亓卓然，高慶吉，宇翠麗

（中國民航大學(xué)機(jī)器人研究所，天津300300）

0 引 言

助航燈光系統(tǒng)是保證飛機(jī)安全飛行的重要設(shè)施，對飛機(jī)的起降滑行起著重要的作用。助航燈具檢測電路將燈具的濕度、電流等實(shí)時(shí)信息發(fā)送至監(jiān)控中心，可方便維護(hù)人員在線了解燈具的各類狀態(tài)，提高了助航燈光系統(tǒng)的維護(hù)效率和可靠性。

實(shí)際助航燈調(diào)光回路是由一系列隔離變壓器初級串聯(lián)構(gòu)成，燈泡連接在隔離變壓器的次級。調(diào)光回路由低壓升壓以后進(jìn)行供電，通過斬波方式調(diào)節(jié)回路電流［2］，實(shí)現(xiàn)不同的光強(qiáng)等級。檢測電路安裝在助航燈附近，離燈光站較遠(yuǎn)，且遍布整個(gè)機(jī)場，取電需要從助航燈調(diào)光回路寄生獲得。文獻(xiàn)［1］采取并聯(lián)取電方式，并提出了分段寬幅輸入電源設(shè)計(jì)，解決了隔離變壓器二次側(cè)開路與正常工作時(shí)電壓驟變問題。但是當(dāng)燈泡出現(xiàn)短路情況，該電源則不能正常工作。文獻(xiàn)［2］采用串聯(lián)取電方式，解決了燈泡短路引起的電源失效問題，并設(shè)計(jì)了開路切換電路，解決燈泡開路引起的電源失效問題。以上兩種取電方式均與原有燈光回路有物理接觸，增加故障發(fā)生概率。

為此，擬采用基于電流互感器的寄生取電電源設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)屬于串聯(lián)取電，且電源和助航燈調(diào)光回路物理隔離，在電源正常工作和故障時(shí)不會對助航燈的工作產(chǎn)生影響，并且結(jié)構(gòu)簡單、易于安裝、可靠性高。

1 寄生取電電源設(shè)計(jì)

1.1 助航燈調(diào)光系統(tǒng)分析

圖1 助航燈調(diào)光回路示意圖

助航燈調(diào)光回路系統(tǒng)如圖1所示，主要由調(diào)光器、升壓變壓器、隔離變壓器和燈具構(gòu)成。隔離變壓器初級串聯(lián)在燈光主回路中，次級與燈具相連，串聯(lián)回路保證了燈光的恒流特性。低壓升壓后供給機(jī)場跑道上的燈光主回路，調(diào)光器通過斬波方式調(diào)節(jié)主回路電流使助航燈工作在五個(gè)光強(qiáng)等級，ICAO（國際民用航空組織）在規(guī)章中規(guī)定每個(gè)光強(qiáng)等級對應(yīng)的電流分別是2.8、3.4、4.1、5.2、6.6（A）。由于燈光主回路較重要，檢測電路通常從隔離變壓器二次側(cè)獲取電能。

1.2 電流互感器取電模型分析

電流互感器取電模型如圖2所示。

圖2 電流互感器取電模型

由圖2可知，I1為電流互感器一次側(cè)穿芯電流，I2為電流互感器二次側(cè)電流，E1和E2分別為電流互感器一次側(cè)和二次側(cè)電壓，N1和N2分別是一次和二次匝數(shù)。

由文獻(xiàn)［3］可知，電流互感器磁芯未飽和時(shí)，二次側(cè)電壓E2的近似表達(dá)式為：

輸出功率P近似表達(dá)式為：

式中，Φm為互感器磁芯內(nèi)通過的磁通；f為交流電源頻率；μ為磁芯的磁導(dǎo)率，當(dāng)磁芯工作在線性區(qū)域時(shí)可認(rèn)為μ為定值；l為磁芯磁路長度；S為磁芯截面積；θ為一次側(cè)電流I1與其勵(lì)磁電流分量Im的角度，θ與二次電流為反比例關(guān)系，變化范圍為0＜θ＜。

