基于電流互感的助航燈檢測電路寄生電源設計

亓卓然，高慶吉，宇翠麗

（中國民航大學機器人研究所，天津300300）

0 引 言

助航燈光系統是保證飛機安全飛行的重要設施，對飛機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、電流等實時信息發送至監控中心，可方便維護人員在線了解燈具的各類狀態，提高了助航燈光系統的維護效率和可靠性。

實際助航燈調光回路是由一系列隔離變壓器初級串聯構成，燈泡連接在隔離變壓器的次級。調光回路由低壓升壓以后進行供電，通過斬波方式調節回路電流［2］，實現不同的光強等級。檢測電路安裝在助航燈附近，離燈光站較遠，且遍布整個機場，取電需要從助航燈調光回路寄生獲得。文獻［1］采取并聯取電方式，并提出了分段寬幅輸入電源設計，解決了隔離變壓器二次側開路與正常工作時電壓驟變問題。但是當燈泡出現短路情況，該電源則不能正常工作。文獻［2］采用串聯取電方式，解決了燈泡短路引起的電源失效問題，并設計了開路切換電路，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，增加故障發生概率。

為此，擬采用基于電流互感器的寄生取電電源設計。該設計屬于串聯取電，且電源和助航燈調光回路物理隔離，在電源正常工作和故障時不會對助航燈的工作產生影響，并且結構簡單、易于安裝、可靠性高。

1 寄生取電電源設計

1.1 助航燈調光系統分析

圖1 助航燈調光回路示意圖

助航燈調光回路系統如圖1所示，主要由調光器、升壓變壓器、隔離變壓器和燈具構成。隔離變壓器初級串聯在燈光主回路中，次級與燈具相連，串聯回路保證了燈光的恒流特性。低壓升壓后供給機場跑道上的燈光主回路，調光器通過斬波方式調節主回路電流使助航燈工作在五個光強等級，ICAO（國際民用航空組織）在規章中規定每個光強等級對應的電流分別是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穿芯電流，I2為電流互感器二次側電流，E1和E2分別為電流互感器一次側和二次側電壓，N1和N2分別是一次和二次匝數。

由文獻［3］可知，電流互感器磁芯未飽和時，二次側電壓E2的近似表達式為：

輸出功率P近似表達式為：

式中，Φm為互感器磁芯內通過的磁通；f為交流電源頻率；μ為磁芯的磁導率，當磁芯工作在線性區域時可認為μ為定值；l為磁芯磁路長度；S為磁芯截面積；θ為一次側電流I1與其勵磁電流分量Im的角度，θ與二次電流為反比例關系，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，二次側電壓E2隨著二次側電流I2減小而增大，輸出功率P隨著二次側電流I2的增大，先達到一個峰值后減少，當sin（π－2θ）＝1時，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

通過改變光強和互感器的穿心匝數調節電流互感器一次側電流范圍為8.4～52.8 A，記錄負載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下輸出電壓隨著R阻值增大而增大，并表現出非線性關系，在R阻值相同的情況下電流互感器輸出電壓隨著一次側電流增大而增大。

圖4 互感器二次側電壓與一次電流以及負載關系

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

以上實驗可以看出，電流互感器功率輸出和電壓變化規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載關系

1.4 寄生電源結構設計

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

根據助航燈工作特點，取電系統設計如圖6所示，共分為整流濾波、過壓保護和DC－DC三個模塊。其中整流濾波模塊將互感器輸出的交流電轉化為直流；過壓保護模塊限制輸出電壓，防止電壓過高而損壞后級設備；DC－DC模塊負責將電壓穩定在5 V輸出。

檢測電路在正常工作時消耗功率約為P＝0.4 W，考慮到DC－DC模塊轉換效率，過壓保護模塊等的功率消耗，定負載消耗的最大功率Pmax＝0.6 W。則設計指標為助航燈光工作在不同光強等級時，電源能穩定輸出功率

圖6 取電原理框圖

由公式（2）可知，互感器的輸出功率P主要與一次側電流I1、鐵芯磁導率μ、磁芯截面積S等互感器參數和負載功率消耗有關。因為電流互感器參數固定，負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電流I1的范圍，而I1的范圍是由電流互感器穿心匝數N所決定。

（1）穿心匝數N的確定

電流互感器穿心匝數N主要由以下條件限定：①當助航燈光工作在一級光強，也就是一次側電流最小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當助航燈工作在五級光強，此時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，根據據上述實驗數據得出電流互感器的輸出功率P與整流濾波后電壓U的關系如圖7所示。

圖7 互感器輸出功率P－U關系和限制曲線

從圖7可以看出，限制曲線與互感器P－U關系曲線產生多個交點，每個交點表示不同一次側電流情況下，輸出功率為0.6 W的工作點。每個交點所對應的電壓U越大，則該工作點二次電流I2越小，一次電流I1越大，磁芯的勵磁電流Im越大，磁芯會越接近飽和狀態，對互感器造成損壞。故采用電壓U最小的交點A所對應的一次電流I1＝15.6 A，作為一級光強時電流互感器的穿心估值電流，則穿心匝數N≈I1/2.8（A）≈6，對應的一次電流范圍為16.8 A≤I1≤39.6 A。

（2）過壓保護電路設計

過壓保護電路主要負責限制電流互感器經過整流濾波后的輸出電壓。當后級檢測電路故障或不工作時，互感器二次功率消耗P僅由DC－DC模塊和過壓保護模塊承擔，此時二次電流I2降至微安級別，會使一次電流I1幾乎全部轉換成勵磁電流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，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，在五級光強情況僅由電阻作為負載的情況下，輸出電壓小于35 V，有效保護了后級模塊。

2 實驗結果分析

在助航燈工作在不同光強等級，穿心匝數N＝6的條件下，進行了電流互感器取電實驗，圖8為實驗環境。表1至表3記錄了檢測電路在正常工作狀態下、滿載狀態和空載狀態下，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時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 實驗環境圖

表1 正常工作狀態DC－DC模塊輸入輸出電壓

表2 空載工作狀態DC－DC模塊輸入輸出電壓

表3 滿載狀態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、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定，完全滿足檢測電路需求。

3 結束語

文章提出了利用電流互感器從助航燈調光回路寄生取電的方法，為助航燈光相關檢測設備取電提供了新思路。本設計與助航燈供電線路物理隔離，可靠性高，且容易實施，實驗證明該電源設計滿足檢測電路的工作需求。

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