助航灯光系统的供电及调光系统

第六章助航灯光系统的供电及调光系统对机场助航灯光系统的供电要求 要做到安全可靠 万无一失 不能因供电原因而影响助航灯光系统正常工作 第一节助航灯光系统的供电一 助航灯光系统负荷的类别助航灯光系统的供电可靠与否直接影响飞行安全 因此 机场助航灯光供电的等级为一级负荷中的特别重要负荷 二 助航灯光系统供电的要求及方式1 供电的要求根据MH5001 2000 民用机场飞行区技术标准 中6 2 20助航灯光的供电要求 对供电电源和电压质量提出的要求 即助航灯光应由两个独立 稳定可靠的电源供电 还应按最大需用功率设置柴油发电机组作为备用电源 如外来的电源的电压过高或过低不稳定时 还应设调压器等稳定设备 同时对两路独立电源 即主用电源和备用电源切换时间提出要求 根据助航灯光系统的供电要求 灯光变电站的供电方式采用两路市电 一路市电故障或失电不影响另一路市电供电 下同 供电和柴油发电机组作为备用电源 3 控制方式 1 自投自复方式 2 自投不自复方式上述两种控制方式因机场规模 类别的不同 所采用的控制方式不同 为确保飞行安全 一般采用的控制方式为 自投不自复方式 第二节应急备用电源的种类及选择应急备用电源的种类包括 1 独立于正常电源的发电机组 柴油发电机组或汽油发电机组 2 供电网络中独立于正常电源的专用馈电线路 3 UPS EPS 或蓄电池组 一 柴油发电机允许中断供电时间为15s及以上 供电容量 75千瓦以上的助航灯光设备 应选择快速 高速 自启动全自动化柴油发电机组 二 供电网络中独立于正常电源的专用馈电线路自动装置的动作时间能满足助航灯光允许中断供电时间的 选用带有自动投入装置的独立于正常电源的专用馈电线路 三 UPS EPS 装置UPS装置 即静态交流不停电电源装置 英文全称Uninterruptiblepowersupply 或称静态交流不间断电源系统 简称UPS 下同 当市电故障或突然失电时 UPS能够保证交流电源不断的向负载连续供电 四 EPS装置EPS装置 即静态交流应急电源装置 英文全称 Emergencypowersupply EPS装置的组成与UPS相同 EPS装置的作用与UPS相同 即市电故障或失电时 能够保障负载连续应急供电 第三节机场助航灯光回路的联接机场助航灯光设施的电源几乎全是交流电 有些控制电路用直流电 启动第二电源发电机的能源或有些不中断电源的能源储存在蓄电池里 助航灯光回路有串联和并联两种方式 第四节调光系统民用航空机场的绝大部分目视助航灯光的光强分为五个等级 军用机场目视助航灯光的光强分为三个等级 调光器是用来调节机场目视助航灯光的光强的一种电气设备 根据气象条件 能见度等要求 由塔台发出指令 调光器将灯光光强调整到所需要的光强等级 以做到既能满足飞行要求又能经济地使用灯光系统 一 调光原理机场目视助航灯光系统原理图如图6 4 1所示 图6 4 1助航灯光系统示意图 从图6 4 1可以看到 目视助航灯光回路是由一系列隔离变压器串联构成的悬浮回路 这是因为 要保证系统灯光亮度相同 就必须保证通过灯泡的电流相同 如果用并联回路 耗费电缆线很多 造成很大浪费 而且由于灯与灯之间的距离较远 每个灯的电缆长度就不同 从而电缆上压降也不同 所以通过灯的电流就有差别 造成灯的亮度有差异 不能达到灯光系统的要求 因此 供电均采用串联电路 灯泡连接在隔离变压器的次级 灯泡发光强度与回路中的电流成正比 改变回路中电流的大小就能调节灯泡的亮度 反之 当回路电流恒定时 灯泡亮度也将保持恒定 从图6 4 1中可以看到 回路电流是随升压变压器初级电压成正比例变化的 把工频交流电源直接作用于升压变压器初级线圈 虽然助航灯光的灯泡会发亮 但是其亮度不能进行调节 当电网波动或者回路负载发生变化时 也无法保持回路中电流不变 从而也无法保持灯泡的亮度不变 调光器的作用就是把工频交流电源转变成为一种可以控制的电压源 使变压器初级线圈的电压UL大小受调光器的控制 当回路负载发生变化或交流电网电压发生变化等干扰存在时 通过调光器的作用 能使UL大小保持不变 即保证灯泡亮度不变 另外 调光器也可以控制UL大小分为几档输出 从而控制灯泡的亮度等级 即灯的光强等级 二 调光系统的组成所有控制系统的组成均可分为三大部分 测量 检测 部分 