Yeni DC Devre Kesicilerinin Kısa Devre Kötü Durum Korumasındaki Uygulaması

I. Giriş​
Modern bilgi teknolojilerinin hızlı gelişimiyle birlikte, zekâ hücresi endüstriyel ekipmanların geliştirilmesinde önemli bir trend haline gelmiştir. Yüksek gerilim anahtarlama alanında, akıllı devre kesiciler—elektrik sistemlerinde kritik kontrol bileşenleri olarak—elektrik sistemlerinde otomasyon ve zeka temelini oluşturur. Bu çalışma, tek çip mikrobilgisayar (SCM) teknolojisine dayalı akıllı DC devre kesicisine odaklanmaktadır ve gemi DC güç sağlama sistemlerinde gerçek zamanlı akım izleme ve arızalı kesme konusundaki uygulamaya vurgu yapılmaktadır. Bu devre kesicisi, geleneksel yayma söndürme odasına ek olarak, akıllı işletim sistemi, arızalı akım algılama ünitesi ve sinyal işleme ünitesini de içerir, bu da ona DC sistem arızası korumasının özel gereksinimlerini etkili bir şekilde karşılamasını sağlar.

​II. DC Devre Kesicilerinin Akım Aktarım İlkesi​
DC sistemlerdeki devre kesicilerin çekirdek zorluğu, yayma söndürmededir. Yayma teorisine göre, yayın söndürülmesi için bir akım sıfır geçiş noktası gereklidir. Ancak, DC sistemlerde doğal bir akım sıfır noktası yoktur, bu da yayın söndürülmesini son derece zorlaştırır.

​Çözüm – Akım Aktarım İlkesi:​​
Devreye ters yönlü bir akım getirerek, yapay bir akım sıfır noktası oluşturulur, bu da yayın söndürülmesi için gerekli koşulu sağlar. Belirli ilke şu şekildedir:

​III. Sistem Tasarımı​

​​(1) İzleme Modülü​
İzleme modülü, elektronik işletim sisteminin kontrol sinyali kaynağı görevi görür, devre akımı değişikliklerini gerçek zamanlı olarak izler ve akım anormalliklerine zamanında ve doğru bir yanıt verir.

​Sinyal İşleme Akışı:​​

• ​Sinyal Toplanması:​​ Akım sinyalleri, düşük voltajlı ucun yerleştirilmiş olması (yüksek voltajlı darbe interferansını önlemek için) ve indüktif olmayan direnç (akım amplitudunu ve dalga formunu korumak için) yoluyla şunt vasıtasıyla toplanır.
• ​Sinyal İşlemesi:​​ Elde edilen voltaj sinyalleri (küçük amplitudlu yüksek frekanslı gürültü ile) → Filtre devresi (gürültü kaldırma) → İzolasyon amplifikasyon devresi (yüksek hassasiyetli lineer optokopleyici HCNR201, birincil taraf op-amp LM324, ikincil taraf op-amp OP07, DC transformatörü olarak hareket eder) → Örnekleme ve tutma → A/D dönüştürme → SCM'ye gönderilir.
• ​Arıza Yanıtı:​​ Eğer akım izin verilen sınırları aşarsa, SCM bir kesme emri verir ve bir zil alarmını tetikler.

​​(2) SCM Tarafından Veri İşlemesi​
​Arıza Değerlendirme Kriterleri:​​

• Normal işlem: Akım yükseliş hızı Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, akım değeri I ≤ Iₘₐₓ.
• Kısa devre arızası: Kᵢ > Kₘₐₓ, ve I, Iₘₐₓ'ı hızlı bir şekilde aşabilir.

​Matematiksel Model ve Basitleştirilmiş Hesaplama:​​
ΔU = ΔI · Rբ (şunt direnci),
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
​Avantaj:​​ Δt sabitlenince, Kᵢ'nin hesaplanmasında iki nokta arasındaki ΔU'su yeterlidir, bu da kayan nokta işlemlerini önler ve tepki süresini önemli ölçüde azaltır.
​Arıza Kriteri:​​ Uᵢₙ > Uₘₐₓ veya ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ olduğunda SCM, bir arızayı belirler.

