-
Die
Erfindung betrifft Verfahren zur Regelung eines Serienkreisstromes
einer Befeuerungsanlage eines Flugplatzes oder dergleichen nach
dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie einen Konstantstromregler
zur Durchführung
des Regelverfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 10.
-
Zur
Orientierung und Führung
von Luftfahrzeugen, die sich im Anflug auf einen Flughafen oder dergleichen
befinden oder sich auf dessen Start-, Lande- oder Rollbahnen bewegen,
werden Lichtsignale von Befeuerungsanlagen des Flughafens abgegeben.
Befeuerungsanlagen umfassen alle lichttechnischen Hilfen, die einen
sicheren Flugbetrieb und ein sicheres Rollen von Luftfahrzeugen
im Bereich eines Flughafens auch bei Dunkelheit und/oder schlechten
Sichtverhältnissen
gewährleisten
sollen. Dabei wird unter anderem zwischen Anflugbefeuerung, Gleitwinkelfeuer,
Schwellenfeuer, Seiten- und Mittelreihenfeuer, Start- und Landebahnleuchten, Rollbahnfeuer,
Kennfeuer, Gefahrenfeuer, Hindernisfeuer und Drehfeuer unterschieden.
-
Um
Irritationen eines Luftfahrzeugführers durch
Lichtsignale mit schwankender Helligkeit zu vermeiden, ist eine
konstante Stromversorgung des Serienstromkreises einer Befeuerungsanlage
erforderlich. Hierfür
werden Konstantstromregler eingesetzt, die einen konstanten Nennausgangsstrom
unter variierenden Bedingungen, wie etwa Schwankungen der Netzeingangsspannung
oder -frequenz, der Umgebungstemperatur, der Meereshöhe des Einsatzortes,
der relativen Luftfeuchtigkeit oder der anliegenden Nutzlast, bereitstellen.
-
Aus
der DE-Produktschrift „Konstantstromregler
Mikroprozessor-gesteuert: A.06.350d", Bestell-Nr. E10001-T95-A52-V2, he rausgegeben
1995 von Siemens AG, ist ein Konstantstromregler für die Versorgung
von Serienstromkreisen in Flughafenbefeuerungsanlagen mit verschiedenen
Helligkeitsstufen bekannt. Der Konstantstromregler weist einen Leistungsmodul
mit antiparallel geschalteten Thyristoren, einen Hochspannungsteil
mit Ausgangstransformator und einen Steuermodul auf, der die Speisespannung
des Ausgangstransformators über
die Thyristoren steuert. Der Steuermodul bestimmt hierzu einen Thyristor-Zündwinkel, durch den der Ausgangsstrom
an einen Nennwert angepasst wird, dessen Größe wiederum von der gewählten Helligkeitsstufe
abhängt.
-
Kommen
als Befeuerungsgeräte
der Befeuerungsanlage ein Filament aufweisende Lampen zum Einsatz,
beispielsweise Wolfram-Halogenlampen,
so liegt zwischen Beginn der Beaufschlagung mit Konstantstrom und
dem Erreichen der vollen Lichtleistung des Filaments eine gewissen
Zeitspanne, deren Länge
von der gewählten
Helligkeitsstufe der Lampen abhängt.
Diese Reaktionsverzögerung
tritt beispielsweise beim Einschalten oder bei kurzen Unterbrechungen
der Stromversorgung auf, wo von Netzbetrieb auf Notstromversorgung
umgeschaltet wird. Bis zum Erreichen der vollen Lichtintensität wird einem
Piloten jedoch kein brauchbares Lichtsignal bereitgestellt.
-
Nun
wird einerseits im Standard der ICAO(International Civil Aviation
Organisation), Anhang 14, Band I, Paragraph 8.1.4, gefordert, dass nach
einer kurzen Stromunterbrechung der Lichtausstoß für gewisse Befeuerungsgeräte innerhalb
einer Sekunde bis zu 50% wiederhergestellt sein muss. Befeuerungsgeräte, die
von einem Konstantstromregler versorgt werden, können diese Forderung bei Stromunterbrechungen
von mehr als 270 ms nicht erfüllt,
was an den physikalischen Eigenschaften von Halogenlampen liegt.
Andererseits gestatten die derzeit bestehenden Standards der FFA
(Federal Aviation Association), AC 150/5345 – 10E, der IEC(International
Electrotechnical Commission), 61822, sowie des CENELEC(Comité Européen de
Normalisation Electrotechnique), ENV 50231, für Konstant stromregler keine Überschreitung
des einer eingestellten Helligkeit entsprechenden Nennstromes im
Serienstromkreis.
