PL B1. GŁÓWNY INSTYTUT GÓRNICTWA, Katowice, PL BUP 03/09

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. H02M 7/32 ( ) H02M 7/217 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Iskrobezpieczny zasilacz sieciowy z adaptacją do zmian napięcia wejściowego (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 03/09 (73) Uprawniony z patentu: GŁÓWNY INSTYTUT GÓRNICTWA, Katowice, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 05/13 (72) Twórca(y) wynalazku: WOJCIECH BOCHENEK, Dąbrowa Górnicza, PL WITALIJ SKOROPACKI, Katowice, PL ADAM SZADE, Katowice, PL MARIUSZ SZOT, Bytom, PL

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest iskrobezpieczny zasilacz sieciowy z adaptacją do zmian napięcia wejściowego, przeznaczony do zasilania urządzeń automatyki i telekomunikacji ulokowanych w strefach zagrożonych wybuchem gazu i par cieczy palnych, zwłaszcza w obiektach przemysłu węglowego. Znane są, na przykład z publikacji Skoropacki W., Świergot F. lskrobezpieczne zasilacze z cechami sztucznej inteligencji, Elektronika 1997, Nr 2, strukturalne rozwiązania sieciowych iskrobezpiecznych zasilaczy prądu stałego, których podstawowe człony funkcjonalne stanowią: element separacji galwanicznej od sieci prądu przemiennego, prostownik, filtr i układ zapewnienia iskrobezpieczeństwa obwodu wyjściowego. W zasilaczach tych jako element zapewnienia separacji galwanicznej stosowany jest transformator prądu przemiennego, bądź też transformatorowa przetwornica DC/DC, przy czym w obu wariantach transformator separujący powinien być wykonany zgodnie z wymaganiami dyrektywy europejskiej 94/9/WE, tzw. dyrektywa ATEX 100A i zharmonizowanymi z nią normami. Znany jest również, na przykład z opisu patentowego US , iskrobezpieczny zasilacz, zawierający szeregowo połączone prostownik, półprzewodnikowy klucz sterowany, transformator, drugi prostownik, układ zabezpieczenia nadnapięciowego oraz stabilizator prądu, którego wyjście jest wyjściem zasilacza i jednocześnie wejściem pętli sprzężenia zwrotnego, zawierającej szeregowo połączone przełącznik, regulator napięcia, separator optyczny, sterowany generator impulsów oraz klucz zabezpieczenia nadprądowego. Wyjście klucza zabezpieczenia nadprądowego jest wyjściem pętli sprzężenia zwrotnego i podłączone jest do wejścia sterującego wyżej wymienionego półprzewodnikowego klucza sterowanego. Zasilacz ten nie zapewnia prawidłowego funkcjonowania dla zmian napięcia wejściowego w stosunku powyżej 5:1. Znani światowi producenci przetwornic AC/DC i DC/DC z separacją galwaniczną o mocy powyżej 20 W, na przykład Traco Power, Vicor, Recom, C&D Technologies i inni deklarują ich prawidłowe funkcjonowanie przy zmianie wartości napięcia wejściowego w stosunku nie przewyższającym 4:1. Znane rozwiązania iskrobezpiecznych zasilaczy nie zapewniają ponadto inwariantności pracy w zakresie standardowych wartości napięć prądu przemiennego stosowanych w technologiach górniczych, przy jednoczesnym spełnieniu wymagań dyrektywy europejskiej 89/336/EWG, tzw. dyrektywa EMC. W kopalniach węgla kamiennego dla zasilania urządzeń automatyki, telemechaniki i telekomunikacji, stosuje się następujące wartości napięcia przemiennego: 42(±10%)VAC, 127(±10%)VAC, 230(±10%)VAC oraz 500(±10%)VAC. Zasilacze iskrobezpieczne, zbudowane według klasycznego układu strukturalnego i inwariantne do wartości napięcia sieciowego w takim zakresie, z reguły są zbudowane z wykorzystaniem samowzbudnych przetwornic DC/DC, w których transformator wyjściowy jednocześnie spełnia funkcję separacji galwanicznej od sieci energetycznej według wymagań normy PN-EN 50020, zharmonizowanej z dyrektywą ATEX. Wiąże się to z koniecznością wykonania pierwotnego i wtórnego uzwojenia transformatora na różnych kolumnach rdzenia lub jedno obok drugiego na jednej kolumnie. W przypadku konstrukcji transformatora separującego drugiego rodzaju dopuszcza się nawijanie jednego uzwojenia na drugim, z zapewnieniem odpowiedniej stałej izolacji między uzwojeniami, w zależności od wartości szczytowej napięcia lub za pomocą uziemionego ekranu. Uwzględnienie tych wymagań powoduje kolizyjność rozwiązań konstrukcyjnych, pogarsza warunki funkcjonowania przetwornicy w szerokim zakresie zmian wartości napięcia wejściowego, a szczególnie utrudnia spełnienie wymagań dyrektywy europejskiej EMC, doprowadza do wysokich cen zasilaczy oraz zmniejszenia niezawodności i elastyczności eksploatacyjnej. Znane jest także, na przykład z polskiego opisu wynalazku nr P , strukturalne rozwiązanie iskrobezpiecznego zasilacza prądu stałego, które częściowo usuwa powyższe wady i niedogodności. Zasilacz zawiera szeregowo połączone filtr sieciowy, prostownik, filtr wygładzający, przetwornicę DC/DC i układ ochronny z nieliniową charakterystyką wyjściową. Do wyjścia filtru sieciowego jest podłączone równoległe wejście przetwornicy AC/DC, której wyjście poprzez diodę prostowniczą i drugą przetwornicę DC/DC jest związane z wejściem układu ochronnego z nieliniową charakterystyką wyjściową, z którym przez pierwszą diodę prostowniczą jest również związane wyjście pierwszej przetwornicy DC/DC, której wejście jest związane z wyjściem filtru wygładzającego przez klucz, którego wejście sterujące jest związane z wyjściem układu kontroli napięcia, podłączonym do wyjścia filtru wygładzającego.

