I. Introduzione
Con l'accelerata evoluzione delle moderne tecnologie dell'informazione, l'intelligenza è diventata una tendenza fondamentale nello sviluppo delle attrezzature industriali. Nel campo degli interruttori ad alta tensione, gli interruttori intelligenti a circuito spezzato - come componenti di controllo critici nei sistemi elettrici - formano la base per l'automazione e l'intelligenza nei sistemi elettrici. Questo studio si concentra su un interruttore a corrente continua (DC) intelligente basato sulla tecnologia dei microcontrollori (SCM), enfatizzando la sua applicazione pratica nel monitoraggio in tempo reale della corrente e nell'interruzione dei guasti nei sistemi di alimentazione DC a bordo di navi. Oltre a una camera di estinzione d'arco convenzionale, questo interruttore incorpora un sistema operativo intelligente, un'unità di rilevamento della corrente di guasto e un'unità di elaborazione del segnale, permettendogli di affrontare efficacemente i requisiti speciali per la protezione dei guasti dei sistemi DC.
II. Principio di Trasferimento della Corrente negli Interruttori a Corrente Continua
La sfida principale per gli interruttori nei sistemi a corrente continua risiede nell'estinzione dell'arco. Secondo la teoria dell'arco, l'estinzione richiede un punto di passaggio per zero della corrente. Tuttavia, i sistemi a corrente continua non hanno un punto naturale di passaggio per zero, rendendo l'estinzione dell'arco eccezionalmente difficile.
Soluzione – Principio di Trasferimento della Corrente:
Introducendo una corrente inversa nel circuito, viene creato un punto artificiale di passaggio per zero, fornendo la condizione necessaria per l'estinzione dell'arco. Il principio specifico è il seguente:
| Stato del Circuito |
Operazione del Componente |
Cambio di Corrente e Processo di Estinzione dell'Arco |
| Stato Normale |
L'interruttore QF è chiuso. |
La corrente continua ad alta tensione alimenta il carico attraverso QF, garantendo un funzionamento stabile del circuito. |
| Stato di Guasto (cortocircuito A–B) |
1. La corrente aumenta rapidamente (il tasso dipende da L₁, L₂).
2. Al rilevamento del guasto, il meccanismo apre i contatti di QF, generando un arco.
3. L'interruttore S si chiude, scaricando il condensatore C attraverso l'interruttore. |
1. La corrente di scarica I₂ si oppone alla corrente originale I₁.
2. I₂ costringe I₁ a passare per zero.
3. L'arco in QF si estingue al passaggio per zero della corrente. |
III. Progettazione del Sistema
(1) Modulo di Monitoraggio
Il modulo di monitoraggio funge da sorgente di segnali di controllo per il sistema operativo elettronico, consentendo il monitoraggio in tempo reale delle variazioni della corrente del circuito e fornendo risposte tempestive ed accurate alle anomalie di corrente.
Flusso di Elaborazione del Segnale:
- Raccolta del Segnale: I segnali di corrente vengono raccolti tramite uno shunt con un terminale a bassa tensione collegato a terra (per prevenire interferenze da impulsi ad alta tensione) e resistenza non induttiva (per preservare l'ampiezza e la forma d'onda della corrente).
- Elaborazione del Segnale: I segnali di tensione acquisiti (piccola ampiezza con rumore ad alta frequenza) → Circuito filtro (rimozione del rumore) → Circuito di amplificazione isolata (utilizzando un optoaccoppiatore lineare ad alta precisione HCNR201, amplificatore operazionale LM324 sul lato primario, amplificatore operazionale OP07 sul lato secondario, agendo come un trasformatore DC) → Campionamento e mantenimento → Conversione A/D → Inviati al SCM.
- Risposta al Guasto: Se la corrente supera i limiti consentiti, il SCM emette un comando di scatto e attiva un allarme acustico.
(2) Elaborazione dei Dati da parte del SCM
Criteri di Giudizio dei Guasti:
- Funzionamento normale: Tasso di salita della corrente Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, valore della corrente I ≤ Iₘₐₓ.
- Guasto di cortocircuito: Kᵢ > Kₘₐₓ, e I può superare rapidamente Iₘₐₓ.
Modello Matematico e Calcolo Semplificato:
Da ΔU = ΔI · Rբ (resistenza dello shunt),
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
Vantaggio: Dopo aver fissato Δt, è necessario solo ΔU tra due momenti per calcolare Kᵢ, evitando le operazioni in virgola mobile e riducendo significativamente il tempo di risposta.
