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电力供应系统

阅读：11发布：2020-06-01

专利汇可以提供电力供应系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种电力供应系统。提供了一种用于向电气设备(104)供应电力的装置和方法。在该方法中，获得要提供给电气设备(104)的期望的功率电平的指示。通过恒定电流调节器单元(102)接收电力作为DC电力，其将DC电力转换为AC电力并将AC电力提供给电抗(T1)以转换为输出功率。输出功率从电抗(T1)提供给电气设备(104)。该方法还包括通过使用以下中的至少两个来调整提供给电抗(T1)的AC电力：-AC电力的电压电平；-AC电力的频率；-AC电力的波形。，下面是电力供应系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于向电气设备(104)供应电力的装置(102)，所述装置包括：
用于获得要提供给所述电子设备(104)的期望的功率电平的指示的器件；
用于接收电力作为DC电力的输入；
用于将所述DC电力转换为AC电力的逆变器(202)；
用于将所述AC电力提供给电抗(T1)以转换为输出功率的器件；
其特征在于，所述装置(102)还包括：
用于通过使用以下中的至少两个来调整提供给所述电抗(T1)的AC电力的器件(204)：
-AC电力的电压电平；
-AC电力的频率；
-AC电力的波形。
2.根据权利要求1所述的装置(102)，其特征在于，所述装置还包括：
用于将期望的功率电平与第一阈值(th，th1)进行比较的器件；
用于在期望的功率电平位于第一阈值(th，th1)的第一侧时，调整频率和波形中的至少一个以获得期望的功率电平的器件；以及
用于在期望的功率电平位于第一阈值(th，th1)的第二侧时，调整输出电压以获得期望的功率电平的器件。
3.根据权利要求1所述的装置(102)，其特征在于，所述装置还包括：
用于将期望的功率电平与第一阈值(th，th1)和第二阈值(th2)进行比较的器件；
其中用于调整AC电力的器件(204)适于：
-如果期望的功率电平在第一阈值(th，th1)和第二阈值(th2)之间，则调整频率以获得期望的功率电平；
-如果期望的功率电平低于第二阈值(th2)，则调整波形以获得期望的功率电平；以及-如果期望的功率电平高于第一阈值(th，th1)，则调整输出电压以获得期望的功率电平。
4.根据权利要求1、2或3所述的装置(102)，其特征在于，所述电抗包括变压器(T1)，所述变压器具有用于接收AC电力的初级绕组。
5.根据权利要求4所述的装置(102)，其特征在于，所述变压器(T1)包括用于将AC电力变换为输出功率的次级绕组。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置(102)，其特征在于，用于提供AC电力的器件适于将控制消息编码到输出功率中。
7.根据权利要求6所述的装置(102)，其特征在于，所述控制消息由以下之一形成：
频率的变化；
一系列脉冲。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置(102)，其特征在于，所述电气设备(104)是机场照明系统(103)的灯(105)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置(102)，其特征在于，用于调整AC电力的器件(204)包括开关模式电源和基于晶闸管的电源中的至少一个。
10.一种用于向电子设备(104)供应电力的方法，所述方法包括：
获得要提供给所述电子设备(104)的期望的功率电平的指示；
通过恒定电流调节器单元(102)接收电力作为DC电力；
将直流转换为AC电力；
将所述AC电力提供给电抗(T1)以转换为输出功率；以及
将来自电抗(T1)的输出功率提供给所述电气设备(104)；
其特征在于，所述方法还包括：
通过使用以下至少两项来调整提供给所述电抗(T1)的AC电力：
-AC电力的电压电平；
-AC电力的频率；
-AC电力的波形。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将期望的功率电平与第一阈值(th，th1)进行比较；
如果期望的功率电平位于第一阈值(th，th1)的第一侧，则调整频率和波形中的至少一个以获得期望的功率电平；以及
如果期望的功率电平位于第一阈值(th，th1)的第二侧，则调整输出电压以获得期望的功率电平。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将期望的功率电平与第一阈值(th，th1)和第二阈值(th2)进行比较；
其中通过以下方式调整AC电力：
-如果期望的功率电平在第一阈值(th，th1)和第二阈值(th2)之间，则调整频率以获得期望的功率电平；
-如果期望的功率电平低于第二阈值(th2)，则调整波形以获得期望的功率电平；以及-如果期望的功率电平高于第一阈值(th，th1)，则调整输出电压以获得期望的功率电平。
13.根据权利要求10、11或12所述的方法，其特征在于，所述电抗包括具有初级绕组的变压器(T1)，其中所述方法包括将AC电力提供给所述初级绕组。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述变压器(T1)包括次级绕组，其中所述方法包括从次级绕组提供输出功率。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将控制消息编码到输出功率中。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述控制消息由以下之一形成：
频率的变化；
一系列脉冲。
17.根据权利要求10至16中任一项所述的方法，其特征在于，通过开关模式电源和基于晶闸管的电源中的至少一个调整AC电力。
18.根据权利要求10至17中任一项所述的方法，其特征在于，所述电子设备(104)包括发光二极管，其中所述方法包括根据所述发光二极管的光照特性来调整所述AC电力。
19.一种系统，包括：
一个或多个电子设备(104)；
用于向一个或多个电子设备(104)供应电力的装置(102)；
用于获得要提供给电子设备(104)的期望的功率电平的指示的器件；
用于接收电力作为DC电力的输入；
用于将直流转换为AC电力的逆变器(202)；
用于将AC电力提供给电抗(T1)以转换为输出功率的器件；
其特征在于，所述系统还包括：
用于通过使用以下中的至少两个来调整提供给所述电抗(T1)的AC电力的器件(204)：
-AC电力的电压电平；
-AC电力的频率；
-AC电力的波形。

