基于电流互感的助航灯检测电路寄生电源设计

亓卓然，高庆吉，宇翠丽

（中国民航大学机器人研究所，天津300300）

0 引 言

助航灯光系统是保证飞机安全飞行的重要设施，对飞机的起降滑行起着重要的作用。助航灯具检测电路将灯具的湿度、电流等实时信息发送至监控中心，可方便维护人员在线了解灯具的各类状态，提高了助航灯光系统的维护效率和可靠性。

实际助航灯调光回路是由一系列隔离变压器初级串联构成，灯泡连接在隔离变压器的次级。调光回路由低压升压以后进行供电，通过斩波方式调节回路电流［2］，实现不同的光强等级。检测电路安装在助航灯附近，离灯光站较远，且遍布整个机场，取电需要从助航灯调光回路寄生获得。文献［1］采取并联取电方式，并提出了分段宽幅输入电源设计，解决了隔离变压器二次侧开路与正常工作时电压骤变问题。但是当灯泡出现短路情况，该电源则不能正常工作。文献［2］采用串联取电方式，解决了灯泡短路引起的电源失效问题，并设计了开路切换电路，解决灯泡开路引起的电源失效问题。以上两种取电方式均与原有灯光回路有物理接触，增加故障发生概率。

为此，拟采用基于电流互感器的寄生取电电源设计。该设计属于串联取电，且电源和助航灯调光回路物理隔离，在电源正常工作和故障时不会对助航灯的工作产生影响，并且结构简单、易于安装、可靠性高。

1 寄生取电电源设计

1.1 助航灯调光系统分析

图1 助航灯调光回路示意图

助航灯调光回路系统如图1所示，主要由调光器、升压变压器、隔离变压器和灯具构成。隔离变压器初级串联在灯光主回路中，次级与灯具相连，串联回路保证了灯光的恒流特性。低压升压后供给机场跑道上的灯光主回路，调光器通过斩波方式调节主回路电流使助航灯工作在五个光强等级，ICAO（国际民用航空组织）在规章中规定每个光强等级对应的电流分别是2.8、3.4、4.1、5.2、6.6（A）。由于灯光主回路较重要，检测电路通常从隔离变压器二次侧获取电能。

1.2 电流互感器取电模型分析

电流互感器取电模型如图2所示。

图2 电流互感器取电模型

由图2可知，I1为电流互感器一次侧穿芯电流，I2为电流互感器二次侧电流，E1和E2分别为电流互感器一次侧和二次侧电压，N1和N2分别是一次和二次匝数。

由文献［3］可知，电流互感器磁芯未饱和时，二次侧电压E2的近似表达式为：

输出功率P近似表达式为：

式中，Φm为互感器磁芯内通过的磁通；f为交流电源频率；μ为磁芯的磁导率，当磁芯工作在线性区域时可认为μ为定值；l为磁芯磁路长度；S为磁芯截面积；θ为一次侧电流I1与其励磁电流分量Im的角度，θ与二次电流为反比例关系，变化范围为0＜θ＜。

由公式（1）和公式（2）可知，在互感器一次电流I1一定的情况下，二次侧电压E2随着二次侧电流I2减小而增大，输出功率P随着二次侧电流I2的增大，先达到一个峰值后减少，当sin（π－2θ）＝1时，功率P为最大值。

1.3 电流互感器取电测试

采用LMZJ1－0.5型穿芯式电流互感器作为取电设备，测试电路如图3所示。

图3 电流互感器特性测试电路

通过改变光强和互感器的穿心匝数调节电流互感器一次侧电流范围为8.4～52.8 A，记录负载R上电压U和消耗功率P。

如图4所示，电流互感器在取电状态下输出电压随着R阻值增大而增大，并表现出非线性关系，在R阻值相同的情况下电流互感器输出电压随着一次侧电流增大而增大。

图4 互感器二次侧电压与一次电流以及负载关系

由图5可知，在一次侧电流一定且R阻值较小时，电流互感器的功率输出随着负载阻值的增大而增大，达到最大值后开始减少。

以上实验可以看出，电流互感器功率输出和电压变化规律符合前述理论分析。

图5 互感器输出功率与一次电流以及负载关系

1.4 寄生电源结构设计

由上述分析可知，从助航灯光回路取电具有以下特点：①灯光回路电流变化范围较大；②灯光回路由调光器供电，在具体光级下为恒定电流，不会出现过流情况；③灯光回路的电流是由正弦波电压斩波后产生，不是标准的正弦电流。

