Intelligente Steuermodul-Lösung für Spannungsabfall-Ride-Through bei Wechselstrom-Kontaktoren

1. Design Background und Anforderungsanalyse​
Während des Betriebs von Stromsystemen treten häufig Spannungsabfälle auf, die durch Blitzschläge, Kurzschlussfehler oder das Starten großer Geräte verursacht werden. Diese Abfälle sind gekennzeichnet durch einen plötzlichen Rückgang der effektiven Spannung auf 10% bis 90% des Nennwerts, der 10 ms bis 1 Minute andauert. Solche Ereignisse können dazu führen, dass herkömmliche AC-Kontaktoren ausfallen, was zu unplanmäßigen Stilllegungen in kontinuierlichen Produktionsprozessen und erheblichen wirtschaftlichen Verlusten führt.

Obwohl mehrere intelligente Steuerungslösungen (z.B. Hochspannungs-Gleichstromstart, PWM-Steuerung) vorgeschlagen wurden, bleibt ein wesentlicher Nachteil bestehen: die fehlende Integration einer automatischen Modulfault-Übergangsfunktion mit Fähigkeit zur Durchfahrtsicherheit bei Spannungsabfällen. Um dieses Problem zu lösen, verwendet diese Lösung den CDC17-115 AC-Kontaktor als Steuerungsziel und entwirft ein intelligentes Steuerungsmodul mit Fehlerschutz, um die Produktionskontinuität auch im Falle eines Modulfaults aufrechtzuerhalten.

​2. Modul-Funktionsweise und Systemdesign​
​2.1 Gesamtlogische Architektur​
Das intelligente Steuerungsmodul verwendet ein Dual-Modus-Stromversorgungsdesign, um einen zuverlässigen Betrieb unter verschiedenen Bedingungen sicherzustellen:

​2.2 Technische Details der Schlüsselkomponenten​
​2.2.1 Schaltnetzteil-Design​
Ein leistungsfähiges Schaltnetzteil dient als zentrale Stromquelle mit folgenden Merkmalen:

• Kernarchitektur: Pulsweitenmodulations-IC (Schaltfrequenz 132 kHz), MOSFET (MTD1N80E), spezieller Transformator (Primärinduktivität 900 μH, Streuinduktivität 15 μH, Wicklungsverhältnis 0,11) und π-Typ-Ausgangsfilter (L3, C2, C3)
• Mehrere Schutzfunktionen: Eingangsüberspannung/Unterspannung, Ausgangsüberspannung/Überstrom/Kurzschluss/Überhitzen, integrierte Soft-Start- und Frequenzjitter-Technologie
• Leistung:
• Stabile Laststartzeit < 35 ms, unterstützt schnelle Wechsel zwischen Durchfahrt und Normalzustand
• Automatische Leistungsbegrenzung bei Kurzschlüssen und schnelle Stabilisierung nach Fehlerbehebung
• Auslösung des Überspannungsschutzes und sofortige Abschaltung der PWM-Ausgabe bei offener Rückkopplungsschleife

Tabelle 1: Auswirkung der Filterparasitparameter auf die Kurzschluss-Wiederherstellungs-Spannung

​2.2.2 Fault-Übergangsschaltkreis-Design​
Eine innovative Kombination aus kontaktgebundenen und kontaktlosen Schaltern wird verwendet:

• Strukturdesign: Kontaktgebundene Schalter handhaben vollständige Trenn- und Isolationsfunktionen für Hochleistungsschaltungen; elektronische Schalter ermöglichen arcfreien, hochfrequenten Betrieb
• Intelligentes Übergangslogik:
• Wechselstromversorgung erfolgt über normal geschlossene Kontakte beim ersten Einschalten
• Automatischer Wechsel zum Gleichstromversorgungsmodus während des normalen Betriebs
• Bei Erkennung eines Fehlers wird die Antriebsfunktion des Kontaktgebundenen Schalters deaktiviert; nach dem Zurücksetzen wird die Wechselstromdirektversorgung wieder aufgenommen, um die Kontinuität sicherzustellen
• Kontaktschutztechnologie: Verwendung eines universellen AC/DC-Absorptionssuppressionskreises (Diode RC + bidirektionale TVS-Diode D3) zur effektiven Begrenzung von Überspannungen, zur Absorption induktiver magnetischer Energie und zur signifikanten Reduzierung von Bogenbildung