说明书全文

电力供应系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于向电气设备供应电力的装置。本发明还涉及一种用于向电气设备供应电力的方法和系统。

背景技术

[0002] 在一些电力供应系统中，通过配电盘和转换器电路从电源向电气或电子设备供电。电源的一些示例是电力网络(电网)、发电机(例如柴油发电机)、电池、太阳能电池和/或风力涡轮机。电网通常将电力作为AC 电压(交流电)传输，而发电机通常产生AC电压(交流电)，电池和太阳能电池通常产生DC电压(直流电)，其中可能需要DC/AC逆变器，在将电力提供给配电盘之前，将DC电压转换为AC电压。然而，在这些类型的系统中，电子设备可以用DC电压操作，其中可能需要整流器以在将电力供应到电子设备之前将AC电压转换为DC电压。整流器可以是电子设备的一部分，或者它可以是单独的单元。

[0003] 上述电力供应系统的一个示例已用于许多机场，用于向位于跑道和滑行道上和周围的灯，即机场照明(AFL)供电。这些灯或照明用于照亮跑道和滑行道的位置、布局、形状和用途，以便航空公司飞行员可以在各种条件下操作，特别是在黑暗、低光和低能见度条件下。

[0004] 可以通过将输出电流调节到所需水平来调节馈送到机场照明电路的电功率量。这可以通过恒定电流调节器单元(CCR)来执行，使得恒定电流调节器单元的输出电流也调节跑道和滑行道处的灯的强度。如相关标准中所定义的，使用若干指定的强度水平。任何给定飞行操作时刻所需的机场光强度水平由机场的空中交通管制确定。标准滑行道灯规定要求的光强度范围是2.8A(1％)-6.6A(100％)。约10％0.66A的较低的光强度水平是对于一些现有技术的 LED灯的实际的最小限制，因为在较低的10％-1％光强度下难以实现机场照明输出电流电平的良好功率调节性能。这意味着通过仅使用恒定电流调节器单元输出，这种现有技术的LED灯不能将跑道灯直接设定到所需的最小1％水平。因此，在每个LED单元内部使用单独的有功功率控制功能来测量机场照明电路电流并执行进一步的功率降低。图6示出了作为卤素灯(曲线601)和LED灯(曲线602)的输入电流的函数的照明强度的示例。在该示例中，对于卤素灯，电流电平4.1A对应于约10％的照明水平，电流电平3.4A对应约3％的照度。

[0005] 一些现有技术中在低LED光强度水平下的现有技术问题是：如果通过PWM方法控制电流，则可能产生干扰航空公司飞行员的可见闪烁和频闪仪效应。PWM脉冲比产生闪烁，其OFF时间明显长于ON时间。在较低的AFL电路频率(例如，供应网络频率)下，这种闪烁更明显。因此，如今在低LED光强度水平下使用PWM是困难的，因为PWM调节分辨率实际上太低。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种改进的电力供应系统和一种用于向电气设备提供电力的装置，并且可以通过仅使用恒定电流调节器单元的输出直接向LED灯供电。本发明基于当期望的功率电平处于阈值的第一侧时调整AC电流的频率的想法。本发明旨在通过使用恒定电流调节器的输出频率作为附加控制方法来提供对上述问题的解决方案。根据一个实施例，光强度控制可以遵循例如100％-10％强度范围的机场照明电路电流，并且另外在<10％的范围中使用基于恒定电流调节器输出频率的光强控制。

