Zastosowanie zasilaczy i układów przetwornic napięcia stałego

 

Zasilacze są niezbędne w systemach automatyki przemysłowej, natomiast przetwornice prądu stałego pozwalają na zmianę napięcia prądu stałego i na separację galwaniczną.

Zasilacze, jakie znajdują zastosowanie w przemyśle, to przede wszystkim urządzenia stabilizowane, zatem napięcie utrzymuje się na stałym poziomie, a fluktuacja prądu nie wpływa na jego wartość. W zasilaczach niestabilizowanych napięcie na wyjściu może ulegać zmianie podczas fluktuacji prądu. Przeznaczenie urządzeń zasilających może być uniwersalne lub specjalizowane.

Zasilacze są klasyfikowane z uwzględnieniem sposobu przetwarzania prądu, zatem zastosowanie znajdują urządzenia przekształcające prąd przemienny na stały (AC/DC), natomiast odrębną grupę stanowią przetwornice prądu stałego (DC/DC), stosowane w aplikacjach wymagających zmiany wartości napięcia prądu stałego. Jest też zapotrzebowanie na urządzenia przetwarzające prąd stały na przemienny.

 

Zasilacze do szaf sterowniczych

Najprostsze zasilacze to urządzenia jednowyjściowe. Wykorzystywana może być przy tym sygnalizacja przekaźnikowa poprawności pracy oraz trójstanowy przełącznik napięcia wyjściowego. Bezpieczeństwo zasilacza i podłączonego odbiornika zapewnia ochrona przed zwarciem, przegrzaniem i przeciążeniem oraz układ kontrolowania napięcia wyjściowego. Ważna jest dodatkowa regulacja napięcia wyjściowego.

Nowoczesne zasilacze bazują na budowie modułowej, przez co, dodając kolejne jednostki, zwiększa się funkcjonalność urządzenia. Na przykład dzięki modułom zasilania redundantnego, przy normalnej pracy, obciążenie rozkłada się równomiernie na każdy zasilacz. W przypadku wystąpienia błędów w jednym zasilaczu, drugi moduł jest w stanie przejąć całe obciążenie. Zastosować można moduł buforowy 24 V, który dostarcza napięcie podczas krótkotrwałych przerw w dostawie prądu. Niejednokrotnie używa się modułów do kontroli akumulatorów. Takie rozwiązanie pozwala na stworzenie kompletnego systemu ładowania i nadzorowania akumulatorów. Niektóre zasilacze mogą być połączone szeregowo, co pozwala na uzyskanie wyższego napięcia wyjściowego i napięcia symetrycznego, przy czym można korygować współczynnik mocy.

Bardziej zaawansowane zasilacze mają wyświetlacze LED lub wyświetlacze ciekłokrystaliczne, które informują o takich wartościach, jak napięcia prądu, chwilowe napięcia prądu szczytowego oraz czas działania. Można zaprogramować alarmy dla zbyt niskiego napięcia lub określonego czasu działania.

W systemach automatyki najczęściej stosuje się zasilacze o mocy od 25 do ponad 3600 W przy napięciach wyjściowych 12, 24, 48, 60, 110 i 220 DC. Bardzo często w zasilaczach uwzględnia się współpracę z baterią akumulatorów, a także dedykowane algorytmy ładowania i nadzoru baterii, pracę równoległą, dodatkową sygnalizację oraz komunikację cyfrową.

Systemy automatyki nie obejdą się również bez zasilaczy specjalizowanych. W takich aplikacjach urządzenia projektowane są indywidualnie z uwzględnieniem wymaganych parametrów elektrycznych, kształtów, wymiarów, warunków środowiskowych oraz rodzaju współpracującego akumulatora. Dobierany jest odpowiedni rodzaj przetwarzania AC/DC, DC/AC, DC/DC, a także akwizycja danych, punkty pomiarowe oraz komunikacja w układach nadzoru. Tworzone są odpowiednie aplikacje komputerowe pozwalające na współpracę ze sterownikami.

W zasilaczach przeznaczonych do pracy równoległej przewiduje się do kilkunastu jednostek bez konieczności stosowania dodatkowych układów zewnętrznych. Pomiędzy połączonymi zasilaczami występuje równy podział prądu obciążenia. Praca oraz występujące błędy są sygnalizowane. Niejednokrotnie projektuje się możliwość podłączenia zewnętrznego układu regulacji napięcia (np. potencjometru lub aktywnej sondy temperaturowej).

Wiele aplikacji w zakresie systemów zasilania automatyki przemysłowej wymaga przetwornic napięcia stałego z izolacją galwaniczną pomiędzy wejściem i wyjściem. W nowoczesnych przetwornicach uwzględnia się konstrukcję modułową przy pracy równoległej, przez co zwiększana jest moc i prąd wyjściowy przetwornicy. Przetwornice mogą też być zasilane napięciem zmiennym – urządzenie pracuje wtedy jak typowy zasilacz.

