کاربرد تازه‌ساخته شدنی قطع‌کننده‌های مدار مستقیم در حفاظت از خطاهای خوردگی کوتاه
I. مقدمه
با پیشرفت سریع فناوری اطلاعات مدرن، هوشمندسازی به یک روند بزرگ در توسعه تجهیزات صنعتی تبدیل شده است. در زمینه قطع کننده‌های ولتاژ بالا، قطع کننده‌های هوشمند دی‌سی - به عنوان اجزای کنترلی کلیدی در سیستم‌های برق - پایه خودکار و هوشمندسازی سیستم‌های برق را تشکیل می‌دهند. این مطالعه بر روی یک قطع کننده دی‌سی هوشمند مبتنی بر تک‌تراشه (SCM) تمرکز دارد و به کاربرد عملی آن در نظارت زنده بر جریان و قطع خطاهای سیستم‌های تامین برق دی‌سی در کشتی‌ها تأکید می‌کند. علاوه بر چمدان خاموش‌کننده دیودی، این قطع کننده شامل یک سیستم کنترل هوشمند، واحد تشخیص جریان خطای و واحد پردازش سیگنال است که به او اجازه می‌دهد نیازهای خاص حفاظت از خطاهای سیستم دی‌سی را مؤثر بکار بگیرد.
II. اصل انتقال جریان در قطع کننده‌های دی‌سی
چالش اصلی قطع کننده‌ها در سیستم‌های دی‌سی در خاموش کردن قوس الکتریکی است. بر اساس نظریه قوس، خاموش کردن یک قوس نیازمند یک نقطه عبور جریان از صفر است. با این حال، سیستم‌های دی‌سی چنین نقطه طبیعی عبوری ندارند که خاموش کردن قوس را بسیار مشکل می‌کند.
راه حل - اصل انتقال جریان:
با معرفی یک جریان معکوس به مدار، یک نقطه عبور مصنوعی ایجاد می‌شود که شرایط لازم برای خاموش کردن قوس را فراهم می‌کند. اصل خاص به شرح زیر است:
|
حالت مدار |
عملکرد قطعه |
تغییر جریان و فرآیند خاموش کردن قوس |
|
حالت عادی |
قطع کننده QF بسته است. |
توان دی‌سی ولتاژ بالا از طریق QF به بار تأمین می‌شود و عملکرد پایدار مدار را تضمین می‌کند. |
|
حالت خطا (خرابی A-B) |
1. جریان به سرعت افزایش می‌یابد (نرخ وابسته به L₁, L₂). |
1. جریان تخلیه I₂ با جریان اصلی I₁ مخالف است. |
III. طراحی سیستم
(1) ماژول نظارت
ماژول نظارت به عنوان منبع سیگنال کنترلی سیستم کنترل الکترونیکی عمل می‌کند و نظارت زنده بر تغییرات جریان مدار را امکان‌پذیر می‌کند و پاسخ‌های دقیق و به موقع به ناهماهنگی‌های جریان ارائه می‌دهد.
جریان پردازش سیگنال:
- جمع‌آوری سیگنال: سیگنال‌های جریان از طریق یک شانس با انتهای ولتاژ پایین زمین‌دار (برای جلوگیری از تداخل پالس‌های ولتاژ بالا) و مقاومت غیر القائی (برای حفظ دامنه و شکل موج جریان) جمع‌آوری می‌شوند.
- پردازش سیگنال: سیگنال‌های ولتاژ جمع‌آوری شده (دامنه کوچک با نویز فرکانس بالا) → مدار فیلتر (حذف نویز) → مدار تقویت کننده جداگانه (با استفاده از کوپلر خطی نوری HCNR201، تقویت کننده LM324 در سمت اولیه و OP07 در سمت ثانویه، عملکرد ترانسفورماتور دی‌سی) → نمونه‌برداری و نگهداری → تبدیل A/D → ارسال به SCM.
- پاسخ خطا: اگر جریان از حد مجاز فراتر رود، SCM دستور قطع را صادر کرده و هشدار بلندکننده را فعال می‌کند.
(2) پردازش داده‌ها توسط SCM
معیارهای تشخیص خطا:
- عملکرد عادی: نرخ افزایش جریان Kᵢ ≤ Kₘₐₓ، مقدار جریان I ≤ Iₘₐₓ.
- خطای کوتاه مدار: Kᵢ > Kₘₐₓ، و I ممکن است به سرعت از Iₘₐₓ فراتر رود.
