Solução de Módulo de Controlo Inteligente para Superar Quedas de Tensão em Reles de Contato

1. Contexto de Design e Análise de Requisitos​
Durante a operação do sistema elétrico, quedas de tensão—caracterizadas por uma queda súbita da tensão RMS para 10%–90% do valor nominal, durando de 10 ms a 1 minuto—ocorrem frequentemente devido a raios, falhas de curto-circuito ou o arranque de equipamentos grandes. Tais eventos podem causar o desligamento de contatos AC tradicionais, resultando em paralisações não planejadas em processos de produção contínua e perdas económicas significativas.

Ainda que várias soluções de controlo inteligente (por exemplo, arranque DC de alta tensão, controlo PWM) tenham sido propostas, uma limitação chave permanece: a falta de integração de funcionalidade de transição automática de falha de módulo com capacidade de atravessar quedas de tensão. Para resolver este problema, esta solução utiliza o contato AC CDC17-115 como alvo de controlo e projeta um módulo de controlo inteligente com redundância de falha para manter a continuidade da produção mesmo em caso de falha do módulo.

​2. Princípio de Funcionamento do Módulo e Design do Sistema​
​2.1 Arquitetura Lógica Operacional Geral​
O módulo de controlo inteligente adota um design de alimentação dual para garantir a operação confiável em várias condições:

​2.2 Detalhes Técnicos dos Componentes Chave​
​2.2.1 Design de Fonte de Alimentação Comutada​
Uma fonte de alimentação comutada de alto desempenho serve como unidade de energia central com as seguintes características:

• Arquitetura Central: CI de modulação de largura de pulso (frequência de comutação 132 kHz), MOSFET (MTD1N80E), transformador especial (indutância primária 900 μH, indutância de fuga 15 μH, relação de espiras 0,11) e filtro de saída tipo π (L3, C2, C3)
• Funções de Proteção Múltipla: sobretensão/subtensão de entrada, sobretensão/sobrecorrente/curto-circuito/sobreaquecimento de saída, tecnologia de partida suave e jitter de frequência integrados
• Desempenho:
• Tempo de partida de carga estável < 35 ms, suporta rápida troca entre estados de travessia e normal
• Limita automaticamente a potência durante curtos-circuitos e estabiliza rapidamente após a limpeza da falha
• Dispara proteção de sobretensão e desliga imediatamente a saída PWM na abertura do loop de realimentação

Tabela 1: Impacto dos Parâmetros Parasitas do Filtro na Tensão de Recuperação de Curto-Circuito

​2.2.2 Design de Circuito de Transição de Falha​
Utiliza-se uma combinação inovadora de interruptores de contato e sem contato:

• Design Estrutural: interruptores de contato lidam com funções completas de interrupção e isolamento para comutação de alta potência; interruptores eletrônicos de potência permitem operação sem arco e de alta frequência
• Lógica de Transição Inteligente:
• Alimentação AC é fornecida via contatos normalmente fechados durante a inicialização
• Automaticamente muda para modo de alimentação DC durante a operação normal
• Na detecção de falha, desativa a condução do interruptor de contato; retoma a alimentação AC direta após o reset para garantir continuidade
• Tecnologia de Proteção de Contato: Utiliza um circuito de absorção supressão universal AC/DC (diodo RC + diodo TVS bidirecional D3) para clarear efetivamente a sobretensão, dissipar a energia magnética indutiva e reduzir significativamente o arco

​2.2.3 Otimização do Processo de Transição​

• Transição AC-DC: Aplica tensão pulsante retificada de onda completa via interruptores eletrônicos de potência, atrasa 10 ms antes de mudar para DC de baixa tensão, prevenindo efetivamente o rebote do núcleo; a transição testada é suave e sem vibração
• Transição DC-AC: Corta o DC na falha e introduz inteligentemente a alimentação AC; a energia do arco é freewheeled através de diodos inversos durante a transição, com controle de ângulo de fase para evitar interferência de pico de tensão
• Otimização de Parâmetros (baseado em resultados de simulação):
• Resistores (R2, R3): Valores de resistência menores resultam em decaimento mais lento da amplitude de tensão, mas não afetam o ângulo de fase de transição
• Capacitores (C1, C2): Valores de capacitância menores resultam em maior frequência de decaimento de oscilação (f = 174,7 Hz em C = 2 μF; f = 795,4 Hz em C = 0,1 μF)

​3. Verificação de Simulação e Experimental​
​3.1 Análise de Simulação​
Foram realizadas simulações do sistema utilizando o software Multisim, incluindo:

• Simulação das características de partida e desempenho de proteção da fonte de alimentação comutada
• Análise dos efeitos de resistência, capacitância e ângulo de fase na oscilação de tensão durante a transição
• Avaliação do impacto dos parâmetros parasitas na estabilidade do sistema

​3.2 Verificação Experimental​
Testes no contato AC CDC17-115 confirmaram:

• Formas de onda de carga nula/carga total (contato de 50 A) atendem às expectativas de design
• Mecanismos de proteção respondem rapidamente e efetivamente em falhas de curto-circuito/abertura de circuito de realimentação
• Processos de transição são suaves, sem vibração do núcleo, e todas as funções atendem aos requisitos de design

​4. Vantagens Centrais e Conclusão​

1. ​Fonte de Alimentação Comutada de Alto Desempenho: tamanho compacto, alta eficiência e funções de proteção abrangentes aumentam significativamente a confiabilidade elétrica, tornando-a ideal para aplicações elétricas inteligentes.
2. ​Transição de Falha Inteligente: design inovador combinando interruptores de contato e sem contato garante a mudança oportuna para a operação AC durante falhas do módulo, garantindo o fornecimento contínuo de energia ao sistema de contato.
3. ​Gestão Eficiente de Energia: circuito de absorção supressão universal AC/DC converte efetivamente a sobretensão e a energia do arco durante as transições em força eletromagnética estável, garantindo a produção ininterrupta.
4. ​Capacidade de Travessia de Queda de Tensão: ativa automaticamente quando a tensão do sistema cai para 60% do valor nominal, mantendo a atração confiável do contato para evitar paralisações não planejadas.

Esta solução integra com sucesso a transição de falha de módulo com a capacidade de atravessar quedas de tensão, fornecendo uma solução de garantia de energia altamente confiável para processos de produção contínua e mitigando efetivamente os tempos de inatividade causados por quedas de tensão.