راه‌حل مدول کنترل هوشمند برای تحمل سقوط ولتاژ در کنتاکتور AC

۱. پیش‌زمینه طراحی و تحلیل نیاز​
در حین عملکرد سیستم برق، کاهش ولتاژ - که به صورت ناگهانی به ۱۰٪ تا ۹۰٪ از مقدار اسمی کاهش می‌یابد و از ۱۰ میلی‌ثانیه تا ۱ دقیقه دوام می‌آورد - اغلب به دلیل ضربه‌های رعد و برق، خطاها در مدار کوتاه و یا شروع عملیات تجهیزات بزرگ اتفاق می‌افتد. چنین حوادثی می‌توانند باعث قطع کنتاکتورهای جریان متناوب سنتی شده و منجر به توقف‌های غیرمنتظره در فرآیندهای تولید مستمر و زیان‌های اقتصادی قابل توجه شوند.

اگرچه چندین راه‌حل کنترل هوشمند (مانند شروع با ولتاژ مستقیم بالا، کنترل PWM) پیشنهاد شده است، اما محدودیت کلیدی باقی مانده است: عدم یکپارچه‌سازی قابلیت انتقال خودکار خطاهای ماژول با توانایی عبور از کاهش ولتاژ. برای حل این مشکل، این راه‌حل از CDC17-115 به عنوان هدف کنترل استفاده می‌کند و یک ماژول کنترل هوشمند با اضافه‌سازی خطا طراحی می‌کند تا حتی در صورت خرابی ماژول، تداوم تولید حفظ شود.

​۲. اصل کار ماژول و طراحی سیستم​
​۲.۱ معماری منطق عملکرد کلی​
ماژول کنترل هوشمند از طراحی تأمین انرژی دوگانه برای تضمین عملکرد مطمئن تحت شرایط مختلف استفاده می‌کند:

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

• معماری کلیدی: مدار مجتمع تعدیل عرض پالس (با فرکانس سوئیچینگ ۱۳۲ kHz)، MOSFET (MTD1N80E)، ترانسفورماتور ویژه (الحاق اولیه ۹۰۰ μH، الحاق نشتی ۱۵ μH، نسبت دور ۰.۱۱) و فیلتر خروجی نوع π (L3, C2, C3)
• تابع‌های حفاظت چندگانه: حفاظت از ولتاژ ورودی بالا/پایین، حفاظت از ولتاژ خروجی بالا/جریان بالا/مدار کوتاه/گرمایش، تکنولوژی آغاز نرم و تکان دادن فرکانس
• عملکرد:
• زمان آغاز پایدار بار کمتر از ۳۵ میلی‌ثانیه، پشتیبانی از تغییر سریع بین حالت‌های عبور و معمولی
• محدودسازی خودکار توان در مدار کوتاه و پایدارسازی سریع پس از رفع خطا
• فعال‌سازی حفاظت از ولتاژ بالا و بستن خروجی PWM فوری در صورت باز شدن حلقه بازخورد

جدول ۱: تأثیر پارامترهای پارازیتی فیلتر بر ولتاژ بازیابی مدار کوتاه

​۲.۲.۲ طراحی مدار انتقال خطا​
یک ترکیب نوآورانه از کلیدهای تماسی و بدون تماس استفاده شده است:

• طراحی ساختاری: کلیدهای تماسی وظایف کامل قطع و جدا سازی را برای سوئیچینگ قدرت بالا انجام می‌دهند؛ کلیدهای الکترونیکی قدرت اجازه عملکرد بدون قوس و با فرکانس بالا را می‌دهند
• منطق انتقال هوشمند:
• در زمان روشن شدن اولیه، تغذیه AC از طریق تماس‌های بسته انجام می‌شود
• به طور خودکار در حالت عملکرد معمولی به تغذیه DC تغییر می‌کند
• در صورت تشخیص خطا، محرک کلید تماسی غیرفعال می‌شود؛ پس از ریست، تغذیه مستقیم AC دوباره انجام می‌شود تا تداوم تامین برق تضمین شود
• تکنولوژی محافظت تماس: استفاده از مدار جذب و کاهش عمومی AC/DC (دیود RC + دیود TVS دوطرفه D3) برای کنترل موثر ولتاژ بالا، تبدیل انرژی مغناطیسی القایی و کاهش قابل توجه قوس

