Εφαρμογή νέων διατόμων υψηλής τάσης στην προστασία από σφάλματα μικρού κύκλου
I. Εισαγωγή
Με την ταχεία πρόοδο της σύγχρονης τεχνολογίας πληροφοριών, η εξυπνάδα έχει γίνει μια κύρια τάση στην ανάπτυξη βιομηχανικού εξοπλισμού. Στο πεδίο της υψηλής τάσης, οι εξυπνές διακόπτες—ως κρίσιμα στοιχεία ελέγχου στα συστήματα ενέργειας—συνιστούν τη βάση για την αυτοματοποίηση και την εξυπνάδα στα συστήματα ενέργειας. Αυτή η μελέτη εστιάζει σε έναν εξυπνή DC διακόπτη με βάση την τεχνολογία μονοσύμβασης (SCM), τονίζοντας την πρακτική εφαρμογή του στον πραγματικό χρόνο παρακολούθησης του ρεύματος και την διακοπή παραβιάσεων στα συστήματα DC ενεργοποίησης σε πλοία. Εκτός από το συμβατικό κίνητρο απόσβεσης της φλογέρας, αυτός ο διακόπτης ενσωματώνει ένα εξυπνό λειτουργικό σύστημα, μονάδα ανίχνευσης σφαλμάτων ρεύματος και μονάδα επεξεργασίας σήματος, επιτρέποντας την αποτελεσματική αντιμετώπιση των ειδικών απαιτήσεων προστασίας σφαλμάτων στα συστήματα DC.
II. Αρχή Μεταφοράς Ρεύματος σε DC Διακόπτες
Η κύρια πρόκληση για τους διακόπτες σε συστήματα DC είναι η απόσβεση της φλογέρας. Σύμφωνα με τη θεωρία της φλογέρας, η απόσβεση της φλογέρας απαιτεί ένα σημείο μηδενικού ρεύματος. Ωστόσο, τα συστήματα DC δεν έχουν ένα φυσικό σημείο μηδενικού ρεύματος, κάνοντας την απόσβεση της φλογέρας εξαιρετικά δύσκολη.
Λύση – Αρχή Μεταφοράς Ρεύματος:
Με την εισαγωγή αντίστροφου ρεύματος στο κύκλωμα, δημιουργείται ένα τεχνητό σημείο μηδενικού ρεύματος, παρέχοντας την απαραίτητη συνθήκη για την απόσβεση της φλογέρας. Η συγκεκριμένη αρχή είναι η εξής:
|
Κατάσταση Κυκλώματος |
Λειτουργία Συστατικών |
Αλλαγή Ρεύματος και Διαδικασία Απόσβεσης Φλογέρας |
|
Κανονική Κατάσταση |
Ο διακόπτης QF είναι κλειστός. |
Το υψηλότητας DC ενεργεί το φορτίο μέσω του QF, εξασφαλίζοντας σταθερή λειτουργία του κυκλώματος. |
|
Κατάσταση Σφάλματος (Σύνδεση A-B) |
1. Το ρεύμα αυξάνεται γρήγορα (η ταχύτητα εξαρτάται από το L₁, L₂). |
1. Το ρεύμα I₂ αντιτίθεται στο πρωτότυπο ρεύμα I₁. |
III. Σχεδιασμός Συστήματος
(1) Μονάδα Παρακολούθησης
Η μονάδα παρακολούθησης λειτουργεί ως πηγή σήματος ελέγχου για το ηλεκτρονικό λειτουργικό σύστημα, επιτρέποντας την πραγματικού χρόνου παρακολούθηση των αλλαγών του ρεύματος στο κύκλωμα και παρέχοντας εγκαίρως και ακριβείς απαντήσεις σε ανωμαλίες ρεύματος.
Ροή Επεξεργασίας Σήματος:
- Συλλογή Σήματος: Τα σήματα ρεύματος συλλέγονται μέσω ενός συμβολής με χαμηλή τάση στον ιχνοσχηματισμό (για να προλαμβάνεται η παρεμβολή υψηλής τάσης) και μη επιδραστική αντίσταση (για τη διατήρηση της πλάτους και της μορφής του ρεύματος).