3 PL B1 3 Takie rozwiązanie zapewnia jednak inwariantność do zmian napięcia wyjściowego tylko w zakresie od 42( ±10%) VAC do 230(±10%) VAC i charakteryzuje się zbyt skomplikowaną budową. Iskrobezpieczny zasilacz sieciowy z adaptacją do zmian napięcia wejściowego, zawierający szeregowo połączone filtr sieciowy, prostownik, filtr wygładzający, przetwornicę DC/DC i układ ochronny z nieliniową charakterystyką wyjściową oraz zawierający układ kontroli napięcia, według wynalazku, ma transformator separujący z dzielonym pierwotnym uzwojeniem z trzema odczepami i dzielonym wtórnym uzwojeniem z trzema odczepami, włączony pomiędzy prostownik i filtr sieciowy, do którego wyjść jest podłączone wejście układu kontroli napięcia, którego wyjście jest obciążone cewką przekaźnika. Przekaźnik ma pierwszy przełącznik, którego wejściowy zestyk jest połączony z pierwszym wyjściem filtru sieciowego, a wyjściowe zestyki są połączone odpowiednio z dwoma odczepami dzielonego pierwotnego uzwojenia transformatora separującego, którego trzeci odczep jest połączony z drugim wyjściem tego filtru oraz ma drugi przełącznik, którego wejściowy zestyk jest połączony z pierwszym wejściem prostownika, a wyjściowe zestyki są połączone odpowiednio z dwoma odczepami dzielonego wtórnego uzwojenia tego transformatora, którego trzeci odczep jest połączony z drugim wejściem wspomnianego prostownika. Iskrobezpieczny zasilacz sieciowy według wynalazku funkcjonuje w zakresie zmian napięcia wejściowego od 37 VAC do 550 VAC, co zapewnia możliwość podłączenia zasilacza do sieci energetycznej o standardowych wartościach napięcia prądu przemiennego, to znaczy 42 VAC, 127 VAC, 230 VAC i 500 VAC. Dopasowanie do wymienionych wartości napięcia wejściowego odbywa się w sposób automatyczny. Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładowym wykonaniu na rysunku przedstawiający schemat strukturalny iskrobezpiecznego zasilacza sieciowego z adaptacją do zmian napięcia wejściowego. Iskrobezpieczny zasilacz sieciowy z adaptacją do zmian napięcia wejściowego, zawiera szeregowo połączone filtr sieciowy 1, prostownik 2, filtr wygładzający 3, przetwornicę 4 DC/DC i układ ochronny 5 z nieliniową charakterystyką wyjściową. Do wyjść filtru sieciowego 1 jest podłączone wejście układu 6 kontroli napięcia, którego wyjście jest obciążone cewką przekaźnika 7. Pomiędzy filtr sieciowy 1 i prostownik 2 jest włączony transformator separujący 8 z dzielonym pierwotnym uzwojeniem z trzema odczepami a, b, c i dzielonym wtórnym uzwojeniem z trzema odczepami d, e, f. Przekaźnik 7 ma pierwszy przełącznik, którego wejściowy zestyk g jest połączony z pierwszym wyjściem filtru sieciowego 1, a wyjściowe zestyki h, i są połączone odpowiednio z dwoma odczepami a, b dzielonego pierwotnego uzwojenia transformatora separującego 8, którego trzeci odczep c jest połączony z drugim wyjściem filtru sieciowego 1 oraz ma drugi przełącznik, którego wejściowy zestyk j jest połączony z pierwszym wejściem prostownika 2, a wyjściowe zestyki k, I są połączone odpowiednio z dwoma odczepami d, e dzielonego wtórnego uzwojenia transformatora separującego 8, którego trzeci odczep f jest połączony z drugim wejściem prostownika 2. Zasilacz działa w sposób następujący. W zakresie napięć prądu przemiennego od 38 VAC do 148 VAC na wejściu iskrobezpiecznego zasilacza, przekaźnik 7 znajduje się w stanie bezprądowym i realizowane są połączenia między zestykami g - i oraz j - k pierwszego i drugiego przełącznika przekaźnika 7, zestykiem i jego pierwszego przełącznika i odczepem b transformatora separującego 8 oraz zestykiem k jego drugiego przełącznika i odczepem d tego transformatora, przy czym zapewnia się taki współczynnik przenoszenia transformatora separującego 8, aby stosunek pomiędzy minimalną a maksymalną wartością napięcia na jego wyjściu nie przekraczał stosunku 4:1. Przykładowo, przy współczynniku przenoszenia po napięciu równym 0,35, gdy liczba uzwojeń pomiędzy odczepami b - c transformatora separującego 8 jest 2,8 razy większa od liczby uzwojeń pomiędzy jego odczepami d - f wartość napięcia na wyjściu tego transformatora mieści się w zakresie 13,5 VAC do 52,8 VAC, dla zakresu zmian napięcia wejściowego od 38 VAC do 148 VAC, a zakres napięć prądu stałego na wejściu przetwornicy 4 DC/DC wynosi 18,9 VDC do 73,9 VDC. Przy zwiększeniu napięcia wejściowego powyżej 148 VAC, układ kontroli napięcia 6 wysteruje przekaźnik 7 wskutek czego zostaną zrealizowane połączenia między zestykami g - h i I - i pierwszego i drugiego przełącznika przekaźnika 7, zestykiem h jego pierwszego przełącznika i odczepem a transformatora separującego 8 oraz zestykiem I jego drugiego przełącznika i odczepem e tego transformatora, przy czym zapewnia się mniejszy współczynnik przenoszenia po napięciu. Przy ustawieniu współczynnika przenoszenia po napięciu równym 0,096 razy, gdy liczba uzwojeń pomiędzy odczepami a - c transformatora separującego 8 jest 10,4 razy większa od liczby uzwojeń pomiędzy jego odczepami e - f wartość napięcia na wyjściu tego transformatora mieści się w zakresie 14,2 VAC do 52,8 VAC, dla zakresu zmian napięcia wejściowego