由公式（1）和公式（2）可知，在互感器一次電流I1一定的情況下，二次側(cè)電壓E2隨著二次側(cè)電流I2減小而增大，輸出功率P隨著二次側(cè)電流I2的增大，先達(dá)到一個(gè)峰值后減少，當(dāng)sin（π－2θ）＝1時(shí)，功率P為最大值。

1.3 電流互感器取電測試

采用LMZJ1－0.5型穿芯式電流互感器作為取電設(shè)備，測試電路如圖3所示。

圖3 電流互感器特性測試電路

通過改變光強(qiáng)和互感器的穿心匝數(shù)調(diào)節(jié)電流互感器一次側(cè)電流范圍為8.4～52.8 A，記錄負(fù)載R上電壓U和消耗功率P。

如圖4所示，電流互感器在取電狀態(tài)下輸出電壓隨著R阻值增大而增大，并表現(xiàn)出非線性關(guān)系，在R阻值相同的情況下電流互感器輸出電壓隨著一次側(cè)電流增大而增大。

圖4 互感器二次側(cè)電壓與一次電流以及負(fù)載關(guān)系

由圖5可知，在一次側(cè)電流一定且R阻值較小時(shí)，電流互感器的功率輸出隨著負(fù)載阻值的增大而增大，達(dá)到最大值后開始減少。

以上實(shí)驗(yàn)可以看出，電流互感器功率輸出和電壓變化規(guī)律符合前述理論分析。

圖5 互感器輸出功率與一次電流以及負(fù)載關(guān)系

1.4 寄生電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由上述分析可知，從助航燈光回路取電具有以下特點(diǎn)：①燈光回路電流變化范圍較大；②燈光回路由調(diào)光器供電，在具體光級下為恒定電流，不會出現(xiàn)過流情況；③燈光回路的電流是由正弦波電壓斬波后產(chǎn)生，不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦電流。

根據(jù)助航燈工作特點(diǎn)，取電系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖6所示，共分為整流濾波、過壓保護(hù)和DC－DC三個(gè)模塊。其中整流濾波模塊將互感器輸出的交流電轉(zhuǎn)化為直流；過壓保護(hù)模塊限制輸出電壓，防止電壓過高而損壞后級設(shè)備；DC－DC模塊負(fù)責(zé)將電壓穩(wěn)定在5 V輸出。

檢測電路在正常工作時(shí)消耗功率約為P＝0.4 W，考慮到DC－DC模塊轉(zhuǎn)換效率，過壓保護(hù)模塊等的功率消耗，定負(fù)載消耗的最大功率Pmax＝0.6 W。則設(shè)計(jì)指標(biāo)為助航燈光工作在不同光強(qiáng)等級時(shí)，電源能穩(wěn)定輸出功率

圖6 取電原理框圖

由公式（2）可知，互感器的輸出功率P主要與一次側(cè)電流I1、鐵芯磁導(dǎo)率μ、磁芯截面積S等互感器參數(shù)和負(fù)載功率消耗有關(guān)。因?yàn)殡娏骰ジ衅鲄?shù)固定，負(fù)載功率消耗范圍也是確定的，故輸出功率主要取決于一次側(cè)電流I1的范圍，而I1的范圍是由電流互感器穿心匝數(shù)N所決定。

（1）穿心匝數(shù)N的確定

電流互感器穿心匝數(shù)N主要由以下條件限定：①當(dāng)助航燈光工作在一級光強(qiáng)，也就是一次側(cè)電流最小I1＝N×2.8（A），互感器輸出功率Pout≥0.6 W，整流濾波后的輸出電壓大于DC－DC模塊的最低要求；②當(dāng)助航燈工作在五級光強(qiáng)，此時(shí)I1＝N×6.6（A），整流濾波后的輸出電壓小于DC－DC模塊上限電壓。