Criterio di Guasto: Il SCM giudica un guasto quando Uᵢₙ > Uₘₐₓ o ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ.
(3) Misure Antirumore
A causa dell'ambiente ad alta tensione e alta corrente con forte interferenza elettromagnetica, viene adottato un progetto antirumore multidimensionale:
| Dimensione Antirumore |
Misure Specifiche |
Scopo |
| Segnale in Input |
Isolamento tramite optoaccoppiatore lineare HCNR201 |
Isola il sistema di controllo dai circuiti ad alta potenza; sopprime le interferenze e migliora la sicurezza. |
| Segnale in Output |
Il SCM controlla gli interruttori optoaccoppiatori per pilotare i tiristori nel circuito di scarica |
Garantisce solo la connessione del segnale; previene gli effetti di alta corrente sul sistema di controllo. |
| Canale Pre-Segnale |
Circuito filtro passa-basso |
Blocca le interferenze RF, di rete e pulsanti; migliora l'affidabilità. |
| Livello Software |
1. Filtraggio digitale composito (mediana + media mobile)
2. Comandi critici ridondanti
3. Trappole software + gestione delle interferenze |
Filtra il rumore dei dati, garantisce l'accuratezza dei comandi e prevenisce il deragliamento del programma. |
(4) Progettazione Strutturale Generale
Mechanismo Operativo – Meccanismo Magnetopermanente Bistabile:
- Composizione: Bobine di chiusura/apertura, magneti permanenti, nucleo mobile di ferro (tratteggiato), involucro.
- Circuito Operativo: Le bobine sono collegate in serie con condensatori precaricati (sorgente di energia) e tiristori, formando circuiti di scarica.
- Processo di Azione: Segnale del SCM → amplificato da transistor → controlla i gate dei tiristori → durante il guasto, il SCM invia un segnale di apertura → il tiristore si conduce → il condensatore scarica attraverso la bobina di apertura → il nucleo di ferro si muove → QF si apre. La chiusura è controllata manualmente tramite un interruttore.
Circuito di Trasferimento della Corrente (Struttura Migliorata):
- Miglioramento: Sostituisce gli interruttori a scintilla con interruttori a vuoto (QF₂), riducendo la dispersione temporale.
- Parametri Strutturali: QF₁ e QF₂ equidistanti dal perno O; le lunghezze delle braccia determinate in base ai parametri specifici.
- Azione di Guasto: Il meccanismo magnetopermanente si attiva → il nucleo di ferro si muove verso il basso → QF₁ si apre, QF₂ si chiude → il condensatore C scarica → la corrente d'arco in QF₁ passa per zero → l'arco si estingue.
IV. Esperimento del Sistema
- Ambiente: Laboratorio di Circuiti Sintetici, Istituto di Elettronica di Potenza, Università di Tecnologia di Dalian.
- Metodo: La corrente alternata a bassa frequenza simula l'aumento del cortocircuito a corrente continua; la corrente inversa viene introdotta al picco di corrente.
- Risultati:
- Il tracciato della corrente attraverso QF₁ mostra che la corrente inversa viene introdotta precisamente a t₀.
- La corrente inversa forza il passaggio per zero, raggiunge l'estinzione dell'arco e interrompe con successo la corrente di cortocircuito.
V. Conclusione
Gli esperimenti dimostrano che il nuovo interruttore a corrente continua con sistema operativo elettronico interrompe con successo le correnti di cortocircuito nei sistemi di alimentazione a corrente continua, con risultati soddisfacenti. Questa soluzione può essere ampiamente applicata nella protezione dei cortocircuiti nei sistemi a corrente continua come navi, metropolitane, elettrolisi a corrente continua e forni elettrici.
Caratteristiche Principali del Sistema:
- Prestazioni in Tempo Reale: L'acquisizione basata su SCM consente il monitoraggio in tempo reale con forte controllabilità e minima dispersione temporale.
- Risposta Rapida: Gli algoritmi semplificati evitano le operazioni in virgola mobile, riducendo il tempo di risposta per la rapida rilevazione dei guasti.
- Affidabilità: Il meccanismo magnetopermanente bistabile riduce i guasti meccanici e accorcia il tempo di apertura; la struttura migliorata assicura la sincronizzazione tra le operazioni di interruzione e trasferimento.
La soluzione di interruttore a corrente continua intelligente presentata in questo studio offre un alto valore pratico e promettenti prospettive di applicazione, soddisfacendo la domanda urgente di attrezzature di protezione intelligenti nei moderni sistemi di alimentazione a corrente continua.
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