Zasilacze do współpracy z bateriami akumulatorów w systemach pożarowych

Rys. 1. Charakterystyka ładowania akumulatora VRLA

Z perspektywy sześciu lat można powiedzieć, że tak szeroki projekt stanowił jednocześnie pewnego rodzaju poligon doświadczalny. Merawex przyjmował zamówienia, praktycznie na każde nietypowe wykonania i modyfikacje standardowych wyrobów. To była odważna decyzja, dzisiaj widać jej pozytywne skutki, można też pokusić się o podsumowanie. Widoczne są przede wszystkim dwie ewidentne korzyści: możliwość zebrania bogatych doświadczeń technicznych i zbadanie zapotrzebowania odbiorców.

Rynek zasilaczy jest praktycznie zalany tanimi zasilaczami dalekowschodnich producentów. Dostępne są całe typoszeregi mocy i wykonań. W Polsce funkcjonuje wielu dystrybutorów, których jedynym wkładem jest pośrednictwo w zakupie, bez wsparcia technicznego i fachowego doradztwa. Są to zasilacze, nierzadko dobrej jakości, oferujące jednak jedynie podstawowe funkcje. Można nawet zauważyć pewien nowy trend w powstawaniu konstrukcji u producentów skomplikowanych urządzeń, gdzie wymagany jest bardziej rozbudowany system zasilania. Kupowany jest tani, prosty zasilacz, a własna ekipa konstruktorów dobudowuje osobny zespół rozszerzający jego możliwości.

Takim trudnym obszarem zastosowań zasilaczy są zasilacze napięcia gwarantowanego, przystosowane do współpracy z bateriami akumulatorów. Obecnie, od coraz większej liczby urządzeń wymaga się utrzymania pracy przy braku zasilania sieciowego. Od urządzeń chroniących życie czy mienie oczekuje się często pracy bez zasilania sieciowego w czasie kilkudziesięciu godzin. Stosowane są różne typy baterii akumulatorów, od klasycznych już akumulatorów VRLA (bezobsługowe kwasowo-ołowiowe) po nowoczesne baterie litowo-jonowe.

Specjalnym zastosowaniem zasilaczy bateryjnych jest zapewnienie zasilania gwarantowanego dla sprzętu p.poż. Są to często drogie zespoły bateryjne wymagające specjalnego podejścia. Poza wymaganiami elektrycznymi, czyli zapewnieniem prawidłowego procesu podtrzymywania baterii w gotowości podczas tzw. pracy buforowej czy zapewnienia właściwego przebiegu procesu ładowania, bardzo istotne jest spełnienie surowych wymagań odpowiednich norm.

Zasilanie gwarantowane dla p.poż.

Rys. 2.

Przykładem niech będzie zasilanie dźwiękowych systemów ostrzegawczych (DSO). Projektant takiego systemu musi dokładnie określić pobór prądu w czasie tzw. dozoru, czyli oczekiwania na ewentualny alarm pożarowy oraz podczas samego alarmu. Oczekuje się, że po zadanym czasie dozoru, system zasilania DSO będzie w stanie przeprowadzić pełną akcję alarmowania. System taki musi mieć więc określoną dokładnie pojemność baterii akumulatorów i odpowiedni system ładowania. Wymagania na sprzęt DSO narzucają warunek naładowania rozładowanej baterii akumulatorów do 80% pojemności znamionowej w czasie nie dłuższym od 24 h, zaś do jej pełnej pojemności w ciągu następnych 48 h.

Wymaganie to jest na tyle ostre, że mogą być zastosowane jedynie metody tzw. ładowania przyspieszonego (rys. 1). Podłączenie baterii do źródła o stałym napięciu powoduje na tyle znaczące przedłużenie czasu ładowania, że wymagania normy nie mogą być spełnione.

Krytyczną wielkością jest dobór prądu i napięcia ładowania przyspieszonego. Należy odnieść się do danych producenta akumulatorów. Zwykle dla baterii VRLA nie zaleca się prądu większego liczbowo od 25% pojemności baterii przy napięciu nie wyższym niż 2,4 V/ogniwo. Zakończenie ładowania przyspieszonego powinno nastąpić po wykryciu, że baterie mają 80% pojemności znamionowej. Jest to zwykle prąd na poziomie od 0,04 do 0,08 pojemności baterii.

