47

9/2002

www.elektro.info.pl

wspó³czesne

systemy zasilania

pr¹dem

sta³ym

(czêœæ 1)

Systemy zasilania pr¹dem sta³ym

s¹ stosowane w celu dostarczania

energii elektrycznej do wa¿nych

ze wzglêdów bezpieczeñstwa

odbiorników. Ci¹g³oœæ zasilania

i zapewnienie wysokich

parametrów jakoœciowych

dostarczanej energii maj¹

bezpoœredni wp³yw na

bezpieczeñstwo pracy systemu.

Uzyskany poziom niezawodnoœci

jest podstawowym kryterium

oceny jakoœci budowanych

systemów zasilania.

C

elowe jest zatem spe³-
nienie zasad projekto-
wania urz¹dzeñ o pod-

wy¿szonym wspó³czynniku
niezawodnoœci, które jednoz-
nacznie prowadz¹ do zwiêksze-
nia jakoœci systemów. Uzyska-

nie wysokiego poziomu nieza-
wodnoœci systemu zale¿y od ja-
koœci poszczególnych urz¹-
dzeñ. Istotne jest równie¿ za-
pewnienie poprawnej wspó³p-
racy pomiêdzy poszczególnymi
urz¹dzeniami wchodz¹cymi w
sk³ad systemu zasilania (zasila-
cze, baterie akumulatorów, sys-
temy dystrybucji) oraz stosowa-
nie uk³adu mnitorowania i ste-
rowania systemem.

Systemy zasilania pr¹dem

sta³ym doskonalone s¹ na wie-
lu p³aszczyznach. Wprowadza-
nie zmian w systemach zasila-
nia wymaga jednak ich koordy-
nacji. Na przyk³ad zmiana ba-
terii akumulatorów na akumula-
tory ¿elowe wymaga zastoso-
wania zasilaczy o zdecydowanie
ni¿szym poziomie têtnieñ na-
piêcia wyjœciowego. Nie dosto-
sowanie zasilaczy do nowych
baterii spowoduje obni¿enie
niezawodnoœci systemu, a na-
wet mo¿e doprowadziæ do usz-
kodzenia jego elementów.

Jednym z najprostszych uk-

³adów jest uk³ad szeœciopulso-
wego zasilacza bateryjnego.
Energia pobierana jest z sieci
energetycznej przez trójfazowy
transformator zapewniaj¹cy izo-
lacjê galwaniczn¹ miêdzy sieci¹
energetyczn¹ a szynami napiê-
cia sta³ego. Napiêcie prostowa-
ne przez uk³ad mostkowy z³o-
¿ony z tyrystorów filtrowane jest
do baterii akumulatorów. Kon-
sekwencj¹ zasilania uk³adu na-
piêciem o czêstotliwoœci 50 Hz
s¹ du¿e gabaryty transformato-
ra wejœciowego oraz filtru dol-
noprzepustowego. Czêstotli-
woϾ pracy prostownika tyrysto-
rowego 6-pulsowego (300 Hz)
decyduje o wysokim poziomie
têtnieñ napiêcia wyjœciowego
zasilacza i dlatego w uk³adzie
musz¹ byæ stosowane filtry wyj-
œciowe o bardzo du¿ej sta³ej
czasowej. Zapewniaj¹ one lep-
sz¹ filtracjê napiêcia, ale powo-
duj¹ te¿ woln¹ reakcjê syste-
mów regulacji napiêcia wyjœcio-
wego na szybkie zmiany obci¹-

mgr in¿. Rafa³ Drê¿ek

dr in¿. Wojciech Szaraniec

dr in¿. Wojciech Warda

MEDCOM Sp. z o.o.

F

48

www.elektro.info.pl

9/2002

¿enia. Oznacza to, ¿e przy im-
pulsowej zmianie pr¹du obci¹-
¿enia (poni¿ej czasu regulacji)
energia jest pobierana z baterii
akumulatorów.

