حل وحدة التحكم الذكية لتجاوز انخفاض الجهد في المفتاح الكهربائي

1. خلفية التصميم وتحليل المتطلبات​
خلال تشغيل نظام الطاقة، تحدث انخفاضات في الجهد الكهربائي - مميزة بانخفاض مفاجئ في الجهد الكهربائي الفعال إلى 10% - 90% من القيمة المعينة وتستمر من 10 مللي ثانية إلى دقيقة واحدة - بسبب الصواعق أو أعطال القصر أو بدء تشغيل المعدات الكبيرة. يمكن أن تؤدي هذه الأحداث إلى توقف المفاتيح الكهربائية التقليدية عن العمل، مما يؤدي إلى إيقاف غير مخطط له في العمليات الإنتاجية المستمرة وخسائر اقتصادية كبيرة.

على الرغم من اقتراح العديد من حلول التحكم الذكي (مثل بدء التشغيل بتيار مستمر عالي الجهد، التحكم بالعرض النبضي PWM)، لا يزال هناك قيد رئيسي: عدم دمج وظيفة التحويل التلقائي للأعطال مع القدرة على التحمل خلال انخفاضات الجهد. لحل هذه المشكلة، يستخدم هذا الحل CDC17-115 كهدف للتحكم ويصمم وحدة تحكم ذكية مع احتياطية للأعطال للحفاظ على استمرارية الإنتاج حتى في حالة حدوث عطل في الوحدة.

​2. مبدأ عمل الوحدة وتصميم النظام​
​2.1 هيكل المنطق التشغيلي العام​
تستخدم الوحدة الذكية تصميمًا ثنائيًا للطاقة لتوفير تشغيل موثوق به تحت ظروف مختلفة:

​2.2 تفاصيل تقنية المكونات الرئيسية​
​2.2.1 تصميم مصدر الطاقة المحول​
يعمل مصدر الطاقة المحول ذو الأداء العالي كوحدة الطاقة الأساسية مع الخصائص التالية:

• الهيكل الأساسي: دائرة التحكم بعرض النبضة IC (تردد التحويل 132 كيلو هرتز)، MOSFET (MTD1N80E)، محول خاص (الحث الأولي 900 μH، الحث المتسرب 15 μH، نسبة الألفاف 0.11)، ومرشح الإخراج من نوع π (L3, C2, C3)
• وظائف الحماية المتعددة: فائض الجهد/نقصان الجهد عند المدخل، فائض الجهد/فائض التيار/قصر الدائرة/الحرارة الزائدة عند المخرج، التحويل الناعم والتكنولوجيا المتذبذبة
• الأداء:
• وقت بدء التشغيل الثابت للأحمال < 35 مللي ثانية، يدعم التحويل السريع بين حالات التحمل والعمل الطبيعي
• يحد من الطاقة تلقائيًا أثناء قصر الدائرة ويستقر بسرعة بعد إزالة العطل
• يقوم بتفعيل حماية الفائض في الجهد وإيقاف الإخراج PWM فورًا عند فتح الحلقة المرجعية

جدول 1: تأثير المعلمات الطفيلية للمرشح على الجهد الاستردادي لقصور الدائرة

​2.2.2 تصميم دارة التحويل للأعطال​
يتم استخدام تركيب مبتكر لمفاتيح الاتصال وغير الاتصال:

• التصميم الهيكلي: تقوم مفاتيح الاتصال بوظائف القطع الكامل والعزل لتحويل الطاقة ذات القدرة العالية؛ تمكن المفاتيح الإلكترونية من العمل بدون قوس كهربائي وبتردد عالٍ
• المنطق الذكي للتحويل:
• يتم تزويد الطاقة المتناوبة عبر الاتصالات المغلقة خلال التشغيل الأولي
• يتحول تلقائيًا إلى وضع تزويد الطاقة المستمرة خلال التشغيل العادي
• عند اكتشاف العطل، يتم إلغاء تشغيل محرك المفتاح الاتصالي؛ يعود إلى تزويد الطاقة المتناوبة مباشرة بعد إعادة الضبط للحفاظ على الاستمرارية
• تكنولوجيا حماية الاتصال: تستخدم دارة امتصاص وكبح عالمية AC/DC (ثنائي RC + ثنائي TVS ثنائي الاتجاه D3) لضبط الجهد الزائد بكفاءة، تبدد الطاقة المغناطيسية اللامتناهية، وتقلل بشكل كبير من القوس الكهربائي

