ولتیج بازگشتی موقت (TRV) در قطع جریان‌های القایی کوچک توسط برش‌مدارها
تحلیل پدیده‌های موقت در سیستم‌های خطی با استفاده از اصل برهم‌نهی
در تحلیل پدیده‌های موقت ناشی از عملیات تغییر وضعیت در سیستم‌های خطی، اصل برهم‌نهی ابزار قدرتمندی است. با ترکیب راه‌حل حالت ماندگار که قبل از عملیات باز شدن وجود داشته با پاسخ‌های موقت ناشی از منابع ولتاژ باز و منابع جریان باز، و در نظر گرفتن جریان تزریق شده از طریق تماس‌های کلید، توصیف جامعی از فرآیند تغییر وضعیت به دست می‌آید.
تحلیل پدیده‌های موقت در عملیات باز شدن
در طول عملیات باز شدن، جریان عبوری از طریق انتهای کلید باید پس از عملیات به صفر برسد. بنابراین، جریان تزریق شده به سیستم باید برابر با جریانی باشد که قبل از عملیات باز شدن از طریق انتهای کلید می‌گذشت. هنگامی که تماس‌های کلید شروع به جدایی می‌کنند، فوراً ولتاژ بازیابی موقت (TRV) بین تماس‌ها تشکیل می‌شود. TRV فوراً پس از رسیدن جریان به صفر ظاهر می‌شود و معمولاً در سیستم‌های واقعی برای چند میلی‌ثانیه ادامه دارد. در سیستم‌های برقی عملی، مشخصات TRV برای عملکرد و قابلیت اطمینان شکن‌های مداری بسیار مهم است.
اهمیت ولتاژ بازیابی موقت (TRV)
درک جامع پدیده‌های موقت مرتبط با عملیات شکن‌های مداری در سیستم‌های برقی می‌تواند به طور قابل توجهی روشهای آزمون را بهبود بخشد و قابلیت اطمینان تجهیزات تغییر وضعیت را افزایش دهد. استانداردها مقادیر مشخصه توصیه شده برای شبیه‌سازی TRV را تعیین می‌کنند که به مهندسان کمک می‌کند تا رفتار تجهیزات تغییر وضعیت را بهتر پیش‌بینی و طراحی کنند.
انواع مختلف تغییر وضعیت مدار
نمودار زیر TRV در انتهای شکن‌های مداری را در زمان قطع جریان در مدارهای بسیار ساده نشان می‌دهد. هر حالت منجر به موج‌های مختلفی می‌شود، بسته به نوع مدار:
بار مقاومتی: برای بارهای خالص مقاومتی، جریان پس از عملیات تغییر وضعیت به سرعت به صفر می‌رسد، که منجر به موج TRV نسبتاً هموار می‌شود.
بار القایی: برای بارهای القایی، ولتاژ بین القاگر وقتی جریان به صفر می‌رسد به حداکثر مقدار خود می‌رسد. چون القاگر انرژی ذخیره می‌کند که باید از طریق سایر مولفه‌ها (مانند خازن‌ها) تبدیل شود، نوسان‌ها رخ می‌دهند. این نوسان‌ها ناشی از انتقال انرژی بین القاگر و خازن هستند.
بار خازنی: برای بارهای خازنی، جریان پس از عملیات تغییر وضعیت به تدریج کاهش می‌یابد، در حالی که ولتاژ به سرعت افزایش می‌یابد. موج TRV معمولاً شامل یک پالس ولتاژ بالا و سریع‌بالا می‌شود.
قطع جریان کوچک و پدیده‌های قطع مجازی
در سیستم‌های برقی، قطع جریان‌های کوچک می‌تواند به پدیده‌هایی معروف به قطع جریان و قطع مجازی منجر شود. این پدیده‌ها تأثیرات قابل توجهی بر ولتاژ بازیابی موقت (TRV) دارند و می‌توانند باعث افزایش ولتاژ و ایجاد مجدد شعله شوند.
قطع عادی در مقابل قطع جریان
قطع عادی: وقتی جریان به طور طبیعی در نقطه صفر می‌گذرد قطع می‌شود، این عملیات تغییر وضعیت ایده‌آل است. در این حالت، TRV معمولاً در محدوده مشخص شده باقی می‌ماند و افزایش ولتاژ یا ایجاد مجدد شعله رخ نمی‌دهد.