مدل ریاضی و محاسبات ساده شده:
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 برای محاسبه Kᵢ نیاز است، بدون عملیات نقطه شناور و کاهش قابل توجه زمان پاسخ.
معیار خطا: SCM خطا را وقتی Uᵢₙ > Uₘₐₓ یا ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ تشخیص می‌دهد.
(3) اقدامات ضد تداخل
به دلیل محیط ولتاژ و جریان بالا با تداخل الکترومغناطیسی قوی، طراحی ضد تداخل چندبعدی اتخاذ شده است:
|
بعد ضد تداخل |
اقدامات خاص |
هدف |
|
سیگنال ورودی |
جداشدگی از طریق کوپلر خطی نوری HCNR201 |
جداشدگی سیستم کنترل از مدارهای قدرت بالا؛ کاهش تداخل و افزایش ایمنی. |
|
خروجی سیگنال |
SCM کنترل کوپلرهای نوری برای محرک تایریستورهای مدار تخلیه |
فقط اتصال سیگنال؛ جلوگیری از تأثیر جریان بالا بر سیستم کنترل. |
|
کانال پیش سیگنال |
مدار فیلتر پایین‌گذر |
بلوک کردن تداخل RF، فرکانس تغذیه و پالس؛ بهبود قابلیت اطمینان. |
|
سطح نرم‌افزاری |
1. فیلتر دیجیتال مرکب (میانه + میانگین متحرک) |
پالایش نویز داده، تضمین دقت دستورات و جلوگیری از از دست دادن کنترل برنامه. |
(4) طراحی ساختاری کلی
مکانیزم عملکرد - مکانیزم مغناطیس دائمی دو وضعیتی:
- اجزاء: سیم‌پیچ‌های بسته/باز، مغناطیس‌های دائمی، هسته آهن متحرک (خط‌چین)، پوسته.
- مدار عملکرد: سیم‌پیچ‌ها به صورت سری با خازن‌های پیش‌شارژ شده (منبع انرژی) و تایریستورها مدار تخلیه را تشکیل می‌دهند.
- فرآیند عملکرد: سیگنال SCM → تقویت شده توسط ترانزیستورها → کنترل گیت‌های تایریستور → در حالت خطا، SMC سیگنال باز کردن را ارسال می‌کند → تایریستور رسانا می‌شود → خازن از طریق سیم‌پیچ 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 پراکنش زمانی.
- پارامترهای ساختاری: QF₁ و QF₂ در فاصله مساوی از محور O قرار دارند؛ طول بازوها بر اساس پارامترهای خاص تعیین می‌شوند.
- عملکرد خطا: مکانیزم 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 از صفر عبور می‌کند → قوس خاموش می‌شود.
IV. آزمایش سیستم
- محیط: آزمایشگاه مدارهای مصنوعی، مؤسسه الکترونیک قدرت، دانشگاه صنعتی دالیان.
- روش: جریان متناوب کم فرکانس شبیه‌سازی افزایش خطا در دی‌سی؛ معرفی جریان معکوس در جریان پیک.
- نتایج:
- نمودار جریان از طریق QF₁ نشان می‌دهد که جریان معکوس دقیقاً در t₀ معرفی شده است.
- جریان معکوس مجبور می‌کند از صفر عبور کند، قوس خاموش می‌شود و جریان خطا با موفقیت قطع می‌شود.
V. نتیجه‌گیری
آزمایش‌ها نشان می‌دهند که قطع کننده دی‌سی جدید با سیستم کنترل الکترونیکی با موفقیت جریان‌های خطا در سیستم‌های تامین برق دی‌سی را قطع می‌کند و نتایج رضایت‌بخشی دارد. این راه‌حل می‌تواند به طور گسترده در حفاظت از خطاها در سیستم‌های دی‌سی مانند کشتی‌ها، مترو، الکترولیز دی‌سی و فرنس‌های الکتریکی کاربرد یابد.
ویژگی‌های اصلی سیستم:
- عملکرد زنده: جمع‌آوری مبتنی بر SCM امکان نظارت زنده را با کنترل قوی و پراکنش زمانی کم فراهم می‌کند.
- پاسخ سریع: الگوریتم‌های ساده‌شده از عملیات نقطه شناور پرهیز می‌کنند و زمان پاسخ را کاهش می‌دهند تا تشخیص سریع خطا ممکن شود.
- قابلیت اطمینان: مکانیزم 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 پیش‌بینی می‌شود که کاربردهای گسترده‌ای در سیستم‌های برق دی‌سی مدرن داشته باشد و نیازهای فوری به تجهیزات محافظ هوشمند را برآورده کند.
