PL 213811 B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 213811 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 383018 (51) Int.Cl. H02M 7/32 (2006.01) H02M 7/217 (2006.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 27.07.2007 (54) Iskrobezpieczny zasilacz sieciowy z adaptacją do zmian napięcia wejściowego (43) Zgłoszenie ogłoszono: 02.02.2009 BUP 03/09 (73) Uprawniony z patentu: GŁÓWNY INSTYTUT GÓRNICTWA, Katowice, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.05.2013 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 PL 213 811 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 4646219, 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 381099, 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.
PL 213 811 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 PL 213 811 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 40-4822WI 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).
PL 213 811 B1 5 Rysunek
6 PL 213 811 B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)