 

Zasilacze sieciowe wolnostojące

Zasilacze sieciowe wolnostojące wykonywane są jako stabilizowane i niestabilizowane. Dzięki systemowi ochrony PTC urządzenie powraca do stanu wyjściowego w przypadku przerwania napięcia wejściowego. Dostępne są także zasilacze przeznaczone do zasilania np. komputerów i urządzeń pomiarowych. Wyjście zabezpieczone jest przed zwarciami. Nabyć można zasilacze potrójne z trzema niezależnymi napięciami wyjściowymi. Mają one filtry RF, które redukują zakłócenia wysokiej częstotliwości. Istotne są także ograniczniki prądu oraz uziemienia. Przydatne w wielu zastosowaniach będą zasilacze z płynną regulacją napięcia wyjściowego.

 

Siłownie prądowe

Największe moce wyjściowe osiągają siłownie prądowe. W zależności od mocy są one zasilane napięciem przemiennym o napięciu 230 V lub 380 V. Niejednokrotnie uwzględnia się dodatkowe źródło zasilania w postaci akumulatorów, ewentualnie agregatu prądotwórczego. Podstawowy element każdej siłowni to moduły prostownikowe pracujące równolegle. Ważne są układy monitorowania napięcia zasilania.

W siłowniach istotny jest rozłącznik głębokiego rozładowania (RGR). Jeżeli dochodzi do długotrwałego braku napięcia sieci, to w odpowiednim momencie odłączane są baterie. Tym sposobem bateria chroniona jest przed zniszczeniem, które może być efektem nadmiernego rozładowania.

Pracę siłowni prądu stałego nadzoruje sterownik kontrolujący takie parametry, jak napięcie odbioru, a także prąd: prostowników, odbiorów, baterii oraz temperatura baterii i otoczenia. Ważne są alarmy niskiego i wysokiego napięcia. Sterownik odpowiada za samoczynne ładowanie baterii, pozwala na wyświetlanie alarmów w postaci komunikatów oraz automatycznie zgłasza stany alarmowe do urządzeń zewnętrznych, rejestrując historię zdarzeń. Jest możliwe uruchomienie siłowni bez obecności sieci elektroenergetycznej (tzw. zimny start). Prostownik może być wymieniany w obecności napięcia. Podczas pracy siłowni można wymienić sterownik, wyświetlacz i zespół we/wy. Zabezpieczenie przepięciowe obwodów zasilania sieciowego umożliwia łatwą wymianę wkładek warystorowych.

Podstawowym trybem pracy siłowni jest zasilanie odbiorników w oparciu o sieć elektroenergetyczną poprzez dostarczanie napięcia niezbędnego do utrzymania stanu ciągłego naładowania baterii. Tym sposobem nie dochodzi do rozładowania baterii nawet przy dynamicznych zmianach obciążenia. Dla ochrony akumulatorów ważna jest temperaturowa kompensacja napięcia buforowania.

Siłownia może pracować również w trybie ładowania z szybkim ładowaniem baterii, gdy przez dłuższy czas była z niej pobierana energia. Szybkie ładowanie odbywa się poprzez podwyższone napięcie akumulatorów dołączonych do zasilanych urządzeń.

Siłownie mogą realizować funkcję zasilania „na przelot”, zatem dołączone odbiorniki są zasilane bezpośrednio napięciem stałym. W tym czasie bateria nie bierze udziału w procesie zasilania. Nowoczesne siłownie pozwalają również na testowanie baterii.

Używany jest również tryb zasilania bateryjnego, a więc prostowniki są wtedy wyłączone, a zasilanie odbywa się przy użyciu baterii, co trwa do momentu zadziałania rozłącznika głębokiego rozładowania. Praca w tym trybie jest sygnalizowana komunikatem: „bateria całkowicie rozładowana”.

 

Przetwornice napięcia stałego

Przetwornice prądu stałego, które bardzo często nazywane są konwerterami DC/DC, zazwyczaj wykorzystują przetwarzanie impulsowe. Zyskuje się separację galwaniczną dwóch obwodów prądu stałego ze stabilnym napięciem zasilania odbiorników.

Najmniejsze przetwornice zostały zaprojektowane z myślą o bezpośrednim montażu do płytki obwodów elektronicznych. Dostępne są także modele przetwornic z podwójnym napięciem oraz wspólnym zerem na wyjściu. W niektórych urządzeniach przewiduje się filtry wejściowe. W elektronice przydatne są konwertery prądu stałego załączane i wyłączane przy użyciu sterowania zewnętrznego.

