Uue DC lülitikute kasutamine lühikeste tsirkviitide kaitsekava jaoks
I. Sissejuhatus
Kaasaegse teabetechnoloogia kiire arenemisega on intelligentsus saanud oluliseks suunaks tööstusrakenduste arendamisel. Kõrgepinge lülitite valdkonnas on intelligentsed põhivoolu katkestajad – kui kriitilised kontrollkomponendid elektrivõrkudes – aluseks automaatikule ja intelligentsusele elektrivõrkude juures. See uurimustöö keskendub SCM-tehnoloogiale (single-chip microcomputer) põhinevale intelligentsel DC põhivoolu katkestajale, rõhutades selle praktilist rakendamist reaalajas voolu jälgimisel ja vea katkestamisel laevade DC elektrivaraosades. Lisaks tavalisele plamiväljakuule sisaldab see katkestaja ka intelligentsi töösüsteemi, veavoolu tuvastussüsteemi ja signaalitöödeldava ühiku, mis võimaldavad talle tõhusalt lahendada erilisi nõudeid DC süsteemide veakaitseks.
II. DC põhivoolu katkestajate voolu edastamise printsiip
Põhivoolu katkestajate põhiline väljakutse DC süsteemides seisneb plami väljakuul. Plamiteooria kohaselt nõuab plami väljakuul voolu nullpunkti. DC süsteemidel aga puudub loomulik voolu nullpunkt, mis muudab plami väljakuul eriti keeruliseks.
Lahendus – Voolu edastamise printsiip:
Kaudse voolu viimise abil luuakse tekitatud voolu nullpunkt, mis annab vajaliku tingimuse plami väljakuul. Konkreetne printsiip on järgmine:
|
Sirgi olek |
Komponendi toiming |
Voolu muutus ja plami väljakuulprotsess |
|
Tavaline olek |
Põhivoolu katkestaja QF on sulgitud. |
Kõrgepinge DC elektrivara osutab koormale läbi QF, tagades stabiilse sirgi töö. |
|
Veaolek (A–B lühend) |
1. Vool kasvab kiiresti (kiirus sõltub L₁, L₂). |
1. Varitamise vool I₂ vastandub algsele voolule I₁. |
III. Süsteemi disain
(1) Jälgimismoodul
Jälgimismoodul on elektronilise töösüsteemi juhtsignaalide allikas, mis võimaldab reaalajas jälgida sirgi voolu muutusi ja anda ajakohaseid ja täpseid reageerimisi voolu ebatavalikele muutustele.
Signaalitöötleja protsess:
- Signaali andmine: Voolusignaalid kogutakse shuntiga, millel on maandatud madalpingeline terminal (et ära hoida kõrgepingelist impulssihäirikut) ja mitteinduktiivne vastus (et säilitada voolu amplituud ja lainekuju).
- Signaali töötlemine: Kogutud pingesignaalid (väike amplituud ja kõrge sagedusega häirivsignaal) → Filtri tsükkel (häirivsignaali eemaldamine) → Eraldusamplifikatsioonitsükkel (kasutades kõrgepärasest lineaarset optokuplit HCNR201, esimese poolt opamp LM324, teise poolt opamp OP07, toimides DC transformaatorina) → Proovi võtmine ja hoidmine → A/D teisendamine → Saadetakse SCM-le.
- Vea reageerimine: Kui vool ületab lubatud limiiti, siis SCM andestab käsku katkestamiseks ja aktiveerib helialarma.
(2) SCM poolt teostatav andmetöötlus
Vea tuvastamise kriteeriumid:
- Tavaline töö: Voolu kasvukiirus Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, voolu väärtus I ≤ Iₘₐₓ.
- Lühendusvea korral: Kᵢ > Kₘₐₓ, ja I võib kiiresti ületada Iₘₐₓ.
Matemaatiline mudel ja lihtsustatud arvutamine:
Kuna ΔU = ΔI · Rբ (shunti vastus),
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
Eelis: Pärast Δt kindlaksmääramist on vaja vaid ΔU kahe hetke vahel, et arvutada Kᵢ, vältides ujukomaoperatsioone ja oluliselt vähendades reageerimisaega.
Vea kriteerium: SCM tuvastab vea, kui Uᵢₙ > Uₘₐₓ või ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ.