-
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Regelungsverfahren
und einen Konstantstromregler der jeweils eingangs genannten Art
bereitzustellen, welche eine schnelle Wiederherstellung von optischen
Lichtsignalen für
die Flugverkehrsleitung auf Flugplätzen auch nach einer kurzen
Unterbrechung der Stromversorgung erlauben.
-
Die
das Verfahren betreffende Teilaufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein gattungsgemäßes Regelverfahren,
bei welchem die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches 1
vorgesehen sind. Indem die Steuereinheit von dem bekannten Konstantstrommodus
automatisch in einen Überstrommodus
wechseln kann, in welchem während
einer wählbaren
Zeitdauer der Serienkreisstrom auf einen über dem Nennausgangsstrom liegenden Überstrom
geregelt wird, ist es möglich,
nach kurzen Stromunterbrechungen eine schnelle Wiederinbetriebnahme
des Lichtsignal zu erreichen. Ein kurzer kontrollierter Überstrom
verkürzt
die Reaktionszeit zwischen Beginn der Bestromung und Erreichen der
vollen Lichtleistung der Befeuerungsgeräte, wodurch der Betrieb der
Befeuerungsanlage sicherer wird.
-
In
einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Regelverfahrens
wird bei einer Unterbrechung einer am Thyristormodul anliegenden Eingangsspannung
eine Zeitdauer der Unterbrechung ermittelt und die Überstromdauer
an die Unterbrechungsdauer angepasst. Hierdurch kann auf den Grad
der Abkühlung
eines Lampenfilaments der Befeuerungsgeräte, der von der Zeitdauer des
Spannungsausfalls abhängt,
eingegangen werden. Während
einer kürzeren
Unterbrechungsdauer kühlt
ein Filament weniger stark ab, so dass ein bestimmter Überstrom
nur eine kürzere
Zeitdauer angelegt werden muss, damit die Lampe wieder volle Lichtintensität erreicht.
-
In
einer vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die Überstromdauer
an die sekundärseitig
des Ausgangstransformators anliegende Last angepasst. Im Konstantstrommodus
der Steuereinheit kann der Serienkreisstrom bei unterschiedlich
großen,
sekundärseitig
des Ausgangstransformators anliegenden Lasten – und zwar bis zu 30% leerlaufende
Serienkreistransformatoren – konstant
gehalten werden. Im Überstrommodus
ist ebenfalls ein auf der tatsächlich
anliegenden Last abgestimmter Überstrom
erforderlich, wobei der Überstrom
umso kleiner gewählt
werden kann, je geringer die anliegende Last ist.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Regelverfahrens
wird ein zu Beginn der Unterbrechung eingestellter Zündwinkel
ermittelt, gespeichert und bei hinreichend kurzer Unterbrechungsdauer
als Zündwinkel
am Ende der Unterbrechung am Thyristormodul eingestellt. Es wird
also am Serienstromkreis nicht ein Strom neu angelegt, sondern die
Thyristoren bei einem vordefinierten Zündwinkel neu gezündet. Dieser
Zündwinkel
wird aus dem Speicher der Steuereinheit gelesen und beruht auf dem
Zündwinkel
der Ausgangsspannung, der unmittelbar vor der Stromunterbrechung
vorgelegen hat. Dieser Zündwinkel
wird für
etwa zwei Sekunden gespeichert. Falls die Stromunterbrechung beispielsweise
kürzer
als eine Sekunde angedauert hat, wird der Konstantstromregler durch
Auslesen und Einstellen dieses Zündwinkels
mit derselben Leerlaufspannung gestartet.
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird der Überstrom durch
Impedanzen im Serienstromkreis begrenzt. Bei dem Überstrommodus
der Steuereinheit handelt es sich also um einen Impedanz-bedingten
Spannungsbegrenzungsmodus, wobei Impedanzen, wie die Serienkreistransformatoren,
Spulen, der Ausgangstransformator oder Isolationstransformator,
oder auch der Widerstand der Lampenfilamente der Vermeidung von
zu großen Überströmen dienen,
welche die Befeuerungsgeräte
beschädigen
könnten.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Regelverfahrens
wird der Überstrom
in Abhängigkeit
einer für
die Befeuerungsgeräte
eingestellten Helligkeitsstufe geregelt. Beispielsweise bis zu acht
unterschiedliche Helligkeitsstufen der Befeuerungsgeräte werden über unterschiedlich
große
Nennausgangsströme
des Ausgangstransformators, etwa zwischen 2,8A und 6,6A, bewerkstelligt.