4 4 PL B1 od 148 VAC do 550 VAC, a zakres napięć prądu stałego na wejściu przetwornicy 4 DC/DC wynosi 19,8 VDC do 73,9 VDC. W obu trybach pracy wartość napięcia prądu stałego na wejściu przetwornicy 4 DC/DC będzie mieściła się w zakresie odpowiadającym parametrom technicznym handlowych przetwornic DD/DC, na przykład dla przetwornicy typu TEN WI produkcji TRAKO POWER znamionowy zakres napięć wyjściowych wynosi 18 VDC do 75 VDC. Wartość napięcia prądu stałego na wyjściu iskrobezpiecznego zasilacza zależy od potrzeb użytkownika i w zależności od stosowanej przetwornicy 4 DC/DC oraz parametrów układu ochronnego 5 z nieliniową charakterystyką wyjściową, na wyjściu zasilacza może być uzyskana znormalizowana wartość napięcia wyjściowego, na przykład 12 VDC, 24 VDC, 36 VDC lub 48 VDC. Zastrzeżenie patentowe Iskrobezpieczny zasilacz sieciowy z adaptacją do zmian napięcia wejściowego, zawierający szeregowo połączone filtr sieciowy, prostownik, filtr wygładzający, przetwornicę DC/DC i układ ochronny z nieliniową charakterystyką wyjściową oraz zawierający układ kontroli napięcia, znamienny tym, że ma transformator separujący (8) z dzielonym pierwotnym uzwojeniem z trzema odczepami (a, b, c) i dzielonym wtórnym uzwojeniem z trzema odczepami (d, e, f), włączony pomiędzy prostownik (2) i filtr sieciowy (1), do którego wyjść jest podłączone wejście układu (6) kontroli napięcia, którego wyjście jest obciążone cewką przekaźnika (7), mającego pierwszy przełącznik, którego wejściowy zestyk (g) jest połączony z pierwszym wyjściem filtru sieciowego (1), a wyjściowe zestyki (h, i) są połączone odpowiednio z dwoma odczepami (a, b) dzielonego pierwotnego uzwojenia transformatora separującego (8), którego trzeci odczep (c) jest połączony z drugim wyjściem filtru sieciowego (1) oraz mającego drugi przełącznik, którego wejściowy zestyk (j) jest połączony z pierwszym wejściem prostownika (2), a wyjściowe zestyki (k, I) są połączone odpowiednio z dwoma odczepami (d, e) dzielonego wtórnego uzwojenia transformatora separującego (8), którego trzeci odczep (f) jest połączony z drugim wejściem prostownika (2).

5 PL B1 5 Rysunek

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)