قطع جریان: اگر جریان قبل از رسیدن به صفر به طور زودهنگام قطع شود، این پدیده قطع جریان نامیده می‌شود. قطع ناگهانی جریان منجر به ایجاد افزایش ولتاژ موقت می‌شود که می‌تواند باعث ایجاد مجدد شعله با فرکانس بالا شود. این نوع قطع غیرطبیعی خطرات بالقوه‌ای برای شکن‌های مداری و سیستم ایجاد می‌کند.
پیامدهای قطع جریان
وقتی شکن مداری جریان را نزدیک به حداکثر قطع می‌کند، ولتاژ تقریباً فوراً افزایش می‌یابد. اگر این افزایش ولتاژ از مقاومت الکتریکی مشخص شده برای شکن مداری بیشتر باشد، ایجاد مجدد شعله رخ می‌دهد. وقتی این فرآیند چندین بار تکرار می‌شود، ولتاژ به سرعت از طریق ایجاد مجدد شعله با فرکانس بالا افزایش می‌یابد. این نوسان با فرکانس بالا توسط پارامترهای الکتریکی مدار مرتبط، ساختار مدار و طراحی شکن مداری کنترل می‌شود و به یک عبور صفر می‌رسد قبل از اینکه جریان فرکانس توانی فعلی به صفر برسد.
تفاوت بین قطع جریان و قطع مجازی
قطع جریان: زمانی رخ می‌دهد که جریان قبل از رسیدن به صفر قطع می‌شود، که منجر به افزایش ولتاژ موقت و ایجاد مجدد شعله با فرکانس بالا می‌شود.
قطع مجازی: زمانی رخ می‌دهد که جریان دقیقاً قبل از رسیدن به صفر قطع می‌شود، اگرچه بسیار نزدیک به صفر است. این می‌تواند باعث افزایش ولتاژ کوچک و ایجاد مجدد شعله شود.
مقایسه ولتاژ سمت بار و TRV
نمودار زیر ولتاژ سمت بار و TRV را در دو سناریو مختلف مقایسه می‌کند:
قطع در نقطه صفر جریان: در این حالت، ولتاژ سمت بار به طور مداوم افزایش می‌یابد و TRV در محدوده مشخص شده باقی می‌ماند، که عملکرد عادی سیستم را تضمین می‌کند.
قطع قبل از نقطه صفر جریان (قطع جریان): در اینجا، ولتاژ سمت بار به سرعت افزایش می‌یابد و TRV به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد که می‌تواند باعث افزایش ولتاژ و ایجاد مجدد شعله شود. واضح است که دومین سناریو بسیار شدیدتر است.
اهمیت درک قطع جریان
برای درک بهتر تأثیر قطع جریان، می‌توان اثرات ضررهای سمت بار را نادیده گرفت. پس از قطع جریان در نقطه صفر، انرژی ذخیره شده در سمت بار عمدتاً در خازن‌ها است که ولتاژ به حداکثر مقدار خود می‌رسد. اما اگر جریان قبل از رسیدن به صفر قطع شود، انرژی در خازن‌ها نمی‌تواند به طور کامل تبدیل شود، که منجر به افزایش سریع ولتاژ و مشکلات افزایش ولتاژ و ایجاد مجدد شعله می‌شود.
(a) مدار معادل. (b) قطع شعله در نقطه صفر جریان. (c) قطع شعله قبل از نقطه صفر جریان.
قطع جریان و پدیده‌های موقت با فرکانس بالا
در مورد قطع جریان، ناپایداری شعله نزدیک به نقطه صفر جریان می‌تواند منجر به جریان‌های موقت با فرکانس بالا در مولفه‌های شبکه مجاور شود. این جریان با فرکانس بالا بر روی جریان کوچک فرکانس توانی که به طور مؤثر به صفر قطع می‌شود، اعمال می‌شود. به طور خاص:
ناپایداری شعله نزدیک به نقطه صفر جریان: هنگامی که جریان به صفر می‌نیل، شعله ممکن است ناپایدار شود و جریان‌های موقت با فرکانس بالا تولید کند. این جریان‌ها بر روی جریان کوچک فرکانس توانی که قبلاً موجود است، اضافه می‌شوند و پاسخ موقت سیستم را پیچیده‌تر می‌کنند.
