子母型交流航空障礙燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　子母型交流航空障礙燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要：分析了頻閃燈管的基本工作原理，結(jié)合了航空障礙燈的環(huán)境要求與安裝使用條件，給出了子母型航空障礙燈的設(shè)計(jì)方法，包括了燈具外殼與透鏡的選擇，整流器的選擇與電容容量的計(jì)算，控制器以及系統(tǒng)控制方式的選擇等。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：子母型；菲涅爾透鏡；同步閃亮；系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p>　　

2、Abstract: This paper analyzes the basic principle of stroboscopic lamp, combination of aviation obstacle light environment requirements and installation conditions, gives the design method for composite aviation obstacle

3、 lights, including a shell and the lens light selection, calculation and choice of capacity of rectifier, controller and system control mode selection. </p><p>　　Key words: cluster; Finel lens; synchronous f

4、lashing; system design </p><p>　　中圖分類號(hào)： E274.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文章編號(hào)： </p><p><b>　　一、引言 </b></p><p>　　隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展提高，經(jīng)濟(jì)的巨大騰飛，中國(guó)的城市化進(jìn)程進(jìn)一步加快，城市高樓大廈不斷涌現(xiàn)。城市擴(kuò)大和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)巨大的電力需求，西電東送等電力工程的投

5、入，電力輸送線路途中的跨江線路承托高壓電纜線的許多高大電力鐵塔。為了標(biāo)示這些城市中高層建筑物如高層樓宇，野外的電力高塔，工廠片區(qū)的高大煙囪等突出物的位置和形狀，以引起夜晚空中飛行器的注意，有效避免事故的發(fā)生而造成人員傷亡與財(cái)務(wù)的損失。國(guó)內(nèi)許多公司紛紛開發(fā)各種各樣的指示燈：如北京方圓，上海航標(biāo)廠四分廠、深圳建興等都開發(fā)了相關(guān)的產(chǎn)品。有些指示燈存在亮度低，壽命短的缺點(diǎn)。有些采用鹵素?zé)艄埽l(fā)光方式不顯眼，警示效果一般。布線方式也不一致，給施工

6、方面帶來(lái)很多不必要的麻煩，沒(méi)有采取優(yōu)良的布線方式。 </p><p>　　為了做好航空障礙燈起到更好警示作用的工作和提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，本人綜合了許多同類產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，提出開發(fā)子母型交流航空障礙燈系統(tǒng)。 </p><p>　　二、頻閃燈管的基本工作原理 </p><p>　　本產(chǎn)品采德國(guó)海曼生產(chǎn)的頻閃燈管作為航空障礙燈的發(fā)光部件。該燈管壽命長(zhǎng)，閃亮次數(shù)可達(dá)到1×

7、108次。亮度高，可達(dá)到幾萬(wàn)CD，甚至更高。它一種脈沖觸發(fā)的氣體釋放設(shè)備。燈管由石英玻璃制作而成，形狀有U形，螺旋形，圓形等，采用銀絲纏繞在燈管的周圍。管子里面充滿氙氣，氣體的釋放持續(xù)時(shí)間一般在10us～10ms。密封在管子里面的兩個(gè)極性端子采用耐高溫、高壓材料制成，分別為陽(yáng)極和陰極。在兩個(gè)端子連接相應(yīng)的直流電源時(shí)，一個(gè)脈沖高電壓驅(qū)動(dòng)到觸發(fā)極，燈管就發(fā)出高強(qiáng)度光。 </p><p>　　1、頻閃燈管的觸發(fā)電路 &

8、lt;/p><p>　　觸發(fā)電路給燈管負(fù)載的觸發(fā)端施加一個(gè)高達(dá)幾千伏的正電壓，使燈管里面的氣體電離產(chǎn)生通路，并聯(lián)在燈管兩端的高電壓電容瞬間釋放出能量，產(chǎn)生出高溫、高亮的弧光。發(fā)光的時(shí)間一般為10us～10ms，它與電容能量釋放的時(shí)間有關(guān)系，可通過(guò)在釋放通路上串聯(lián)一定的電感和并聯(lián)一定的電容適當(dāng)延長(zhǎng)發(fā)光時(shí)間。 </p><p>　　下圖是采用可控硅為觸發(fā)關(guān)鍵元件的電子觸發(fā)電路，如下圖1所示： &l

9、t;/p><p>　　2、頻閃燈管的主要釋放電路 </p><p>　　由于燈管的管直徑、長(zhǎng)度、充氣氣體的壓力等決定了燈管的參數(shù)。因此不同的燈管具有不同的技術(shù)參數(shù)。負(fù)載的工作電壓和工作功率應(yīng)根據(jù)所采用的燈管設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)電容存儲(chǔ)能量的瞬間釋放，使燈管發(fā)出強(qiáng)光。 </p><p>　　以下是燈管負(fù)載的工作功率和電容存儲(chǔ)能量的計(jì)算公式。 </p><p&g