控制器 执行部分 调光系统做为一个能调整光强的控制系统 也是由以上三部分组成 调光系统的检测功能是由串联在灯光回路中的电流互感器和并联在调光器的输出变压器初级线圈上的电压互感器来完成的 控制器的核心是单片微型计算机 单片机 现在广泛应用的调光器是通过可控硅来实现电源电压的转换的 通过调整可控硅导通角的大小 改变调光器的输出电压 从而达到控制灯光回路中电流的目的 反并联可控硅模块可视为调光系统的执行部分 图6 4 2调光系统控制原理方块图 调光器调整灯光光强的原理可以从图6 4 2中定性地分析 在微机中预先装定好给定的灯光光强对应的电信号 代表灯光光强等级的电信息经过脉冲调宽电路去控制可控硅的导通角 由于可控硅导通角的变化 使变压器输出电压的大小也随之发生变化 可控硅起到了电信号功率放大作用 代表光强的电信号越大 变压器输出电压也越大 从而通过灯光回路的电流也就越大 电流大 灯泡就亮 光强等级就高 当预先给定的灯光光强信号一定时 灯泡亮度就保持一定 微机中 预先装订好几个光强等级 灯光回路就能显示几个等级的光强 当受外界干扰 例如电网电压的变化 温度漂移等 时 灯光回路电流在装定的信号不变时也会因干扰发生变化 使灯泡偏离给定的光强 可以通过电压和电流负反馈把变压器初级的电压变化和灯光回路中电流的变化测量出来 分别送入微机系统中与予先装定好的灯光光强对应的电信号进行比较 这时将会有偏差信号 此偏差信号经过可控硅触发功率放大器后 促使灯光回路中电流恢复原来的状态 从而使偏差逐渐减小直至为零 即 使反馈信号与予先装定的信号又相等了 输出的回路电流与要求的电流一致 从而灯泡发光的光强稳定在要求的光强等级上 由上面分析可见 调光系统在规定的范围内 能任意调整灯泡的光强 也能在给定的灯光光强等级下 保持灯泡发光的光强恒定 除以上功能外 调光系统中还加了一系列的附加功能 例如有回路状态及参数的显示 故障的检测 报警等等 第五节可控硅移相调压式调光器 一 可控硅移相调压式调光器工作原理某调光器调光器工作原理如图6 5 1所示 图6 5 1调光器原理方块图 调光器的恒流原理是将升压变压器副边电流 二次电流 经电流互感器取样作为反馈电流 通过幅度和波形变换 经A D转换成数字信号送入计算机 计算机随时将该信号与设定的标准电流值比较 经计算产生相应的触发脉冲作为控制信号调整可控硅导通角的大小 从而对回路电流进行调整 达到二次电流恒流的目的 当电网波动或负载变化 负载有开路或短路 引起二次电流变化时 计算机可以随时加以调整 以达到高精度的恒流控制 该设备中计算机还能控制回路电流的变化速度 在启动 关机和更换光强级别时 使回路电流以适当速度变化 从而可以避免电流对设备和线路的冲击 使设备和线路 尤其是灯泡 的使用寿命延长 根据调光器五个调光级别的要求 恒流调整精度如表6 5 1所示 二 可控硅移相调压式调光器的保护装置1 过电流保护当灯光回路中电流超过额定值 6 6A 8 33A 时 计算机关闭可控硅以保护负载 当有强电流产生时 串联于调光器输入端的快速熔断器FS 见图6 5 1 将熔断以保护负载 2 过电压保护在调光器输入 输出端并有压敏电阻以防止高压对调光器及负载的破坏 3 负载开关保护调光器上电自检 检测各功能元件正常后方吸合交流接触器 将负载接入调光器输出 调光器关机时 先将可控硅关闭再释放交流接触器 避免了电流拉弧产生的干扰 4 负载开路保护当灯光回路电缆断路 外场开路 时 调光器关闭可控硅 故障报警提示 当灯光回路隔离变压器的次级线路开路达到30 时 灯泡断 调光器调整可控硅维持恒流 同时提供故障报警 5 电流互感器开路 短路保护当电流互感器或电流采样电缆有开路 短路故障时 计算机无采样电流则关闭可控硅 故障报警提示 6 暂态保护当调光器正常工作时 供电柜突然掉电 调光器自动保护原有数据 待电流恢复 直接在原光级下工作无需要重新启动和定级 7 防鼠保护和防潮保护在机柜低部装配有防鼠网 防止老鼠进入柜内造成损害 机内电路板均经防潮绝缘处理 防止潮气侵入锈蚀 第六节正弦波调光器恒流调光器按其采用的功率器件常分为磁放大器式 铁磁谐振式和可控硅式恒流调光器 在50 70年代 我国机场普遍使用磁放大器式恒流调光器 它是利用磁性材料的有效磁导率随直流控制电流的磁化作用而变化的原理 