​۲.۲.۳ بهینه‌سازی فرآیند انتقال​

• انتقال AC به DC: اعمال ولتاژ پالسی تمام موج از طریق کلیدهای الکترونیکی قدرت، تأخیر ۱۰ میلی‌ثانیه قبل از تغییر به DC کم ولتاژ، جلوگیری موثر از بازگشت هسته؛ آزمایش انتقال به صورت هموار و بدون لرزش
• انتقال DC به AC: قطع DC در صورت خرابی و معرفی هوشمندانه تغذیه AC؛ انرژی قوس از طریق دیود‌های معکوس در طول انتقال دنباله‌رو می‌شود، با کنترل زاویه‌ی فاز برای جلوگیری از تداخل ولتاژ بالا
• بهینه‌سازی پارامترها (بر اساس نتایج شبیه‌سازی):
• مقاومت‌ها (R2, R3): مقادیر مقاومت کمتر باعث کاهش آهسته‌تر دامنه‌ی ولتاژ می‌شود اما تأثیری بر زاویه‌ی فاز انتقال ندارد
• کندکتورها (C1, C2): مقادیر ظرفیت کمتر باعث فرکانس کاهش نوسان بالاتر (f = ۱۷۴.۷ Hz در C = ۲ μF؛ f = ۷۹۵.۴ Hz در C = ۰.۱ μF) می‌شود

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

• شبیه‌سازی ویژگی‌های آغاز و عملکرد محافظت منبع تغذیه سوئیچینگ
• تحلیل تأثیر مقاومت‌ها، کندکتورها و زاویه‌ی فاز بر نوسان ولتاژ در طول انتقال
• ارزیابی تأثیر پارامترهای پارازیتی بر پایداری سیستم

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

• فرمول‌های بدون بار و با بار کامل (کنتاکتور ۵۰ A) با انتظارات طراحی مطابقت دارند
• مکانیسم‌های محافظت به سرعت و موثر در صورت خطاها در مدار کوتاه/باز شدن حلقه بازخورد واکنش نشان می‌دهند
• فرآیندهای انتقال به صورت هموار هستند، بدون لرزش هسته، و تمامی وظایف با انتظارات طراحی مطابقت دارند

​۴. مزایای کلیدی و نتیجه‌گیری​

1. ​منبع تغذیه سوئیچینگ با عملکرد بالا: اندازه کوچک، کارایی بالا و توابع محافظت جامع به طور قابل توجهی قابلیت اطمینان برقی را افزایش می‌دهد و برای کاربردهای برق هوشمند مناسب است.
2. ​انتقال خطا هوشمند: طراحی نوآورانه ترکیبی از کلیدهای تماسی و بدون تماس تضمین می‌کند که در صورت خرابی ماژول به موقع به عملکرد AC تغییر یابد و تامین برق مداوم به سیستم کنتاکتور را تضمین می‌کند.
3. ​مدیریت موثر انرژی: مدار جذب و کاهش عمومی AC/DC به طور موثر انرژی ولتاژ بالا و قوس را در طول انتقال به نیروی مغناطیسی پایدار تبدیل می‌کند و تداوم تولید 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 جذب مطمئن کنتاکتور را برای جلوگیری از توقف‌های غیرمنتظره تضمین می‌کند.

این راه‌حل با موفقیت انتقال خطا و قابلیت عبور از کاهش ولتاژ را یکپارچه می‌کند و یک راه‌حل تامین برق با قابلیت اطمینان بالا برای فرآیندهای تولید مستمر ارائه می‌دهد و به طور موثری توقف‌های ناشی از کاهش ولتاژ را کاهش می‌دهد.