Prostownik szeœciopulsowy

pobiera z sieci energetycznej od-
kszta³cony pr¹d o du¿ej zawar-
toœci wy¿szych harmonicznych
(szczególnie trzecia, pi¹ta
i siódma). Przesuniêcie fazowe
miêdzy pr¹dem i napiêciem
wejœciowym zale¿y od stopnia
wysterowania ³¹czników tyrys-
torowych, tak wiêc przy du¿ym
zakresie regulacji napiêcia wyj-
œciowego uk³ad cechuje siê
niskim wspó³czynnikiem
cos(

ϕ). Dziêki prostocie konst-

rukcji przedstawiony uk³ad
nadaje siê do zastosowañ o du-
¿ej mocy wyjœciowej.

W celu zmniejszenia oddzia-

³ywania na liniê zasilaj¹c¹ sto-
suje siê uk³ady o wiêkszej iloœ-
ci pulsów. Przyk³adem uk³adu
o mniejszym oddzia³ywaniu
jest uk³ad prostownika 12-pul-
sowego. Sk³ada siê on z dwóch
prostowników 6-pulsowych pra-
cuj¹cych przez d³awiki wyrów-
nawcze na wspólne obci¹¿enie.
Ka¿dy z prostowników jest za-
silany z osobnych uzwojeñ tran-
sformatora, a uk³ad po³¹czeñ
zapewnia przesuniêcie fazowe
miêdzy napiêciami zasilaj¹cymi
obu prostowników. W porówna-
niu z prostownikiem 6-pulso-
wym, uk³ad pobiera mniej od-

kszta³cony pr¹d z sieci energe-
tycznej oraz zapewnia dwukrot-
nie wy¿sz¹ czêstotliwoœæ têt-
nieñ napiêcia wyjœciowego.
Wy¿sza czêstotliwoœæ têtnieñ
pozwala na zmniejszenie sta³ej
czasowej filtru wyjœciowego,
bez pogorszenia zawartoœci na-
piêcia têtnieñ w przebiegu wyj-
œciowym. Umo¿liwia to rów-
nie¿ skrócenie czasu odpowie-
dzi zasilacza na skokowe zmia-
ny pr¹du obci¹¿enia.

W celu skrócenia odpowiedzi

prostowników tyrystorowych na
skokowe zmiany pr¹du obci¹-
¿enia opracowano klasê zasila-
czy „wtórnie taktowanych”. Ty-
powy uk³ad trójfazowy, wtórnie
taktowany, zasilacza bateryjne-
go sk³ada siê z transformatora
wejœciowego 50 Hz, 6-pulso-
wego prostownika diodowego,
wstêpnego filtru z pojemnoœci¹
oraz z uk³adu czopera, zapew-
niaj¹cego regulacjê napiêcia
wyjœciowego.

Od strony sieci energetycznej

zasilacz zachowuje siê jak pros-
townik tyrystorowy. Ze wzglêdu
na brak sterowania zaworów
pó³przewodnikowych (diody
prostownicze), uk³ad charakte-
ryzuje siê sta³ym wspó³czynni-
kiem mocy cos(

ϕ) oraz brakiem

regulacji napiêcia na pojemnoœ-
ci filtruj¹cej. Tor (transformator
zasilaj¹cy, prostownik diodowy
oraz filtr pojemnoœciowy) pra-
cuje z czêstotliwoœci¹ 50 Hz.

Gabaryty transformatora zasila-
j¹cego, prostownika diodowego
i filtru s¹ porównywalne z roz-
wi¹zaniem zasilacza tyrystoro-
wego. W celu dopasowania na-
piêcia wyjœciowego do aktual-
nego zapotrzebowania baterii
akumulatorów, uk³ad jest wy-
posa¿ony w czoper tranzystoro-
wy reguluj¹cy napiêcie wyjœcio-
we. Tranzystor czopera jest
w³¹czany i wy³¹czany z czês-
totliwoœci¹ kilkunastu kHz
i z wype³nieniem zale¿nym od
potrzebnej ró¿nicy napiêæ miê-
dzy napiêciem na kondensato-
rze i na baterii. Wysoka czêstot-
liwoœæ ³¹czeñ tranzystora poz-
wala na oko³o 100-krotne
zmniejszenie sta³ej czasowej
filtru wyjœciowego (100-krotnie
wy¿sza czêstotliwoœæ têtnieñ).
Filtr wyjœciowy jest znacznie
mniejszy w stosunku do filtrów
w zasilaczach tyrystorowych,
a osi¹gana dynamika sterowa-
nia pozwala na nad¹¿anie za
szybkimi zmianami pr¹du ob-
ci¹¿enia systemu pr¹du sta³e-
go. W stanie pracy buforowej,
dynamicznie zmieniaj¹cy siê
pr¹d obci¹¿eñ p³ynie w obwo-
dzie zasilacza, a nie baterii aku-
mulatorów.