[0007] 根据本发明的第一方面，提供了一种用于向电子设备提供电力的装置，该装置包括：

[0008] 用于获得要提供给电子设备的期望的功率电平的指示的器件；

[0009] 用于接收电力作为DC电力的输入；

[0010] 用于将DC电力转换为AC电力的逆变器；

[0011] 用于将AC电力提供给电抗以转换成输出功率的器件；

[0012] 其中该装置还包括：

[0013] 用于通过使用以下中的至少两个来调整提供给电抗的AC电力的器件：

[0014] -AC电力的电压电平；

[0015] -AC电力的频率；

[0016] -AC电力的波形。

[0017] 根据本发明的第二方面，提供了一种用于向电气设备供应电力的方法，该方法包括：

[0018] 获得要提供给电子设备的期望的功率电平的指示；

[0019] 通过恒定电流调节器单元接收电力作为DC电力；

[0020] 将DC电力转换为AC电力；

[0021] 将AC电力提供给电抗以转换为输出功率；

[0022] 并且将来自电抗的输出功率提供给电气设备；

[0023] 其中，该方法还包括：

[0024] 通过使用以下至少两个来调整提供给电抗的AC电力：

[0025] -AC电力的电压电平；

[0026] -AC电力的频率；

[0027] -AC电力的波形。

[0028] 根据本发明的第三方面，提供了一种系统，包括：

[0029] 一个或多个电子设备；

[0030] 用于向一个或多个电气设备供应电力的设备；

[0031] 用于获得要提供给电子设备的期望的功率电平的指示的器件；

[0032] 用于接收电力作为DC电力的输入；

[0033] 用于将直流转换为AC电力的逆变器；

[0034] 用于将AC电力提供给电抗以转换成输出功率的器件；

[0035] 其中系统还包括：

[0036] 用于通过使用以下中的至少两个来调整提供给电抗的AC电力的器件：

[0037] -AC电力的电压电平；

[0038] -AC电力的频率；

[0039] -AC电力的波形。

[0040] 本发明具有若干优点，其中一些优点将在以下详细描述中描述。附图说明

[0041] 在下文中，将参考附图更详细地描述本发明，其中

[0042] 图1a描绘了为机场照明提供电力的示例原理；

[0043] 图1b描绘了为机场照明提供电力的另一个示例原理；

[0044] 图2示出了根据一个实施例的恒定电流调节器的简化框图；

[0045] 图3a描绘了根据一个实施例的输出变压器和机场照明电路的等效电路；

[0046] 图3b描绘了根据一个实施例的作为第一频率的输入电压的函数的图3a的机场照明电路的输出电流；

[0047] 图3c描绘了根据一个实施例的作为第二频率的输入电压的函数的图3a的机场照明电路的输出电流；

[0048] 图3d描绘了根据一个实施例的两个不同频率处的输入电压的波形；

[0049] 图4a-4d描绘了根据一个实施例的可以在逆变器中使用的不同脉冲宽度调制波形；

[0050] 图5描绘了根据一个实施例的作为逆变器输出电流和频率的函数的LED光强度控制；

[0051] 图6示出了作为卤素灯和LED灯的输入电流的函数的照明强度的示例；

[0052] 图7a示出了根据一个实施例的在光强度控制中使用频率扫描的效果；

[0053] 图7b示出了根据一个实施例的具有正弦波形的动态效果；

[0054] 图8a-8d示出了根据一个实施例的用于作为电压、频率和/或波形的函数的照明强度控制的示例波形；

[0055] 图9a-9c示出了将信息包括在输出功率中的一些示例；以及

[0056] 图10示出了根据实施例的功率控制原理的示例。

具体实施方式

[0057] 图1a示出了为机场照明系统103提供电力的示例原理。图1a中示出了以下功能技术块。电力网络101是机场的主要电源。这可以代表可以为所有电气系统供电的国家电网。机场可能有单独的本地区段或内部变电站或变电所。通常的做法是使AC电压网络为50Hz或
60Hz。恒定电流调节器单元102(CCR)是可以向机场照明电路104之一输送电力的电力供应单元。机场照明电路104(AFL C1...AFL Cn)可以包括多个灯105和相应的控制电子设备LT1,106。在本说明书中，灯和控制电子设备也可称为灯电路。在本说明书中，恒定电流调节器单元102也可以称为恒流逆变器或CCR逆变器。可以使用具有不同额定功率的单元。恒定电流调节器单元102在其输出处设定要输送到机场照明电路104的实际功率，以获得所需的灯强度水平。换句话说，来自恒定电流调节器单元102的输出电流可用于控制机场照明电路
104的照明设备105的照明强度。在本说明书中，照明设备105也可称为灯。

[0058] 机场照明电路104可以包括灯变压器LT1......LTn(图3a)、整流器电路106(如果有的话)和照明设备105，例如LED。

[0059] 在图1a的示例中，柴油发电机107可以用作替代电源，用于主电网可能不可用的情况。柴油发电机的使用可以增加整体系统冗余和可靠性。柴油发电机通常产生AC输出，因此整流器用于将AC电力转换为DC电力，使得它可以以正确的电压电平连接到DC配电总线。使用柴油发电机可能具有消耗燃料和磨损的缺点，这可能增加操作和维护成本以及废气的输出。

[0060] 电池/能量存储器108可用于以电化学形式存储能量，并且其连接到电力供应系统作为机场照明的电力输送的备用。实际上，只要使用合适的充电方法，可以使用任何电池技术。电池/储能可以有一个单独的自己的电池充电器。

[0061] 太阳能系统110是另一种附加的本地能量产生方法的示例，其可以连接到用于机场照明的电力供应系统。

[0062] 例如，不同的电源可以通过配电盘112耦合到机场照明恒定电流调节器系统109(AFL CCR系统)。提供给机场照明恒定电流调节器系统109的电(电力)可以是AC电压(和电流)，如图1a所示，或DC电压(和电流)，如图1b所示。如果使用AC电压，则产生DC电压的电源耦合到DC/AC逆变器111，如图1a所示，以将DC电压转换为AC电压。另一方面，如果使用DC电压，则产生AC电压的电源耦合到整流器113(图1b)以将AC电压整流为DC电压。

[0063] 机场照明电路104(在图1a中由AFL Cn标记)表示沿着跑道和滑行道的互连照明设备105(灯)和相应的控制电路，其用于向照明设备105输送电力。可以通过调整通过机场照明电路104馈送的电流来控制照明设备105的强度。照明设备105可以是卤素灯、发光二极管(LED)或任何合适的照明技术、或者这些灯105的任何组合。照明设备可以是串联连接、并联连接、或串联连接和并联连接兼具，例如以这样的方式，一组照明设备串联连接，并且这些组并联连接。然而，在本说明书中，假设由一个控制电路驱动的所有照明设备105串联连接。

[0064] 机场照明恒定电流调节器系统109表示图1a中所示的完整电力供应系统。它可以包括在机场变电站使用的多个恒定电流调节器单元102。可以在机场使用一个或多个机场照明恒定电流调节器系统109(子系统)。

[0065] 恒定电流调节器102(在本说明书中也可称为恒流逆变器或CCR逆变器)是将电力从DC输入转换为AC输出的电气设备。该设备可以用开关模式电源(SMPS)技术实现。可以在设计阶段调整恒定电流调节器102的输出频率、输出电压和/或输出电流和/或可以根据需要在运行时间期间调整这些特性中的一个或多个。

