Pobierz dokument

RZECZPOSPOLITA
POLSKA
(12)
OPIS PATENTOWY
(19)
(21) Numer zgłoszenia: 383018
Urząd Patentowy
Rzeczypospolitej Polskiej
(54)
PL
213811
(13) B1
(11)
(51) Int.Cl.
H02M 7/32 (2006.01)
H02M 7/217 (2006.01)
(22) Data zgłoszenia: 27.07.2007
Iskrobezpieczny zasilacz sieciowy z adaptacją do zmian napięcia wejściowego
(73) Uprawniony z patentu:
GŁÓWNY INSTYTUT GÓRNICTWA,
Katowice, PL
(43) Zgłoszenie ogłoszono:
02.02.2009 BUP 03/09
(72) Twórca(y) wynalazku:
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
PL 213811 B1
31.05.2013 WUP 05/13
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
Rysunek
5
6
PL 213 811 B1
Departament Wydawnictw UP RP
Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)