Kolejnym krokiem jest przej-

œcie do uk³adów „pierwotnie
taktowanych”, umo¿liwiaj¹-
cych transformowanie energii
(izolacja galwaniczna od sieci
energetycznej) z zastosowaniem
wysokiej czêstotliwoœci przek-
szta³cania energii elektrycznej.
Pozwala to na eliminacjê du-
¿ych i ciê¿kich podzespo³ów
magnetycznych pracuj¹cych
z czêstotliwoœci¹ sieciow¹.

W odró¿nieniu od poprzed-

nio omawianych uk³adów, uk-
³ady z taktowaniem po stronie
pierwotnej nie s¹ wyposa¿one
w transformator sieciowy, lecz
w transformator wysokiej czês-
totliwoœci znajduj¹cy siê za
prostownikiem sieciowym. Na-

piêcie sieciowe jest wstêpnie
prostowane i filtrowane. Pó³-
mostkowy falownik napiêcia ge-
neruje prostok¹tn¹ falê napiê-
cia o czêstotliwoœci kilkunastu
kHz, która jest doprowadzona
do transformatora wysokiej
czêstotliwoœci, a nastêpnie do
prostownika z filtrem dolnoprze-
pustowym. Dziêki wysokiej
czêstotliwoœci przekszta³cania
energii, transformator oraz filtr
wyjœciowy cechuj¹ siê niewiel-
kimi gabarytami. Kolejn¹ ko-
rzystn¹ cech¹ zasilaczy z pros-
townikiem sieciowym jest nieza-
wodnoœæ pracy osi¹gniêta
przez prostotê rozwi¹zania.
Rozwi¹zanie z taktowaniem po
stronie pierwotnej ma jednak
wadê polegaj¹c¹ na tym, ¿e
pr¹d pobierany z sieci jest bar-
dzo odkszta³cony (prostownik
szczytowy). Przy pracy z „miêk-
kimi” sieciami energetycznymi
lub agregatami pr¹dotwórczymi
ma³ej mocy, konieczne jest sto-
sowanie prostowników z uk³a-
dami PFC (Power Factor Correc-
tion). Uk³ad taki pobiera z sie-
ci pr¹d o sinusoidalnym kszta³-
cie i zerowym przesuniêciu
w stosunku do napiêcia zasila-
j¹cego. Innym sposobem na og-
raniczenie odkszta³ceñ pr¹du
pobieranego z sieci jest zastoso-
wanie filtru aktywnego wy¿-
szych harmonicznych pr¹du.
Filtr taki sk³ada siê z tranzysto-
rowego falownika mostkowego
zasilanego z baterii kondensato-
rów. W chwilach zwiêkszonego
zapotrzebowania na moc ze
strony obci¹¿enia dostarczana
jest energia zgromadzona
wczeœniej w kondensatorze.
Pr¹d falownika jest kontrolowa-
ny w systemie nad¹¿nym tak,
aby suma pr¹du obci¹¿enia
i pr¹du filtru aktywnego dawa-
³a razem pr¹d sinusoidalnie
zmienny (pr¹d pobierany z sie-
ci). W zakresie produkcji firmy
MEDCOM znajduj¹ siê filtry ak-

Rys. 1 Charakterystyka napiêciowo-pr¹dowa zasilacza

tywne o bardzo szerokim zakre-
sie mocy znamionowej.

