حل هوشمند مودول کنترل برای عبور از سقوط ولتاژ در کنتاکتور AC

۱. زمینه طراحی و تجزیه و تحلیل نیاز​
در طول عملکرد سیستم برق، کاهش ولتاژ - که با یک کاهش ناگهانی ولتاژ ریشه میانگین به ۱۰٪ تا ۹۰٪ از مقدار اسمی که از ۱۰ میلی‌ثانیه تا یک دقیقه مداوم است - به دلیل برخورد صاعقه، خطاهای کوتاه مداری یا شروع کار تجهیزات بزرگ، اغلب رخ می‌دهد. این حوادث می‌توانند باعث قطع کنتاکتورهای AC سنتی شده و منجر به توقف غیرمنتظره در فرآیندهای تولید پیوسته و زیان‌های اقتصادی قابل توجه شوند.

اگرچه چندین راه‌حل کنترل هوشمند (مانند شروع DC با ولتاژ بالا، کنترل PWM) پیشنهاد شده‌اند، محدودیت کلیدی باقی می‌ماند: عدم توانایی یکپارچه سازی قابلیت تغییر خودکار از حالت خرابی ماژول با توانایی عبور از کاهش ولتاژ. برای حل این مشکل، این راه‌حل از CDC17-115 کنتاکتور AC به عنوان هدف کنترلی استفاده می‌کند و یک ماژول کنترل هوشمند با قابلیت جایگزینی خطا طراحی می‌کند تا حتی در صورت خرابی ماژول، پیوستگی تولید حفظ شود.

​۲. اصل کار ماژول و طراحی سیستم​
​۲.۱ معماری منطق عملکردی کلی​
ماژول کنترل هوشمند از طراحی تامین توان دو حالتی استفاده می‌کند تا عملکرد قابل اعتماد را تحت شرایط مختلف تضمین کند:

​۲.۲ جزئیات فنی مؤلفه‌های کلیدی​
​۲.۲.۱ طراحی تامین توان سوئیچینگ​
یک تامین توان سوئیچینگ با عملکرد بالا به عنوان واحد توان کلیدی با ویژگی‌های زیر عمل می‌کند:

• معماری کلیدی: IC مدولاسیون عرض پالس (فرکانس سوئیچینگ ۱۳۲ kHz)، MOSFET (MTD1N80E)، ترانسفورماتور خاص (الکترانس اولیه ۹۰۰ μH، الکترانس لیکیج ۱۵ μH، نسبت دور ۰.۱۱)، و فیلتر خروجی نوع π (L3, C2, C3)
• فن‌آوری‌های محافظت چندگانه: محافظت از ولتاژ بالایی/پایینی ورودی، محافظت از ولتاژ بالایی/جریان بالایی/کوتاه مداری/گرم شدن خروجی، فناوری شروع نرم و جیتر فرکانسی
• عملکرد:
• زمان شروع بار پایدار < ۳۵ میلی‌ثانیه، پشتیبانی از تغییر سریع بین حالت‌های عبور و معمولی
• محدودسازی توان به صورت خودکار در حالت کوتاه مداری و پایدارسازی سریع پس از رفع خطا
• فعال‌سازی محافظت از ولتاژ بالایی و قطع خروجی PWM به صورت فوری در صورت باز شدن حلقه بازخورد

جدول ۱: تأثیر پارامترهای مزاحم فیلتر بر ولتاژ بازیابی کوتاه مداری

​۲.۲.۲ طراحی مدار تغییر حالت خرابی​
استفاده از ترکیب نوآورانه از کلیدهای تماسی و بدون تماس:

• طراحی ساختاری: کلیدهای تماسی برای قطع و جداسازی کامل توابع کلیدزنی با توان بالا؛ کلیدهای الکترونیکی توان برای عملکرد بدون آتشک و فرکانس بالا
• منطق تغییر هوشمند:
• تامین توان AC از طریق تماس‌های معمولاً بسته در مرحله اولیه روشن شدن
• تغییر خودکار به حالت تامین توان DC در حالت عملکرد معمولی
• در صورت تشخیص خرابی، غیرفعال‌سازی محرک کلید تماس؛ بازگشت به تامین توان AC مستقیم پس از ریست کردن برای تضمین پیوستگی
• فن‌آوری محافظت تماس: استفاده از مدار جذب عمومی AC/DC (دیود RC + دیود TVS دوطرفه D3) برای جلوگیری موثر از ولتاژ بالایی، تبدیل انرژی مغناطیسی القایی و کاهش قابل توجه آتشک