Eine 2,8A-Serienkreisstrom-bedingte Helligkeit wird bei niedrigerer
Filamenttemperatur und damit schneller erreicht als eine 6,6A-Serienkreisstrom-bedingte
Helligkeit. Entsprechend genügt für eine niedrigere
Helligkeitsstufe ein geringerer Überstrom
nach einer Stromunterbrechung als für eine höhere Helligkeitsstufe.
-
Vorzugsweise
wird als Überstrom
der für eine
maximale Helligkeitsstufe zu regelnde Nennausgangsstrom gewählt. Wird
im Konstantstrommodus ein Nennausgangsstrom geregelt, der nicht
der maximalen Helligkeitsstufe entspricht, so kann der Einfachheit
halber als Überstrom
direkt der maximale Nennausgangsstrom geregelt werden.
-
In
einer anderen vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird der gespeicherte Wert des Zündwinkels
bei Inbetriebnahme der Befeuerungsanlage und bei deren Betrieb mit Nennausgangsstrom überschrieben.
Jedes Mal, wenn der Konstantstromregler in Betrieb genommen und
bei Nennstrom eingesetzt wird, wird der Zündwinkel im Speicher überschrieben,
so dass keine Gefahr besteht, einen zu großen Überstrom anzulegen, falls sich
die Last im Laufe der Zeit – etwa
durch Alterung oder Ausfall von Befeuerungsgeräten – ändert.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird vom Überstrommodus
in den Konstantstrommodus gewechselt wird, sobald der Überstrom
auf einen voreingestellten Schwellenwert über dem geregelten Nennausgangsstrom
abgefallen ist. Ab einem Schwellenwert von etwa 3% über dem
endgültig
geregelten Nennausgangsstrom kann der Stromregler automatisch mit
seinem normalen Konstantstrommodus fortsetzen.
-
Die
den Regler betreffende Teilaufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen gattungsgemäßen Konstantstromregler,
bei dem die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruches
10 vorgesehen sind. Indem die Steuereinheit außer in einem Konstantstrommodus
in einem Überstrommodus
betreibbar ist, in welchem während
einer wählbaren
Zeitdauer ein über
dem Nennausgangsstrom liegender Serienkreisstrom fließt, ist
es möglich,
nach kurzen Stromunterbrechungen eine schnelle Wiederinbetriebnahme
des Lichtsignal zu erreichen. Ein kurzer kontrollierter Überstrom
verkürzt
die Reaktionszeit zwischen Beginn der Bestromung und Erreichen der
vollen Lichtleistung der Befeuerungsgeräte, wodurch der Betrieb der
Befeuerungsanlage sicherer wird.
-
Nachfolgend
werden ein Ausführungsbeispiel
sowie weitere Vorteile der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert, in
deren
-
1 ein
Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Konstantstromreglers,
-
2 ein
zeitlicher Kurvenverlauf des von einem Lampenfilament ausgesandten
Lichtstroms bei gegebenen Ein- und Ausschaltzeitpunkten der Bestromung,
-
3 ein
zeitlicher Kurvenverlauf eines abklingenden Einschaltstromes im
kalten Lampenfilament,
-
4 ein
zeitlicher Kurvenverlauf des geregelten Serienkreisstromes bei kurzzeitiger
Stromunterbrechung in einer ersten Variante,
-
5 ein
zeitlicher Kurvenverlauf des geregelten Serienkreisstromes bei kurzzeitiger
Stromunterbrechung in einer zweiten Variante schematisch veranschaulicht
sind.
-
Gemäß 1 weist
eine Befeuerungsanlage für
Flugplätze,
Flughäfen,
Start- und Landeflächen für Luftfahrzeuge
und dergleichen Befeuerungsgeräte 10 in
Form von Wolfram-Halogenlampen auf, welche eine optische Navigationshilfe
für Piloten
darstellen, insbesondere bei Dunkelheit oder sonstigen schlechten
Sichtverhältnissen.