来改变交流有效电抗值 从而改变输出电压 直流电流增加 交流有效磁导率降低 有效电抗值减少 这类调光器其特点是体积笨大 噪声大 效率低 目前已经淘汰 可控铁磁谐振调光器其执行元件是铁磁谐振变压器 铁磁谐振变压器的初级和普通变压器一样 工作在铁心磁化曲线的线性段 而次级铁心由于增加了磁分路和输出并联电容而工作于饱和状态 此时铁心线圈输出电压仅与铁心截面 最大磁感应强度和线圈匝数有关 当使变压器次级铁心脱离饱和区 并且由外电路的开关来模拟其次级铁心的饱和状态 人为地改变外电路开关动作的时间即可调整输出电压 这类调光器在外国产品也可以见到 其特点是体积大 噪声大 同样的负载需要更大功率变压器 随着电力电子技术的不断发展 20世纪60年代以后 以晶闸管为代表的各类高电压 大电流半导体开关器件相继研制成功并得到广泛应用 可控硅移相调压式恒流调光器虽然比起前两种调光器来在控制性能 报警功能及体积 噪声 效率等方面都有了很好的改善 但这种调光器存在波形畸变大 电网要求高 对电网污染严重 效率低 负载适应能力差等缺点 进入20世纪80年代中期 出现了新一代半导体电力开关器件 绝缘门极双极型晶体管IGBT 这是一种复合器件 它的输入控制部分为场效应管 MOSFET 输出级为双极结型三极晶体管 因此兼有MOSFET和电力晶体管的优点 高输入阻抗 电压控制 驱动功率小 开关速度快 工作频率可达10 40kHz 饱和压降低 电压 电流容量较大 安全工作区较宽 在中大功率的开关电源装置中 IGBT由于其控制驱动电路简单 工作频率较高 容量较大的特点 已逐步取代晶闸管 目前2500 3300V 800 1800A的IGBT器件已有产品 可供几千以下的高频电力电子装置选用 IGBT的智能功率模块IPM IntelligentPowerModule 是将输出功率器件IGBT和驱动电路 故障检测电路及多种保护电路集成在同一模块内 与普通IGBT相比 在系统性能和可靠性上均有进一步提高 目前也有不少研究人员采用新型功率开关器件IGBT来设计恒流调光器 但其主控制芯片仍采用单片机 且控制方式大都为数 模混合控制 下面介绍一种正弦波调光器原理 以TI公司TMS320LF240X系列DSP取代以往的单片机为主控制芯片实现调光器的全数字控制 采用智能功率模块IPM取代以往的可控硅晶闸管作为功率变换器件 应用正弦脉宽调制 SPWM 方法对功率变换电路的智能功能模块 IPM 开关状态进行控制 通过控制算法实现对灯光回路高精度恒流控制的全数字式恒流调光器 实现调光器的标准正弦输出 DSP DigitalsignalProcessor 数字信号处理芯片 DSP芯片是一种适合于进行实时数字信号处理运算的微处理器 其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法 实时处理是指必须在规定的时间内完成对外部输入信号的处理运算 与通用单片机相比 DSP芯片具有更加适合于数字信号处理的软件和硬件资源 可用于复杂的数字信号处理算法 控制系统原理框图如图6 6 1所示 恒流调光器是整个控制系统的核心 包括强电回路及控制回路 其强电回路由整流电路 逆变电路 驱动电路和滤波电路等组成 控制回路主要是控制器 电流 电压检测 控制 液晶显示及SPI通讯 图6 6 1机场助航灯调光器控制系统框图 强电回路中三相交流电压经全桥整流 滤波后得到直流电压 此电压连接到IGBT智能模块IPM提供逆变所需的直流电压 控制器输出的等效正弦脉宽调制信号 SPWM脉冲信号 经过驱动电路控制IPM 对加在其两端的直流电压进行逆变 输出信号经过LC滤波电路后得到幅值可调的标准正弦电压 逆变后的电压经过升压变压器送给灯光负载 从而改变负载回路电流 使其达到给定值 通过光级给定拨动开关可以任意切换光级 也可以通过与单片机的SPI串行通讯接受上位机的光级给定命令 当光级改变时由程序算法控制使电流 电压快速达到稳定值 完成光级的切换 同时液晶显示模块对现场运行状态如电压 电流值 当前光级 功率因数及故障进行输出显示 系统工作时 由于某些原因产生过压 过流等故障 导致IPM产生报警信号 控制器会立即停止SPWM脉冲信号的输出 驱动声光报警 提醒用户注意 当系统恢复正常后 重新输出SPWM脉冲信号 