การใช้งานวงจรป้องกันไฟฟ้าลัดวงจรด้วยเบรกเกอร์กระแสตรงใหม่
I. บทนำ
ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีสารสนเทศสมัยใหม่ ความฉลาดได้กลายเป็นแนวโน้มหลักในการพัฒนาอุปกรณ์อุตสาหกรรม ในสาขาสวิตช์ไฟฟ้าแรงสูง สวิตช์วงจรไฟฟ้าที่มีความฉลาด—ในฐานะส่วนควบคุมสำคัญในระบบไฟฟ้า—เป็นรากฐานสำหรับการอัตโนมัติและระบบอัจฉริยะในระบบไฟฟ้า การศึกษานี้มุ่งเน้นไปที่สวิตช์วงจรไฟฟ้ากระแสตรงที่มีความฉลาดบนพื้นฐานของเทคโนโลยีไมโครคอมพิวเตอร์แบบเดียว (SCM) โดยเน้นการใช้งานจริงในการตรวจสอบกระแสไฟฟ้าแบบเรียลไทม์และการขัดขวางความผิดพลาดภายในระบบจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงบนเรือ นอกจากห้องดับอาร์กที่ปกติแล้ว สวิตช์วงจรนี้ยังรวมถึงระบบปฏิบัติการที่มีความฉลาด หน่วยตรวจจับกระแสไฟฟ้าที่ผิดพลาด และหน่วยประมวลผลสัญญาณ ทำให้สามารถตอบสนองความต้องการพิเศษในการป้องกันความผิดพลาดของระบบกระแสตรงได้อย่างมีประสิทธิภาพ
II. หลักการโอนกระแสไฟฟ้าของสวิตช์วงจรกระแสตรง
ความท้าทายหลักของสวิตช์วงจรในระบบกระแสตรงคือการดับอาร์ก ตามทฤษฎีอาร์ก การดับอาร์กจำเป็นต้องมีจุดที่กระแสไฟฟ้าเท่ากับศูนย์ แต่ระบบกระแสตรงขาดจุดที่กระแสเท่ากับศูนย์โดยธรรมชาติ ทำให้การดับอาร์กยากมาก
โซลูชัน – หลักการโอนกระแส:
โดยการนำกระแสกลับเข้าสู่วงจร จะสร้างจุดที่กระแสเท่ากับศูนย์แบบเทียม ซึ่งเป็นเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการดับอาร์ก หลักการเฉพาะคือดังนี้:
|
สถานะวงจร |
การทำงานของส่วนประกอบ |
การเปลี่ยนแปลงของกระแสและกระบวนการดับอาร์ก |
|
สถานะปกติ |
สวิตช์วงจร QF ปิด |
แหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงแรงสูงจ่ายไฟผ่าน QF ให้กับโหลด รับประกันการทำงานของวงจรที่เสถียร |
|
สถานะความผิดพลาด (A–B ลัดวงจร) |
1. กระแสเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว (อัตราขึ้นอยู่กับ L₁, L₂) |
1. กระแสปล่อย I₂ ต้านกระแส I₁ ที่มีอยู่ |
III. การออกแบบระบบ
(1) โมดูลการตรวจสอบ
โมดูลการตรวจสอบทำหน้าที่เป็นแหล่งสัญญาณควบคุมสำหรับระบบปฏิบัติการอิเล็กทรอนิกส์ ทำให้สามารถตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงของกระแสวงจรแบบเรียลไทม์และตอบสนองต่อความผิดปกติของกระแสได้อย่างทันท่วงทีและแม่นยำ
ลำดับการประมวลผลสัญญาณ:
- การเก็บสัญญาณ: รวบรวมสัญญาณกระแสผ่านชันต์ที่มีปลายต่อกับกราวด์ (เพื่อป้องกันการรบกวนจากพัลส์แรงสูง) และความต้านทานที่ไม่มีอิน덕แทนซ์ (เพื่อรักษาขนาดและความคลื่นของกระแส)
- การประมวลผลสัญญาณ: สัญญาณแรงดันที่ได้ (ขนาดเล็กพร้อมเสียงรบกวนความถี่สูง) → วงจรกรอง (กำจัดเสียงรบกวน) → วงจรขยายแยก (ใช้ออปโตคัปเปอร์ HCNR201 ความแม่นยำสูง แอมพลิไฟเออร์ LM324 ทางฝั่งหลัก และ OP07 ทางฝั่งรอง ทำหน้าที่เป็นหม้อแปลงกระแสตรง) → การเก็บตัวอย่างและการรักษา → การแปลง A/D → ส่งไปยัง SCM
- การตอบสนองต่อความผิดพลาด: หากกระแสเกินขีดจำกัดที่กำหนด SCM จะส่งคำสั่งให้ทริปและกระตุ้นสัญญาณเตือนด้วยเสียง
(2) การประมวลผลข้อมูลโดย SCM
เกณฑ์การตัดสินใจความผิดพลาด:
- การทำงานปกติ: อัตราการเพิ่มขึ้นของกระแส Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, ค่ากระแส I ≤ Iₘₐₓ.
