Решение за интелигентен контролен модул за преодоляване на спадове в напрежението при AC контактори

1. Проектиране на фона и анализ на изискванията​
В хода на експлоатацията на електроенергийната система, пониженията на напрежението – характеризирани с внезапно падане на ефективното напрежение до 10%–90% от номиналната стойност, продължаващи от 10 милисекунди до 1 минута – често възникват поради удари на мълнии, краткосрочни дефекти или стартиране на големи устройства. Такива събития могат да причинят традиционните контактни реле да се изключат, водейки до непланови спиране в непрекъснатите производствени процеси и значителни икономически загуби.

Въпреки че са предложени няколко интелигентни решения за управление (например, стартиране с високо DC напрежение, PWM управление), ключова ограничение остава: липсата на интегрирана функционалност за автоматичен преход при отказ на модул със способност за преодоляване на понижения на напрежението. За да се справим с този проблем, това решение използва CDC17-115 AC контакт като обект на управление и проектира интелигентен контролен модул с резервна функционалност, за да поддържа непрекъснатостта на производството дори при отказ на модула.

​2. Принцип на работа на модула и системен дизайн​
​2.1 Общ архитектурен логик на операции​
Интелигентният контролен модул използва двойна система за доставка на напрежение, за да осигури надеждна работа в различни условия:

​2.2 Технически детайли на ключовите компоненти​
​2.2.1 Дизайн на преобразувател на напрежение​
Високопроизводителен преобразувател на напрежение служи като основна единица за доставка на мощност със следните характеристики:

• Основна архитектура: Импулсна ширина модулация IC (честота на комутиране 132 кХц), MOSFET (MTD1N80E), специален трансформатор (първична индуктивност 900 μH, утечка индуктивност 15 μH, отношение на витки 0.11) и π-тип филтър на изхода (L3, C2, C3)
• Многофункционални защитни функции: входящо прекомерно напрежение/недостиг на напрежение, изходящо прекомерно напрежение/ток/краткосрочни дефекти/переогряване, интегрирана мягка започване и технология за фреквенция на трептене
• Производителност:
• Стабилно време за стартиране на нагрузката < 35 милисекунди, поддържа бързо превключване между режимите за преодоляване и нормално състояние
• Автоматично ограничава мощността при краткосрочни дефекти и бързо се стабилизира след изчистване на дефекта
• Активира защитата при прекомерно напрежение и незабавно изключва PWM изход при отваряне на обратната връзка

Таблица 1: Влияние на паразитните параметри на филтъра върху напрежението при възстановяване след краткосрочни дефекти

​2.2.2 Дизайн на циркуита за преход при отказ​
Използва се иновативна комбинация от контактни и безконтактни ключове:

• Структурен дизайн: Контактните ключове обработват функциите за пълно разединяване и изолация за високомощни превключвания; електронните ключове позволяват бездъгово, високочестотно функциониране
• Интелигентна логика за преход:
• AC напрежението се доставя чрез постоянно затворени контакти при първоначално включване
• Автоматично превключва към режим на DC доставка по време на нормална работа
• При детектиране на отказ, деактивира драйвера на контактния ключ; възстановява пряка доставка на AC след рестартиране, за да се гарантира непрекъснатостта
• Технология за защита на контакти: Използва универсален AC/DC абсорбиращ циркуит (диод RC + двосмерен TVS диод D3) за ефективно затегляне на прекомерно напрежение, разсейване на индуктивна магнитна енергия и значително намаляване на дъга

​2.2.3 Оптимизация на процеса на преход​

• AC-DC преход: Прилага пълновълново правоизвито импулсиращо напрежение чрез електронни ключове, забавя 10 милисекунди преди превключване към ниско DC, ефективно предотвратява възвръщане на ядрото; тестираният преход е гладък и без вибрации
• DC-AC преход: Изключва DC при отказ и интелигентно въвежда доставка на AC; енергията на дъгата се свободно провежда чрез обратни диоди по време на преход, с контрол на фазов ъгъл, за да се избегне интерференция от възходящи напрежения
• Оптимизация на параметрите (основана на резултати от симулация):
• Резистори (R2, R3): По-малки стойности на съпротивление водят до по-бавно намаляване на амплитудата на напрежението, но не влияят на фазовия ъгъл на прехода
• Кондензатори (C1, C2): По-малки стойности на капацитет водят до по-висока честота на затихване на осцилациите (f = 174.7 Hz при C = 2 μF; f = 795.4 Hz при C = 0.1 μF)

​3. Симулация и експериментално потвърждение​
​3.1 Анализ на симулацията​
Системни симулации са проведени с използване на софтуера Multisim, включително:

• Симулация на характеристиките на стартиране и защитните функции на преобразувателя на напрежение
• Анализ на влиянието на съпротивленията, кондензаторите и фазовите ъгли върху осцилациите на напрежението по време на преход
• Оценка на влиянието на паразитните параметри върху стабилността на системата

​3.2 Експериментално потвърждение​
Тестовете върху CDC17-115 AC контакт потвърдиха:

• Форми на сигнала на преобразувателя на напрежение при безнагрузка/при полната нагласка (50 A контакт) отговарят на очакванията от проекта
• Механизмите за защита реагират бързо и ефективно при краткосрочни дефекти/отваряне на обратната връзка
• Процесите на преход са гладки, без вибрации, и всички функции отговарят на изискванията на проекта

​4. Основни предимства и заключение​

1. ​Високопроизводителен преобразувател на напрежение: Компактен размер, висока ефективност и пълни защитни функции значително повишават електрическата надеждност, правейки го идеален за интелигентни електрически приложения.
2. ​Интелигентен преход при отказ: Иновативен дизайн, комбиниращ контактни и безконтактни ключове, гарантира своевременно превключване към режим на AC функциониране при отказ на модула, осигурявайки непрекъснато доставяне на напрежение към системата с контактор.
3. ​Ефективно управление на енергията: Универсален AC/DC абсорбиращ циркуит ефективно преобразува прекомерно напрежение и енергията на дъгата по време на преходи в стабилна електромагнитна сила, гарантирайки непрекъснато производство.
4. ​Способност за преодоляване на понижения на напрежението: Автоматично се активира, когато системното напрежение падне до 60% от номиналната стойност, поддържайки надеждно включено състояние на контактора, за да се избегне неплановано спиране.

Това решение успешно интегрира функционалността за преход при отказ със способността за преодоляване на понижения на напрежението, предоставяйки високо надеждно решение за осигуряване на напрежение в непрекъснатите производствени процеси и ефективно намаляване на прекъсванията, причинени от понижения на напрежението.