[0066] 根据一个实施例，要提供给机场照明电路104的电压处于几千伏的电平，使得设计恒定电流调节器102使得它可以直接供应机场照明电路是不切实际的。因此，输出变压器T1可以用在恒定电流调节器102的输出端，以为机场照明电路提供足够高的电压。因此，除了恒定电流调节器102本身之外，恒定电流调节器102的输出电压可以由输出功率变压器T1调整，输出功率变压器T1可以在恒定电流调节器102设计期间指定，并且可以是电力变压器。另外，输出变压器T1还可以用作恒定电流调节器102和机场照明电路104之间的电气安全隔离器。

[0067] 可以通过将输出电流调节到所需电平来调节馈送到机场照明电路104的电力量。该恒定电流调节器输出电流还可以调节跑道和滑行道上的灯的强度。可以如相关标准中所定义的那样使用若干指定的强度水平。任何给定的飞行操作时刻所需的光强度水平可以由机场的空中交通管制来定义。

[0068] 可以根据需要设计电力供应系统的功率输送容量。例如，一个机场照明电路104的功率电平可以在1-40kVA的范围内。不同的恒定电流调节器102可以在整个机场照明系统109内具有不同的功率输送容量。这里应该注意，本发明也可以在功率电平不同于1-40kVA范围内的系统中实现。

[0069] 利用开关模式电源(SMPS)技术实现的恒定电流调节器102可以配备有功率因数校正(PFC)功能/电路，与基于晶闸管的恒定电流调节器相比，其可以降低总功耗，并且恒定电流调节器102可以自动适应连接的机场照明负载水平，这是基于晶闸管的恒定电流调节器无法做到的。因此，可以增加系统功率效率。

[0070] 恒定电流调节器102可以使用AC或DC形式的电源。如果使用DC电源，则可以降低恒定电流调节器的成本和复杂性。此外，恒定电流调节器102不需要依赖于电网频率。

[0071] 在下文中，将更详细地描述电力供应系统的操作。在该示例中，电力供应系统可以具有两种或更多种不同的操作模式，使得在第一模式中LED光强度可以由恒定电流调节器102输出电流直接控制，并且在第二模式中LED光强度可以由恒定电流调节器102输出频率控制。这对于滑行道灯尤其有利，因为需要的(由标准规定的)滑行道灯的光强度范围是
0.66A(10％)—6.6A(100％)，这可以通过恒定电流调节器102输出相对容易地控制(即使具有较低电平也是可能的)，并且可以通过调节恒定电流调节器102的输出频率来控制低于滑行道灯光强度10％限制的光强度。还可以存在第三模式，其中可以通过波形控制LED光强度。附加模式可以是三种模式中的两种的组合，或者甚至是所有三种模式的组合。

[0072] 提到的约10％的较低的光强度水平仅是示例，并且可以是由于难以实现应当产生低于最大(100％)强度的10％的光强度的电流电平的良好功率调节性能而造成的机场照明电路中的实际最小限制。然而，在一些其他实现中，定义使用两个(或更多个)不同模式中的哪个模式的水平可以不同于10％。

[0073] 图2示出了根据一个实施例的恒定电流调节器102的简化框图。输入AC电压由整流器201整流为DC电压以提供给逆变器202。然而，如果使用图1b所示的基于DC的系统，则在该阶段不需要整流器201而是电力可以直接耦合到逆变器202。逆变器202也可以被称为斩波器，它将DC电压转换成频率为f的AC电压，这可以是可控的。来自逆变器202的AC电压输出到输出变压器T1的初级绕组。输出变压器T1可以在恒定电流调节器设计期间指定，并且可以是电力变压器。另外，输出变压器T1还可以用作恒定电流调节器102和机场照明电路104之间的电气安全隔离器。来自输出变压器T1的输出可以耦合到反馈回路203，其可以包括例如，用于将AC输出电压转换为DC电压的整流器，以及用于将DC电压滤波为DC参考电压的滤波器。逆变器控制器204可以使用DC参考电压来控制逆变器202的操作。例如，逆变器控制器204可以使逆变器202改变输出电压以将输出电流保持在恒定电平。逆变器控制器204还可以向逆变器202提供控制信号，以调整逆变器202的输出电压的频率。

[0074] 输出变压器T1的次级绕组也可以连接到机场照明电路104。因此，输出变压器T1的次级绕组的输出用作机场照明电路104的电力供应。下面将在本说明书中描述对逆变器202的输出以及因此对输出变压器T1的次级绕组的控制。

[0075] 输出变压器T1可以设计成在选定的标称频率fn下具有最大功率传输容量。通过适当的变压器设计和规格，可以获得逆变器频率、变压器行为、机场照明电路104和LED光强度控制性能之间的良好匹配。作为额外的益处，与一些现有技术设计相比，可以获得变压器T1的减小的尺寸和重量。

[0076] 在下文中，将根据实施例更详细地描述恒定电流调节器102的操作。例如，可以从本地或远程机场控制系统、从机场交通控制塔或从其他来源，例如环境光传感器或机场自动化系统，来接收机场照明电路104处期望的功率电平的指示。这些可能的控制源的非限制性示例未在图中示出。可以独立地控制每个机场照明电路104，其中每个恒定电流调节器102可以接收自己的光强度控制信号，但是每个恒定电流调节器102的操作可以是类似的，其中仅使用一个恒定电流调节器102为例足矣。逆变器控制器204检查光强度控制信号以确定该恒定电流调节器102耦合的特定机场照明电路104的灯的所需照明水平。如果光强度控制信号指示期望的照明水平小于或等于阈值，则逆变器控制器204控制逆变器202以将输出频率调整到通过机场照明电路104的灯产生所需光强度的值。根据一个实施例，该情况下的频率高于变压器T1的标称频率fn。另一方面，如果光强度控制信号指示期望的照明水平高于阈值，则逆变器控制器204控制逆变器202以调整输出电流但保持频率等于或低于标称频率fn，使得通过机场照明电路104的灯获得所需的光强度。

