Yeni DC Devre Kesicilerinin Kısa Devre Kötü Durum Korumasındaki Uygulaması

I. Giriş​
Modern bilgi teknolojisinin hızlı gelişimiyle birlikte, zekalık endüstriyel ekipmanların geliştirilmesinde önemli bir trend haline gelmiştir. Yüksek gerilim anahtarlama alanında, akıllı devre kesiciler—gücü sistemlerde kritik kontrol bileşenleri olarak—gücü sistemlerde otomasyon ve zekalığın 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 kesim konularında uygulanabilirliğini vurgulamaktadır. Bu devre kesicinin geleneksel ark söndürme odasına ek olarak, akıllı işletim sistemi, arızalı akım algılama ünitesi ve sinyal işleme ünitesi bulunmaktadır, bu da onu DC sistem arızalı koruma özel gerekliliklerini etkili bir şekilde karşılamasını sağlamaktadır.

​II. DC Devre Kesicilerinin Akım Aktarım İlkesi​
DC sistemlerdeki devre kesiciler için temel zorluk, arkın söndürülmesidir. Ark teorisine göre, bir arkanın söndürülmesi için bir akım sıfır geçiş noktası gereklidir. Ancak, DC sistemlerde doğal bir akım sıfır noktası olmadığından, arkın söndürülmesi oldukça zordur.

​Çözüm – Akım Aktarım İlkesi:​​
Devreye ters bir akım tanıtılmasıyla, yapay bir akım sıfır noktası oluşturulur, bu da arkın söndürülmesi için gerekli koşulu sağlar. İlgili ilke şu şekildedir:

​III. Sistem Tasarımı​

​​(1) İzleme Modülü​
İzleme modülü, elektronik işletim sisteminin kontrol sinyali kaynağı olarak görev yapar, devre akımındaki değişiklikleri gerçek zamanlı olarak izler ve akım anormalliklerine hızlı ve doğru tepkiler sağlar.

​Sinyal İşleme Akışı:​​

• ​Sinyal Alımı:​​ Akım sinyalleri, yüksek voltajlı darbe interferansını önlemek için düşük voltajlı ucunu yerleştirdiğimiz payda ve indüktif olmayan direnç (akım genliği ve dalga formunu korumak için) aracılığıyla toplanır.
• ​Sinyal İşleme:​​ Elde edilen voltaj sinyalleri (küçük genlik ve yüksek frekanslı gürültü) → Filtre devresi (gürültü kaldırma) → yalıtım amplifikasyon devresi (yüksek hassasiyetli lineer optokuplör HCNR201, birincil taraf op-amp LM324, ikincil taraf op-amp OP07, DC dönüştürücü olarak işlev görür) → Örnekleme ve tutma → A/D dönüştürme → SCM'ye gönderilir.
• ​Arıza Tepkisi:​​ Eğer akım izin verilen sınırları aşarsa, SCM bir kesme komutu verir ve zil alarmını tetikler.

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

• Normal işlem: Akım artış oranı Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, akım değeri I ≤ Iₘₐₓ.
• Kısa devre arıza: Kᵢ > Kₘₐₓ, ve I, Iₘₐₓ'ı hızlıca aşabilir.

​Matematiksel Model ve Basitleştirilmiş Hesaplama:​​
ΔU = ΔI · Rբ (payda direnci) den,
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
​Avantaj:​​ Δt sabitlendiğinde, Kᵢ'nin hesaplanması için sadece iki nokta arasındaki ΔU gerekir, bu da kayan nokta işlemlerinden kaçınılmasını ve tepki süresinin önemli ölçüde azaltılmasını sağlar.
​Arıza Kriteri:​​ Uᵢₙ > Uₘₐₓ veya ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ olduğunda SCM arıza olduğunu belirler.

​​(3) Araç Tedavileri​
Yüksek gerilimli, yüksek akımlı ortamda güçlü elektromanyetik interferans nedeniyle, çok boyutlu araç tedavisi uygulanmıştır:

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

• ​Bölüm:​​ Kapama/açma bobinleri, kalıcı manyetolar, hareketli demir çekirdeği (kesikli çizgili), dış kabuk.
• ​İşletim Devresi:​​ Bobinler, önceden şarj edilmiş kondansatörler (enerji kaynağı) ve tiristörlerle seri bağlı olarak boşalma devresini oluşturur.
• ​Eylem Süreci:​​ SCM sinyali → transistörler tarafından amplifikasyon → tiristör kapılarını kontrol → arıza durumunda SCM, açma sinyali gönderir → tiristör iletken hale gelir → kondansatör, açma bobininden boşalır → demir çekirdek hareket eder → QF açılır. Kapama, bir anahtar aracılığıyla manuel olarak kontrol edilir.

​Akim Aktarım Devresi (Geliştirilmiş Yapı):​​

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

​IV. Sistem Deneyi​

• ​Çevre:​​ Dalian Teknoloji Üniversitesi Elektrik Güç Elektronik Enstitüsü, Sentetik Devre Laboratuvarı.
• ​Metod:​​ Düşük frekanslı AC akımı, DC kısa devre yükselişini simüle eder; zirve akım noktasında ters akım tanıtılır.
• ​Sonuçlar:​​
• QF₁ üzerinden geçen akım dalga formu, t₀ noktasında tam olarak ters akımın tanıtıldığını gösterir.
• Ters akım, sıfır geçişini zorunlu kılar, arkı söndürür ve kısa devre akımını başarıyla keser.

​V. Sonuç​
Deneyler, elektronik işletim sistemine sahip yeni DC devre kesicisinin, DC güç sağlama sistemlerindeki kısa devre akımlarını başarılı bir şekilde kestiğini ve tatmin edici sonuçlar elde ettiğini göstermiştir. Bu çözüm, gemi, metro, DC elektroliz ve elektrik fırınları gibi DC sistemlerde kısa devre korumasında yaygın olarak uygulanabilir.

​Temel Sistem Özellikleri:​​

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

Bu çalışmada sunulan akıllı DC devre kesicisi çözümü, modern DC güç sistemlerindeki akıllı koruma ekipmanları için acil talebi karşılamak üzere yüksek pratik değer ve umut verici uygulama potansiyeline sahiptir.