根據(jù)上述條件以及原理框圖做出限制曲線P＝0.6 W，7 V≤U≤35 V，根據(jù)據(jù)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出電流互感器的輸出功率P與整流濾波后電壓U的關(guān)系如圖7所示。

圖7 互感器輸出功率P－U關(guān)系和限制曲線

從圖7可以看出，限制曲線與互感器P－U關(guān)系曲線產(chǎn)生多個(gè)交點(diǎn)，每個(gè)交點(diǎn)表示不同一次側(cè)電流情況下，輸出功率為0.6 W的工作點(diǎn)。每個(gè)交點(diǎn)所對應(yīng)的電壓U越大，則該工作點(diǎn)二次電流I2越小，一次電流I1越大，磁芯的勵(lì)磁電流Im越大，磁芯會越接近飽和狀態(tài)，對互感器造成損壞。故采用電壓U最小的交點(diǎn)A所對應(yīng)的一次電流I1＝15.6 A，作為一級光強(qiáng)時(shí)電流互感器的穿心估值電流，則穿心匝數(shù)N≈I1/2.8（A）≈6，對應(yīng)的一次電流范圍為16.8 A≤I1≤39.6 A。

（2）過壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)

過壓保護(hù)電路主要負(fù)責(zé)限制電流互感器經(jīng)過整流濾波后的輸出電壓。當(dāng)后級檢測電路故障或不工作時(shí)，互感器二次功率消耗P僅由DC－DC模塊和過壓保護(hù)模塊承擔(dān)，此時(shí)二次電流I2降至微安級別，會使一次電流I1幾乎全部轉(zhuǎn)換成勵(lì)磁電流Im，造成后級電壓大幅增大，損壞后級模塊。為防止以上問題出現(xiàn)，采用阻值3 kΩ左右的大功率電阻來限制互感器輸出電壓，由圖4可以看出，在五級光強(qiáng)情況僅由電阻作為負(fù)載的情況下，輸出電壓小于35 V，有效保護(hù)了后級模塊。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在助航燈工作在不同光強(qiáng)等級，穿心匝數(shù)N＝6的條件下，進(jìn)行了電流互感器取電實(shí)驗(yàn)，圖8為實(shí)驗(yàn)環(huán)境。表1至表3記錄了檢測電路在正常工作狀態(tài)下、滿載狀態(tài)和空載狀態(tài)下，DC－DC模塊的輸入和輸出電壓。圖9～圖11記錄了檢測電路工作在五級光強(qiáng)時(shí)電流互感器的輸出電壓波形，DC－DC輸入電壓和輸出電壓波形。

圖8 實(shí)驗(yàn)環(huán)境圖

表1 正常工作狀態(tài)DC－DC模塊輸入輸出電壓

表2 空載工作狀態(tài)DC－DC模塊輸入輸出電壓

表3 滿載狀態(tài)DC－DC模塊輸入輸出電壓

圖9 電流互感器輸出電壓波形

圖10 DC－DC輸入電壓波形

圖11 DC－DC輸出電壓波形

檢測電路工作電源要求為5 V±0.2 V，由表1～3可以看出，檢測電路在正常工作狀態(tài)、空載和滿載的情況下，取電電源均能正確輸出電壓，波形圖顯示了電壓從電流互感器輸出到DC－DC輸出的變化過程，可以看出電源最終的輸出電壓穩(wěn)定，完全滿足檢測電路需求。

3 結(jié)束語

文章提出了利用電流互感器從助航燈調(diào)光回路寄生取電的方法，為助航燈光相關(guān)檢測設(shè)備取電提供了新思路。本設(shè)計(jì)與助航燈供電線路物理隔離，可靠性高，且容易實(shí)施，實(shí)驗(yàn)證明該電源設(shè)計(jì)滿足檢測電路的工作需求。

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