[0077] 根据一个实施例，利用逆变器202输出频率变化的光强度控制改变逆变器202电压输出和变压器T1输出电压中存在的每时间单位的边沿量。所述电压中的尖锐边沿固有地意味着存在更高频率分量(称为谐波频率)，这将进一步有助于机场照明电流减小效果并因此有助于光强度减小。这种现象在开关模式电力供应实现中和基于晶闸管的实现中都会发生，因为在两种实现方案中逆变器202电压输出和变压器T1输出电压边沿的量沿着较高频率增加。

[0078] 图8a-8d示出了根据一个实施例的用于作为电压、频率和/或波形的函数的照明强度控制的示例波形。在图8a中，使用第一频率，例如50Hz且交流电压为正弦波，在-400V和400V之间变化，即电压为800Vpp。在图8b中，使用相同的频率但电压电平较低，在该示例中，AC电压在约-100V和100V之间变化。在图8c中，电压电平与图8b的示例中的电压电平大致相同，但是频率增加三倍，即约150Hz。在图8d中，电压电平和频率与图8c中的电压电平和频率大致相同，但是波形与图8a-8c的示例中使用的波形不同。可以通过在电压越过0V电平经过一定延迟之后切换输出端的电压来实现图8d的波形。例如通过基于晶闸管的控制电路实现这种操作，但是也可以使用其他方法和波形。

[0079] 根据一个实施例，图3a描绘了输出变压器T1和机场照明电路104的等效电路，图3b描绘了作为第一频率(例如，标称频率fn)的输入电压的函数的图3a的机场照明电路104的输出电流，并且图3c示出了作为第二频率(高于标称频率fn)的输入电压的函数的图3a的机场照明电路的输出电流。可以看出，当输出频率高于变压器T1的所选标称频率fn时，变压器T1和灯变压器(图3a中的LTn)的无功阻抗增加，从而减小了机场照明电路104中的电流。这导致有限的光强度。由于漏电感随着频率的增加而增加，因此无功阻抗增加。

[0080] 变压器T1的等效电路包括第一阻抗L1、第二阻抗L’2和互阻抗Lm。可以假设互阻抗Lm远高于第一阻抗L1和第二阻抗L’2(Lm>>L1和Lm>>L2)。等效电路的总阻抗可表示如下：

[0081] Z＝R+jωL＝RT2+…+RTn+2πf(L1+L’2+LT2+…+LTn)

[0082] ω＝2πf

[0083] I＝UIn/Z

[0084] 等式和图3a、3b和3c中出现的术语如下：

[0085] Z＝等效电路的总阻抗；

[0086] T1＝逆变器输出变压器

[0087] L1＝输出变压器T1的初级绕组的漏电感

[0088] L’2＝输出变压器T1的次级绕组的漏电感

[0089] Lm＝T1的磁化电感

[0090] UT1＝T1上的电压(注意：电压比为1：1的等效电路)

[0091] T2-Tn＝灯变压器

[0092] LT2＝灯变压器T2的电感

[0093] LTn＝灯变压器Tn的电感

[0094] Uin＝机场照明电路的输入电压(在逆变器102的输出点)

[0095] UT2＝灯变压器T2上的电压

[0096] UTn＝灯变压器Tn上的电压

[0097] Ur2＝灯变压器T2上的电阻负载RT2上的电压

[0098] Urn＝灯变压器Tn上的电阻负载RTn上的电压

[0099] Ux2＝灯变压器T2处的电抗负载RT2上的电压

[0100] Uxn＝灯变压器Tn处的电抗负载RTn上的电压

[0101] Iout＝机场照明电路中的电流

[0102] D1＝灯中的LED(二极管)

[0103] n＝索引，1、2...N，N＝灯变压器的最大数量。

[0104] 逆变器输出电压在变压器T1输入端有效。机场照明电路输入端的有效电压Uin是电压矢量UT1+UT2+...+UTn的总和。灯变压器UTn上的电压由两个电压矢量Urn和UXn组成。根据矢量和Uin＝Iout*(R+jωL)，机场照明电路104的阻抗随着逆变器输出电压的频率增加而增加。

[0105] 根据一个实施例，变压器T1不必是具有初级和次级绕组的变压器，而是也可以使用另一种电抗。

[0106] 假设电阻R是恒定的，因此与逆变器输出电压频率无关。此外，jωL取决于逆变器输出电压频率，ω＝2πf，f＝频率，j＝虚数单位。所有电感(L1、L'2、LT2...LTn)上的电压随频率而增加，因此频率越高，电抗越高。结果，较高的电抗导致机场照明电路电流减小，并且因此机场照明电路104中的光强度较低。

[0107] 图3d描绘了根据一个实施例的两个不同频率处的输入电压的波形。有效LED电压表示为Ur2+Ur3+...+Urn(光强度)，它将随着更高的机场照明电路频率而减小，因为感应负载将改变矢量Ur2和UX2、Ur3和UX3......Urn和UXn之间电压的分布。