تأثیر جریان‌های موقت با فرکانس بالا: وجود جریان‌های موقت با فرکانس بالا می‌تواند باعث افزایش ولتاژ و ایجاد مجدد شعله شود، به ویژه در بارهای القایی. به دلیل تغییرات سریع این جریان‌ها، می‌توانند در زمان کوتاه ولتاژ بسیار بالا تولید کنند که تهدیدی برای مواد عایق سیستم است.
قطع مجازی و اثرات آن
در مورد قطع مجازی، ناپایداری شعله با نوسانات فاز‌های مجاور تشدید می‌شود و منجر به تولید جریان‌های با فرکانس بالا حتی قبل از رسیدن جریان به صفر می‌شود. به طور خاص:
مکانیسم قطع مجازی: قطع مجازی معمولاً زمانی رخ می‌دهد که جریان نزدیک به صفر است اما هنوز به آن نرسیده است. در این نقطه، شعله ممکن است با نوسانات فاز‌های مجاور تعامل کند و منجر به تولید جریان با فرکانس بالا شود. این امر سیستم را بیشتر ناپایدار می‌کند و خطر ایجاد مجدد شعله را افزایش می‌دهد.
پدیده مشاهده شده: قطع مجازی در شعله‌های گازی در هوا، SF6 و روغن مشاهده شده است. شعله‌های خلاء نیز بسیار حساس به قطع جریان هستند زیرا شعله در محیط خلاء بیشتر تحت تأثیر شرایط خارجی قرار دارد که منجر به افزایش ناپایداری می‌شود.
دلایل قطع و ایجاد مجدد شعله
پدیده‌های قطع و ایجاد مجدد شعله، همراه با افزایش ولتاژ نوسانی با فرکانس بالا، عمدتاً به طراحی شکن‌های مداری نسبت داده می‌شوند. به طور خاص:
طراحی برای جریان‌های خطا بالا: شکن‌های مداری معمولاً برای مدیریت جریان‌های خطا بالا طراحی می‌شوند. اگر طراحی فقط بر عملکرد مؤثر برای جریان‌های بالا تمرکز داشته باشد، ممکن است برای جریان‌های کوچک نیز مؤثر باشد و تلاش کند تا آن‌ها را قبل از عبور طبیعی از نقطه صفر قطع کند.
پیامدهای نامطلوب: این رویکرد طراحی می‌تواند باعث قطع جریان و ایجاد مجدد شعله شود که منجر به افزایش ولتاژ و اثرات نامطلوب دیگر می‌شود. به عنوان مثال، افزایش ولتاژ می‌تواند مواد عایق سیستم را آسیب ببیند و منجر به خرابی تجهیزات یا کاهش عمر مفید آن‌ها شود.
بهینه‌سازی طراحی شکن‌های مداری
برای مدیریت مؤثر هر دو نوع جریان کوچک و بزرگ، طراحی شکن‌های مداری باید ویژگی‌های متعددی را برای تضمین عملکرد قابل اعتماد در شرایط مختلف شامل شود. پیشنهادات خاص عبارتند از:
تعادل عملکرد برای جریان‌های کوچک و بزرگ: طراحی شکن‌های مداری باید هر دو نوع جریان را در نظر بگیرد و از بهینه‌سازی بیش از حد برای یک نوع به صرفه‌بندی دیگری خودداری کند. به عنوان مثال، تنظیم مواد تماس، طراحی کاماره خاموش‌سازی شعله و استراتژی‌های کنترل می‌تواند به تعادل عملکرد در سطوح مختلف جریان کمک کند.
کاهش نوسانات با فرکانس بالا: طراحی باید به کاهش نوسانات با فرکانس بالا، به ویژه نزدیک به نقطه صفر جریان، توجه کند. این امر می‌تواند با معرفی عناصر میرا کننده مناسب یا بهینه‌سازی پارامترهای مدار برای سرکوب جریان‌های موقت با فرکانس بالا انجام شود.
افزایش عملکرد عایق: برای مدیریت افزایش ولتاژ پتانسیل، طراحی عایق شکن مداری باید دارای مقاومت الکتریکی کافی باشد. انتخاب مواد عایق با عملکرد بالا و بهینه‌سازی ساختار عایق می‌تواند تضمین کند که عایق حتی در شرایط بحرانی همچنان قابل اعتماد باشد.
