I. Introduction
Avec l'avancement rapide des technologies d'information modernes, l'intelligence est devenue une tendance majeure dans le développement des équipements industriels. Dans le domaine des interrupteurs haute tension, les disjoncteurs intelligents, en tant que composants de contrôle critiques dans les systèmes électriques, forment la base de l'automatisation et de l'intelligence dans les systèmes électriques. Cette étude se concentre sur un disjoncteur intelligent à courant continu basé sur la technologie de microcontrôleur (SCM), mettant l'accent sur son application pratique dans la surveillance en temps réel du courant et l'interruption des pannes dans les systèmes d'alimentation électrique continue à bord des navires. En plus d'une chambre d'extinction d'arc conventionnelle, ce disjoncteur intègre un système d'exploitation intelligent, une unité de détection de courant de panne et une unité de traitement de signaux, lui permettant de répondre efficacement aux exigences spéciales de protection contre les pannes dans les systèmes CC.
II. Principe de transfert de courant des disjoncteurs à courant continu
Le défi principal pour les disjoncteurs dans les systèmes à courant continu réside dans l'extinction d'arc. Selon la théorie de l'arc, l'extinction d'un arc nécessite un point de passage par zéro du courant. Cependant, les systèmes à courant continu n'ont pas de point naturel de passage par zéro, rendant l'extinction d'arc particulièrement difficile.
Solution – Principe de transfert de courant:
En introduisant un courant inverse dans le circuit, un point de passage par zéro artificiel est créé, fournissant la condition nécessaire pour l'extinction d'arc. Le principe spécifique est le suivant :
| État du circuit |
Fonctionnement des composants |
Changement de courant et processus d'extinction d'arc |
| État normal |
Le disjoncteur QF est fermé. |
L'alimentation électrique continue haute tension alimente la charge via QF, assurant un fonctionnement stable du circuit. |
| État de panne (court-circuit A–B) |
1. Le courant augmente rapidement (le taux dépend de L₁, L₂).
2. À la détection de la panne, le mécanisme ouvre les contacts de QF, générant un arc.
3. Le commutateur S se ferme, déchargeant le condensateur C à travers le disjoncteur. |
1. Le courant de décharge I₂ s'oppose au courant initial I₁.
2. I₂ force I₁ à passer par zéro.
3. L'arc dans QF s'éteint au passage par zéro du courant. |
III. Conception du système
(1) Module de surveillance
Le module de surveillance sert de source de signal de commande pour le système d'exploitation électronique, permettant une surveillance en temps réel des changements de courant dans le circuit et offrant des réponses rapides et précises aux anomalies de courant.
Flux de traitement des signaux:
- Acquisition de signaux: Les signaux de courant sont collectés via un shunt avec une borne basse tension mise à la terre (pour prévenir l'interférence des impulsions haute tension) et une résistance non inductive (pour préserver l'amplitude et la forme d'onde du courant).
- Traitement des signaux: Les signaux de tension acquis (petite amplitude avec du bruit de haute fréquence) → Circuit de filtrage (suppression du bruit) → Circuit d'amplification isolée (utilisant un optocoupleur linéaire de haute précision HCNR201, amplificateur opérationnel primaire LM324, amplificateur opérationnel secondaire OP07, agissant comme un transformateur DC) → Échantillonnage et maintien → Conversion A/N → Envoyé au SCM.
- Réponse à la panne: Si le courant dépasse les limites autorisées, le SCM émet un ordre de coupure et déclenche une alarme sonore.
(2) Traitement des données par le SCM
Critères de jugement de la panne:
- Fonctionnement normal : Taux de montée du courant Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, valeur de courant I ≤ Iₘₐₓ.
- Panne de court-circuit : Kᵢ > Kₘₐₓ, et I peut dépasser Iₘₐₓ rapidement.
Modèle mathématique et calcul simplifié:
À partir de ΔU = ΔI · Rբ (résistance de shunt),
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
Avantage: Après avoir fixé Δt, il suffit de ΔU entre deux moments pour calculer Kᵢ, évitant les opérations en virgule flottante et réduisant considérablement le temps de réponse.
Critère de panne: Le SCM juge qu'il y a une panne lorsque Uᵢₙ > Uₘₐₓ ou ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ.