​۲.۲.۳ بهینه‌سازی فرآیند تغییر حالت​

• تغییر AC به DC: استفاده از ولتاژ پالسانه تمام موج از طریق کلیدهای الکترونیکی توان، تأخیر ۱۰ میلی‌ثانیه قبل از تغییر به DC با ولتاژ پایین، جلوگیری موثر از بازگشت هسته؛ آزمایش تغییر صاف و بدون لرزش
• تغییر DC به AC: قطع DC در صورت خرابی و معرفی هوشمندانه تامین توان AC؛ انرژی آتشک در طول تغییر از طریق دیودهای معکوس حرکت می‌کند، کنترل فازی برای جلوگیری از تداخل ولتاژ بالایی
• بهینه‌سازی پارامترها (بر اساس نتایج شبیه‌سازی):
• مقاومت‌ها (R2, R3): مقادیر مقاومت کوچکتر منجر به کاهش آرامتر ولتاژ ولی تأثیری بر زاویه تغییر فازی ندارند
• خازن‌ها (C1, C2): مقادیر ظرفیت کوچکتر منجر به فرکانس کاهش نوسان بالاتر (f = ۱۷۴.۷ Hz در C = ۲ μF؛ f = ۷۹۵.۴ Hz در C = ۰.۱ μF)

​۳. تحلیل شبیه‌سازی و تأیید آزمایشی​
​۳.۱ تحلیل شبیه‌سازی​
شبیه‌سازی‌های سیستم با استفاده از نرم‌افزار Multisim انجام شد، شامل:

• مشخصات شروع تامین توان سوئیچینگ و شبیه‌سازی عملکرد محافظت
• تجزیه و تحلیل تأثیر مقاومت‌ها، خازن‌ها و زاویه فازی بر نوسان ولتاژ در طول تغییر
• ارزیابی تأثیر پارامترهای مزاحم بر پایداری سیستم

​۳.۲ تأیید آزمایشی​
آزمایش‌ها بر روی CDC17-115 کنتاکتور AC تأیید کردند:

• نمودارهای بدون بار/با بار کامل (کنتاکتور ۵۰ A) با انتظارات طراحی مطابقت دارند
• مکانیزم‌های محافظت به سرعت و موثر در صورت خطاهای کوتاه مداری/باز شدن حلقه بازخورد واکنش نشان می‌دهند
• فرآیندهای تغییر صاف هستند، بدون لرزش هسته و تمام توابع با نیازهای طراحی مطابقت دارند

​۴. مزایای کلیدی و نتیجه‌گیری​

1. ​تامین توان سوئیچینگ با عملکرد بالا: اندازه کوچک، کارایی بالا و توابع محافظت کامل به طور قابل توجهی قابلیت اطمینان الکتریکی را افزایش می‌دهد و برای کاربردهای برق هوشمند مناسب است.
2. ​انتقال خطا هوشمند: طراحی نوآورانه ترکیب کلیدهای تماسی و بدون تماس تضمین می‌کند که در صورت خرابی ماژول به موقع به عملکرد AC تغییر می‌کند و تأمین توان پیوسته به سیستم کنتاکتور را تضمین می‌کند.
3. ​مدیریت انرژی کارآمد: مدار جذب عمومی AC/DC به طور موثر انرژی ولتاژ بالایی و آتشک را در طول تغییرات به نیروی الکترومغناطیسی پایدار تبدیل می‌کند و تولید بدون وقفه را تضمین می‌کند.
4. ​قابلیت عبور از کاهش ولتاژ: به صورت خودکار در صورت کاهش ولتاژ سیستم به ۶۰٪ مقدار اسمی فعال می‌شود و حفظ می‌کند که کنتاکتور به صورت قابل اعتماد جذب شود تا توقف‌های غیرمنتظره را جلوگیری کند.

این راه‌حل با موفقیت توانایی تغییر خطا و عبور از کاهش ولتاژ را یکپارچه کرده و یک راه‌حل تأمین توان با قابلیت اطمینان بالا برای فرآیندهای تولید پیوسته ارائه می‌دهد و به طور موثر توقف‌های ناشی از کاهش ولتاژ را کاهش می‌دهد.