Die Befeuerungsgeräte 10 werden über Transformatoren 20 versorgt, welche
in Serie geschaltet sind und zur Gewährleistung einer definierten
optischen Signalabgabe mit Konstantstrom I versorgt werden. Hierzu
dient ein über
einen Netzspannungsanschluss 30 mit einer Eingangsspannung
U gespeister Konstantstromregler 40. Der Konstantstromregler 40 weist
einen Ausgangstransformator 41 auf, an den sekundärseitig der
Serienstromkreis mit den Serienkreistransformatoren 20 angeschlossen
ist. Primärseitig
ist der Ausgangstransformator 41 mit einem Thyristormodul 42 verbunden,
in welchem zwei antiparallel geschaltete Thyristoren ein Stellglied
bilden, an dem die Eingangsspannung U anliegt. Es können sowohl
die Eingangsspannung U aufgrund von Amplituden- und Frequenzschwankungen
als auch der Ausgangsstrom I im Serienstromkreis aufgrund von Lastschwankungen
von ihren Nennwerten abweichen. Derartige Schwankungen werden durch
eine Steuereinheit 43 des Konstantstromreglers 40 mit
einem Mikroprozessor 44 ausgeglichen, indem ein Zündwinkel α des Thyristormoduls 42 derart
eingestellt wird, dass im Serienstromkreis ein konstanter Nennausgangsstrom
In sichergestellt ist.
-
Neben
diesem Konstantstrommodus C weist die Steuereinheit 43 einen Überstrommodus
O auf, wobei erfindungsgemäß zwischen
beiden Betriebsmodi automatisch umgeschaltet werden kann. In den Überstrommodus
O wird gewechselt, um nach kurzen Unterbrechungen in der Stromversorgung
die optischen Signale der Befeuerungsgeräte schnell wiederherstellen
zu können,
um den Flugverkehr im Bereich von Flugplätzen und dergleichen sicher
leiten zu können.
-
Zum
physikalischen Hintergrund sei hier auf 2 und 3 verwiesen. 2 veranschaulicht die
relative Lichtstärke
Iv als Funktion der Zeit t in Abhängigkeit
von der Bestromung eines Lampenfilaments einer als Wolfram-Halogenlampe
ausgebildeten Befeuerungsgeräts.
Das Lampenfilament der noch kalten Lampe fängt erst zum Zeitpunkt t2 ungefähr
1,5s nach Beginn t1 der Beaufschlagung mit
Konstantstrom an Licht auszusenden. Bis zum Erreichen der vollen
Lichtintensität
Iv,max zum Zeitpunkt t3 dauert es
insgesamt sogar mehr als 2s. Bei niedriger eingestellter Helligkeitsstufe
kann diese Zeit sogar mehr als 12s dauern. Während dieser Zeit wird einem
Piloten kein brauchbares Lichtsignal bereitgestellt. Diese lange
Reaktionsverzögerung
wird durch den geringen elektrischen Widerstand des kalten Lampenfilaments
verursacht, der auch die Lichterzeugung begrenzt. Ein Abschalten
der Bestromung zum Zeitpunkt t4 führt zu einer
raschen Abkühlung
des Lampenfilaments, so dass bereits zum Zeitpunkt t5 kein Licht
mehr ausgesendet wird.
-
In 3 ist
das Verhalten des Stromes I in kalten Lampen veranschaulicht. Der
Einschaltstrom Ie der Lampe ist etwa sechs
Mal höher
als der Nennstrom In. Nach dem Einschalten fällt der Strom I schnell ab
und erreicht seinen Nennwert In nach ungefähr acht
Perioden p. Es können
natürlich
noch höhere
Einschaltströme
gemessen werden, da die einzigen Strombegrenzungen die Impedanzen
der Stromversorgung darstellen.
-
4 zeigt
nun den zeitlichen Verlauf des Serienkreisstromes I bei einer Stromunterbrechung, welche
zum Zeitpunkt ts beginnt und nach einer
Zeitdauer Δt
von etwa 500 ms zum Zeitpunkt te endet. Der
Lichtausstoß fällt dabei
in weniger als 270 ms zum Zeitpunkt t5 auf
Null ab. Erfindungsgemäß wechselt
der Mikroprozessor 44 am Ende te der
Unterbrechungsdauer Δt
in einen Überstrommodus
O, der einen kurzen kontrollierten Überstrom Io im
Serienkreis erlaubt. Zu Beginn ts der Unterbrechung
der Stromzufuhr zum Konstantstromregler 40 wird der Wert
seiner Ausgangsspannung, das heißt der Zündwinkel α der Thyristoren, für eine kurze
Zeit von etwa 2s in einen Speicher 45 der Steuereinheit 43 abgelegt. Wenn
die Stromversorgung des Konstantstromreglers 40 wieder
hergestellt ist, wird die Dauer der Stromunterbrechung Δt berechnet.
