کاربرد تازه‌ساخته شدنی قطع‌کننده‌های مدار مستقیم در حفاظت از خطاهای خودپرداز
I. مقدمه
با پیشرفت سریع فناوری اطلاعات مدرن، هوشمندسازی به یک روند اصلی در توسعه تجهیزات صنعتی تبدیل شده است. در زمینه قطع کننده‌های ولتاژ بالا، قطع کننده‌های هوشمند دی‌سی - به عنوان اجزای کنترلی مهم در سیستم‌های برق - پایه خودکارسازی و هوشمندسازی در سیستم‌های برق را تشکیل می‌دهند. این مطالعه بر روی یک قطع کننده دی‌سی هوشمند مبتنی بر تک‌بلوریک (SCM) تمرکز دارد و کاربرد عملی آن در نظارت بر جریان واقعی و قطع خطاهای سیستم‌های تأمین برق دی‌سی در کشتی‌ها را تاکید می‌کند. علاوه بر کامره خاموش‌کننده معمولی، این قطع کننده شامل یک سیستم کاری هوشمند، واحد تشخیص جریان خطا و واحد پردازش سیگنال است که به آن اجازه می‌دهد تا نیازهای خاص محافظت از خطا در سیستم‌های دی‌سی را مؤثرانه برآورده کند.
II. اصل انتقال جریان در قطع کننده‌های دی‌سی
چالش اصلی قطع کننده‌ها در سیستم‌های دی‌سی در خاموش کردن قوس الکتریکی وجود دارد. بر اساس نظریه قوس، خاموش کردن یک قوس نیاز به یک نقطه صفرگذاری جریان دارد. با این حال، سیستم‌های دی‌سی نقطه صفر طبیعی جریان ندارند، که خاموش کردن قوس را بسیار دشوار می‌کند.
راه حل – اصل انتقال جریان:
با معرفی یک جریان معکوس به مدار، یک نقطه صفر مصنوعی ایجاد می‌شود که شرایط لازم برای خاموش کردن قوس را فراهم می‌کند. اصل خاص به شرح زیر است:
|
حالت مدار |
عملکرد اجزا |
تغییر جریان و فرآیند خاموش کردن قوس |
|
حالت عادی |
قطع کننده QF بسته است. |
توان دی‌سی با ولتاژ بالا از طریق QF به بار تأمین می‌شود و عملکرد پایدار مدار را تضمین می‌کند. |
|
حالت خطا (کوتاه‌شدن A–B) |
1. جریان به سرعت افزایش می‌یابد (نرخ به L₁, L₂ بستگی دارد). |
1. جریان تخلیه I₂ با جریان اصلی I₁ مخالف است. |
III. طراحی سیستم
(1) ماژول نظارت
ماژول نظارت به عنوان منبع سیگنال کنترلی سیستم کاری الکترونیکی عمل می‌کند و نظارت واقعی بر تغییرات جریان مدار را امکان‌پذیر می‌کند و پاسخ‌های دقیق و به موقع به ناهماهنگی‌های جریان را فراهم می‌کند.
جریان پردازش سیگنال:
- جمع‌آوری سیگنال: سیگنال‌های جریان از طریق یک شانس با پایین‌ولتاژ گراند شده (برای جلوگیری از تداخل پالس‌های ولتاژ بالا) و مقاومت غیر القایی (برای حفظ دامنه و شکل موج جریان) جمع‌آوری می‌شوند.
- پردازش سیگنال: سیگنال‌های ولتاژ (دامنه کوچک با نویز فرکانس بالا) → مدار فیلتر (حذف نویز) → مدار تقویت کننده جداگانه (با استفاده از HCNR201، OP-AMP LM324 در سمت اولیه و OP-AMP OP07 در سمت ثانویه، به عنوان یک ترانسفورماتور دی‌سی) → نمونه‌برداری و نگهداری → تبدیل A/D → ارسال به SCM.
- پاسخ خطا: اگر جریان از حد مجاز عبور کند، SCM دستور قطع می‌دهد و آلارم بلرز را فعال می‌کند.
(2) پردازش داده‌ها توسط SCM
معیارهای تشخیص خطا:
- عملکرد عادی: نرخ افزایش جریان Kᵢ ≤ Kₘₐₓ، مقدار جریان I ≤ Iₘₐₓ.
- خطای کوتاه‌مدار: Kᵢ > Kₘₐₓ، و I ممکن است به سرعت از Iₘₐₓ عبور کند.
مدل ریاضی و محاسبه ساده:
از ΔU = ΔI · Rբ (مقاومت شانس)،
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
مزیت: پس از ثابت کردن Δt، فقط ΔU بین دو لحظه نیاز است تا Kᵢ محاسبه شود، که از عملیات نقطه شناور جلوگیری می‌کند و زمان پاسخ را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد.
معیار خطا: SCM یک خطا را وقتی Uᵢₙ > Uₘₐₓ یا ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ تشخیص می‌دهد.