Na uwagê zas³uguje sposób

pod³¹czenia filtru. Jest on do-
³¹czany równolegle do sieci,
tak wiêc mo¿liwe jest do³¹cze-
nie go do istniej¹cych urz¹-
dzeñ, pobieraj¹cych odkszta³-
cony pr¹d. Ze wzglêdu na nie-
zawodnoœæ systemu, do³¹czo-
ny do sieci równolegle filtr ak-
tywny jest korzystniejszy ni¿
szeregowo w³¹czony uk³ad
prostownika z PFC. W przypad-
ku awarii filtru jest on od³¹cza-
ny przez bezpiecznik, a chronio-
na sieæ pracuje dalej bez kom-
pensacji wy¿szych harmonicz-
nych pr¹du. W przypadku awa-
rii prostownika z PFC do³¹czo-
ne do niego odbiory s¹ pozba-
wione zasilania.

Ostatnio coraz czêœciej,

szczególnie w zasilaczach ma-
³ej mocy, stosuje siê uk³ady
z falownikami rezonansowymi.
Wykorzystuj¹ one naturalne
miejsca przejœcia przez war-
toœæ zerow¹ napiêæ i pr¹dów
obwodu rezonansowego (L1,
C3) do bezstratnego prze³¹cze-
nia zaworów pó³przewodniko-
wych. Mo¿na w ten sposób
znacznie zwiêkszyæ czêstotli-
woœæ pracy bez zwiêkszenia
komutacyjnych (prze³¹czenio-
wych) strat mocy. Podniesienie
czêstotliwoœci pracy pozwala

na dalsze znaczne zmniejszenie
gabarytów podzespo³ów mag-
netycznych oraz na dalsze skró-
cenie czasu regulacji napiêcia
wyjœciowego. Zastosowanie
miêkkich (bezstratnych) komu-
tacji ogranicza poziom genero-
wanych przez zasilacz zak³ó-
ceñ elektromagnetycznych.

charakterystyki

wyjœciowe

zasilaczy

Charakterystyki wyjœciowe

zasilaczy s¹ kszta³towane przez
odpowiednie uk³ady sprzê¿eñ
i regulatorów wielkoœci mierzo-
nych. Niezale¿nie od topologii
zasilacza i jego charakterystyki,
wyjœciowe s¹ okreœlone przez
wielkoœci graniczne. Podstawo-
wa charakterystyka napiêciowo
– pr¹dowa jest przedstawiona
rysunku 1. Napiêcie wyjœciowe
zasilacza jest utrzymywane na
sta³ym poziomie, niezale¿nie
od wartoœci pobieranego pr¹du.
Po przekroczeniu wartoœci pr¹-
du ograniczenia uk³ad przecho-
dzi na charakterystykê pr¹dow¹
tak, aby pr¹d wyjœciowy równy
by³ wartoœci pr¹du ogranicze-
nia – niezale¿nie od wartoœci
napiêcia na zaciskach wyjœcio-
wych.

Urz¹dzenia zasilaj¹ce s¹ bu-

dowane na okreœlon¹ moc.
Mo¿liwe jest zwiêkszenie pr¹du
wyjœciowego zasilaczy impulso-
wych w miarê zmniejszania na-
piêcia wyjœciowego. Charakte-
rystykê napiêciowo-pr¹dow¹
z ograniczeniem mocy wyjœcio-

wej przedstawiono na rysun-
ku 2.

Ze wzglêdu na du¿¹ zmien-

noœæ pr¹du pobieranego przez
odbiory, wielkoœæ pr¹du ³ado-
wania akumulatorów mog³aby
w skrajnych przypadkach
znacznie przekraczaæ wartoœæ

Rys. 3 Charakterystyka napiêciowo-pr¹dowa zasilacza z ograniczeniem

pr¹du ³adowania baterii i zakazanym obszarem zbyt niskich napiêæ

wyjœciowych (stan zwarcia)

F

Rys. 2 Charakterystyka napiêciowo-pr¹dowa zasilacza z ograniczeniem mocy

wyjœciowej

Domu Wydawniczego MEDIUM

oferuje ksi¹¿ki z zakresu:

t

budownictwa

t

gazownictwa

t

wentylacji i klimatyzacji

t

ch³odnictwa

t

ochrony œrodowiska

t

instalacji elektryczne

prenumerata

q atrakcyjne ceny
q korzystne warunki
q minimum formalnoœci
q rzetelnoœæ wysy³ki

Szczegó³owe informacje
pod nr telefonu (0-22) 612-51-39

ksiêgarnia

jest wykorzystywany do sygnali-
zacji alarmu zwarcie lub niskie
napiêcie wyjœciowe.