​​(3) İstismar Önleme Tedbirleri​
Yüksek gerilimli, yüksek akımlı ortamda güçlü elektromanyetik interferans nedeniyle, çok boyutlu istismar önleme tasarımı kullanılmıştır:

​​(4) Genel Yapısal Tasarım​
​İşletim Mekanizması – İki Durumlu Kalıcı Manyetik Mekanizma:​​

• ​Yapısı:​​ Kapalı/açık bobinler, kalıcı manyetler, hareketli demir çekirdeği (çekili çizgi), kaplama.
• ​İşletim Devresi:​​ Bobinler, önceden şarj edilmiş kondansatörler (enerji kaynağı) ve tiyatristlerle seri bağlantılı olarak boşaltma devresini oluştururlar.
• ​Eylem Süreci:​​ SCM sinyali → transistörler tarafından amplifikasyona tabi → tiyatrist kapılarını kontrol eder → arıza sırasında SMC, açma sinyali gönderir → tiyatrist iletken olur → kondansatör, açma bobininden boşalır → demir çekirdeği hareket eder → QF açılır. Kapalı durum manuel olarak bir anahtar vasıtasıyla kontrol edilir.

​Akim Aktarım Devresi (Geliştirilmiş Yapı):​​

• ​Geliştirme:​​ Spark gap anahtarlarının yerine vakum anahtarları (QF₂) kullanılarak, zaman dağılımı azaltılmıştır.
• ​Yapısal Parametreler:​​ QF₁ ve QF₂, pivot O'dan eşit uzaklıktadır; kol uzunlukları belirli parametrelere dayanarak belirlenir.
• ​Arıza Eylemi:​​ Kalıcı manyetik mekanizma enerji alır → demir çekirdeği aşağıya doğru hareket eder → QF₁ açılır, QF₂ kapanır → kondansatör C boşalır → QF₁'deki yay akımı sıfır geçişini zorlar → yay söner.

​IV. Sistem Deneyi​

• ​Çevre:​​ Dalian Teknoloji Üniversitesi Elektrik Gücü Elektronik Enstitüsü, Sentez Devre Laboratuvarı.
• ​Yöntem:​​ Düşük frekanslı AC akımı, DC kısa devre yükselişini simüle eder; zirve akım noktasında ters yönlü akım getirilir.
• ​Sonuçlar:​​
• QF₁ üzerinden geçen akım dalga formu, t₀'da tam olarak ters yönlü akım getirildiğini gösterir.
• Ters yönlü akım, sıfır geçişini zorlar, yayın söndürülmesini sağlar ve kısa devre akımını başarıyla keser.

​V. Sonuç​
Deneyler, yeni elektronik işletim sistemi ile donatılmış DC devre kesicisinin, DC güç sağlama sistemlerinde kısa devre akımlarını başarılı bir şekilde kestiğini göstermektedir. Bu çözüm, gemi, metro, DC elektroliz ve elektrik fırınları gibi DC sistemlerde kısa devre korumasında yaygın olarak kullanılabilir.

​Temel Sistem Özellikleri:​​

• ​Gerçek Zamanlı Performans:​​ SCM tabanlı toplama, güçlü kontrollenebilirlik ve minimum zaman dağılımı ile gerçek zamanlı izlemeyi sağlar.
• ​Hızlı Tepki:​​ Basitleştirilmiş algoritmalar, kayan nokta işlemlerini önler, bu da hızlı arıza tespiti için tepki süresini azaltır.
• ​Güvenilirlik:​​ İki durumlu kalıcı manyetik mekanizma, mekanik arızaları azaltır ve açma süresini kısaltır; geliştirilmiş yapı, kesme ve aktarım işlemlerinin senkronizasyonunu sağlar.

Bu çalışmada sunulan akıllı DC devre kesicisi çözümü, modern DC güç sistemlerinde akıllı koruma ekipmanlarına olan acil talebi karşılamak için yüksek pratik değer ve vaat edici uygulama potansiyeline sahiptir.