Solution de module de contrôle intelligent pour le maintien de la tension du contacteur à courant alternatif lors d'une chute de tension

1. Contexte de conception et analyse des besoins​
Lors de l'exploitation d'un système électrique, les sags de tension - caractérisés par une chute soudaine de la tension efficace à 10%–90% de la valeur nominale, durant de 10 ms à 1 minute - se produisent souvent en raison de coups de foudre, de défauts de court-circuit ou du démarrage de grands équipements. Ces événements peuvent provoquer le déclenchement des contacteurs AC traditionnels, entraînant des arrêts non planifiés dans les processus de production continue et des pertes économiques significatives.

Bien que plusieurs solutions de contrôle intelligent (par exemple, le démarrage à courant continu haute tension, le contrôle PWM) aient été proposées, une limitation clé demeure : l'incapacité à intégrer une fonction de transition automatique des pannes de module avec la capacité de traversée de sags de tension. Pour résoudre ce problème, cette solution utilise le contacteur AC CDC17-115 comme cible de contrôle et conçoit un module de contrôle intelligent avec redondance de panne pour maintenir la continuité de la production même en cas de panne de module.

​2. Principe de fonctionnement du module et conception du système​
​2.1 Architecture logique opérationnelle globale​
Le module de contrôle intelligent adopte une conception d'alimentation à double mode pour assurer un fonctionnement fiable dans diverses conditions :

​2.2 Détails techniques des composants clés​
​2.2.1 Conception de l'alimentation à découpage​
Une alimentation à découpage haute performance sert d'unité centrale d'alimentation avec les caractéristiques suivantes :

• Architecture centrale : CI de modulation de largeur d'impulsion (fréquence de commutation 132 kHz), MOSFET (MTD1N80E), transformateur spécial (inductance primaire 900 μH, inductance de fuite 15 μH, rapport de spires 0,11) et filtre de sortie de type π (L3, C2, C3)
• Fonctions de protection multiples : surtension/sous-tension d'entrée, surtension/surtension/court-circuit/surchauffe de sortie, technologie de démarrage doux et de jitter de fréquence intégrée
• Performance :
• Temps de démarrage de charge stable < 35 ms, supporte un changement rapide entre les états de traversée et normal
• Limite automatiquement la puissance lors des courts-circuits et se stabilise rapidement après l'élimination de la panne
• Déclenche la protection contre la surtension et coupe immédiatement la sortie PWM en cas de rupture de la boucle de rétroaction

Tableau 1 : Impact des paramètres parasitaires du filtre sur la tension de récupération en court-circuit

​2.2.2 Conception du circuit de transition de panne​
Une combinaison innovante d'interrupteurs à contact et sans contact est utilisée :

• Conception structurelle : Les interrupteurs à contact gèrent les fonctions de coupure totale et d'isolement pour la commutation de haute puissance ; les interrupteurs électroniques de puissance permettent une opération sans arc et à haute fréquence
• Logique de transition intelligente :
• L'alimentation CA est fournie via les contacts normalement fermés lors de la mise sous tension initiale
• Basculer automatiquement en mode d'alimentation CC pendant le fonctionnement normal
• En cas de détection de panne, désactive la commande de l'interrupteur à contact ; reprend l'alimentation CA directe après réinitialisation pour assurer la continuité
• Technologie de protection des contacts : Utilise un circuit d'absorption universel AC/CC (diodé RC + diode TVS bidirectionnelle D3) pour clouer efficacement la surtension, dissiper l'énergie magnétique inductive et réduire considérablement l'arc

​2.2.3 Optimisation du processus de transition​

• Transition AC-CC : Applique une tension pulsée rectifiée pleine onde via des interrupteurs électroniques de puissance, retarde de 10 ms avant de basculer en basse tension CC, empêche efficacement le rebond du noyau ; la transition testée est fluide et sans vibration
• Transition CC-CA : Coupe le CC en cas de panne et introduit intelligemment l'alimentation CA ; l'énergie d'arc est freewheelée via des diodes inverses pendant la transition, avec un contrôle de phase pour éviter les interférences de pics de tension
• Optimisation des paramètres (basée sur les résultats de simulation) :
• Résistances (R2, R3) : Des valeurs de résistance plus faibles entraînent une décroissance plus lente de l'amplitude de la tension mais n'affectent pas l'angle de phase de transition
• Condensateurs (C1, C2) : Des valeurs de capacitance plus faibles donnent une fréquence de décroissance d'oscillation plus élevée (f = 174,7 Hz à C = 2 μF ; f = 795,4 Hz à C = 0,1 μF)

​3. Simulation et vérification expérimentale​
​3.1 Analyse de simulation​
Des simulations du système ont été effectuées à l'aide du logiciel Multisim, y compris :

• Caractéristiques de démarrage et performances de protection de l'alimentation à découpage
• Analyse de l'effet de la résistance, de la capacité et de l'angle de phase sur l'oscillation de tension pendant la transition
• Évaluation de l'impact des paramètres parasites sur la stabilité du système

​3.2 Vérification expérimentale​
Les tests sur le contacteur AC CDC17-115 ont confirmé :

• Les formes d'onde de l'alimentation à découpage sans charge/pleine charge (contacteur 50 A) répondent aux attentes de conception
• Les mécanismes de protection réagissent rapidement et efficacement en cas de court-circuit/ouverture de la boucle de rétroaction
• Les processus de transition sont fluides, sans vibration du noyau, et toutes les fonctions répondent aux exigences de conception

​4. Avantages majeurs et conclusion​

1. ​Alimentation à découpage haute performance : Taille compacte, haute efficacité et fonctions de protection complètes améliorent considérablement la fiabilité électrique, idéale pour les applications électriques intelligentes.
2. ​Transition de panne intelligente : Une conception innovante combinant des interrupteurs à contact et sans contact garantit un basculement opportuniste vers le fonctionnement CA en cas de panne de module, assurant une alimentation continue au système de contacteur.
3. ​Gestion énergétique efficace : Le circuit d'absorption universel AC/CC convertit efficacement la surtension et l'énergie d'arc en force électromagnétique stable pendant les transitions, assurant une production ininterrompue.
4. ​Capacité de traversée de sags de tension : S'active automatiquement lorsque la tension du système tombe à 60% de la valeur nominale, maintenant l'attraction fiable du contacteur pour éviter des arrêts non planifiés.

Cette solution intègre avec succès la transition de panne de module avec la capacité de traversée de sags de tension, offrant une solution d'assurance de puissance hautement fiable pour les processus de production continue et atténuant efficacement les temps d'arrêt causés par les sags de tension.