Áramkörök

Az elején kezdeném, az AC/DC átalakítókkal.

Két csoportra osztható, elsődleges funkcióját tekintve:
- Tápegység
- Akkumulátor-töltő

Felépítésük lehet azonos, csak a prioritások vannak másképp meghatározva.
A tápegység esetében ugye a fogyasztó az első, míg az akkumulátor-töltő esetén az akkumulátor.
Azért tárgyalom külön ezeket, mert egy online UPS tartalmazhat akár két AC/DC konvertert, az egyik az akkumulátor-töltő, míg a másik az invertert látja el, amíg a betáplálás rendelkezésre áll (elég gyakori megoldás az üzleti vonalba szánt egységek között).

Akkumulátor-töltő, mint UPS:

Egy akkumulátor telep (24V DC a legkisebb névleges kimeneti feszültség, amit ipari méretekben használnak) egy töltőre kapcsolva. Normál körülmények között a töltőáramkör szolgálja ki a fogyasztót. Amint megszűnik a betáplálás, az akkumulátor telep veszi át ezt a feladatot.
A fogyasztóra jutó feszültség pl. sorba kapcsolt diódákkal csökkenthető igény esetén (akár időszakosan kiiktatva, így kompenzálva a merülő telep csökkenő feszültségét), de sokszor az UPS kimeneten van egy vagy több stabilizált tápegység (DC/DC átalakító), ha a fogyasztó úgy kívánja meg.

A kimeneten 2% feszültség ripple (hullámzás) az elfogadott (amikor az akkumulátor telep csatlakoztatva van), a feszültség szabályozás pedig 1% betápláló feszültségtől függetlenül (amíg az az előírt működési tartományban van a bemeneti feszültség, ami +/- 10%)
Az MSZ által támasztott követelményeket nem ismerem, ezek mind az ausztrál AS4044-ből származnak.

A 3 legfontosabb dolog egy töltő esetében:
1. Akkumulátor feszültség szabályozás (hőmérséklet kompenzálással)
2. Akkumulátor-töltő áram korlátozás
3. Maximális kimenő áram korlátozása a töltő áramkörnek

Védelmek sora van beépítve, mind az akkumulátor, mind a töltő érdekében:
• Túlfeszültség vedelem (több szintű, a végső megoldás az AC táp lekapcsolása)
• Akkumulátor túlmelegedés elleni védelme
• Rövidzárlat és túlterhelés elleni védelmek (biztosítékok és (kis)megszakítók)
• Mélykisütés elleni védelem (akkumulátor lecsatlakoztatása bizonyos feszültségszint alatt)
• Fordított polaritás védelem (magát a töltőt védi az akkumulátorral szemben)
• Egyenirányító híd, dióda / tirisztor meghibásodás elleni védelem
• Visszáram korlátozása / megszüntetése a szűrőáramkör irányába az akkumulátortól
• Félvezető hőmegfutás elleni védelem
• Komplett kommunikációs egység specifikus hibakódokkal

Átlagos tirisztoros rendszer felépítése:

1. Kép

Ez lenne egy nagyon általános egyfázisú SCR híd egyenirányító, a leválasztó transzformátor előtt az RF zavar szűrő, a híd után az LC szűrő. Amint látható, a transzformátor szekunder oldala két részre bontott, a fő tekercselés kimeneti feszültség szintje attól függ, mekkora a DC feszültség szint, míg a segédtekercselés az elektronika tápellátásáért felelős (18V AC esetünkben).
Az átalakító bemeneti fázisszöge 0 fokos gyújtásnál a legjobb, ahogy növeljük a gyújtásszöget 90 fokig, úgy romlik a fázisszög, és vele növekszik a a fázishasításból eredő zaj, ezért is van szűrőáramkör az AC oldalon, hogy ezen zaj lehetőleg ne kerülhessen vissza a tápláló hálózatra.
Érdekesség, ezen megoldás fázisszöge valahol 0,7 - 0,8 környékére várható külön fázisjavítás nélkül, teljes terhelés mellett a hatásfoka pedig ~65%.