​2.2.3 تحسين عملية التحويل​

• التحول من التيار المتناوب إلى التيار المستمر: يتم تطبيق الجهد النابض الكامل المعدل عبر المفاتيح الإلكترونية، يتم تأخير 10 مللي ثانية قبل التحويل إلى التيار المستمر المنخفض الجهد، مما يمنع الرجوع في النواة بشكل فعال؛ تم اختبار العملية وكانت ناعمة وخالية من الاهتزاز
• التحول من التيار المستمر إلى التيار المتناوب: يتم قطع التيار المستمر عند حدوث عطل ويتم تقديم التيار المتناوب بشكل ذكي؛ يتم توجيه طاقة القوس الكهربائي عبر الثنائيات العكسية أثناء التحويل، مع التحكم في زاوية الطور لتجنب التداخل في الجهد
• تحسين المعلمات (بناءً على نتائج المحاكاة):
• المقاومات (R2, R3): القيم الأصغر للمقاومة تؤدي إلى تراجع أبطأ في سعة الجهد ولكنها لا تؤثر على زاوية الطور للتحول
• المكثفات (C1, C2): القيم الأصغر للمكثفة تعطي تردد تراجع اهتزازي أعلى (f = 174.7 هرتز عند C = 2 μF؛ f = 795.4 هرتز عند C = 0.1 μF)

​3. التحقق من خلال المحاكاة والتجارب​
​3.1 تحليل المحاكاة​
تم إجراء محاكاة لنظام باستخدام برنامج Multisim، بما في ذلك:

• محاكاة خصائص بدء التشغيل وأداء الحماية لمصدر الطاقة المحول
• تحليل تأثير المقاومات والمكثفات وزاوية الطور على اهتزاز الجهد أثناء التحويل
• تقييم تأثير المعلمات الطفيلية على استقرار النظام

​3.2 التحقق التجريبي​
أكدت الاختبارات على CDC17-115 المفتاح الكهربائي المتناوب:

• أشكال الموجة لتحميل مصدر الطاقة المحول بدون حمل/مع حمل كامل (مفتاح كهربائي 50 أمبير) تتوافق مع التوقعات التصميمية
• تستجيب آليات الحماية بسرعة وفعالية تحت الأعطال مثل قصر الدائرة/فتح الحلقة المرجعية
• عمليات التحويل ناعمة، بدون اهتزاز في النواة، وتلبية جميع الوظائف المتطلبات التصميمية

​4. المزايا الأساسية والاستنتاج​

1. ​مصدر الطاقة المحول ذو الأداء العالي: الحجم الصغير والكفاءة العالية ووظائف الحماية الشاملة تعزز بشكل كبير الموثوقية الكهربائية، مما يجعله مثاليًا للتطبيقات الكهربائية الذكية.
2. ​التحول الذكي للأعطال: التصميم المبتكر الذي يجمع بين المفاتيح الاتصالية وغير الاتصالية يضمن التحويل المناسب إلى التشغيل بالتيار المتناوب عند حدوث أعطال في الوحدة، مما يضمن استمرارية تزويد الطاقة لنظام المفتاح الكهربائي.
3. ​إدارة الطاقة بكفاءة: دارة امتصاص وكبح عالمية AC/DC تحول الجهد الزائد وطاقة القوس الكهربائي بشكل فعال إلى قوة كهرومغناطيسية مستقرة، مما يضمن استمرارية الإنتاج.
4. ​القدرة على التحمل خلال انخفاض الجهد: يتم تفعيلها تلقائيًا عندما ينخفض جهد النظام إلى 60% من القيمة المعينة، مما يحافظ على جذب المفتاح الكهربائي بشكل موثوق به لتجنب الإيقاف غير المخطط له.

يوفر هذا الحل دمجًا ناجحًا لوظيفة التحويل الذكي للأعطال مع القدرة على التحمل خلال انخفاض الجهد، مما يقدم حلًا موثوقًا لتوفير الطاقة للعمليات الإنتاجية المستمرة ويخفف بشكل فعال من الانقطاعات الناجمة عن انخفاض الجهد.