[0108] 图5描绘了根据一个实施例的作为逆变器输出电流和频率的函数的LED光强度控制。可以看出，当期望光强度小于或等于阈值th时，可以调整输出频率，并且当期望光强度高于阈值th时，输出频率可以保持恒定但是输出电压可以调整。输出电流用线501表示，频率用线502表示。

[0109] 每个机场照明电路的逆变器输出频率可以单独调整。因此，可以调整不同LED颜色的强度，使得可以针对不同的LED颜色产生所需的光强度，并且可以使用具有不同光色的相同类型的灯变压器。这还意味着在灯单元105中不需要功率限制功能。

[0110] 可以在逆变器输出电压上使用正弦波形或不同于正弦波形的波形。选择逆变器输出电压波形可以是控制方法设计的一部分。

[0111] 应该再次注意，所提到的10％强度水平仅是示例性限制，但是可以替代地使用任何其他可行的强度水平值。该阈值的精确值可以取决于与逆变器输出额定功率相比的连接的机场照明电路104负载。因此，它可能取决于例如跑道长度和机场照明电路104中的灯数。

[0112] 作为进一步的优点，灯单元105根本不需要具有机场照明电路电流测量方法。该解决方案产生非常可靠、相对简单和低成本的光强度控制方法和灯单元产品。

[0113] 图4a至4d描绘了根据一个实施例的可以在逆变器102中使用的不同脉冲宽度调制波形。在图4a中，使用N Hz(N＝任意数字)的脉冲宽度调制信号来产生正弦波形。脉冲宽度对应于目标波形的幅度。当该脉冲宽度调制波形通过滤波器时，产生的波形近似为正弦波。在图4b中，使用3N Hz(N＝任意数)的脉冲宽度调制信号来产生正弦波形。在该示例中，PWM脉冲的数量以及因此逆变器切换速率显著增加。这可能会产生EMI干扰(电磁干扰)和开关损耗，从而导致能效降低。在图4c中，描绘了3N Hz的方波脉冲。图4d描绘了3N Hz的方波脉冲的PWM。通过改变PWM脉冲宽度比，该波形也可用于幅度调整(电压)。该波形可以产生较少的EMI干扰和开关损耗，这可以导致更好的能量效率。

[0114] 如在本说明书中之前提到的，不仅可以使用频率和/或电压调整，而且可以使用输出电流的不同波形来实现照明调整。例如，可以使用这种波形控制作为与频率和/或电压控制一起的附加控制方法，或者可以在一定的照明强度范围内使用例如波形控制。作为后者的示例，可以在期望的照明水平远小于阈值(即，低于第二阈值(例如1％))时实施波形控制，其中当期望的照明水平在第二阈值和先前提到的阈值(例如10％)之间时可以使用频率控制。

[0115] 根据一个实施例，该装置包括用于将期望的功率电平与第一阈值和第二阈值进行比较的器件，其中如果期望的功率电平在第一阈值和第二阈值之间，则用于调整AC电力的器件适于调整频率以获得期望的功率电平，如果期望的功率电平低于第二阈值，则调整波形以获得期望的功率电平，并且如果期望的功率电平高于第一阈值，则调整输出电压以获得期望的功率电平。第一阈值可以小于第二阈值，由此当期望的功率电平在第一阈值和第二阈值之间时也可以调整波形和输出电压。第一阈值可以大于第二阈值，从而当期望的功率电平在第一阈值和第二阈值之间时仅调整频率。阈值驱动的双参数控制可在低电流电平下显著提高灯变压器性能，并允许无驱动LED灯单元。

[0116] 可以校准每个AFL电路的功率控制功能。例如，在CCR调试期间，可以进行初始CCR校准。可以进行初始校准以将AFL电流与AFL光强度互连。可以以这样的方式定义阈值：CCR测量所讨论的AFL电路并基于所获取的复阻抗值设置最佳操作参数。阈值设置可以在CCR启动期间完成，或特别要求，例如在调试期间。

[0117] 在故障检测中需要在正常AFL电路条件下校准的操作参数。异常AFL电路条件可用于检测故障。例如，如果AFL电流超出正常电平和/或使用更多/更少的电容或电感电流路径，则可以确定故障的类型。可以为CCR创建诊断特征。

[0118] 可以将开路AFL电路检测为产生耦合到地的电容电流的开路电路。CCR可以使用小的AFL电流执行测试测量，以检测AFL电路的连续性和可能的灯故障。可以根据校准曲线检测开路主电路和开路灯电路(即AFL变压器的开路二次电路)故障。优选地以低光强度进行扫描/测量。

[0119] 本发明的一个优点是它允许在低光强度范围内使用AFL电流，例如在0-3A的范围内。本发明的另一个优点是它允许设计更简单和更便宜的AFL灯泡和电流监测系统。本发明的又一个优点是它可以为长AFL电路和电缆提供电力。它还产生AFL电路的稳定电气特性。本发明的又一个优点是它可以使用较高频率和较低电流，这允许精确控制低电流电平。而且，通过连续波形电流控制，可以降低电缆电容的影响。由于电缆电容也随着老化而变化，这使得布线的预期寿命显著延长。

[0120] 根据替代实施例，可以使用灯单元105内的无源功率调整。这种无源电路可以是例如针对所需的正确频率阈值fn调谐的LC电路。LC电路能够在内部地和独立地控制任何机场照明单元中的LED电流，并且由提供给机场照明电路104的频率控制。LC电路在频率增加时限制LED电流。

