A mikrohullámú berendezések táplálásakor felmerült az igény egy olyan berendezés iránt, amely a fogyasztók táplálása mellett a hozzá kapcsolt akkumulátorokat a környezeti hőmérsékletnek megfelelően kompenzált töltőfeszültséggel tölti, illetve az akkumulátorok töltéséhez külön beállítható áramkorlátozással rendelkezik, amely lehetővé teszi a szeleppel zárt akkumulátorok alkalmazását.
Mivel ezek a fogyasztók kialakításukat tekintve a leggyakrabban 19col (482,6mm) szélesek és 1Unit (43,6mm) magasak, ezért az őket tápláló áramellátó berendezésnek is ilyen méretűnek célszerű lennie. Hálózat-kimaradás esetén a fogyasztókat az akkumulátor az akkumulátortöltőn keresztül táplálja, ezért a berendezés rendelkezik akkumulátor mélykisütés elleni védelemmel. A fent említett jelzéseknél potenciálfüggetlen relékontaktusok biztosítják a galvanikus leválasztást.
Az akkumulátorok puffer feszültségét az akkumulátorgyártók 20 °C környezeti hőmérsékletre definiálják. Ebből adódóan, vagy klimatizált helyiségben állandó feszültséget kell az akkumulátorokon tartani, vagy ha ez nem megolidható az akkumulátortöltő feszültségét kell a hőmérséklettel arányos módon befolyásolni. Ezt a kompenzálást az akkumulátortöltőben be lehet állítani, a hozzá kapcsolt akkumulátor típusának megfelelően. Ebben az esetben a berendezés alján található csatlakozóhoz, egy hőmérsékletérzékelőt kell csatlakoztatni, amelyet az akkumulátor közelébe kell elhelyezni, így az a mindenkori akkumulátor környezeti hőmérsékletét tudja érzékelni.
A beépített elektronikus egység az akkumulátortöltő feszültségét a mért hőmérsékletnek megfelelően módosítja. Csökkenti, ha a hőmérséklet 20 °C fölé nő, illetve növeli, ha a hőmérséklet 20 °C alá csökken. Amennyiben az akkumulátor klimatizált helyiségben van, ezt a hőmérsékletérzékelőt nem szükséges felhelyezni, így a berendezés automatikusan a 20 °C hőmérsékletnek megfelelő töltőfeszültséget biztosítja.

2. Működési leírás

A HPQ 230/48-7,5* típusú akkumulátortöltő berendezés alapvetően két fő részből tevődik össze.

* H: Híradástechnikai célokra fejlesztett akkumulátortöltő berendezés, PQ: Gyártó PowerQuattro Rt., az első szám a névleges bemeneti váltakozófeszültség, a második a névleges kimeneti egyenfeszültség, a harmadik szám pedig a névleges kimenő áram értékét jelenti.

• Aktív teljesítménytényező-korrektor áramkörből,
• Kvázirezonáns elven működő DC/DC átalakítóból.

 

Az aktív teljesítménytényező-korrektor áramkör (PFC) egy olyan AC/DC átalakító, amely a 230V-os hálózati feszültségből stabil 385V-os egyenfeszültséget állít elő, miközben a bemenő árama fázisban van a feszültséggel, és alakja azonos a hálózati feszültséggel (szinuszos), amplitúdója pedig a mindenkori terhelésnek megfelelően változik. A berendezés kapcsolási rajza az 1. ábrán látható.
A hálózati feszültség egyenirányítását a GR1 jelű 1F2U2Ü egyenirányító végzi, a bemenő áram alakját és amplitúdóját az AV1 jelű áramváltó méri. A T1 jelű félvezetőt a vezérlő-szabályozó áramkör úgy kapcsolgatja, hogy a C1-es kondenzátoron állandó 385V-os feszültség legyen, miközben a bemenő áram minden időpillanatban, a hálózati feszültséggel azonos alakú, és azzal fázisban van.
A fent elmondottaknak a következő okokból van jelentősége:

A szinuszos váltakozó feszültségre kapcsolt fogyasztók egy jelentős része nem szinuszos árammal terheli a hálózatot, így jelentős felharmonikus-tartalommal rendelkezik. Ezek a felharmonikus áramok felesleges veszteségeket jelentenek az áramszolgáltatók számára, illetve torzítják a hálózati feszültséget, amely a többi fogyasztót zavarhatja. Ezeknek a felharmonikus áramoknak a megengedhető legnagyobb effektív értékét szabványban rögzítették, amelyet az 1. táblázat mutat. A teljesítménytényező-korrektor áramkörrel minimalizálni tudjuk a felharmonikus áramokat, illetve biztosítjuk, hogy a felvett áram alapharmonikusa a tápláló feszültséggel fázisban legyen. Az elmondottak megtalálhatók [1].-ben. Az aktív teljesítménytényező-korrektor kimeneti feszültségét azért választottuk 385V-ra, mert ez estben a teljesítménytényező-korrektor míg 270V bemeneti váltakozófeszültség esetén is teljesen aktív (a 270V bemeneti váltakozófeszültség csúcsértéke kisebb mint 385V, a D1 dióda csak a T1 kapcsolóelem kikapcsolásakor az L1 fojtótekercs energiájának csökkenésekor nyit ki), illetve 500-600V zárófeszültségű, gyors, olcsó alkatelemeket tudtunk alkalmazni.