- Επεξεργασία Σήματος: Τα αποκτηθέντα σήματα τάσης (μικρής πλάτους με υψηλή συχνότητα θόρυβου) → κύκλωμα φίλτρου (αφαίρεση θορύβου) → κύκλωμα απομόνωσης και επέκτασης (χρησιμοποιώντας υψηλής ακρίβειας γραμμικό φωτοκόπτη HCNR201, ενιαίο πλευρό LM324, δευτερεύον πλευρό OP07, λειτουργώντας ως DC μετατροπέα) → δείγμα και διατήρηση → A/D μετατροπή → αποστολή στο SCM.
- Απάντηση σε Σφάλμα: Εάν το ρεύμα υπερβαίνει τα επιτρεπτά όρια, το SCM εκδίδει εντολή ανάδειξης και ενεργοποιεί μια συρίγγη σειρά.
(2) Επεξεργασία Δεδομένων από το SCM
Κριτήρια Κρίσης Σφαλμάτων:
- Κανονική λειτουργία: Ταχύτητα αύξησης ρεύματος Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, τιμή ρεύματος I ≤ Iₘₐₓ.
- Σφάλμα κατάληψης: Kᵢ > Kₘₐₓ, και το I μπορεί να υπερβεί ταχύ το Iₘₐₓ.
Μαθηματικό Μοντέλο και Απλοποιημένη Υπολογιστική:
Από ΔU = ΔI · Rբ (αντίσταση συμβολής),
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
Πλεονέκτημα: Μετά τη σταθεροποίηση του Δt, χρειάζεται μόνο το ΔU μεταξύ δύο σημείων για τον υπολογισμό του Kᵢ, αποφεύγοντας τις παραγώγους και μειώνοντας σημαντικά τον χρόνο απόκρισης.
Κριτήριο Σφάλματος: Το SCM κρίνει ότι υπάρχει σφάλμα όταν Uᵢₙ > Uₘₐₓ ή ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ.
(3) Μέτρα Αντιπαρεμβολής
Λόγω του υψηλής τάσης, υψηλού ρεύματος περιβάλλοντος με ισχυρή ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή, χρησιμοποιείται πολυδιάστατος σχεδιασμός αντιπαρεμβολής:
|
Διάσταση Αντιπαρεμβολής |
Συγκεκριμένα Μέτρα |
Σκοπός |
|
Εισερχόμενο Σήμα |
Απομόνωση μέσω γραμμικού φωτοκόπτη HCNR201 |
Απομονώνει το σύστημα ελέγχου από τα υψηλής ισχύος κυκλώματα· περιορίζει την παρεμβολή και ενισχύει την ασφάλεια. |
|
Εξερχόμενο Σήμα |
Το SCM ελέγχει τους φωτοκόπτες για την οδήγηση των θυρίστων στο κύκλωμα καταθρέψης |
Εξασφαλίζει μόνο σύνδεση σήματος· προλαμβάνει την επίδραση υψηλού ρεύματος στο σύστημα ελέγχου. |
|
Προκανάλιο Σήματος |
Κύκλωμα χαμηλού πέρασμα |
Εμποδίζει την RF, την πληθυσμιακή συχνότητα και την παρεμβολή παλμών· βελτιώνει την αξιοπιστία. |
|
Επίπεδο Λογισμικού |
1. Συνδυασμένη ψηφιακή φίλτραρση (μεσαία + κινούμενη μέση) |
Φιλτράρει τον θόρυβο δεδομένων, εξασφαλίζει την ακρίβεια των εντολών και προλαμβάνει την έκτροπη λειτουργία του προγράμματος. |
(4) Σχεδιασμός Συνολικής Δομής
Μηχανισμός Λειτουργίας – Διστατικός Μόνιμος Μαγνητικός Μηχανισμός:
- Σύνθεση: Σπείρες κλείσιμου/άνοιγματος, μόνιμοι μαγνήτες, κινούμενη σιδηρούχη καρδιά (σε στίξεις), σκεύος.
- Κύκλωμα Λειτουργίας: Οι σπείρες σε σειρά με προετοιμασμένους καταθρέψεις (πηγή ενέργειας) και θυρίστες σχηματίζουν κύκλωμα καταθρέψης.