[0121] 根据又一替代实施例，可以使用灯单元105内的有功功率调整。因此，逆变器输出频率保持在标称值fn，并且电路电流基本保持在某个值。有源电路可以包括例如频率检测电路，其控制LED功率控制器的PWM输入，针对所需的正确频率差阈值fn进行调谐。与标称频率fn相比，频率检测电路能够根据提供给机场照明电路104的频率的变化在内部地和独立地控制灯单元105中的LED电力。在该实施例中，PWM切换时间(脉冲宽度)应该在频率差的控制下改变。在该实施例中，一个特定频率意味着一个光强度水平。例如，标称频率50Hz可能意味着光强度水平100％，而75Hz可能意味着光强度水平30％，100Hz可能意味着光强度水平10％，125Hz可能意味着光强度水平3％，150Hz可能意味着光强度1％。频率变化是暂时的，可以理解为改变光强度的命令。否则，可以恒定使用某个电路电流，例如，2A。

[0122] 这里应该注意的是，监管组织ICAO和FAA(国际航空监管机构)正在研究LED光强度水平的正确的下限(例如1％或3％)应该是多少。由于LED的使用对于机场照明系统来说是全新的，所以这个下限尚未在法规中定义。利用上述电力供应系统，即使在机场安装机场照明系统之后，也可以通过选择适当的逆变器输出频率来调整所提到的LED光强度的下限。

[0123] 使用LED灯和未来的LED灯产品可能更便宜，因为不是在每个灯产品中都需要功率控制系统。这是特别有益的，因为机场的跑道和滑行道灯的数量可能非常大(每个机场数千个灯，每个跑道/滑行道多达几百个)。这种机场照明系统布置意味着可以根据需要调整根据逆变器输出频率和逆变器输出电压的光强度水平响应，而无需将机场照明电路电流调整到低达，例如，<0.5A。

[0124] 将范围的下限限制为例如0.5A可能是有益的，因为该剩余的最小电流可以用于允许控制逆变器电流输出的实际实现精度，并且通过逆变器输出电流为灯单元内的灯控制电路供电而无需单独的供电器件。

[0125] 现有的AFL系统通过最初用于卤素灯的100％(6.6A)-1％(2.8A)的范围内的AFL电流控制光强度。不幸的是，这并不直接适用于现代LED灯，因此灯制造商在灯单元内增加了LED功率控制器，也增加了灯单元成本和更高的可靠性风险。使用上述电力供应系统可以在灯单元105内部不需要LED电源控制器。

[0126] 此外，最近新的基于LED灯的AFL系统也可以使用100％(2.0A)功率范围，这很难用需要20mA的控制分辨率的现有技术实现，其是强度的1％并且难以实现，但是可以用上述电力供应系统实现。由于上述电力供应系统使用基于频率的低光强度控制，因此系统不会遇到上述控制分辨率问题。在变压器T1内部产生低机场照明电路电流，并且因此超出逆变器的内部控制器功能的范围。

[0127] 灯单元105内的变压器增加了对机场照明电路的电感，这进一步增加了机场照明系统对基于频率的光强度控制的灵敏度。这使得光强度调整在技术上更容易并且降低了灯成本。

[0128] 这里应该注意的是，尽管上面的描述使用机场照明，即机场地面照明(AGL)系统作为电力供应系统的负载的一个示例，但是相同的功率控制原理也适用于许多其他应用以及光强度控制，需要用于其他目的的功率控制。

[0129] 电力网络101可以使用50Hz或60Hz的基频AC电压，但是本发明也可以用于其他频率，并且能够将所需的电力传输到机场照明电路。作为非限制性示例，逆变器输出电压频率在100-600Hz的范围内，以便保持LED灯不闪烁(因为闪烁可能干扰飞机中的飞行员)，并且减小电感部件的尺寸。然而，可以使用任何合适的频率范围，例如，50-1000Hz。

[0130] 本发明还可以产生较少的EMI干扰。在机场照明电路中使用AC电流是一个很好的选择，因为正弦AC电压形状可以最大限度地减少EMI干扰的产生。如果机场照明电路使用相对低功率的网络频率，则机场照明电路中的典型正弦PWM功率控制会产生大量的开关损耗、干扰(EMI)和光闪烁。如果机场照明电路使用例如本身具有相当高功率电平的灯驱动电流(高达40kVA)的PWM功率控制，则尖锐的PWM信号边沿可能产生显著更多的EMI干扰，并可能在机场照明电路电缆和变压器中产生绝缘问题。

[0131] 在本发明中，可以使用比电力网络频率更高的可调整的频率作为逆变器单元输出频率，因此可以在机场照明电路内固有地提供电压幅度调整，以在电阻和电感负载之间分压(在T1和灯变压器LTn中)。当使用更高的频率时，可以减少闪烁和频闪仪效应(如果不是完全消除)，并且由于更简单的输出电压PWM调制可以产生更少的干扰(EMI)。

[0132] 在下文中，将根据实施例更详细地讨论可以与上述电源布置一起使用的附加特征。附加特征可以用于将控制消息传递给负载，例如，用于灯控制。控制消息例如是二进制控制消息。这可以例如如下执行。恒定电流调节器单元102的输出频率的改变对于连接到其输出的设备可以具有意义。不同的频率可以用作消息或控制信号，从而无需使用单独的控制路径。作为示例，可以在没有单独的灯控制电路或电缆的情况下打开/关闭机场照明灯105的一部分，以部分地点亮滑行道。