Falls sie kürzer als
ein vorgebbarer Wert von etwa 1s gedauert hat, wird der Konstantstromregler 40 mit
derselben Leerlaufspannung gestartet, indem derjenige Thyristor-Zündwinkel α eingestellt
wird, der zum Zeitpunkt ts der Stromunterbrechung
vorgelegen hat. Abhängig von
der Dauer Δt
der Stromunterbrechung ist ein mehr oder weniger lang andauernder Überstrom
Io erforderlich, um eine zur Lichtaussendung
ausreichende Filamenttemperatur zu erzielen. Impedanzen im Schaltkreis,
wie Spulen, Ausgangstransformator oder Isolationstransformator des
Konstantstromreglers 40, dienen der Vermeidung von zu großen Überströmen Io, welche die Lampen beschädigen könnten. Im
dargestellten Beispiel beträgt
der Überstrom Io etwa das 1,5-fache des Nennstroms In, so dass der Lichtausstoß innerhalb
von 230 ms zum Zeitpunkt t6 wieder hergestellt
ist. Bei einem Überstrom
vom 2-fachen des Nennstromes beträgt die im Filament verbrauchte
Leistung das 4-fache der Leistung in einem reinen Konstantstrom-Schaltkreis,
da die Leistung proportional zum Quadrat der Stromstärke ist.
In diesem Fall dauert es nur ein Viertel der Zeit, die normalerweise
zum Aufheizen des Filaments bis zur Lichtausstrahlung benötigt wird.
Wenn der Strom I wieder auf einen voreingestellten Wert ΔIo abfällt,
etwa auf 3% über
dem endgültig
geregelten Nennausgangsstrom In, setzt der
Konstantstromregler 40 automatisch seinen normalen Konstantstrommodus
C fort. Dies findet gemäß 4 am
Ende der Überstromdauer Δto zum Zeitpunkt tOC statt.
-
War
vor der Stromunterbrechung ein Nennausgangsstrom In für eine nicht-maximale
Helligkeitsstufe eingestellt, so soll in einem alternativen beschleunigten Überstrommodus
O gemäß 5 der Nennstrom
Imax für
maximale Helligkeit für
eine kurze Zeit eingespeist werden, deren Dauer von der Länge der
Stromunterbrechung abhängt.
Dieser Betriebsmodus O erlaubt sogar ein noch schnelleres Erreichen
der erforderlichen Lichtintensität.
Während
einer vorgebbaren Anzahl von Perioden p, beispielsweise 5, wird
der Nennstrom Imax für maximale Helligkeitsstufe
angelegt und während
einer weiteren vorgebbaren Anzahl von Perioden p, zum Beispiel 10, aufrechterhalten.
Die beiden Periodenanzahlen p können
innerhalb gewisser Grenzen derart eingestellt werden, um die bestmöglichste
Anpassung an die anliegende Last zu erhalten.
-
Jedes
Mal, wenn der Regler in Betrieb genommen und bei Nennstrom In eingesetzt wird, wird der Zündwinkel α im Speicher 44 überschrieben,
so dass keine Gefahr besteht, einen zu großen Überstrom anzulegen, falls sich
die Last im Laufe der Zeit – etwa
durch Alterung oder Ausfall von Lampen – ändert.
-
Erfindungsgemäß werden
gefährliche
Verzögerungen
von Lichtsignalen nach einer kurzen Unterbrechung der Stromzufuhr
des Konstantstromreglers beseitigt, wie sie beispielsweise auftreten,
wenn die Stromversorgung vom Netzbetrieb in den Notstrombetrieb
umschaltet oder umgekehrt. Der erfindungsgemäße Konstantstromregler erfüllt den
Standard ICAO, Paragraph 8.2, Tabelle 8.1, und erlaubt sichere Landevorgänge sogar
bei schlechten Sichtbedingungen. Zusammengefasst beruht die Erfindung
auf einem Weg, die physikalischen Wirkungen zu umgehen, die eine
schnelle Wiederherstellung von Lichtsignalen nach einer kurzen Unterbrechung
der Stromzufuhr zu Konstantstromreglern behindern.