Układ ładowania przechodzi następnie w stan tzw. pracy buforowej. Tutaj także wymaga się specjalnego zachowania zasilacza. Napięcie pracy buforowej należy utrzymywać z odpowiednią dla danego typu tolerancją (zwykle nie gorszą od 1%) przy minimalnej zawartości tętnień i odpowiednim uzależnieniu temperaturowym (zwykle od -3 do -4m V/°C/ogniwo). Taką charakterystykę przedstawiono na rysunku 2. Widoczne są także pewne dodatkowe cechy układu ładowania: uzależnienie napięcia ładowania przyspieszonego od temperatury dla temperatur niższych od 25°C i przerwanie ładowania przyspieszonego powyżej 40°C. Wszystkie te elementy służą ochronie baterii akumulatorów i są zgodne z zaleceniami większości producentów.

W systemach zasilania urządzeń p.poż., w tym także DSO, istotnym elementem jest deklaracja producenta o minimalnym napięciu na wyjściu zasilacza przy maksymalnym prądzie obciążenia. Jest to ważne ze względu na konieczność zapewnienia poprawnej współpracy wzmacniaczy czy kontrolerów DSO z układem zasilania. Odpowiednie normy narzucają wymóg odłączenia wyjść zasilających odbiorniki, jeśli napięcie spadnie poniżej wskazanej wartości. Układ taki chroni także baterię akumulatorów przed zbyt głębokim rozładowaniem, co mogłoby doprowadzić do jej zniszczenia.

Ponieważ w systemach DSO gros pracy baterii to czas dozoru, gdzie prąd rozładowania baterii jest stosunkowo mały, w praktyce należy przyjąć minimalne napięcie wyjściowe zasilacza na poziomie wskazanym przez producenta dla obciążenia prądem 20-godzinnym, czyli zwykle 1,75 V/ogn. Skutkiem takiego podejścia jest niemożność pełnego wykorzystania pojemności baterii w czasie alarmu, kiedy prądy rozładowania są znacznie większe, a producenci baterii dopuszczają niższe napięcia rozładowania, nawet do 1,6 V/ogn.

Rys. 3.

Wprowadzona w 2006 r. zmiana A2 do podstawowej normy dla zasilaczy systemów sygnalizacji pożarowej PN-EN 54-4 wprowadziła dodatkowy wymóg kontroli jakości całego obwodu baterii akumulatorów przez pomiar rezystancji tego obwodu. W skład tych rezystancji wchodzą rezystancje samej baterii, rezystancje jej połączeń, bezpieczników, zacisków itp. Producent deklaruje pewną wartość rezystancji, która wtrącona w obwód baterii akumulatorów zostanie wykryta przez system przy minimalnej wartości prądu obciążenia. Rezystancja ta ma symulować pogorszenie się z czasem jakości baterii i ewentualnych połączeń np. jakości styków czy zacisków.

Z drugiej strony aktualny jest wymóg określenia minimalnego napięcia wyjściowego przy prądzie maksymalnym, który obowiązuje również wtedy, gdy rezystancja wzrośnie o wskazaną wartość. W praktyce wymaganie to jest trudne do spełnienia, szczególnie w systemach z niskim napięciem (np. 24 V), gdzie mogą występować znaczne prądy alarmowania. Na rysunku 3 przedstawiono dopuszczalny zakres rezystancji maksymalnej obwodu baterii w zależności od stosunku prądu rozładowania baterii Ib do pojemności baterii Q dla kilku pojemności baterii akumulatorów w konkretnym systemie DSO zasilanym z 48 V.