W przypadku du¿ych zmian

temperatury, w pomieszczeniu
akumulatorni konieczne staje
siê wprowadzenie temperaturo-
wej kompensacji napiêcia ³a-
dowania podczas pracy buforo-
wej. Napiêcie wyjœciowe zasila-
cza, zgodnie z rysunkiem 4, jest
zmniejszane wraz ze wzrostem
temperatury ogniw. Ze wzglêdu
na siln¹ nieliniowoœæ charakte-
rystyk i ró¿nice charakterystyk
akumulatorów ró¿nych produ-
centów, dobrym rozwi¹zaniem
jest wprowadzenie tabel war-
toœci napiêæ dla poszczegól-
nych temperatur.

W czasie formowania baterii

lub szybkiego ³adowania jest
mo¿liwe samopodgrzanie siê
akumulatorów do wartoœci nie-
bezpiecznej dla ogniw. Z tego
powodu wprowadza siê ograni-
czenie pr¹du ³adowania baterii
w zale¿noœci od temperatury
ogniw. Po przekroczeniu tempe-

ratury 35-40°C wartoœæ ogra-
niczenia pr¹du baterii jest
zmniejszana do 0,5

C10

, a po

przekroczeniu temperatury 45-
50°C do wartoœci 0,01

C10

. Od-

powiednie charakterystyki ilust-
ruje rysunek 5.

Rysunek 6 przedstawia cha-

rakterystyki napiêciowo-pr¹do-
we zasilacza z zaznaczonymi
poziomami alarmowymi i ob-
szarem zakazanym. Liniami
przerywanymi zaznaczono po-
ziomy minimalnego i maksymal-
nego napiêcia wyjœciowego
oraz maksymalny poziom wyjœ-
ciowego pr¹du zasilacza. Przek-
roczenie tych poziomów uak-
tywnia odpowiednie alarmy. Na
rysunku 6 jest zaznaczony zaka-
zany obszar pracy poni¿ej war-
toœci ograniczenia napiêcia ³a-
dowania i po lewej stronie od
wartoœci ograniczenia pr¹du
baterii akumulatorów. Praca
w tym obszarze oznacza awariê
uk³adu i jest sygna³em do uak-
tywnienia alarmu „uszkodzenie
uk³adu ³adowania”.

q

Rys. 6 Charakterystyka napiêciowo-pr¹dowa zasilacza z zaznaczonymi

poziomami alarmowymi i obszarem zakazanym

Rys. 4 Charakterystyka zmian napiêcia pracy buforowej w funkcji temperatury

baterii akumulatorów

Rys. 5 Zmiana pr¹du ³adowania baterii akumulatorów w funkcji temperatury

ogniw

dopuszczaln¹. W tym celu zasi-
lacze s¹ wyposa¿ane w dodat-
kowy regulator pr¹du ³adowa-
nia baterii akumulatorów. Cha-
rakterystyki napiêciowo-pr¹do-
we ilustruje rysunek 3.

Napiêcie wyjœciowe zasila-

cza jest utrzymywane na pozio-
mie napiêcia pracy buforowej.
Po przekroczeniu wartoœci ogra-
niczenia pr¹du baterii lub prze-
kroczenia wartoœci ograniczenia
pr¹du zasilacza, przechodzimy

na odpowiedni¹ charakterysty-
kê stabilizacji pr¹du baterii na
poziomie I

bat

lub stabilizacji pr¹-

du zasilacza na poziomie I

max

.

Na rysunku 4 zaznaczono ob-
szar zakazany pracy zasilacza
oznaczony wykrzyknikami. Ob-
szar charakteryzuje siê niskimi
wartoœciami napiêcia wyjœcio-
wego zasilacza i jest mo¿liwy
do uzyskania w czasie zwaræ
w obwodach obci¹¿enia lub po
od³¹czeniu baterii. Obszar ten