(3) Häirivsignaali vastuvõtmise meetmed
Kõrgepinge ja kõrgevoolu keskkonnas, kus on tugev elektromagnetiline häirivsignaal, kasutatakse mitmemõõtmelist häirivsignaali vastuvõtmise disaini:
|
Häirivsignaali vastuvõtmise mõõde |
Konkreetne meetod |
Eesmärk |
|
Sisendsignaal |
Lineaarne optokuplit HCNR201 abil eraldus |
Eraldab juhtsüsteemi kõrgevoolulistest tsüklidest; vähendab häirivsignaali ja suurendab ohutust. |
|
Signaali väljund |
SCM juhib optokuplit, mis aktiviseerib triiodi varitamistsüklis |
Tagab ainult signaali ühenduse; vältib kõrgevoolu mõju juhtsüsteemile. |
|
Signaali eelkanal |
Matala-päästefilteritsükkel |
Blokeerib RF, võrgusageduse ja impulssi häirivsignaali; parandab usaldusväärsust. |
|
Tarkvara tasand |
1. Kompleksne digitaalne filter (mediaan + liikuv keskmine) |
Filtreerib andmeid häirivsignaalidest, tagab käskluste täpsuse ja vältib programmide kõverdamist. |
(4) Üldine struktuuriline disain
Töömeetod – Bistabilne püsivmagneetiline mehaanika:
- Koostis: Sulgemise/avamise spiraalid, püsivmagneedid, liiguv raudese (katkendlik), korpus.
- Töötsükkel: Spiraalid on sarivõrgus eelnevalt laetud kondensaatoride (energiaallikad) ja triiodidega, moodustades varitamistsüklid.
- Toiminguprotsess: SCM signaal → amplifitseeritakse transistori poolt → juhib triodi vaates → veebile korral SCM saadab avamiskäsk → triiod läbib → kondensaator varitab läbi avamisspiraal → raudese liigub → QF avaneb. Sulgemine juhitakse kätese lüliti poolt.
Voolu edastamise tsükkel (parandatud struktuur):
- Parandus: Asendab plamiväljakuulu lülited vakuumilülitedega (QF₂), vähendades aja dispersiooni.
- Struktuurilised parameetrid: QF₁ ja QF₂ on võrdsete kaugustel pivota O-st; käsikute pikkused määratakse konkreetsete parameetrite põhjal.
- Vea toiming: Püsivmagneetiline mehaanika energiseeritakse → raudese liigub alla → QF₁ avaneb, QF₂ sulgeb → kondensaator C varitab → QF₁ plami vool ületab nullpunkt → plam väljakuulb.
IV. Süsteemi eksperiment
- Ümbritsev keskkond: Sinteesitsüklite labor, Dalian Tehnoloogiainstituudi Elektrotehnika Instituut.
- Meetod: Madala sageduse AC vool simuleerib DC lühendusvea tõusu; vastandvool viiakse sisse maksimaalse voolu korral.
- Tulemused:
- QF₁ läbiviiva voolu lainekuju näitab, et vastandvool viiakse sisse täpselt hetkel t₀.
- Vastandvool sundib nullpunkt ületama, saavutab plami väljakuulmise ja edukalt katkestab lühendusvoolu.
V. Kokkuvõte
Eksamid näitavad, et uus DC põhivoolu katkestaja, mis on varustatud elektronilise töösüsteemiga, edukalt katkestab lühendusvoolu DC elektrivarade süsteemides, tulemused on rahuldavad. See lahendus saab laialdaselt rakendada DC süsteemide, nagu laevad, metrood, DC elektroolitseerimine ja elektrilised ahjad, lühenduskaitseks.
Üldine süsteemi omadused:
- Reaalajas performants: SCM-põhine andmetöötlus võimaldab reaalajas jälgimist, tugevat kontrollitavust ja väikese aja dispersiooni.
- Kiire reageerimine: Lihtsustatud algoritmid vältivad ujukomaoperatsioone, vähendades reageerimisaega kiire vea tuvastamiseks.
- Usaldusväärsus: Bistabilne püsivmagneetiline mehaanika vähendab mehaanilisi vigu ja lühendab avamisaega; parandatud struktuur tagab sünkroniseeritud katkestamise ja edastamise toiminguid.
See uurimuses esitatud intelligentsel DC põhivoolu katkestaja lahendus pakub kõrget praktilist väärtust ja kannatab hea rakendamisväljavaate, rahuldades tänapäeva DC elektrivõrkude intelligentside kaitsevarustuse kiiret nõudlust.