10、t;　　E=0.5×CBV02E[WS]：存儲(chǔ)在電容的能量 </p><p>　　V0[V]：電容兩端的電壓 </p><p>　　CB [F] ：電容的容量 </p><p>　　P=E×f P[W] ：負(fù)載工作平均功率 </p><p>　　E[WS] ：存儲(chǔ)在電容的能量 </p><p>　　

11、f[F]：負(fù)載工作頻率 </p><p><b>　　1）基本電源電路 </b></p><p><b>　　倍壓電源電路 </b></p><p>　　倍壓電源電路一般連接到交流220V的市電電路上。通過(guò)兩個(gè)二級(jí)管分別對(duì)上下兩個(gè)串聯(lián)的電容充電，充電后的參數(shù)如下計(jì)算。 </p><p>　　負(fù)載電壓

12、V0和電容存儲(chǔ)的能量E計(jì)算公式如下： </p><p>　　V0 = 2√2Vmains </p><p>　　E= 2CV2mains </p><p>　　三、子母型交流航空障礙燈的系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p><b>　　1、使用環(huán)境條件 </b></p><p>　　交流航空障燈一般安裝于城

13、市高樓大廈的頂部和中部的外墻上，或者野外高壓輸送變電跨江高塔的頂端和中間部位的鋼鐵結(jié)構(gòu)上，或者大型電力生產(chǎn)、石油煉化的大型煙囪上。環(huán)境條件惡劣，常處于高空、高壓、電磁輻射、高溫等。 </p><p>　　交流航空障礙燈通過(guò)晚上閃亮形成指示燈作用，能夠標(biāo)示出建筑物的最高端和其大概的立體形狀，對(duì)過(guò)往的飛行物給予警示的作用。并且標(biāo)示的亮度應(yīng)該使飛行物在很遠(yuǎn)的安全距離就能觀察到前方障礙物。 </p><

14、;p>　　因此，需要一種能夠發(fā)出集中、高亮度的發(fā)光設(shè)備。它采用的燈殼為高強(qiáng)度、透光性強(qiáng)的亞伽力材料，為了防止長(zhǎng)期在紫外線照射下發(fā)黃影響透光度，在材料中加入了防紫外線分子材料，并且采用了能夠使光線更集中的菲涅爾透鏡構(gòu)造。 </p><p>　　2、現(xiàn)場(chǎng)的安裝要求 </p><p>　　1）施工現(xiàn)場(chǎng)電源提供有兩種情況，一種是有AC220V交流電，工頻50～60Hz，這種情況可以直接連接航

15、空障礙燈系統(tǒng)，如城市中的樓宇、大型煙囪。另外一種是野外電力高塔上，這時(shí)需要應(yīng)用太陽(yáng)能電源供電系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)通過(guò)逆變提供交流電。 </p><p>　　2）由于安裝位置處于高空、高溫甚至高壓電輻射環(huán)境下，安裝條件比較危險(xiǎn)。因此系統(tǒng)的連接采用了單總線并聯(lián)方式即子母型結(jié)構(gòu)布線，安裝簡(jiǎn)單，方便。 </p><p>　　3、航空障礙燈具外殼的選擇 </p><p>　　燈具

16、外殼由三部分組成：透光罩、燈體、燈座。透光罩與燈體的連接，燈體與燈座的連接分別采用6個(gè)不銹鋼螺絲固定，連接面采用橡膠密封。燈座下面預(yù)留3個(gè)&Oslash;14mm的孔，便于航空障礙燈的安裝固定。 </p><p><b>　　1）透光罩的選擇 </b></p><p>　　燈具的上部分是透光罩，材料使用滲透了防紫外線分子的亞加力工程塑料，即有機(jī)玻璃。透光性強(qiáng)，

17、硬度高，長(zhǎng)期在污染空氣中和強(qiáng)烈陽(yáng)光照射下，不會(huì)變黃影響透光性。采用的菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)，使發(fā)出的光線更加集中，大大提高了光亮度，跟其他透光罩相比，發(fā)光管采用較小的功率就可達(dá)到同樣的可視效果。 </p><p>　　2）燈體和燈座的選擇 </p><p>　　燈具的燈體和燈座都采用不銹鋼制作而成，高質(zhì)量的不銹鋼材料耐腐蝕、強(qiáng)度大，并且造型美觀。長(zhǎng)期處于高熱、酸雨等條件下不易生銹，不會(huì)變形，能很好

18、地保護(hù)器件。 </p><p><b>　　4、控制器的設(shè)計(jì) </b></p><p>　　控制器包括光電開關(guān)、電感器、電源電路、同步接收電路、同步發(fā)送電路、主控制電路、觸發(fā)電路、負(fù)載等。其原理如下圖4所示： </p><p>　　1）光電開關(guān)的選擇 </p><p>　　通過(guò)光電開關(guān)和輔助電路對(duì)白天與黑夜的的識(shí)別，主控

19、電路接收到識(shí)別信號(hào)后，確定控制器的工作狀態(tài)，是否驅(qū)動(dòng)負(fù)載燈管閃亮。 </p><p>　　光電開關(guān)采用電阻式的，兩端電阻值與照度成直線關(guān)系。在強(qiáng)烈陽(yáng)光照射下，其兩端電阻幾乎為零，而在沒(méi)有光的地方，其兩端電阻可以到達(dá)幾兆甚至無(wú)窮大。 </p><p>　　從經(jīng)驗(yàn)值得出，在VDD=10V，參考電壓V+=5.9V，在黃昏切換點(diǎn)的照度為100Lx，其兩端電阻值為Rv=145K，則需選擇的分壓電阻R