Wartość 100 mΩ jest maksymalną wielkością dopuszczalną wskazaną w certyfikacie systemu przez jednostkę prowadzącą badania. Należy przypomnieć, że jest to maksymalna rezystancja całkowita obwodu baterii. Dodatkowy rezystor jest jedynie jej częścią. Spełnienie tego wymagania narzuca na konstruktora dodatkowe warunki: z jednej strony należy zmniejszyć rezystancję obwodu bateryjnego tak znacznie jak to tylko możliwe, z drugiej strony układ do pomiaru rezystancji powinien umożliwić pomiar niewielkich rezystancji w obwodach o znacznych prądach. Wielkości rezystancji, które należy zmierzyć, wahają się od setek mΩ dla systemów 48 V z niewielkimi bateriami akumulatorów do pojedynczych mΩ w 24 V systemach DSO z bateriami o znacznych pojemnościach, często połączonych równolegle.

Oferta Meraweksu

Rys. 4.

Merawex produkuje zasilacze do zasilania dużych systemów DSO zarówno 24 V jak i 48 V, pozwalające podłączyć od 2 do 4 obwodów bateryjnych. W przypadku kilku obwodów bateryjnych, pomiar rezystancji prowadzony jest w każdym obwodzie oddzielnie. Są to zasilacze 24 V ZDSO400-DR2, ZDSO400-DR4 oraz 48 V ZDSO400-ER2 i ZDSO400-ER4. Maksymalne pojemności jednego ciągu bateryjnego mogą wynosić do 160 Ah.

Omówiona metoda współpracy zasilaczy z bateriami akumulatorów oraz komplet wymagań na zasilacze sprzętu p.poż. określona została w normach PN-EN 54-4/A2, PN-EN 12101-10 oraz odpowiednich rozporządzeniach MSWiA. Na rysunku 4 przedstawiono rysunek płyty czołowej zasilacza w najbardziej rozbudowanej wersji.

Zasilacz ten może być wykonany zarówno w wersji z zaciskami śrubowymi przewodów podłączeniowych (jak na zamieszczonym rysunku), jak i z łatwo wyjmowanymi złączami. W lewej części widoczne jest standardowe wyposażenie zasilaczy ZM (zaciski sieciowe, sygnalizacja pracy i wejścia w tryb ograniczenia prądu, wyjście przekaźnika sygnalizacji pracy oraz zaciski wyjściowe do podłączenia obciążenia).

Prawa część związana jest z obsługą baterii akumulatorów: zaciski dla baterii, gniazdo sondy temperaturowej, sygnalizacja stanu baterii (w tym wysokiej rezystancji jej obwodu) oraz wskaźnik ładowania i uszkodzenia. Złącze pozwala na podłączenie sygnalizacji zasilacza do urządzenia p.poż. przez wyjście przekaźnikowe oraz diod LED np. na obudowie szafki, w której zasilacz został zamontowany wraz z baterią akumulatorów. Potencjometryczny regulator napięcia stosowany w innych typach tutaj został wykorzystany na nastawienia konkretnego napięcia pracy buforowej w temperaturze 25°C i wyskalowany w jednostkach V/ogniwo.

Użytkownik ma dostęp do bezpiecznika baterii oraz jako opcję łącze komunikacji cyfrowej RS-485 lub RS-232 z izolacją galwaniczną. Dodatkowo, za pomocą niewidocznego na rysunku a dostępnego od góry obudowy przełącznika można ustawić maksymalny prąd ładowania jako 25, 50, 75 i 100% prądu wyjściowego zasilacza.

Zasilacze te, oznaczone indeksem AZ (lub AZC, gdy wyposażone są w łącze komunikacji cyfrowej), produkowane są w pełnym zakresie napięć baterii akumulatorów, czyli 12 V, 24 V i 48 V z mocami od 150 W do 600 W. Przykładowo zasilacz ZM24V24A-600AZC jest zasilaczem 24 V o maksymalnym prądzie 24 A z możliwością podłączenia zewnętrznej sygnalizacji LED (A), z pomiarem rezystancji obwodu akumulatora (Z) i komunikacją cyfrową (C).

Oferta adresowana jest do zasilania urządzeń przeciwpożarowych, wymagających zasilania gwarantowanego do celów detekcji, sygnalizacji i sterowania urządzeniami wykonawczymi w trakcie akcji straży pożarnej.

Merawex sp. z o.o.
www.merawex.com.pl