A harmonikus rendszáma, n	A legnagyobb megengedett harmonikus áram, [A]
1. táblázat: A harmonikus áramok megengedett határértékei [2]
Páratlan harmonikusok
3	2,3
5	1,14
7	0,77
9	0,40
11	0,33
13	0,21
15 ≤ n ≤ 39	0,15 x15 In
Páros harmonikusok
2	1,08
4	0,43
6	0,3
8 ≤ n ≤ 40	0,23 x 8 In

Az említett teljesítménytényező-korrektor áramkör 385V egyenfeszültségű kimenetéről működik egy kvázirezonáns DC/DC átalakító, amelynek kimenetén névleges 48V egyenfeszültség jelenik meg, 7,5A maximális terhelhetőség mellett.
A kvázirezonáns kapcsolási elrendezés egy olyan nyitóüzemű konverter, amelynek szekunder oldala egy LC rezgőkört táplál. A kapcsolás előnye, hogy a primer oldalon elhelyezett T1, T2 kapcsolóelemeket megfelelően vezérelve, elérhető, hogy a kapcsolóelemek a rezgőköri áram nullátmeneténél, vagy annak közelében kapcsoljanak ki, illetve árammentes helyzetben kapcsoljanak be. Ezáltal a kapcsolóelemek kapcsolási veszteségei jelentősen csökkenthető, így rajtuk a túlmelegedés jelentős részét csak a vezetési veszteség okozza. A vezetési veszteség - ellentétben a kapcsolási veszteséggel - nem függ a működési frekvenciától, tehát ennél a megoldásnál a nagyobb frekvencián való üzemeltetés sem növeli jelentősen a kapcsolóelemek veszteségét. Az árammentes kikapcsolás további előnye, hogy a kikapcsoláskor keletkező túlfeszültségek jóval kisebbek, mint abban az esetben, ha a kapcsolókat áram alatt kapcsolnánk ki, így elkerülhető a nagyobb túlfeszültség elleni védelmi áramkör (snubber) beépítése. A kapcsolási elrendezés magasabb frekvenciás alkalmazhatóságának mindössze egyetlen gyakorlati korlátja van. ki, A FET-ek kikapcsolási ideje jelentősen megnő, ha árammentesen kapcsolnak ki, ami korlátozza a maximális működési frekvenciát. Ezt az időt jelentősen csökkenthetjük, ha a kapcsolóelemek kikapcsolása nem árammentesen történik, hanem azok egy minimális áramot kapcsolnak. Ezt elérhetjük például úgy, hogy transzformátorba légrést teszünk, így a transzformátor mágnesező árama biztosítja, hogy a kapcsolóelemek kikapcsolásukkor mindig egy kis áramot kapcsoljanak. Ez az áram a kapcsolási veszteséget ugyan csekély mértékben megnöveli, de a működési frekvenciát jelentősen növelni tudjuk.

3. A megvalósítás és annak problémái

Az 1 Unit magasság a berendezés főtranszformátorával szemben támasztotta a legnagyobb követelményt. Az alkalmazható vasmagok választéka, ilyen méreten belül, ilyen teljesítmény mellett elég kicsi. Az effektív 8A áramerősség miatt nagy ab-lakkeresztmetszetű vasmag kellett, az ide vonatkozó szigetelési szabványok betartásával a beépíthető rézkeresztmetszet korlátozott volt. Ezen a magasságon belül kellett egy olyan vasmagtípust kiválasztani, amellyel a következő feltételeknek eleget tudunk tenni. A transzformátor primer feszültsége 385V, szekunder feszültsége minimum 130V (ez a 60V-os kimeneti feszültségből és a kapcsolástechnikából adódik), a szekunder oldali áram csúcs ill. effektív értéke 18-19A ill. 7-8 A. Maximális üzemi frekvenciája 160kHz. Ez a magas frekvencia is a berendezés lapos kialakításából adódott, a transzformátor primer tekercsére a következő összefüggést kellett figyelembe venni (). Az indukciót (B) a vasveszteség alacsony értéken tartása végett nem célszerű 100mT fölé méretezni, ugyanis 100mT felett, az alkalmazott 3F3 anyagminőségű vas vesztesége, számunkra megengedhetetlen mennyiségű túlmelegedést hoz létre. Azt hogy az indukció minél kisebb legyen, úgy tudjuk elérni, hogy, vagy a menetszámot növeljük, ami egyben a beépítésre kerülő rézmennyiséget növeli, - ezáltal egyre nagyobb ablakkeresztmetszetet is igényel - vagy a vasmagkeresztmetszetet növeljük azonos ablakkeresztmetszetek mellett, ami viszont a beépített vasmag tömegét, ezáltal vasveszteségét növeli. A nagymennyiségű vasmag beépítése, és az alacsonyabb üzemi frekvencia ellen a maximálisan felhasználható 19 colos szélesség szólt, a magasabb üzemi frekvencia ellen pedig a vezetőkön fellépő jelentős skin-hatás, valamint a tekercselt elemeken fellépő az áramkiszorítás hatásából adódó többletmelegedés. A berendezésben ugyanis a főtranszformátor mellett még négy tekercselt elemnek kellett konstrukciós szempontból helyet találni. Ebből adódóan ezen elemek méretei erősen korlátozottak. Ez a négy tekercselt elem a következő: A teljesítménytényező-korrektor fojtótekercse (L1), a rezgőköri fojtótekercs (L2), kimeneti szűrők fojtói (L3, L4).

