Μεταβλητό Επανάκτησης Τάσης (Transient Recovery Voltage, TRV) κατά την Παύση Μικρών Εμπεδομένων Ρευμάτων από Στοίβοδες
Ανάλυση Μεταβατικών Φαινομένων σε Γραμμικά Συστήματα Χρησιμοποιώντας την Αρχή της Υπερθέσεως
Στην ανάλυση μεταβατικών φαινομένων που προκαλούνται από λειτουργίες εναλλαγής σε γραμμικά συστήματα, η αρχή της υπερθέσεως είναι ένα ισχυρό εργαλείο. Συνδυάζοντας τη σταθερή κατάσταση που υπήρχε πριν από τη λειτουργία ανοικτού κύκλου με τις μεταβατικές αποκρίσεις που προκαλούνται από σύντομο-κύκλους πηγές τάσης και ανοικτούς κύκλους πηγές ρεύματος, και λαμβάνοντας υπόψη το ρεύμα που εισάγεται μέσω των επαφών του διακόπτη, μπορεί να επιτευχθεί μια ολοκληρωμένη περιγραφή της διαδικασίας εναλλαγής.
Μεταβατική Ανάλυση Λειτουργιών Ανοικτού Κύκλου
Κατά τη διάρκεια μιας λειτουργίας ανοικτού κύκλου, το ρεύμα που διαρρέει τις επαφές του διακόπτη πρέπει να γίνει μηδέν μετά τη λειτουργία. Συνεπώς, το ρεύμα που εισάγεται στο σύστημα πρέπει να ισούται με το ρεύμα που διαρρέει τις επαφές του διακόπτη πριν από τη λειτουργία ανοίγματος. Όσο οι επαφές του διακόπτη αρχίζουν να απομακρύνονται, μια μεταβατική επαναφορική τάση (TRV) αναπτύσσεται αμέσως στις επαφές. Η TRV εμφανίζεται αμέσως μετά το ρεύμα να φθάνει στο μηδέν και συνήθως διαρκεί για μιλιδιάδες σε πραγματικά συστήματα. Σε πρακτικά συστήματα ενέργειας, οι χαρακτηριστικές της TRV είναι κρίσιμες για την απόδοση και την αξιοπιστία των διακόπτων.
Η Σημασία της Μεταβατικής Επαναφορικής Τάσης (TRV)
Μια εξεταστική κατανόηση των μεταβατικών φαινομένων που συνδέονται με τις λειτουργίες διακόπτων σε συστήματα ενέργειας μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τις πρακτικές δοκιμής και να ενισχύσει την αξιοπιστία των εξοπλισμών εναλλαγής. Οι πρότυποι καθορίζουν συστατικές τιμές χαρακτηριστικών για την προσομοίωση TRV, οι οποίες βοηθούν τους μηχανικούς να προβλέπουν και να σχεδιάζουν καλύτερα τη συμπεριφορά των συσκευών εναλλαγής.
Διάφορα Τύποι Εναλλαγής Κυκλώματος
Το εξής διάγραμμα απεικονίζει την TRV στις επαφές του διακόπτη κατά την διακοπή ρεύματος σε πολύ απλά κυκλώματα. Κάθε περίπτωση αποδίδει διαφορετικά σχήματα, εξαρτώμενα από τη φύση του κυκλώματος:
Φορτίο Αντιστοιχίας: Για καθαρά ομογενή φορτία, το ρεύμα πέφτει γρήγορα στο μηδέν μετά τη λειτουργία εναλλαγής, προκαλώντας ένα σχετικά ομαλό σχήμα TRV.
Φορτίο Ενδυνάμωσης: Για φορτία ενδυνάμωσης, η τάση στον ενδυνάμωση φθάνει στην κορυφαία της τιμής τη στιγμή που το ρεύμα γίνει μηδέν. Επειδή ο ενδυνάμωση αποθηκεύει ενέργεια, η οποία πρέπει να διαλυθεί μέσω άλλων συστατικών (όπως καταναλωτές), παράγονται ταλάντωσες. Αυτές οι ταλάντωσες προκαλούνται από τη μεταφορά ενέργειας μεταξύ του ενδυνάμωση και του καταναλωτή.
