先来看一下概括APU系统工作的方框图，如图一。

从图一我们可以看出控制APU起动动发电系统运行主要由以下这些部件：电子控制组件ECU、起动电源组SPU、起动转换组件SCU。

ECU除了控制APU起动，打开空气进气门，燃油电磁活门，点火工作外，还负责其它SPU，SCU的协调工作。当1#转换汇流条有115VAC电时，SPU首先将1号转换汇流条三相115VAC转换为270VDC；如果1#转换汇流条没电，SPU就将电瓶28V DC转换为270V DC；在起动模式下SCU将270VDC逆变为三项交流输入到起动机定子线圈产生旋转磁并带动装贴有永磁体的转子同步转动。图中解析器RESOLVER用来实时反馈转子的转速和位置，为控制电机的转速和扭矩提供参数。

这里就270VDC电源的起源简单阐述一下。目前我们飞机上只有28DC和115VAC两种电源，由于交流电源并联运行对各电源的电压，频率，相位，相序，波形都有严格的限制要求，这样，我们在发动机与发动机间以及发动机与APU间电源切换时就无法实现不间断供电。另外了，随着飞机大量的电传设备的采用以及部分液压系统改为电作动系统，如空客380飞行舵面的电作动器以及把三套液压中的一套改为电作动系统，在些系统控制都较高的电源功率。如果还用28DC显然是难以实现的。1999年美国在第四代战斗机F22上采用了270VDC作为基础电源。此后的F35及世界各国的军用飞机都采用了270V高压直流供电系统。目前，270V高压直流电源系统因为具有高效率，高稳定性，高精度，高可靠性，易于实现智能化管理已经在航空和航天界广泛应用。下面，我们回到737NG飞机APU系统。

在APU起动控制系统中，SPU将1号转换汇流条三相115VAC转换为270VDC，这需要三相整流电路来完成。SCU将270VDC逆变为三项交流输入到起动机定子，这需要逆变电路来实现。我们先对三相桥式整流线路做个简单介绍。如图二

三相桥式全波整流电路是把三相交流转变为直流。如图左侧为三相桥式不可控整流电路，右侧图为输入和输出电压波形图。我们撇开各教程繁复的推算，直接看输出电压与输入电压的关系：UR=2.34U

我们飞机上115VAC经过整流后输出电压为2.34*115=269VDC

想必这就是被航空器广泛运用的270VDC高压直流的由来吧。

我们也一样直接看三相桥式电压型逆变电路输出和输入电压的关系，负载相电压有效值UA=UB=UC=0.471Ud

这样飞机APU起动机输入的电压：0.471*270=127VAC

下面我们从APU起动运行的整个过程来分析起动发电机的工作情况。首先，APU从起动加速到70%转速，起动发电机工作在电动机状态，也就是电能转化为机械能的过程。我们看一下这个过程的工作：

把APU主电门置START位，然后释放回到ON位，就是发指令给ECU开启起动模式，这时如果115VAC transfer bus 1有电，SPU将115VAC变压整流为270VDC；如果这个汇流条无电，SPU将电瓶28VDC经过脉动电路升压为270VDC。ECU点亮低APU滑油压力灯、打开APU进气门和燃油关断活门、点火系统投入工作，起动发电机进入起动模式。SCU将 270VDC逆变为三相交流输入给起动发电机。APU起动发电机的起动电机用的是表面式永磁同步电机。其工作原理是在转子表面贴有四块永久磁铁，定子绕组中接入三相交流后产生旋转磁场带动转子产生同步转速，如图三为某一时刻定子和转子磁场状况。

为了便于观察，我们先隐藏一下定子绕组和转子磁场，只展示定子旋转磁场和转子本体，看看他们是如何相互作用的。如图四

如图5 我们看到定子磁极与转子磁极产生的相斥和相吸推拉作用力使转子产生顺时针转矩。

当转子磁场与定子磁场呈45度角时，位于转子磁场两侧的吸引力和排斥力是相等的，这个角度转子具有最大转矩，因为此时吸引力与排斥力几乎与转子呈切线方向，它们产生相同的驱动方向。如果在启动时像图中一样施加45度转矩角，这样就会以最大力矩启动电机，在以大扭矩起步后，永磁同步电机开始同步运转。接下来维持这个角度还是别的角度是逆变器的功能。在永磁同步电机工作中转子不会产生电流，不会产生损耗，这时永磁同步电机相对于异步电机具有更高的效率。需要说明的是这里输入给起动机的三相电流的顺序和频率是有要求的，首先是APU转动方向是固定的，不能反转。也就是起动机输入的三相交流电ABC相序是不能改变的，还要根据转子的实际位

