Penggunaan Pemutus Litar DC Baru dalam Perlindungan Ralat Short-Circuit

I. Pengenalan​
Dengan kemajuan pesat teknologi maklumat moden, kecerdasan telah menjadi trend utama dalam pembangunan peralatan industri. Dalam bidang pemutus litar tegangan tinggi, pemutus litar pintar—sebagai komponen kawalan penting dalam sistem kuasa—membentuk asas untuk automatik dan kecerdasan dalam sistem kuasa. Kajian ini menumpukan kepada pemutus litar DC pintar berdasarkan teknologi mikrokomputer tunggal (SCM), dengan menekankan aplikasi praktikalnya dalam pemantauan arus masa nyata dan penghentian ralat dalam sistem bekalan kuasa DC kapal. Selain ruang pemadam lengkung biasa, pemutus litar ini juga mengandungi sistem operasi pintar, unit pengesanan arus ralat, dan unit pemprosesan isyarat, membolehkannya menangani keperluan khas perlindungan ralat sistem DC dengan berkesan.

​II. Prinsip Pemindahan Arus Pemutus Litar DC​
Cabaran utama bagi pemutus litar dalam sistem DC terletak pada pemadam lengkung. Menurut teori lengkung, pemadam lengkung memerlukan titik persilangan arus sifar. Walau bagaimanapun, sistem DC tidak mempunyai titik sifar semula jadi, menjadikan pemadam lengkung sangat sukar.

​Solusi – Prinsip Pemindahan Arus:​​
Dengan memperkenalkan arus songsang ke dalam litar, titik sifar arus buatan dicipta, menyediakan syarat yang diperlukan untuk pemadam lengkung. Prinsip spesifik adalah seperti berikut:

​III. Reka Bentuk Sistem​

​​(1) Modul Pemantauan​
Modul pemantauan bertindak sebagai sumber isyarat kawalan untuk sistem operasi elektronik, membolehkan pemantauan masa nyata perubahan arus litar dan memberikan tindak balas tepat dan tepat terhadap anjakan arus.

​Aliran Pemprosesan Isyarat:​​

• ​Pengambilan Isyarat:​​ Isyarat arus dikumpulkan melalui shunt dengan terminal rendah voltan dipendarkan (untuk mencegah gangguan impuls voltan tinggi) dan rintangan non-induktif (untuk mengekalkan amplitud dan bentuk gelombang arus).
• ​Pemprosesan Isyarat:​​ Isyarat voltan yang diperoleh (amplitud kecil dengan bunyi frekuensi tinggi) → Litar penapis (penyingkiran bunyi) → Litar penguatan isolasi (menggunakan optokupler linear HCNR201, op-amp LM324 sisih primer, op-amp OP07 sisih sekunder, bertindak sebagai transformer DC) → Sampel dan pegang → Penukaran A/D → Di hantar ke SCM.
• ​Tindak Balas Ralat:​​ Jika arus melebihi had yang dibenarkan, SCM mengeluarkan arahan trip dan memicu alaram bel.

​​(2) Pemprosesan Data oleh SCM​
​Kriteria Penilaian Ralat:​​

• Operasi normal: Kadar kenaikan arus Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, nilai arus I ≤ Iₘₐₓ.
• Ralat pendek rangkaian: Kᵢ > Kₘₐₓ, dan I mungkin melebihi Iₘₐₓ dengan cepat.

​Model Matematik dan Pengiraan Ringkas:​​
Dari ΔU = ΔI · Rբ (rintangan shunt),
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
​Kelebihan:​​ Selepas Δt tetap, hanya ΔU antara dua masa diperlukan untuk mengira Kᵢ, mengelakkan operasi titik apung dan mengurangkan masa tindak balas secara signifikan.
​Kriteria Ralat:​​ SCM menilai ralat apabila Uᵢₙ > Uₘₐₓ atau ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ.

​​(3) Langkah Anti-Gangguan​
Oleh kerana persekitaran voltan tinggi, arus tinggi dengan gangguan elektromagnetik yang kuat, reka bentuk anti-gangguan multi-dimensi digunakan:

​​(4) Reka Bentuk Struktur Keseluruhan​
​Mekanisme Operasi – Mekanisme Magnet Tetap Dwikeada:​​

• ​Penyusunan:​​ Kawat gulung tutup/buka, magnet tetap, inti besi bergerak (putus-putus), perumahan.
• ​Litar Operasi:​​ Kawat gulung bersiri dengan kapasitor yang dipre-charged (sumber tenaga) dan tiristor membentuk litar discharge.
• ​Proses Tindakan:​​ Isyarat SCM → dipertingkatkan oleh transistor → mengawal gerbang tiristor → semasa ralat, SMC menghantar isyarat buka → tiristor konduksi → kapasitor didischarge melalui kawat gulung buka → inti besi bergerak → QF dibuka. Tutup dikawal secara manual melalui switch.

​Litar Pemindahan Arus (Struktur yang Dipertingkatkan):​​

• ​Peningkatan:​​ Menggantikan switch jurang api dengan switch vakum (QF₂), mengurangkan dispersi masa.
• ​Parameter Struktur:​​ QF₁ dan QF₂ sama jarak dari pusat O; panjang lengan ditentukan berdasarkan parameter tertentu.
• ​Tindakan Ralat:​​ Mekanisme magnet tetap berenergi → inti besi bergerak ke bawah → QF₁ dibuka, QF₂ ditutup → kapasitor C didischarge → arus lengkung di QF₁ melintasi sifar → lengkung padam.

​IV. Eksperimen Sistem​

• ​Persekitaran:​​ Makmal Litar Sintetik, Institut Elektronik Kuasa, Universiti Teknologi Dalian.
• ​Kaedah:​​ Arus AC frekuensi rendah mensimulasikan kenaikan pendek rangkaian DC; arus songsang diperkenalkan pada arus puncak.
• ​Keputusan:​​
• Form gelombang arus melalui QF₁ menunjukkan arus songsang diperkenalkan dengan tepat pada t₀.
• Arus songsang memaksa persilangan sifar, mencapai pemadam lengkung, dan menghentikan arus pendek rangkaian dengan berjaya.

​V. Kesimpulan​
Eksperimen menunjukkan bahawa pemutus litar DC baru dengan sistem operasi elektronik berjaya menghentikan arus pendek rangkaian dalam sistem bekalan kuasa DC, dengan hasil yang memuaskan. Solusi ini boleh diterapkan secara meluas dalam perlindungan pendek rangkaian untuk sistem DC seperti kapal, kereta api bawah tanah, elektrolisis DC, dan tungku elektrik.

​Ciri-ciri Sistem Utama:​​

• ​Perlaksanaan Masa Nyata:​​ Pengambilan berdasarkan SCM membolehkan pemantauan masa nyata dengan kawalan yang kuat dan dispersi masa minimal.
• ​Tindak Balas Pantas:​​ Algoritma ringkas mengelakkan operasi titik apung, mengurangkan masa tindak balas untuk pengesanan ralat yang cepat.
• ​Kebolehpercayaan:​​ Mekanisme magnet tetap dwikeada mengurangkan kegagalan mekanikal dan memendekkan masa buka; struktur yang dipertingkatkan memastikan sinkronisasi antara operasi penghentian dan pemindahan.

Solusi pemutus litar DC pintar yang disajikan dalam kajian ini menawarkan nilai praktikal yang tinggi dan prospek aplikasi yang menjanjikan, memenuhi permintaan mendesak untuk peralatan perlindungan pintar dalam sistem kuasa DC moden.