Maga a tirisztorok gyújtását szabályzó elektronika lehet analóg illetve digitális vagy ezek keveréke. A gyújtás időzítésével lehet a kimenő feszültséget illetve áramot szabályozni.
Az időzítése azon alapszik, hogy hol van a bejövő AC feszültség 0 átmenete.
Persze rafinált a dolog, mert a bemeneti szinusz hullámot fűrészfog jellé alakítva, kapunk egy alap jelet. Ha ezt a jelet 0V-hoz hasonlítjuk, és jelalak formázással impulzussá alakítjuk, akkor a metszéspontban máris megvan a gyújtás jele 0 fokhoz. Ha pedig nem 0V-hoz hasonlítjuk, hanem egy változtatható feszültséghez (referencia), amint a fűrészfog jel keresztezi a referencia feszültségszintet, akkor történik a gyújtás.

A fentiekben vázolt megoldás egy egyszerű analóg RAMP működési elve.
A referencia jelet úgy kell módosítani, hogy a kimeneti feszültség és áram mindig megfeleljen a kívánalmaknak.
Feszültséget legalább 4 helyen, áramot legalább 2 helyen és hőmérsékletet legalább 2 helyen kell mérni, ezeket a jeleket át kell alakítani, hogy módosítani tudja a referencia jelünket.
Ebbe bele lehet menni a végtelenségig, annyiféle tirisztoros megoldás létezik.

Átlagos kapcsoló üzemű rendszer felépítése:

2. Kép

Ami a 2. képen látható, az egy IGBT-vel (szigetelt kapuval ellátott bipoláris tranzisztor) kivitelezett 3 fázisú, kapcsoló üzemű táp. A leválasztó transzformátor hiányzik, de a lényeg látható.
A 3 fázisú egyenirányító-híd után szűrjük / simítjuk (LC szűrő) az egyenáramot, majd az aktív kapcsoló elemre kerül, ami maximum 2 kHz környékén kapcsolgat ki-be. Maximálisan 98% körül van a kapcsolás kitöltési tényezője.

A kitöltési tényező változtatásával lehet a kimenő feszültséget és áramot változtatni (PWM impulzus szélesség moduláció), a kimenet ugyan úgy szűrésre / simításra szorul (LC szűrő).
A PWM jelet szintén a mért feszültségek, áramok és hőmérsékletek függvényében módosítjuk, mint az előző esetben. Ez történhet szintén analóg, digitális, illetve ezek kombinált formájában.
Érdekesség, a fázisszög elméletben 1 is lehet, hatásfoka pedig 80-90% környékén van.
Az IGBT igen széles körben elterjedt ipari felhasználásban, hiszen sokkal stabilabb, mint a FET ezen felhasználási területen. Gyakorlatilag minden ipari VFD (Variable Frequency Drive, frekvenciaváltó motor indító áramkör) és nagy teljesítményű UPS (10kVA+) ezekre épül

Aktív egyenirányítóval üzemelő (fordított inverter)

3. Kép

Az aktív egyenirányítás tulajdonképpen a szinusz hullám amplitúdójának változtatásán alapszik, vagyis a hullámformát megtartjuk, csak a hőegyenértékén változtatunk, és egyenirányítjuk.
A 3. képen látható megoldás gyakorlatilag 1-re hozza ki a fázisszöget, és a veszteségek is kisebbek a kapcsoló üzeműéhez képest (1 szett félvezető a 2 helyett, illetve a szűrés is csak egyszer kell).
Másik nagy előnye hogy az AC bemenetre elméletileg nem kerül vissza zaj (ami a félvezetők 16 kHz-en való kapcsolgatásából adódik), hiszen a leválasztó transzformátor (ami nincs a képen, de az L1A és L1B után található meg) ezt nem tudja vissza juttatni. A valóságban kb. 2% alatti a THD (teljes harmonikus torzítás).

Az amplitúdó változtatása PWM-en alapszik, vagyis a 4 db IGBT-ből 2-t úgy kapcsolunk be, hogy azokon keresztül az áram egy irányba tudjon folyni, de mivel meg akarjuk tartani a hullámformát, így ezt rengeteg különböző szélességű impulzussal tesszük.

Aki szemfüles az észreveheti, az utolsó pontban felhozott megoldás gyakorlatilag működik mindkét irányban, vagyis AC/DC és DC/AC átalakítóként.

Folyt köv.

A kiegészítéseket, észrevételeket szívesen várom, hiszen magam is csak emberből vagyok.