​2.2.3 Optimierung des Übergangsprozesses​

• AC-zu-DC-Übergang: Anwendung einer Vollwellengleichrichtungspulsierenden Spannung über elektronische Schalter, 10 ms Verzögerung vor dem Wechsel zu niedriger Gleichspannung, wirksam verhindert Kernrucksprung; getesteter Übergang ist glatt und vibrierungsfrei
• DC-zu-AC-Übergang: Abschneiden der Gleichspannung bei Fehlern und intelligenter Einzug der Wechselstromversorgung; Bogenenergie wird durch inverse Dioden freigeführt, Phasenwinkelsteuerung vermeidet Spannungsspitzeninterferenzen
• Parameteroptimierung (basierend auf Simulationsergebnissen):
• Widerstände (R2, R3): Kleinere Widerstandswerte führen zu langsamerer Spannungsamplitudenabnahme, aber haben keinen Einfluss auf den Übergangsphasenwinkel
• Kondensatoren (C1, C2): Kleinere Kapazitätswerte ergeben höhere Oszillationsabklingfrequenzen (f = 174,7 Hz bei C = 2 μF; f = 795,4 Hz bei C = 0,1 μF)

​3. Simulation und experimentelle Überprüfung​
​3.1 Simulationsanalyse​
Systemsimulationen wurden mit Multisim-Software durchgeführt, einschließlich:

• Simulation der Startcharakteristika und Schutzleistung des Schaltnetzteils
• Analyse der Auswirkungen von Widerständen, Kondensatoren und Phasenwinkeln auf die Spannungsschwingungen während des Übergangs
• Auswertung der Auswirkungen der Parasitparameter auf die Systemstabilität

​3.2 Experimentelle Überprüfung​
Tests am CDC17-115 AC-Kontaktor bestätigten:

• Leerlast-/Vollast-Wellenformen (50 A Kontaktor) entsprechen den Erwartungen
• Schutzmechanismen reagieren schnell und effektiv bei Kurzschlüssen/Offenkreisfehlern
• Übergangsprozesse sind glatt, ohne Kernvibration, und alle Funktionen entsprechen den Anforderungen

​4. Kernvorteile und Fazit​

1. ​Hochleistungsschaltnetzteil: Kompakte Größe, hohe Effizienz und umfassende Schutzfunktionen erhöhen die elektrische Zuverlässigkeit erheblich, was es ideal für smarte Elektrikanwendungen macht.
2. ​Intelligenter Fault-Übergang: Innovatives Design, das kontaktgebundene und kontaktlose Schalter kombiniert, stellt sicher, dass bei Modulfaults zeitgerecht auf Wechselstrombetrieb umgeschaltet wird, um eine kontinuierliche Stromversorgung des Kontaktorsystems zu gewährleisten.
3. ​Effizientes Energiewirtschaftsmanagement: Universeller AC/DC-Absorptionssuppressionskreis konvertiert effektiv Überspannungen und Bogenenergien während der Übergänge in stabile elektromagnetische Kräfte, um die Produktion ununterbrochen zu halten.
4. ​Fähigkeit zur Durchfahrt bei Spannungsabfällen: Aktiviert sich automatisch, wenn die Systemspannung auf 60% des Nennwerts sinkt, um den zuverlässigen Kontaktorenschluss beizubehalten und unplanmäßige Stilllegungen zu vermeiden.

Diese Lösung integriert erfolgreich Modulfault-Übergang mit Durchfahrtfähigkeit bei Spannungsabfällen, bietet eine hochzuverlässige Stromversorgungslösung für kontinuierliche Produktionsprozesse und mindert effektiv die Stilllegungszeiten, die durch Spannungsabfälle verursacht werden.