A kimeneten található kettős LC szűrőt a híradástechnikai követelmények (alacsony psophometrikus zaj) igényelték, mert legegyszerűbben így lehetett a rezgőköri kondenzátoron keletkező ~280V-os csúcstól-csúcsig feszültséghullámosságot, a kimeneten kisebb, mint 20mV effektív értékre csökkenteni. A tekercselt elemekhez használt vasmagok tömege nem jelentős, viszont méretük jelentősen bekorlátozta a beépíthető rézmennyiséget, amely a nagyobb áramsűrűség miatt többletmelegedést okozott. Mivel a kis méretű tekercselt elemeknél a tekercs és a vasmag közötti hőlépcső minimális ezért a vasmagok hűtésével az egész tekercselt elem jól hűthető. Ebből a megfontolásból a tekercselt elemek alumínium talpra lettek rögzítve, amely azután közvetlenül a berendezés hátulján illetve két oldalán található, hűtőbordára lettek szerelve, amit a 2. képen is meg lehet figyelni. A hűtőbordára való szerelés azért lényeges, mert a berendezés lapos kialakításából eredően a berendezés belsejében keletkező légmozgás nem volt megoldható. Ezt a rögzítési megoldást figyelembe véve a transzformátorhoz E36/18/11-es vasmag, a többi tekercselt elemhez E32/16/9-es vasmagot használtunk. Azért nem kerülhetett valamennyi tekercselt elem a nagyobb vasmagra, mert a berendezés alapterületéből a szigetelési távolságokkal olyan nagy helyet foglalt volna el, hogy a szabályozó-vezérlő egységnek és a többi részegységnek már nem lett volna elegendő a maradék felület. Ezek közül a részegységek közül kiemelkedően fontos feladata van a rádiófrekvenciás zavarok szűrését ellátó bemeneti-, valamint kimeneti-oldali szűrőfokozatnak. Ugyanis fontos követelmény egy korszerű áramellátó berendezéssel szemben, hogy a fogyasztó legérzékenyebb berendezéseit sem zavarhatja a működésével. Erre azért is kellet külön figyelmet fordítani, mert a kapcsolóüzemű berendezések általában az üzemi frekvenciájuk környékén termelik a legnagyobb rádiófrekvenciás zavarokat, ebben az esetben ez 160kHz. Az EMC** szabványok [2] pedig 150kHz-től pontosan rögzítik a kibocsátható maximális zaj érétkét. A zavarkibocsátás mellett figyelembe kellett venni, azt a lehetőséget is, hogy az akkumulátortöltőt UPS egységről is üzemeltethetik. Ebben az esetben a bekapcsoláskor fellépő tranziensek a bemeneti feszültséget oly módon „betörhetik”, hogy az a többi párhuzamosan kapcsolt berendezés működését károsan befolyásolhatja. Ennek elkerülése végett a berendezést úgynevezett lágyindítással láttuk el, amely a bekapcsolási tranzienseket a minimálisra csökkenti. A berendezés saját védelmére egy hőérzékelő lett beépítve, – az előzetesen megállapított legmelegebb pontra – amely folyamatosan érzékeli a hőmérsékletet, és ha az meghalad egy adott értéket az akkumulátortöltő áramalapjelét, ezzel kimeneti teljesítményét folyamatosan csökkenti. Ezzel a védelemmel elkerülhető, hogy a nem megfelelő üzemeltetés (40 °C-nál nagyobb környezeti hőmérséklet, letakart hűtőborda stb.), a berendezés káros túlmelegedéséhez, tönkremeneteléhez vezessen. A fent említett megoldásokkal kialakított berendezés az 1. képen, a belső kialakítása pedig a 2. képen látható.

** EMC: (Elektromagnetic Compatibility) – Elektromágneses kompatibilitás.

Irodalom

• [1] Molnár Károly: „Szinuszos áramfelvételű akkumulátortöltő berendezések”
• [2] MSZ EN 60555-2 Háztartási és hasonló jellegű villamos készülékek által keltett hálózati zavarok. Harmonikusok.
• [3] MSZ EN 60555-2 Háztartási és hasonló jellegű villamos készülékek által keltett hálózati zavarok. Fogalommeghatározások.
• [4] Fred C. Lee (Virginia Power Elektronics Center): „Zero-Voltage Switching Techniques in DC-DC Converter Circuits” - 1987. High Frequency Power Conversion.
• [5] Csáky-Ganszky-Ipsits-Marti: Teljesítményelektronika - Műszaki Könyvkiadó, 1976.