(3) Mesures anti-interférences
En raison de l'environnement haute tension et fort courant avec une forte interférence électromagnétique, une conception multidimensionnelle anti-interférences est adoptée :
| Dimension anti-interférences |
Mesures spécifiques |
Objectif |
| Signal d'entrée |
Isolation via l'optocoupleur linéaire HCNR201 |
Isole le système de commande des circuits de forte puissance ; supprime les interférences et améliore la sécurité. |
| Sortie de signal |
Le SCM contrôle les commutateurs d'optocoupleurs pour piloter les thyristors dans le circuit de décharge |
Assure uniquement la connexion de signal ; empêche les effets de forts courants sur le système de commande. |
| Canal pré-signal |
Circuit de filtre passe-bas |
Bloque les interférences RF, de fréquence secteur et d'impulsion ; améliore la fiabilité. |
| Niveau logiciel |
1. Filtrage numérique composite (médian + moyenne mobile)
2. Commandes critiques redondantes
3. Pièges logiciels + gestion des interférences |
Filtre le bruit des données, assure la précision des commandes et prévient les dérives de programme. |
(4) Conception structurelle globale
Mécanisme de fonctionnement – Mécanisme permanent à aimant bistable:
- Composition: Bobines de fermeture/ouverture, aimants permanents, noyau de fer mobile (en pointillé), boîtier.
- Circuit de fonctionnement: Les bobines sont connectées en série avec des condensateurs préchargés (source d'énergie) et des thyristors formant des circuits de décharge.
- Processus d'action: Signal SCM → amplifié par des transistors → contrôle les portes des thyristors → en cas de panne, le SCM envoie un signal d'ouverture → le thyristor conduit → le condensateur se décharge via la bobine d'ouverture → le noyau de fer se déplace → QF s'ouvre. La fermeture est contrôlée manuellement via un commutateur.
Circuit de transfert de courant (structure améliorée):
- Amélioration: Remplace les commutateurs à gap d'étincelle par des commutateurs sous vide (QF₂), réduisant la dispersion temporelle.
- Paramètres structurels: QF₁ et QF₂ sont à égale distance du pivot O ; les longueurs de bras sont déterminées en fonction des paramètres spécifiques.
- Action en cas de panne: Le mécanisme à aimant permanent est alimenté → le noyau de fer se déplace vers le bas → QF₁ s'ouvre, QF₂ se ferme → le condensateur C se décharge → le courant d'arc dans QF₁ passe par zéro → l'arc s'éteint.
IV. Expérience du système
- Environnement: Laboratoire de circuit synthétique, Institut de l'électronique de puissance, Université de Technologie de Dalian.
- Méthode: Un courant alternatif de basse fréquence simule la montée en courant de court-circuit en courant continu ; un courant inverse est introduit au pic de courant.
- Résultats:
- La forme d'onde du courant à travers QF₁ montre que le courant inverse est introduit précisément à t₀.
- Le courant inverse force le passage par zéro, réalise l'extinction d'arc et interrompt avec succès le courant de court-circuit.
V. Conclusion
Les expériences démontrent que le nouveau disjoncteur à courant continu avec système d'exploitation électronique interrompt avec succès les courants de court-circuit dans les systèmes d'alimentation électrique continue, avec des résultats satisfaisants. Cette solution peut être largement appliquée à la protection contre les courts-circuits dans les systèmes à courant continu tels que les navires, les métros, l'électrolyse DC et les fours électriques.
Caractéristiques clés du système:
- Performance en temps réel: L'acquisition basée sur le SCM permet une surveillance en temps réel avec une forte contrôlabilité et une faible dispersion temporelle.
- Réponse rapide: Des algorithmes simplifiés évitent les opérations en virgule flottante, réduisant le temps de réponse pour une détection rapide des pannes.
- Fiabilité: Le mécanisme permanent à aimant bistable réduit les pannes mécaniques et raccourcit le temps d'ouverture ; la structure améliorée assure la synchronisation entre les opérations d'interruption et de transfert.
La solution de disjoncteur à courant continu intelligent présentée dans cette étude offre une grande valeur pratique et des perspectives d'application prometteuses, répondant à la demande urgente d'équipements de protection intelligents dans les systèmes électriques à courant continu modernes.
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