Rješenje za pametni kontrolni modul za odoljivost kontaktnog releja na pad napona

1. Dizajn i analiza zahtjeva​
Tijekom rada električnog sustava, padovi napona - karakterizirani naglim padom RMS napona na 10%–90% nominalne vrijednosti trajući od 10 ms do 1 minute - često se događaju zbog udara munje, kratičnih kvara ili pokretanja velikih uređaja. Takvi događaji mogu uzrokovati da tradicionalni AC kontaktori isključe, što rezultira neočekivanim zaustavljanjima u kontinuiranim proizvodnim procesima i značajnim ekonomskim gubitcima.

Iako je predloženo nekoliko inteligentnih kontrolnih rješenja (npr., pokretanje visokim naponom DC, PWM kontrola), ključna ograničenja ostaju: nedostatak integracije funkcionalnosti automatskog prelaska na rezervni modul s sposobnošću održavanja rada tijekom pada napona. Da bi se ova problema riješila, ovo rješenje koristi CDC17-115 AC kontaktor kao ciljnu jedinicu kontrole i dizajnira inteligentni kontrolni modul s nadmoćnom funkcijom za održavanje kontinuiteta proizvodnje čak i u slučaju kvara modula.

​2. Princip rada modula i dizajn sustava​
​2.1 Ukupna logička arhitektura rada​
Inteligentni kontrolni modul koristi dizajn napajanja dvostrukog moda kako bi osigurao pouzdan rad u različitim uvjetima:

​2.2 Tehnički detalji ključnih komponenti​
​2.2.1 Dizajn prekidnog napajanja​
Visoko performantni prekidni blok napajanja služi kao glavna napajajuća jedinica s sljedećim svojstvima:

• Glavna arhitektura: IC šireg modulacijskog širine impulsa (frekvencija prekidnog toka 132 kHz), MOSFET (MTD1N80E), specijalni transformator (primarni induktivitet 900 μH, izbječni induktivitet 15 μH, omjer zavojnica 0.11) i π-tip filtra izlaza (L3, C2, C3)
• Multifunkcijska zaštita: ulazni pretisak/nedostatak napona, izlazni pretisak/prekomjerna struja/kratki spoj/preskok temperature, integrisana tehnologija mekanog pokretanja i titrajuće frekvencije
• Performanse:
• Stabilno vreme pokretanja opterećenja < 35 ms, podržava brzo prebacivanje između režima održavanja rada i normalnog stanja
• Automatsko ograničavanje snage tijekom kratkih spojeva i brzo stabiliziranje nakon otklanjanja kvara
• Okidač pretiska napona i odmah isključuje PWM izlaz pri otvorenom povratnom krugu

Tablica 1: Utjecaj parazitskih parametara filtra na naponski oporavak tijekom kratkog spoja

​2.2.2 Dizajn kruga prelaska na kvar​
Inovativna kombinacija kontaktnih i bezkontaktnih prekidača:

• Strukturni dizajn: Kontakt prekidači rade na punom prekidu i izolaciji za visokosnažno prebacivanje; elektronički prekidači omogućuju rad bez lukova na visokoj frekvenciji
• Pametna logika prelaska:
• AC napajanje se pruža preko normalno zatvorenih kontakata tijekom inicijalnog uključivanja
• Automatski prelazi na DC mod napajanja tijekom normalnog rada
• Pri detekciji kvara deaktivira pogon kontakt prekidača; nastavlja AC direktno napajanje nakon resetiranja kako bi se osigurala kontinuitet
• Tehnologija zaštite kontakata: Koristi univerzalni AC/DC apsorbirajući suzbijajući krug (dioda RC + dvosmjerni TVS dioda D3) za učinkovito ograničavanje pretiska, disipaciju induktivne magnetske energije i značajno smanjenje luka

​2.2.3 Optimizacija procesa prelaska​

• AC na DC prelaz: Primjenjuje pulsirajući napon punog vala preko elektroničkih prekidača, odgađa 10 ms prije prelaska na niski DC, učinkovito sprečava odskok jezgra; testirani prelaz je gladak i bez vibracija
• DC na AC prelaz: Isključuje DC pri kvaru i pametno uvodi AC napajanje; energija luka se slobodno provodi preko obrnutih dijoda tijekom prelaza, s faznim upravljanjem kako bi se spriječilo interferencija visokog napona
• Optimizacija parametara (na temelju simulacijskih rezultata):
• Otpornici (R2, R3): Manje vrijednosti otpora rezultiraju sporijim propadanjem amplituda napona, ali ne utječu na fazni kut prelaza
• Kondenzatori (C1, C2): Manje vrijednosti kapacitance rezultiraju većom frekvencijom propadanja oscilacija (f = 174.7 Hz za C = 2 μF; f = 795.4 Hz za C = 0.1 μF)

​3. Simulacija i eksperimentalna verifikacija​
​3.1 Analiza simulacije​
Simulacije sustava provedene su pomoću Multisim softvera, uključujući:

• Simulaciju karakteristika pokretanja i performansi zaštite prekidnog napajanja
• Analizu utjecaja otpornosti, kapacitanci i faze na naponsku oscilaciju tijekom prelaza
• Vrednovanje utjecaja parazitskih parametara na stabilnost sustava

​3.2 Eksperimentalna verifikacija​
Testovi na CDC17-115 AC kontaktoru potvrdili su:

• Valni oblici prekidnog napajanja bez opterećenja/potpunog opterećenja (50 A kontaktor) zadovoljavaju očekivanja dizajna
• Mehanizmi zaštite brzo i učinkovito reagiraju na kvar kratkog spoja/otvorene povratne petlje
• Procesi prelaska su gladki, bez vibracija jezgra, a sve funkcije zadovoljavaju zahtjeve dizajna

​4. Ključne prednosti i zaključak​

1. ​Visoko performantni prekidni blok napajanja: Kompaktna veličina, visoka učinkovitost i kompletna funkcija zaštite značajno poboljšavaju električnu pouzdanost, što ga čini idealnim za inteligentne električne primjene.
2. ​Pametan prelaz na kvar: Inovativni dizajn kombinacije kontaktnih i bezkontaktnih prekidača osigurava pravo vrijeme prelaska na AC operaciju tijekom kvara modula, garantirajući neprekidno napajanje sistema kontaktora.
3. ​Učinkovito upravljanje energijom: Univerzalni AC/DC apsorbirajući suzbijajući krug učinkovito pretvara pretiske napona i energiju luka tijekom prelaza u stabilnu elektromagnetsku silu, osiguravajući neprekidnu proizvodnju.
4. ​Sposobnost održavanja rada tijekom pada napona: Automatski aktivira kada sistemski napon pada na 60% nominalne vrijednosti, održavajući pouzdano zatvoren kontakt kako bi se spriječili neočekivani zaustavi.

Ovo rješenje uspješno integrira prelaz na kvar modula s funkcijom održavanja rada tijekom pada napona, pružajući visoko pouzdanu garanciju napajanja za kontinuirane proizvodne procese i učinkovito smanjujući zaustave uzrokovane padom napona.