恢复到报警前的状态 系统有一个外扩存储单元 用于存储一些重要的信息 如存储满载时的电压值 可使系统日常掉电重新启动后能自动恢复 不必重复检测 正弦波调光器工作原理正弦波调光器组成如图6 6 2所示 机场助航灯调光器系统主要由五部分构成 核心控制器采用TI公司生产的数字信号处理器TMS320LF2406A 应用正弦脉宽调制 SPWM 方法对功率变换电路的智能功能模块 IPM 开关状态进行控制 液晶显示模块作为人机接口界面 采用SPI与单片机实现串行通讯 及电源部分 1 强电回路部分系统强电回路采用AC DC AC方案 由整流和逆变两部分组成 主要由整流电路 功率驱动电路及功率保护电路组成 功率驱动部分主要由功率开关管及其驱动电路组成 本系统中采用IGBT智能模块IPM作为功率器件 由DSP控制板发出的PWM脉冲信号控制其开通与关断 2 DSP控制部分DSP控制部分主要由TMS320LF2406ADSP电平转换电路 电流 电压绝对值电路 A D转换电路 过流 过压检测电路 光级给定电路 EEPROM扩展电路 液晶控制电路及声光报警 PWM脉冲处理电路组成 控制部分的主要功能是接收来自强电回路的检测信号 向功率驱动部分发出控制信号 与单片机进行通讯以及向液晶发送显示的数据 3 显示及声光报警灯调光器采用MCG12864液晶显示器作为人机交互界面 并采用发光二极管及蜂鸣器作为故障声光报警器 液晶显示器主要用来向用户显示调光器的运行状态包括电压 电流值 当前运行光级 运行时间 功率因数 接地电阻及各种故障输出显示 4 SPI通讯部分调光器系统通过SPI串行通讯与单片机进行实时数据交换 当采用远程遥控方式时 通过SPI接收上位机光级给定命令 同时将现场的各种运行状态传送给上位机 第七节隔离变压器及单相升压变压器 一 隔离变压器隔离变压器用于机场助航灯光串联电路中 其一次绕组处于串联电路中 该串联电路的电流相对是恒定的 在某一光强等级上时 因此流过隔离变压器一次绕组的电流不变 由于这种工作情况 要求隔离变压器有自己的特点 根据其特点提出设计要求和检测方法 1 隔离变压器的特点 隔离变压器必须不仅能够带正常负载工作 还要经受二次绕组开路和短路的工作情况 由于灯光电路用改变可控硅的导通角的方法进行调光 一次绕组的电流不是正弦波 另外在二次绕组开路状态下 铁心已严重饱合 所以隔离变压器的磁通波形也不是正弦波 因此 磁通的畸变引起的铁心发热是一个不可忽略的问题 由于要求隔离变压器是密封的 它产生的热量不容易发散出去 必须根据隔离变压器以上特点来进行其设计 必须使变压器的电磁参量 铁心尺寸 导线截面 绝缘和包封材料都满足以上特点的要求 以保证隔离变压器具有良好的电气特性 2 隔离变压器的各项指标隔离变压器的重要功能是安全隔离 它的一次线圈串联在不接地的工频3000伏的恒流电路中 而二次线圈向各灯具提供低压电源 一次线圈与二次线圈必须具有足够的绝缘强度 为了满足机场助航灯光系统恶劣的使用条件和保证飞机的安全运行 隔离变压器应具有很高的可靠性和很长的寿命 隔离变压器采用冷轧晶粒取向硅钢带卷绕作为铁心 铁心为矩形截面 形状为环形 该铁心有很好的磁性能 且体积小 重量轻 有助于保证变压器的优良电气性能 变压器的一次绕组和二次绕组分开绕在铁心上 并采用树脂密封外加橡胶护套 其绝缘性能 防潮性能均很好 可靠性也高 3 隔离变压器的使用 安装与维护 使用隔离变压器在使用过程中应注意存放 运输 安装运行等环节 每个环节处理不当 都可能会影响隔离变压器的性能 隔离变压器应存放在通风良好 干燥 无严重酸 碱化学性气体或尘积的场所 应避免挤压 损伤 引出电缆应无扭曲 折裂 插头插座的护套应始终保持就位直至安装时方才卸下以免进入任何杂物或变形 在运输过程中应整齐排放 避免严重堆压 振动 冲击引起损伤 保证密封性能和导电性能良好 安装运行中应注意 隔离变压器一次绕组串联在助航灯光恒流回路里 二次绕组向灯具提供电源使用时 应保证产品一次侧额定电流与主回路电流相适应 二次输出电流与灯泡相适应 不同隔离变压器 只有一次电流相同 方可串在同一回路里 变压器在运行过程中 应尽量避免和减少开路状态运行的时间 安装隔离变压器在安装过程中 主要经过检测 连接 密封等几个环节 隔离变压器进入安装阶段时 应检测它的功率