Решение интеллектуального модуля управления для прохождения провалов напряжения в контакторе переменного тока

1. Проектирование и анализ требований​
Во время эксплуатации электрических систем часто возникают просадки напряжения, характеризующиеся внезапным падением RMS-напряжения до 10–90% от номинального значения, продолжительностью от 10 мс до 1 минуты, вызванные такими факторами, как удары молнии, короткие замыкания или запуск крупного оборудования. Такие события могут привести к срабатыванию традиционных контакторов переменного тока, что в свою очередь вызывает неплановые остановки в непрерывных производственных процессах и значительные экономические потери.

Хотя были предложены несколько интеллектуальных решений управления (например, высоковольтный запуск постоянного тока, управление широтно-импульсной модуляцией), ключевым ограничением остается отсутствие интеграции функциональности автоматического перехода при отказе модуля с возможностью прохождения через просадку напряжения. Для решения этой проблемы данное решение использует контактор переменного тока CDC17-115 в качестве объекта управления и разрабатывает интеллектуальный модуль управления с резервированием для поддержания непрерывности производства даже в случае отказа модуля.

​2. Принцип работы модуля и системная архитектура​
​2.1 Общая логическая архитектура работы​
Интеллектуальный модуль управления использует двухрежимную систему питания для обеспечения надежной работы в различных условиях:

​2.2 Технические детали ключевых компонентов​
​2.2.1 Дизайн источника питания с коммутацией​
Высокопроизводительный источник питания с коммутацией служит основным блоком питания с следующими характеристиками:

• Основная архитектура: ИК с широтно-импульсной модуляцией (частота коммутации 132 кГц), MOSFET (MTD1N80E), специальный трансформатор (индуктивность первичной обмотки 900 мкГн, рассеянная индуктивность 15 мкГн, коэффициент передачи 0,11) и фильтр выхода типа π (L3, C2, C3)
• Многофункциональная защита: Защита от перенапряжения/недонапряжения на входе, защита от перенапряжения/перегрузки/короткого замыкания/перегрева на выходе, интегрированная мягкая стартовая технология и технология дрожания частоты
• Производительность:
• Время стабилизации нагрузки менее 35 мс, поддерживает быстрое переключение между режимами прохождения через просадку и нормальным режимом
• Автоматическое ограничение мощности при коротком замыкании и быстрая стабилизация после устранения неисправности
• Триггер защиты от перенапряжения и немедленное отключение PWM-выхода при разрыве обратной связи

Таблица 1: Влияние паразитных параметров фильтра на напряжение восстановления при коротком замыкании

​2.2.2 Дизайн цепи перехода при отказе​
Используется инновационное сочетание контактных и бесконтактных переключателей:

• Структурный дизайн: Контактные переключатели выполняют функции полного разрыва и изоляции для высокомощных переключений; силовые электронные переключатели обеспечивают работу без дуги и на высокой частоте
• Интеллектуальная логика перехода:
• Переменное питание подается через нормально закрытые контакты при первоначальном включении
• Автоматически переключается на режим питания постоянным током в нормальном режиме работы
• При обнаружении неисправности деактивируется привод контактного переключателя; после сброса возвращается к прямому питанию переменным током для обеспечения непрерывности
• Технология защиты контактов: Используется универсальная цепь поглощения и подавления для переменного и постоянного тока (диод RC + двунаправленный диод TVS D3) для эффективного ограничения перенапряжения, рассеивания энергии индуктивности и значительного уменьшения дуги

​2.2.3 Оптимизация процесса перехода​

• Переход от переменного тока к постоянному: Применяется выпрямленное пульсирующее напряжение через силовые электронные переключатели, задержка 10 мс перед переключением на низковольтное питание постоянным током, что эффективно предотвращает отскок сердечника; проверено, что переход гладкий и без вибраций
• Переход от постоянного тока к переменному: При отказе отключается постоянное питание и интеллектуально вводится питание переменным током; энергия дуги свободно проходит через обратные диоды во время перехода, с фазовым управлением для предотвращения помех от скачков напряжения
• Оптимизация параметров (на основе результатов моделирования):
• Резисторы (R2, R3): Меньшие значения сопротивления приводят к более медленному затуханию амплитуды напряжения, но не влияют на фазовый угол перехода
• Конденсаторы (C1, C2): Меньшие значения емкости приводят к более высокой частоте затухания колебаний (f = 174,7 Гц при C = 2 мкФ; f = 795,4 Гц при C = 0,1 мкФ)

​3. Моделирование и экспериментальное подтверждение​
​3.1 Анализ моделирования​
Системное моделирование проводилось с использованием программного обеспечения Multisim, включая:

• Моделирование характеристик запуска источника питания с коммутацией и его защитных функций
• Анализ влияния сопротивлений, емкостей и фазовых углов на колебания напряжения во время перехода
• Оценку влияния паразитных параметров на устойчивость системы

​3.2 Экспериментальное подтверждение​
Тесты на контакторе переменного тока CDC17-115 подтвердили:

• Формы сигналов источника питания с коммутацией при холостом ходе и полной нагрузке (контактор 50 А) соответствуют проектным ожиданиям
• Защитные механизмы быстро и эффективно реагируют на короткое замыкание и разрыв обратной связи
• Процессы перехода гладкие, без вибрации сердечника, и все функции соответствуют проектным требованиям

​4. Основные преимущества и выводы​

1. ​Высокопроизводительный источник питания с коммутацией: Компактные размеры, высокая эффективность и всесторонние защитные функции значительно повышают электрическую надежность, делая его идеальным для применения в интеллектуальных электрических системах.
2. ​Интеллектуальный переход при отказе: Инновационный дизайн, сочетающий контактные и бесконтактные переключатели, обеспечивает своевременный переход на питание переменным током при отказе модуля, гарантируя непрерывное питание системы контактора.
3. ​Эффективное управление энергией: Универсальная цепь поглощения и подавления для переменного и постоянного тока эффективно преобразует перенапряжение и энергию дуги во время переходов в стабильную электромагнитную силу, обеспечивая непрерывное производство.
4. ​Прохождение через просадку напряжения: Автоматически активируется при снижении системного напряжения до 60% от номинального значения, поддерживая надежное состояние захвата контактора, чтобы избежать неплановых остановок.

Данное решение успешно интегрирует функцию перехода при отказе модуля с возможностью прохождения через просадку напряжения, предоставляя высокоэффективное решение для обеспечения надежного питания в непрерывных производственных процессах и эффективно снижая простои, вызванные просадками напряжения.