根据助航灯工作特点，取电系统设计如图6所示，共分为整流滤波、过压保护和DC－DC三个模块。其中整流滤波模块将互感器输出的交流电转化为直流；过压保护模块限制输出电压，防止电压过高而损坏后级设备；DC－DC模块负责将电压稳定在5 V输出。

检测电路在正常工作时消耗功率约为P＝0.4 W，考虑到DC－DC模块转换效率，过压保护模块等的功率消耗，定负载消耗的最大功率Pmax＝0.6 W。则设计指标为助航灯光工作在不同光强等级时，电源能稳定输出功率

图6 取电原理框图

由公式（2）可知，互感器的输出功率P主要与一次侧电流I1、铁芯磁导率μ、磁芯截面积S等互感器参数和负载功率消耗有关。因为电流互感器参数固定，负载功率消耗范围也是确定的，故输出功率主要取决于一次侧电流I1的范围，而I1的范围是由电流互感器穿心匝数N所决定。

（1）穿心匝数N的确定

电流互感器穿心匝数N主要由以下条件限定：①当助航灯光工作在一级光强，也就是一次侧电流最小I1＝N×2.8（A），互感器输出功率Pout≥0.6 W，整流滤波后的输出电压大于DC－DC模块的最低要求；②当助航灯工作在五级光强，此时I1＝N×6.6（A），整流滤波后的输出电压小于DC－DC模块上限电压。

根据上述条件以及原理框图做出限制曲线P＝0.6 W，7 V≤U≤35 V，根据据上述实验数据得出电流互感器的输出功率P与整流滤波后电压U的关系如图7所示。

图7 互感器输出功率P－U关系和限制曲线

从图7可以看出，限制曲线与互感器P－U关系曲线产生多个交点，每个交点表示不同一次侧电流情况下，输出功率为0.6 W的工作点。每个交点所对应的电压U越大，则该工作点二次电流I2越小，一次电流I1越大，磁芯的励磁电流Im越大，磁芯会越接近饱和状态，对互感器造成损坏。故采用电压U最小的交点A所对应的一次电流I1＝15.6 A，作为一级光强时电流互感器的穿心估值电流，则穿心匝数N≈I1/2.8（A）≈6，对应的一次电流范围为16.8 A≤I1≤39.6 A。

（2）过压保护电路设计

过压保护电路主要负责限制电流互感器经过整流滤波后的输出电压。当后级检测电路故障或不工作时，互感器二次功率消耗P仅由DC－DC模块和过压保护模块承担，此时二次电流I2降至微安级别，会使一次电流I1几乎全部转换成励磁电流Im，造成后级电压大幅增大，损坏后级模块。为防止以上问题出现，采用阻值3 kΩ左右的大功率电阻来限制互感器输出电压，由图4可以看出，在五级光强情况仅由电阻作为负载的情况下，输出电压小于35 V，有效保护了后级模块。

2 实验结果分析

在助航灯工作在不同光强等级，穿心匝数N＝6的条件下，进行了电流互感器取电实验，图8为实验环境。表1至表3记录了检测电路在正常工作状态下、满载状态和空载状态下，DC－DC模块的输入和输出电压。图9～图11记录了检测电路工作在五级光强时电流互感器的输出电压波形，DC－DC输入电压和输出电压波形。

图8 实验环境图

表1 正常工作状态DC－DC模块输入输出电压

表2 空载工作状态DC－DC模块输入输出电压

表3 满载状态DC－DC模块输入输出电压

图9 电流互感器输出电压波形

图10 DC－DC输入电压波形

图11 DC－DC输出电压波形

检测电路工作电源要求为5 V±0.2 V，由表1～3可以看出，检测电路在正常工作状态、空载和满载的情况下，取电电源均能正确输出电压，波形图显示了电压从电流互感器输出到DC－DC输出的变化过程，可以看出电源最终的输出电压稳定，完全满足检测电路需求。

3 结束语

文章提出了利用电流互感器从助航灯调光回路寄生取电的方法，为助航灯光相关检测设备取电提供了新思路。本设计与助航灯供电线路物理隔离，可靠性高，且容易实施，实验证明该电源设计满足检测电路的工作需求。

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