Technické transformační řešení pro selhání elektrického modulu vakuového kontaktoru KC2

1. Pozadí projektu a přehled problému​
   Vysokovýkonné vzduchové kompresory jsou poháněny 10kV středním napájecím motorem, a jejich spouštěcí skříň byla původně navržena s autotransformátorem pro snížení napětí při spouštění. Spouštěcí proces se skládá ze dvou fází:

1. ​Fáze spouštění: Vakuový kontaktor KC1 nejprve zapne, aby krátkodobě spojil zvětšený bod autotransformátoru, což umožní motoru spustit při 7kV.
2. ​Fáze běhu: Po dokončení spouštěcího procesu se KC1 vypne a vakuový kontaktor KC2 zapne, aby krátkodobě spojil autotransformátor a připojil 10kV hlavní obvod, čímž motor může pracovat na plném napětí.

​Klíčový problém: Během skutečného provozu modul širokospektrálního napájení, který je odpovědný za napájení cívky kontaktoru KC2, často selhává. Toto selhání modulu způsobuje, že cívka kontaktoru ztrácí napájení, což vede k neočekávanému vypnutí KC2 a neočekávanému výpadku výrobního zařízení, což značně ovlivňuje stabilitu a efektivitu výroby.

Původní modul širokospektrálního napájení je zesílený odporový přístroj s následujícími klíčovými funkcemi a požadavky:

• ​Dynamické přepínání výstupního napětí: Musí okamžitě vystavit 300V DC vysoké napětí při AC vstupu, aby aktivoval zapnutí kontaktoru. Po zapnutí musí přesně přepnout na 12V DC nízké napětí během přibližně 15ms, aby udržel zapnutý stav. Pokud je doba přepnutí příliš krátká, kontaktor nemůže spolehlivě zapnout; pokud je příliš dlouhá, může to zapálit pojistku.
• ​Mechanizmus spouštěcího signálu: Spouštění je založeno na detekci výstupního proudu. Když je detekován vysoký proud (což signalizuje zapnutí kontaktoru), přepne se na 12V po 15ms; pokud není proudu detekován, pokračuje v vystavování 300V.

​II. Analýza příčin selhání​
​Přímá příčina: Při místních inspekčních kontrolách bylo zjištěno opakované zapalování pojistek v modulu. Klíčovým bodem selhání bylo stárnutí vnitřních obvodů, které zabránilo včasnému přepnutí výstupního napětí z 300V na 12V po zapnutí kontaktoru. To vedlo k trvalému vystavování 300V vysokého napětí, což vygenerovalo nadměrný proud, který nakonec zapálil pojistku a modul zneplatnil.

​Základní příčiny:

1. ​Špatné odvádění tepla: Kontaktor KC2 a modul napájení jsou instalovány uvnitř spouštěcí skříně, která je uzavřená s omezenou ventilací a odváděním tepla.
2. ​Chyba v návrhu údržby: Pro technickou ochranu výrobce celý modul zapouzdřil, což dále brání odvádění tepla. Modul musí být během provozu napájen, a ve vysokoteplotních prostředích elektronické součástky rychle stárnou, což vede ke snížení výkonu a nakonec k ztrátě normální funkce přepínání.

​III. Řešení a implementace​
​1. Základní přístup k transformaci​
Opustit původní "dvojfunkční" návrh modulu (zajišťující jak vysokonapěťové zapnutí, tak níkonapěťové udržení), který je nákladný a náchylný k selhání. Použít řešení s oddělením funkcí:

• ​Využití existujících komponent: Využít schopnosti původního modulu širokospektrálního napájení vystavit dočasně 300V DC vysoké napětí specificky pro aktivaci kontaktoru.
• ​Přidání nových komponent: Zavedení samostatného, levného 12V DC stabilizovaného zdroje napájení, určeného k udržení zapnutí kontaktoru po aktivaci.
• ​Kritická kontrola: Okamžitě poté, co kontaktor spolehlivě zapne, kontrolní obvod automaticky odpojí napájení původního modulu, aby se zajistilo, že funguje pouze krátce. To zabrání zapalování způsobenému delším provozem v režimu vysokého napětí.

​2. Klíčové komponenty a funkce transformovaného systému​

• ​Původní modul širokospektrálního napájení: Repurposed k poskytování pouze dočasného 300V zapnutí napětí.
• ​Nový 12V DC zdroj napájení: Zodpovědný za poskytování trvalého 12V držícího napětí, nainstalován mimo spouštěcí skříň v dobře ventilovaném prostoru.
• ​Izolační diody (2 ks)​: Izolují 300V a 12V zdroje napájení, aby zabránily vzájemnému rušení a protijednotkovému toku.
• ​Kontrolní relé (KA1)​: Poskytuje logické kontroly signály, aby zajistil sekvenční provedení operačního procesu.
• ​Anti-vibrační obvod: Slouží jako bezpečnostní redundantní návrh, aby zabránil opakovanému cyklickému zapnutí a vypnutí kontaktoru za neobvyklých podmínek.

​IV. Výsledky transformace​
Tato technologická transformace přinesla významné ekonomické a operační výhody:

1. ​Značné snížení nákladů: Přidání nového 12V zdroje napájení (náklady přibližně 100 CNY za jednotku) nahradilo původní modul širokospektrálního napájení (náklady přibližně 5 000 CNY za jednotku), což dramaticky snížilo náklady na údržbu zařízení a poskytlo vysoký návrat na investice.
2. ​Optimalizované operační prostředí: Nový 12V modul je nainstalován mimo skříň, což velmi zlepšilo odvádění tepla a umožnilo pohodlnou online kontrolu stavu a údržbu.
3. ​Prolongovaná životnost zařízení: Původní modul funguje pouze krátce, což značně snížilo opotřebení. Nový modul funguje v ideálním prostředí, což zajišťuje dlouhodobost. Celkové řešení výrazně prodloužilo životnost systému napájení KC2.
4. ​Vysoká flexibilita: Toto řešení lze implementovat buď jako opravná opatření po selhání původního modulu, nebo jako preventivní technologická aktualizace před selháním, což nabízí flexibilitu bez ohledu na stav původního modulu.
5. ​Prokázaná operační stabilita: Praktická operace ukázala spolehlivost a efektivitu řešení. První série transformovaných zařízení funguje stabilně více než dva roky bez jakéhokoli výpadku způsobeného problémy s napájením KC2, což plně ověřuje převahu řešení.