- ความผิดพลาดจากการลัดวงจร: Kᵢ > Kₘₐₓ, และ I อาจเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเกิน Iₘₐₓ.
แบบจำลองทางคณิตศาสตร์และการคำนวณแบบย่อ:
จาก ΔU = ΔI · Rբ (ความต้านทานชันต์),
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
ข้อได้เปรียบ: หลังจากกำหนด Δt แล้ว จำเป็นต้องคำนวณ ΔU ระหว่างสองช่วงเวลาเพื่อคำนวณ Kᵢ ทำให้ไม่ต้องใช้การคำนวณแบบเลขทศนิยมและลดเวลาตอบสนองลงอย่างมาก.
เกณฑ์ความผิดพลาด: SCM ตัดสินว่ามีความผิดพลาดเมื่อ Uᵢₙ > Uₘₐₓ หรือ ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ.
(3) มาตรการป้องกันการรบกวน
เนื่องจากสภาพแวดล้อมที่มีแรงดันและกระแสสูงและมีการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าสูง จึงใช้การออกแบบป้องกันการรบกวนหลายมิติ:
|
มิติการป้องกันการรบกวน |
มาตรการเฉพาะ |
วัตถุประสงค์ |
|
สัญญาณขาเข้า |
แยกผ่านออปโตคัปเปอร์เชิงเส้น HCNR201 |
แยกระบบควบคุมออกจากวงจรกำลังสูง; ลดการรบกวนและเพิ่มความปลอดภัย |
|
สัญญาณขาออก |
SCM ควบคุมสวิตช์ออปโตคัปเปอร์เพื่อขับทรานซิสเตอร์ในวงจรปล่อยประจุ |
รับประกันการเชื่อมต่อสัญญาณเท่านั้น; ป้องกันผลกระทบจากกระแสสูงต่อระบบควบคุม |
|
ช่องทางสัญญาณก่อนหน้า |
วงจรกรองความถี่ต่ำ |
ป้องกันการรบกวนจาก RF, ความถี่กำลังไฟ, และพัลส์; เพิ่มความน่าเชื่อถือ |
|
ระดับซอฟต์แวร์ |
1. การกรองดิจิทัลผสม (มัธยฐาน + เฉลี่ยเคลื่อนที่) |
กรองเสียงรบกวนของข้อมูล รับประกันความแม่นยำของคำสั่ง และป้องกันการหลุดโปรแกรม |
(4) การออกแบบโครงสร้างโดยรวม
กลไกการทำงาน – กลไกแม่เหล็กถาวรแบบสองสถานะ:
- ส่วนประกอบ: คอยล์ปิด/เปิด, แม่เหล็กถาวร, แกนเหล็กเคลื่อนที่ (เส้นประ), โครงสร้าง
- วงจรทำงาน: คอยล์เชื่อมต่อด้วยคาปาซิเตอร์ที่ชาร์จไว้ล่วงหน้า (แหล่งพลังงาน) และทรานซิสเตอร์รูปแบบวงจรปล่อยประจุ
- กระบวนการดำเนินการ: สัญญาณ SCM → ขยายโดยทรานซิสเตอร์ → ควบคุมประตูทรานซิสเตอร์ → ระหว่างความผิดพลาด SMC ส่งสัญญาณเปิด → ทรานซิสเตอร์นำ → คาปาซิเตอร์ปล่อยประจุผ่านคอยล์เปิด → แกนเหล็กเคลื่อนที่ → QF เปิด ปิดควบคุมด้วยสวิตช์