(3) اقدامات ضد تداخل
به دلیل محیط ولتاژ بالا و جریان بالا با تداخل الکترومغناطیسی قوی، طراحی ضد تداخل چند بعدی اتخاذ شده است:
|
بعد ضد تداخل |
اقدامات خاص |
هدف |
|
سیگنال ورودی |
جداشدگی از طریق HCNR201 |
جداشدگی سیستم کنترلی از مدارهای توان بالا؛ کاهش تداخل و افزایش ایمنی. |
|
خروجی سیگنال |
SCM کنترل کنترل‌کننده‌های تیستریستور در مدار تخلیه |
فقط اتصال سیگنال را تضمین می‌کند؛ جلوگیری از تأثیر جریان‌های بالا بر سیستم کنترلی. |
|
کانال پیش‌سیگنال |
مدار فیلتر پایین‌گذر |
مسدود کردن تداخل RF، فرکانس توان و پالس‌ها؛ افزایش قابلیت اطمینان. |
|
سطح نرم‌افزاری |
1. فیلتر دیجیتال مرکب (میانگین + میانگین متحرک) |
فیلتر کردن نویز داده، تضمین دقت دستورات و جلوگیری از گریز برنامه. |
(4) طراحی ساختاری کلی
مکانیسم عملکرد – مکانیسم مغناطیس دائمی دو وضعیتی:
- تشکیل: لوله‌های بستن/باز کردن، مغناطیس‌های دائمی، هسته آهن متحرک (خط‌چین)، پوسته.
- مدار عملکرد: لوله‌ها به صورت سری با خازن‌های پیش‌شارژ شده (منبع انرژی) و تیستریستورها تشکیل مدار تخلیه می‌دهند.
- فرآیند عملکرد: سیگنال SCM → تقویت شده توسط ترانزیستورها → کنترل دروازه تیستریستورها → در زمان خطا، SMC سیگنال باز کردن می‌فرستد → تیستریستور رسانا می‌شود → خازن از طریق لوله باز کردن تخلیه می‌شود → هسته آهن حرکت می‌کند → QF باز می‌شود. بستن به صورت دستی از طریق یک سوئیچ کنترل می‌شود.
مدار انتقال جریان (ساختار بهبود یافته):
- بهبود: جایگزینی سوئیچ‌های شکاف برقی با سوئیچ‌های خلاء (QF₂)، کاهش پراکندگی زمانی.
- پارامترهای ساختاری: QF₁ و QF₂ از نقطه محور O فاصله یکسانی دارند؛ طول بازوها بر اساس پارامترهای خاص تعیین می‌شوند.
- عملکرد خطا: مکانیسم مغناطیس دائمی انرژی می‌دهد → هسته آهن به سمت پایین حرکت می‌کند → QF₁ باز می‌شود، QF₂ بسته می‌شود → خازن C تخلیه می‌شود → جریان قوس در QF₁ به صفر می‌رسد → قوس خاموش می‌شود.
IV. آزمایش سیستم
- محیط: آزمایشگاه مدارهای ترکیبی، مؤسسه الکترونیک قدرت، دانشگاه صنعتی دالیان.
- روش: جریان AC با فرکانس پایین شبیه‌سازی افزایش کوتاه‌مدار دی‌سی؛ معرفی جریان معکوس در جریان اوج.
- نتایج:
- شکل موج جریان از طریق QF₁ نشان می‌دهد که جریان معکوس به طور دقیق در t₀ معرفی شده است.
- جریان معکوس مجبور می‌کند به صفر برسد، قوس خاموش شود و کوتاه‌مدار جریان موفقیت‌آمیز می‌شود.
V. نتیجه‌گیری
آزمایش‌ها نشان می‌دهند که قطع کننده دی‌سی جدید با سیستم کاری الکترونیکی به طور موفقیت‌آمیز کوتاه‌مدار جریان‌های سیستم‌های تأمین برق دی‌سی را قطع می‌کند. این راه‌حل می‌تواند به طور گسترده در محافظت از کوتاه‌مدار سیستم‌های دی‌سی مانند کشتی‌ها، مترو، الکترولیز دی‌سی و فرنس‌های الکتریکی استفاده شود.
ویژگی‌های اصلی سیستم:
- عملکرد واقعی: جمع‌آوری مبتنی بر SCM امکان نظارت واقعی با قابلیت کنترل قوی و پراکندگی زمانی کم را فراهم می‌کند.
- پاسخ سریع: الگوریتم‌های ساده از عملیات نقطه شناور جلوگیری می‌کنند و زمان پاسخ را کاهش می‌دهند تا تشخیص سریع خطا امکان‌پذیر شود.
- قابلیت اطمینان: مکانیسم مغناطیس دائمی دو وضعیتی خرابی‌های مکانیکی را کاهش می‌دهد و زمان باز کردن را کوتاه می‌کند؛ ساختار بهبود یافته همزمانی بین عملیات قطع و انتقال را تضمین می‌کند.
راه‌حل قطع کننده دی‌سی هوشمند ارائه شده در این مطالعه ارزش عملی بالایی دارد و چشم‌انداز کاربردی مطلوبی دارد که به تقاضای فوری تجهیزات محافظت هوشمند در سیستم‌های برق دی‌سی مدرن پاسخ می‌دهد.