Φορτίο Καταναλωτή: Για φορτία καταναλωτή, το ρεύμα μειώνεται σταδιακά μετά τη λειτουργία εναλλαγής, ενώ η τάση αυξάνεται γρήγορα. Το σχήμα TRV συνήθως παρουσιάζει ένα γρήγορα αυξανόμενο παλμό τάσης.
Διακοπή Μικρών Ρευμάτων και Φαινόμενα Κοπής Ρεύματος
Στα συστήματα ενέργειας, η διακοπή μικρών ρευμάτων μπορεί να οδηγήσει σε φαινόμενα γνωστά ως κοπή ρεύματος και εικονική κοπή. Αυτά τα φαινόμενα έχουν σημαντικές επιπτώσεις στη μεταβατική επαναφορική τάση (TRV) και μπορούν να οδηγήσουν σε υπερτάσεις και επανάληψη.
Κανονική Διακοπή vs. Κοπή Ρεύματος
Κανονική Διακοπή: Όταν το ρεύμα διακόπτεται φυσικά στο σημείο μηδενικής διαστάσεως, αυτή είναι η ιδανική λειτουργία εναλλαγής. Σε αυτή την περίπτωση, η TRV συνήθως παραμένει εντός των προκαθορισμένων ορίων, και δεν παρουσιάζονται υπερτάσεις ή επανάληψη.
Κοπή Ρεύματος: Εάν το ρεύμα διακόπτεται πρόωρα πριν φθάσει στο μηδέν, αυτό το φαινόμενο ονομάζεται κοπή ρεύματος. Η απότομη διακοπή του ρεύματος οδηγεί στην παραγωγή μεταβατικών υπερτάσεων, οι οποίες μπορούν να προκαλέσουν υψηλοσυχνή επανάληψη. Αυτός ο τύπος ανωμαλής διακοπής παρουσιάζει δυνητικά επικίνδυνες συνέπειες για τον διακόπτη και το σύστημα.
Συνέπειες της Κοπής Ρεύματος
Όταν ένας διακόπτης διακόπτει το ρεύμα κοντά στο κορυφαίο σημείο, η τάση αυξάνεται σχεδόν αμέσως. Εάν αυτή η υπερτάση υπερβαίνει την ηλεκτροστατική αντοχή που έχει καθοριστεί για τον διακόπτη, προκαλείται επανάληψη. Όταν αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται πολλές φορές, η τάση συνεχίζει να αυξάνεται γρήγορα λόγω της υψηλοσυχνής επανάληψης. Αυτή η υψηλοσυχνή ταλάντωση ελέγχεται από τα ηλεκτρικά παράμετρα του συνδεδεμένου κυκλώματος, τη διάρθρωση του κυκλώματος και το σχεδιασμό του διακόπτη, οδηγώντας σε μηδενική διαστάση πριν το πραγματικό ρεύμα συχνότητας τρέξει στο μηδέν.
Διαφορά Μεταξύ Κοπής Ρεύματος και Εικονικής Κοπής
Κοπή Ρεύματος: Παρουσιάζεται όταν το ρεύμα διακόπτεται πριν φθάσει στο μηδέν, προκαλώντας μεταβατική υπερτάση και υψηλοσυχνή επανάληψη.
Εικονική Κοπή: Συμβαίνει όταν το ρεύμα διακόπτεται ακριβώς πριν φθάσει στο μηδέν, αν και είναι πολύ κοντά στο μηδέν. Αυτό μπορεί να προκαλέσει μικρή υπερτάση και επανάληψη.
Σύγκριση Τάσης Φορτίου και TRV
Το εξής διάγραμμα συγκρίνει την τάση του φορτίου και την TRV σε δύο διαφορετικά σενάρια:
Διακοπή στο Σημείο Μηδενικής Διαστάσεως: Σε αυτή την περίπτωση, η τάση του φορτίου αυξάνεται σταθερά, και η TRV παραμένει εντός των προκαθορισμένων ορίων, εξασφαλίζοντας την κανονική λειτουργία του συστήματος.
Διακοπή Πριν το Σημείο Μηδενικής Διαστάσεως (Κοπή Ρεύματος): Σε αυτή την περίπτωση, η τάση του φορτίου αυξάνεται γρήγορα, και η TRV αυξάνεται σημαντικά, με δυνατότητα να οδηγήσει σε υπερτάσεις και επανάληψη. Είναι σαφές από αυτό το παράδειγμα ότι το δεύτερο σενάριο είναι πιο σοβαρό.