置来确定那一相先接入，起动时刻接入电源的频率要低以保证转子启动并同步，否则起动电机可能出现震动情况。APU起动机运行的整个过程都是由逆变器来控制的。在启动模式下，逆变器三相输出电压、电流和频率/相位角随转子轴的位置和速度而变化，以获得最大的转矩加速SG的旋转。逆变器是如何获得转子的位置和转速呢？这就要通过旋转变压器或位置传感器来获得，如下图六。

位置传感器由安装在定子上的励磁线圈、正弦sine和余弦cosine两个检测线圈、解析器RESOLVER以及多边形转子组成。我们可以从如下附图七进行直观的分析。

SCU给励磁线圈输入一个固定频率的信号，多边形转子在随着起动机旋转时，转子外缘与正弦和余弦线圈间的气隙不停变化，在这两个线圈中会感应出不同的电压变化波形，转子在任何时刻的位置都会与正弦和余弦曲线上的点对应，把正弦和余弦波输入到解析电路解析后我们就可以得到转子在任何时刻的位置和转速。当我们需要起动APU并加速时，控制系统根据位置传感器信号来确定提供给电机定子的电压，频率和电流值，并以此来改变起动电机的转速和扭矩。

APU从起动加速到转速达70%时，启动发电机SG是工作在将电能转变为机械能的启动模式，转速到达70%时，APU电子控制组件ECU从启动转换组件SCU断开启动信号，当启动信号断开，SCU 和 SPU 中断提供给起动发电机的起动机电源，起动发电机退出启动模式。此后由 APU 涡轮发动机单独带转 APU 转子加速至100%额定转速，并稳定在此转速。为APU转入发电模式做好准备。

APU转速达到95%时点亮“APU GEN OFF BUS”灯，提示我们起动发电机SG可以进入发电模式。这时定子线圈因转子永磁体转动会感应出电压，此电压较小，也叫剩磁电压。起动发电机SG要进入供电模式必须加大励磁磁场。这里引入了电压调节电路VR来加强和控制发电机励磁。我们看图七。

当APU转速达95%“APU GEN OFF BUS”灯时。在APU运转正常的前提下，也就是无火警、GCU内部控制电源正常的情况下，我们接通APU任一电源电门时，VR ENABLE 给SCU内GCR一个触发信号闭合GCR。GCR触点向上闭合，转子上的永磁体PMG旋转→永磁机定子感应出三相交流→经SCU变压整流为直流→转子励磁机线圈感应出三相交流→经旋转整流器变为直流为主发电机提供励磁→主发电机定子绕组感应出115伏400赫兹三相交流→APB闭合→APU给飞机提供电源。

APU启动发电机由电动机模式转为发电机模式。其实这就是起动发电机的定子绕组扮演了不同角色，在起动模式作为电动机运行，它接受逆变器提供的三相交流电源产生旋转磁场，对转子上的永磁体产生磁场力，带动转子进入同步转动；在发电机模式下就是利用转子旋转磁场在定子绕组上感应出115V三相交流。注意，SCU内的隔离继电器APIR（auxiliary power isolation relay ）与APU断路器APB（APU power breaker ）关联并相互抑制，也就是启动模式APIR闭合APB断开，防止启动电源流向交流汇流条；而进入发电模式前APIR必须断开以防止发电机电流被引入SCU。

文章到这里我们对前面的四个问题也应该可以回答了吧。第一第二个问题都是用400赫兹115VAC这样的恒压和恒频三相交流去起动加速APU的永磁发电机显然是不行的，结果就是APU不停的来回震动。至于270VDC高压的广泛运用应该是115VAC整流后为270VDC的结果。第三第四个问题我们看过全文后自然就清楚了。

下面我和大家分享一个737NG飞机APU电源无法接通故障。

2024年2月6日B-1776 航后APU正常起动后，供气正常，无法供电，电源面板无电压和频率指示，无任何故障代吗。

分析:此故障操作APU左右电源电门，APU均不能供电，而且P5电源面板无电压和频率指示。说明发电机就没有建立起电压→也就是发电机没有励磁→调压器VR没工作→SCU内GCR没有得到来自AGCU的触发信号VR ENABLE→AGCU内GCR没有正常作动。

从图八来看，我们接通APU任一电门触发AGCU内GCR的条件是P28，P8-1火警电路正常，C937外电源接触器在断开位，C803 APU电源断路器在断开位。也就是拆下AGCU在D10896A处测量55和43钉，44和56钉是否导通？18钉和20钉对的开路。结果均正常 这时应该考虑AGCU内GCR本体问题了，如果更换AGCU还不行，就要考虑SCU本体内GCR故障去更换SCU，我们可以通过串件来判断AGCU和SCU故障，因为，我们在第二天AGCU件到货后，更换AGCU后依然个不能接通电源经过串件后确认新件是故障件。重新定AGCU更换后故障排除。总之，遇到APU不供电故障，在没有故障信息的情况，不要一上来就更换起动发电机。