- Διαδικασία Δράσης: Σήμα SCM → επεκταθείσα από τρανζίστορ → ελέγχει τα θυρίστες → κατά την περίπτωση σφάλματος, το SMC στέλνει σήμα άνοιγμα → ο θυρίστης οδηγεί → ο καταθρέψης καταθρέφεται μέσω της σπείρας άνοιγμα → η σιδηρούχη καρδιά κινείται → το QF ανοίγει. Το κλείσιμο είναι χειροκίνητο μέσω ενός στροφοίρου.
Κύκλωμα Μεταφοράς Ρεύματος (Βελτιωμένη Δομή):
- Βελτίωση: Αντικαθιστά τους στροφοίρους πυρογενούς με βακουούμ στροφοίρους (QF₂), μειώνοντας την διασπορά χρόνου.
- Παραμέτρους Δομής: Το QF₁ και το QF₂ είναι ισαπέχοντα από το πίβοτ O· τα μήκη των βραχίων καθορίζονται με βάση συγκεκριμένες παραμέτρους.
- Ενέργεια σε Σφάλμα: Ο μόνιμος μαγνητικός μηχανισμός ενεργοποιείται → η σιδηρούχη καρδιά κινείται κάτω → το QF₁ ανοίγει, το QF₂ κλείνει → ο καταθρέψης C καταθρέφεται → το ρεύμα φλογέρας στο QF₁ διασχίζει το μηδέν → η φλογέρα απόσβεται.
IV. Πείρα Συστήματος
- Περιβάλλον: Συντεταγμένο Κύκλωμα Εργαστήριο, Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Ενέργειας, Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας Dalian.
- Μέθοδος: Χαμηλή συχνότητα AC ρεύματος προσομοιώνει την αύξηση DC σε κατάληψη· αντίστροφο ρεύμα εισάγεται στο κορυφαίο ρεύμα.
- Αποτελέσματα:
- Το ρεύμα QF₁ δείχνει ακριβή εισαγωγή αντίστροφου ρεύματος στο t₀.
- Το αντίστροφο ρεύμα αναγκάζει τη διασχίση του μηδενικού, επιτυγχάνει την απόσβεση της φλογέρας και διακόπτει επιτυχώς το ρεύμα κατάληψης.
V. Συμπέρασμα
Οι πειράματες δείχνουν ότι ο νέος DC διακόπτης με το ηλεκτρονικό λειτουργικό σύστημα επιτυγχάνει επιτυχώς τη διακοπή των ρευμάτων κατάληψης στα συστήματα DC ενεργοποίησης, με ικανοποιητικά αποτελέσματα. Αυτή η λύση μπορεί να εφαρμοστεί ευρέως στην προστασία κατάληψης σε συστήματα DC όπως πλοία, μετρό, DC ηλεκτρόλυση και ηλεκτροφούρνοι.
Βασικά Χαρακτηριστικά Συστήματος:
- Επιδόσεις Πραγματικού Χρόνου: Η απόκτηση με βάση το SCM επιτρέπει την πραγματικού χρόνου παρακολούθηση με ισχυρή ελεγχοποιητική ικανότητα και μικρή διασπορά χρόνου.
- Γρήγορη Απόκριση: Απλοποιημένοι αλγόριθμοι αποφεύγουν τις παραγώγους, μειώνοντας τον χρόνο απόκρισης για γρήγορη ανίχνευση σφαλμάτων.
- Αξιοπιστία: Ο διστατικός μόνιμος μαγνητικός μηχανισμός μειώνει τα μηχανικά σφάλματα και συντομεύει τον χρόνο άνοιγματος· η βελτιωμένη δομή εξασφαλίζει τη συγχρονισμένη λειτουργία της διακοπής και της μεταφοράς.
Η λύση του εξυπνού DC διακόπτη που παρουσιάζεται σε αυτή τη μελέτη προσφέρει υψηλή πρακτική αξία και ευρείες εφαρμογές, καλύπτοντας την επείγουσα ανάγκη για εξυπνά εξοπλισμό προστασίας σε σύγχρονα συστήματα DC ενέργειας.