Η Σημασία της Κατανόησης της Κοπής Ρεύματος
Για να κατανοήσετε καλύτερα την επίδραση της κοπής ρεύματος, θεωρήστε την αγνόηση των απωλειών του φορτίου. Μετά τη διακοπή του ρεύματος στο σημείο μηδενικής διαστάσεως, η ενέργεια που αποθηκεύεται στο φορτίο είναι κυρίως στους καταναλωτές, όπου η τάση φθάνει στην κορυφαία της τιμής. Ωστόσο, εάν το ρεύμα κοπεί πριν φθάσει στο μηδέν, η ενέργεια στους καταναλωτές δεν μπορεί να διαλυθεί πλήρως, οδηγώντας σε γρήγορη αύξηση της τάσης και σε υπερτάσεις και επανάληψη.
(a) Ισοδύναμο Κύκλωμα. (b) Διακοπή Τόξου στο Σημείο Μηδενικής Διαστάσεως. (c) Διακοπή Τόξου Πριν το Σημείο Μηδενικής Διαστάσεως.
Κοπή Ρεύματος και Υψηλοσυχνά Μεταβατικά Φαινόμενα
Στην περίπτωση κοπής ρεύματος, η αστάθεια του τόξου κοντά στο σημείο μηδενικής διαστάσεως μπορεί να οδηγήσει σε υψηλοσυχνά μεταβατικά ρεύματα που ρέουν σε γειτονικά συστατικά. Αυτό το υψηλοσυχνό ρεύμα συνδυάζεται με το μικρότερο ρεύμα συχνότητας, το οποίο είναι αποτελεσματικά κοπεί στο μηδέν. Συγκεκριμένα:
Αστάθεια Τόξου Κοντά στο Σημείο Μηδενικής Διαστάσεως: Όσο το ρεύμα πλησιάζει το μηδέν, το τόξο μπορεί να γίνει ασταθές, παράγοντας υψηλοσυχνά μεταβατικά ρεύματα. Αυτά τα ρεύματα συνδυάζονται με το ήδη μικρό ρεύμα συχνότητας, περιπλέκοντας περαιτέρω τη μεταβατική απόκριση του συστήματος.
Επίδραση των Υψηλοσυχνών Μεταβατικών Ρευμάτων: Η παρουσία υψηλοσυχνών μεταβατικών ρευμάτων μπορεί να προκαλέσει υπερτάσεις και επανάληψη, ειδικά σε φορτία ενδυνάμωσης. Λόγω των γρήγορων αλλαγών αυτών των ρευμάτων, μπορούν να παράγουν εξαιρετικά υψηλές κορυφαίες τιμές τάσης σε μικρό χρονικό διάστημα, παρουσιάζοντας πρόσθετο κίνδυνο για τα ελαστικά υλικά του συστήματος.
Εικονική Κοπή και οι Επιπτώσεις Της
Στην περίπτωση εικονικής κοπής, η αστάθεια του τόξου επιδεινώνεται από ταλάντωσες με γειτονικές φάσεις, οδηγώντας στην παραγωγή υψηλοσυχνών ρευμάτων ακόμη πριν το ρεύμα φθάσει στο μηδέν. Συγκεκριμένα:
Mηχανισμός Εικονικής Κοπής: Η εικονική κοπή συνήθως συμβαίνει όταν το ρεύμα είναι κοντά αλλά δεν έχει φθάσει ακόμη στο μηδέν. Σε αυτό το σημείο, το τόξο μπορεί να επηρεαστεί από ταλάντωσες από γειτονικές φάσεις, παράγοντας υψηλοσυχνά ρεύματα. Αυτό περαιτέρω ασταθεί το σύστημα και αυξάνει τον κίνδυνο επανάληψης.
Παρατηρούμενο Φαινόμενο: Η εικονική κοπή έχει παρατηρηθεί σε τόξα αέρα, SF6 και λάδι. Τα τόξα σε κενό είναι επίσης πολύ ευαίσθητα στην κοπή ρεύματος, καθώς το τόξο σ