วงจรโอนกระแส (โครงสร้างปรับปรุง):
- การปรับปรุง: แทนที่สวิตช์ช่องว่างด้วยสวิตช์สุญญากาศ (QF₂) ลดการกระจายเวลา
- พารามิเตอร์โครงสร้าง: QF₁ และ QF₂ อยู่ห่างจากจุดหมุน O เท่ากัน; ความยาวแขนกำหนดตามพารามิเตอร์เฉพาะ
- การทำงานความผิดพลาด: กลไกแม่เหล็กถาวรให้พลังงาน → แกนเหล็กเคลื่อนที่ลง → QF₁ เปิด, QF₂ ปิด → คาปาซิเตอร์ C ปล่อยประจุ → กระแสอาร์กใน QF₁ ผ่านศูนย์ → อาร์กดับ
IV. การทดลองระบบ
- สภาพแวดล้อม: ห้องทดลองวงจรผสม, สถาบันอิเล็กทรอนิกส์พลังงาน, มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีดาเลียน
- วิธี: ใช้กระแส AC ความถี่ต่ำจำลองการเพิ่มขึ้นของกระแส DC ที่ลัดวงจร; นำกระแสกลับเข้ามาที่จุดสูงสุดของกระแส
- ผล:
- รูปคลื่นกระแสผ่าน QF₁ แสดงว่ากระแสกลับถูกนำเข้ามาอย่างแม่นยำที่ t₀
- กระแสกลับบังคับให้ผ่านศูนย์ ทำให้อาร์กดับและขัดขวางกระแสลัดวงจรได้สำเร็จ
V. สรุป
การทดลองแสดงให้เห็นว่าสวิตช์วงจรกระแสตรงที่มีระบบปฏิบัติการอิเล็กทรอนิกส์สามารถขัดขวางกระแสลัดวงจรในระบบจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงได้ด้วยผลลัพธ์ที่น่าพอใจ โซลูชันนี้สามารถนำไปใช้ในวงกว้างในการป้องกันลัดวงจรในระบบกระแสตรง เช่น บนเรือ รถไฟใต้ดิน การแยกไฟฟ้ากระแสตรง และเตาไฟฟ้า
คุณสมบัติหลักของระบบ:
- ประสิทธิภาพแบบเรียลไทม์: การเก็บข้อมูลโดย SCM ทำให้สามารถตรวจสอบแบบเรียลไทม์ได้ มีความสามารถในการควบคุมสูงและมีการกระจายเวลาต่ำ
- การตอบสนองอย่างรวดเร็ว: ขั้นตอนการคำนวณที่ย่อหยั่งทำให้ไม่ต้องใช้การคำนวณแบบเลขทศนิยม ลดเวลาตอบสนองสำหรับการตรวจจับความผิดพลาดอย่างรวดเร็ว
- ความน่าเชื่อถือ: กลไกแม่เหล็กถาวรแบบสองสถานะลดความผิดพลาดทางกลไกและลดเวลาเปิด; โครงสร้างที่ปรับปรุงทำให้มั่นใจว่าการทำงานของการขัดขวางและการโอนกระแสจะสอดคล้องกัน
โซลูชันสวิตช์วงจรกระแสตรงที่มีความฉลาดที่นำเสนอในศึกษานี้มีคุณค่าทางปฏิบัติสูงและมีอนาคตที่สดใสในการประยุกต์ใช้ ตอบสนองความต้องการอุปกรณ์ป้องกันที่มีความฉลาดในระบบไฟฟ้ากระแสตรงสมัยใหม่