Przetwornice prądu stałego wykorzystywane w przemyśle to urządzenia o stabilnym napięciu wyjściowym przy niskim poziomie zakłóceń oraz tętnień. Zastosowanie obejmuje aplikacje wymagające wielonapięciowych systemów zasilania, separowania galwanicznego obwodów oraz stabilizowania napięcia stałego w szerokim zakresie napięć wejściowych. Przetwornice prądu stałego dobrze sprawdzają się przy eliminowaniu zakłóceń. Niektóre modele wyposażono w ciekłokrystaliczny panel sterowania i kontroli. Tym sposobem użytkownik zyskuje ciągły podgląd wartości napięcia wyjściowego oraz występujących błędów. Dane wprowadzane są za pomocą klawiatury, a wszystkie parametry można wizualizować na pomocą komputera PC i specjalistycznego oprogramowania. Dostępne na rynku obudowy pozwalają na montaż w szafie RACK 19" oraz za pomocą szyny DIN. Nabyć można również przetwornice prądu stałego w obudowie wolnostojącej.

Niektóre przetwornice zaprojektowano z myślą o zasilaniu szeroko rozumianych urządzeń automatyki przemysłowej, a także systemów mikroprocesorowych w instalacji prądu stałego o napięciu 9–72 V. Na wyjściu zyskuje się napięcie 12, 24 i 48 V.

 

Wybór przetwornicy

Podczas wyboru przetwornicy prądu stałego bierze się pod uwagę kilka grup parametrów. W zakresie parametrów wejściowych ważny jest dopuszczalny zakres zmian napięcia wejściowego oraz poziom zakłóceń radioelektrycznych. Dobierane są odpowiednie parametry wyjściowe: sprawność w warunkach znamionowych, stabilizacja od zmian napięcia zasilania, stabilizacja od zmian prądu obciążenia, tętnienia (wartość międzyszczytowa, wartość skuteczna), amplituda przeregulowania przy skoku prądu od 20% do 100%, czas ustalania przeregulowania, regulacja napięcia wyjściowego, współczynnik temperaturowy napięcia wyjściowego.

Trzeba zwrócić uwagę na zabezpieczenia, takie jak przeciążeniowe, zwarciowe, nadnapięciowe oraz sygnalizacji poprawnej pracy. Ważne jest bezpieczeństwo użytkowania w zakresie wytrzymałości elektrycznej między obwodami wejściowymi a obwodami wyjściowymi, obwodami wejściowymi a obudową oraz obwodami wyjściowymi a obudową. Oprócz tego należy zwrócić uwagę na parametry środowiskowe.

 

Podsumowanie

Ostatnie lata w rozwoju branży zasilania przyniosły znaczne zmiany w dziedzinie mikroprocesorowego sterowania i kontroli pracy układów nowoczesnych urządzeń zasilających. Postępująca miniaturyzacja, zarówno samych układów sterujących, jak i elementów mocy (tranzystory MOSFET), doprowadziła do zmniejszenia gabarytów zasilaczy, przetwornic oraz inwerterów nawet trzykrotnie, przy zachowaniu tej samej mocy. Liderzy rynku chwalą się zasilaczami o sprawności powyżej 96,5%. Wyższa sprawność to nie tylko niższe zużycie energii, ale również niższa emisja ciepła.

Zwraca uwagę coraz większy nacisk kładziony na ekologię i rozwiązania dedykowane odnawialnym źródłom energii. Sektor ten ciągle się rozwija i ma bardzo wiele nowości. Chodzi np. o prostowniki wysokiej sprawności (HE) lub prostowniki solarne.

Ciekawe rozwiązania pojawiły się także w sprzęcie inwertorowym. Dzięki zastosowaniu inwertora i prostownika w jednym module jest możliwe jego zasilanie z dwóch źródeł DC i AC.

Nie wszystkie trendy rozwoju bezpośrednio związane są z samymi zasilaczami. Nie mniej ważnymi elementami systemu zasilania są moduły komunikacyjne umożliwiające zdalny dostęp, monitoring i kontrolę systemu, wykorzystując różne media i protokoły transmisji. Każdy nowoczesny system zasilania powinien umożliwiać integrację z systemami monitoringu i typowymi systemami monitoringu przebiegu procesów technologicznych (SCADA).

 

Marcin Sobczak

Oferta: automatyka magazynowa, case study, centrum logistyczne, dystrybucja, logistyka, magazyn, magazynier, operator logistyczny, palety, regały, studia przypadków, system wms, wózek widłowy, wózki widłowe

Background Image

Header Color

:

Content Color

:

Strona korzysta z plików cookies w celu realizacji usług zgodnie z Polityką prywatności. Możesz określić warunki przechowywania lub dostępu do cookie w Twojej przeglądarce lub w konfiguracji usługi. Polityka prywatności.