[0133] 信息可以由控制消息携带，例如因此，恒定电流调节器单元102的输出频率或多个频率变化的序列发生单一变化。如果使用多个变化，则可以使用每个单个变化(频率值)将信息添加到正在传输的消息中。该方法增加了不同可用消息的数量，例如，接收设备的通信总线地址。可以使用合适的频率或频率范围。例如，如果恒定电流调节器单元102的标称输出频率是300Hz，则330Hz输出频率可以意味着位“1”并且270Hz输出频率可以意味着位“0”。可以使用任何可行的频率值。因此，连续频率变化的序列可以形成二进制码，例如16位二进制码字。可以使用任何合适的字长(位数)。

[0134] 图9a-9c示出了如何将信息作为附加脉冲包括在输出功率中。图9a示出了基本波形，其中重复脉冲序列901(在该示例中序列包括一个脉冲)，使得每个连续组的脉冲具有相对于0V的相反电压电平。例如，第一组具有正脉冲，第二组具有负脉冲，使得脉冲的绝对值具有基本相同的电压电平，第三组再次具有正脉冲等。当灯单元接收这种波形时，它可以具有整流器和脉冲检测器，用于检测信息位。相同的波形也被提供给电力滤波器，该电力滤波器形成用于照明单元的电力。在图9a的示例中，不包括信息，其中检测器可以推断出整流后的波形是基本波形。另一方面，图9b描绘了一个示例，其中每个脉冲被分成两个脉冲，使得这两个脉冲具有与图9a的示例中基本相同的面积(即相同的能量)。因此，向照明单元提供相同的能量，但是检测器现在可以确定存在两个脉冲而不是一个脉冲，其中可以推断出该附加脉冲以表示信息。图9c示出了另一个示例波形，其中基本脉冲被分成四个单独的脉冲，但是这四个脉冲携带的能量基本上与图9a的一个脉冲和图9b的两个脉冲相同。作为示例，图9b可以表示比特“1”并且图9c可以表示比特“0”，反之亦然。

[0135] 由于脉冲携带的相同能量，照明单元的电源电路从输入脉冲形成灯单元的电功率。这在该示例中表现为正弦波，也在图9a-9c中示为曲线902。

[0136] 为了能够处理由所提供的电力携带的信息，接收设备(例如机场照明灯)具有可以识别和解调输入的传输信息的电路，并且可以利用该信息来控制其功能，例如，用于将灯控制到正确的强度水平。这可以实现为机场照明电路选择器模块/功能。

[0137] 作为另一个示例，频率调制(FM)也可以与恒定电流调节器单元102的输出一起使用。因此，输出频率可以根据要传输的信息而变化。

[0138] 如果在机场照明系统中使用基于频率调制的消息传送实现方式，则灯电路包括可以检测、接收和解码所提到的频域消息并形成灯105的控制信号的器件。这种器件可以是恒定电流调节器单元102的输出频率检测电路的一部分，其检测标称和实际机场照明电路频率之间的差异，并进一步控制PWM脉冲比以用于灯电流的功率控制。

[0139] 本发明还可以用于产生灯的不同强度等级，例如通过允许频率扫描某个频率范围。图7a中描绘了这种情况的一个示例。因此，可以在不需要使用固定光强度水平的情况下控制光强度。利用动态变化的机场照明电路频率，通过相应地改变机场照明电流，相应地产生增加或减少的光强度。这产生了动态的机场灯照明。这可以用于例如作为飞机驾驶员的新信号。这种动态变化的光强度可能比固定的光强度更容易检测。这在困难的视觉条件下可能是有益的。这种现象类似于交通中的警示灯，其中动态变化闪烁或强度用于吸引注意力。

[0140] 图7b示出了根据一个实施例的具有正弦波形的动态效果。曲线701示出了有效控制区域的两个示例，曲线702示出了当开始电力供应系统的操作时恒定电流调节器单元102的输出处的频率和电压值的两个示例。然而，可以使用合适的其他波形和可行的时域强度变化率以及任何电压/频率组合，用于在有源控制区域701内选择系统的操作点。当系统开始提升功率时，可以使用更高的频率并因此使用较低的机场照明电流，然后逐渐接近较高的功率电平，例如沿着图7中所示的曲线702。使用更高频率的机场照明电流调节可以消除或至少减少可能存在的闪烁和频闪问题-尤其是在低光强度下。使用更高频率的机场照明电流调节使得还可以校准由不同LED光颜色所需的所需机场照明电路电流-因为LED在给定电流下产生的光亮度的数量可以根据LED颜色而变化。因此，该原理可以使得更容易制造具有不同颜色的LED灯，仍然使用其中的类似电子部件。

[0141] 基于频率的调整还可以具有以下优点：灯变压器LT2可以具有比仅使用基于电压的调整的情况更大的漏磁通。因此，灯变压器的初级绕组和次级绕组不需要彼此紧密缠绕，而是例如可以使用环形芯(例如环形线圈)，使得初级绕组和次级绕组位于磁芯的相对侧上，或者当使用框架磁芯时，初级绕组和次级绕组可以安装在磁芯的不同分支上。

[0142] 图10示出了根据实施例的功率控制原理的示例。根据期望的功率电平，调整所提供的AC电力的频率、波形和输出电压中的一个或多个。如果期望的功率电平低于第一阈值th1，则仅调整AC电力的波形以获得期望的功率电平。如果期望的功率电平在第一阈值th1和第二阈值th2之间，则可以调整AC电力的频率、波形和输出电压以获得期望的功率电平。如果期望的功率电平高于第二阈值th2，则仅调整AC电力的输出电压以获得期望的功率电平。

[0143] 本发明不仅限于上述实施例，而是可以在所附权利要求的范围内变化。

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