20、=100K。 </p><p>　　2）主功率電路設(shè)計(jì)及電感器的選擇 </p><p>　　該部分電路提供給整個(gè)系統(tǒng)的工作電壓：一種為DC5V，對(duì)交流電AC220V通過(guò)阻容降壓，穩(wěn)壓后為5V，提供給主控制電路工作。另一種為DC550V，提供給負(fù)載燈管和同步發(fā)送電路工作。 </p><p>　　選取的燈管工作電壓V0：450V~600V左右，取550V電壓。工作功率P

21、max：60W。電容量選取CB：440uF/450V。主功率電路是交流電AV220V電壓通過(guò)電感限流，對(duì)電容充電，兩個(gè)電容通過(guò)串聯(lián)蓄能后提供給負(fù)載工作，串聯(lián)后電壓是單個(gè)的兩倍，最大可承受900V，電容量則為單個(gè)的一半，即220uF。 </p><p>　　根據(jù)公式 E=0.5×CbV02 =0.5×220×550×550×10-6＝33.275WS。 </p

22、><p>　　頻率為30/min，則：P=E×f＝33.275×0.5＝16.6375W≈16.7W。 </p><p>　　通過(guò)實(shí)際電路測(cè)試：交流電AC220V對(duì)電容充電，要在一個(gè)閃光周期2S內(nèi)使電壓V0為550V,則選取的電感為40W。電感采用普通家用的燈管鎮(zhèn)流器，市面有40W、30W、20W等。若需要不同的功率，可通過(guò)改變電容量或者電感來(lái)改變電容兩端的電壓和存儲(chǔ)的能量

23、，則燈管功率改變，亮度也隨著改變。 </p><p>　　3）主控電路的設(shè)計(jì) </p><p>　　主控制電路通過(guò)檢測(cè)光電開關(guān)的狀態(tài)決定是否驅(qū)動(dòng)負(fù)載閃亮。自身產(chǎn)生頻率或同步信號(hào)決定了負(fù)載的閃光頻率，并產(chǎn)生同步發(fā)送信號(hào)給其他航空障礙燈，達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)負(fù)載同步閃亮的功能。自身產(chǎn)生的頻率是由IC14093與阻容電路產(chǎn)生。 </p><p>　　4）同步接收和發(fā)送電路設(shè)計(jì) &

24、lt;/p><p>　　同步接收電路采用高電壓300V，小電流1.5mA的信號(hào)，盡量減少小信號(hào)干擾，負(fù)載的閃亮跟隨同步信號(hào)。發(fā)送電路是母燈開始閃亮夠，發(fā)送同步的信號(hào)，使其他航空障礙燈跟隨母燈同步閃亮，信號(hào)的電壓為300V/1A，理論上可驅(qū)動(dòng)幾百套航空障礙燈同時(shí)閃亮。 </p><p>　　5）觸發(fā)電路的設(shè)計(jì) </p><p>　　觸發(fā)電路原理圖與圖1一樣，采用可控硅10

25、0-6觸發(fā)，升壓線圈型號(hào)為ZS 1052，升壓比例為1:36，觸發(fā)電容為0.22uF，初級(jí)最大電壓為300V。 </p><p><b>　　5、系統(tǒng)的組成 </b></p><p>　　子母型交流航空障礙燈由一個(gè)母燈和若干個(gè)子燈組成一個(gè)同步閃亮的系統(tǒng)，系統(tǒng)中的閃光頻率由母燈決定，其他子燈在接收到同步信號(hào)后，跟隨母燈閃亮。系統(tǒng)中采用一條總線方式，母燈和子燈并聯(lián)在同一條

26、電纜線上。具體如下圖5所示： </p><p><b>　　四、總結(jié) </b></p><p>　　通過(guò)對(duì)交流航空障礙燈的使用環(huán)境和安裝需求條件的分析以及航空障礙燈原理和子母型系統(tǒng)的組成設(shè)計(jì)，得出該系統(tǒng)應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)： </p><p>　　負(fù)載發(fā)光部件的選擇上采用了高壓氙氣燈管，具有壽命長(zhǎng)，亮度高的優(yōu)點(diǎn)。 </p><p

27、>　　2、采用不銹鋼的燈體和燈座，耐腐蝕，抗高溫不變形。采用的工程塑料具有透光性好，不會(huì)因太陽(yáng)輻射變色、變黃影響亮度。菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)更能使光線集中，減少能耗。 </p><p>　　電源中采用的阻容降壓和穩(wěn)壓及電感限流作用，有效地控制系統(tǒng)自身溫升，使對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到很多的提高，也對(duì)整體空間的設(shè)計(jì)提供了方便。 </p><p>　　4、采用一根電纜線就可把所有燈具連接并同步閃亮的功能