Lösning för intelligenta styrmoduler för överlevnad av spänningsdalar för växelkontaktor

1. Designbakgrund och behovsanalys​
Under drift av elkraftsystem inträffar ofta spänningsdalar – kännetecknade av ett plötsligt fall i effektivspänning till 10%–90% av nominalvärdet, vilket varar mellan 10 ms och 1 minut – på grund av blixtslag, kortslutningsfel eller start av stora anläggningar. Sådana händelser kan orsaka att traditionella växelslagna kontakter avbryter, vilket leder till oplanerade nedstängningar i kontinuerliga produktionsprocesser och betydande ekonomiska förluster.

Trots att flera intelligenta styrlösningar (t.ex. högspännings-DC-start, PWM-styrning) har föreslagits, finns det en viktig begränsning kvar: brist på integration av automatisk modulfelövergångsfunktion med kapacitet för genomkörning vid spänningsdal. För att lösa detta problem använder denna lösning CDC17-115 växelslagen kontakt som styrobject och utformar en intelligent styrmodule med felredundans för att upprätthålla produktionskontinuitet även vid modulavbrott.

​2. Modulens arbetsprincip och systemdesign​
​2.1 Övergripande driftlogikarkitektur​
Den intelligenta styrmodulen använder en dubbelmodell strömförsörjningsdesign för att säkerställa pålitlig drift under olika förhållanden:

​2.2 Tekniska detaljer för nyckelkomponenter​
​2.2.1 Strömförsörjningsdesign​
En högpresterande strömförsörjningsenhet fungerar som den kärnpowerenheten med följande egenskaper:

• Kärnarkitektur: Pulssviddsmodulerings-IC (PWM-frekvens 132 kHz), MOSFET (MTD1N80E), speciell transformator (primär induktans 900 μH, läckageinduktans 15 μH, spolarförhållande 0.11) och π-typ outputfilter (L3, C2, C3)
• Flera skyddsfunger: Inmatningsöverspänning/underspänning, utmatningsöverspänning/överströmning/kortslutning/överhettningsskydd, integrerat mjukstart och frekvensjitterteknik
• Prestanda:
• Stabil laststarttid < 35 ms, stödjer snabb omkoppling mellan genomkörning och normalt tillstånd
• Begränsar automatiskt effekt vid kortslutning och stabiliserar snabbt efter felförsvinnande
• Utlöser överspänningsskydd och stänger omedelbart av PWM-utdata vid öppen feedbackloop

Tabell 1: Effekten av filterparasitparametrar på kortslutningsåterhämtningsspänning

​2.2.2 Felförflyttningssirkeldesign​
En innovativ kombination av kontakt- och kontaktlösa växlar används:

• Konstruktion: Kontaktväxlar hanterar fullständig brytning och isolering för högeffektsväxling; power elektroniska växlar möjliggör arkfri, högfrekvensdrift
• Intelligent övergångslogik:
• AC-strömförsörjning via normalt stängda kontakter under initial energiförsörjning
• Omväxlar automatiskt till DC-strömförsörjning under normal drift
• Vid feldetektering avaktiveras kontaktväxelstyring; återupptar AC-direktförsörjning efter återställning för att säkerställa kontinuitet
• Kontaktskyddsteknik: Använder en allmän AC/DC-absorptionsundertryckningskrets (diode RC + tvåvägs TVS-diode D3) för effektiv överspänningsbegränsning, dissipiering av induktiv magnetenergi och signifikant minskning av arking

​2.2.3 Optimering av övergångsprocess​

• AC-DC övergång: Tillämpar fullvåg rektifierad pulserande spänning via power elektroniska växlar, försening 10 ms innan övergång till lågspännings-DC, effektivt förhindrar kärnbrytning; testad övergång är jämn och fri från vibrationer
• DC-AC övergång: Avbryter DC vid fel och introducerar intelligenter AC-strömförsörjning; arkening energi ledas genom inversa dioder under övergången, med fasvinkelkontroll för att undvika spänningstoppsstörningar
• Parametervärden (baserat på simuleringsresultat):
• Resistorer (R2, R3): Mindre resistansvärden resulterar i långsammare spänningamplitudsförsvinning men påverkar inte övergångsfasvinkel
• Kapacitorer (C1, C2): Mindre kapacitansvärden ger högre svängningsdämpningsfrekvens (f = 174.7 Hz vid C = 2 μF; f = 795.4 Hz vid C = 0.1 μF)

​3. Simulering och experimentell verifiering​
​3.1 Simuleringsanalys​
Systemsimuleringar genomfördes med Multisim-programvara, inklusive:

• Startegenskaper och skyddsprestanda för strömförsörjning
• Analys av resistans, kapacitans och fasvinkel på spänningssvängning under övergång
• Utvärdering av parasitparametrars påverkan på systemstabilitet

​3.2 Experimentell verifiering​
Tester på CDC17-115 växelslagen kontakt bekräftade:

• Strömförsörjningsvågor vid tom-/fullbelastning (50 A kontakt) uppfyller designförväntningar
• Skyddsmekanismer svarar snabbt och effektivt vid kortslutning/feedbacköppna fel
• Övergångsprocesser är jämna, utan kärnvibration, och alla funktioner uppfyller designkrav

​4. Kärnfördelar och slutsats​

1. ​Högpresterande strömförsörjning: Kompakt storlek, hög effektivitet och omfattande skyddsfunger förbättrar signifikant elreliabilitet, vilket gör det idealiskt för smarta elektriska applikationer.
2. ​Intelligent felförflyttning: Innovativ design som kombinerar kontakt- och kontaktlösa växlar säkerställer tidig omkoppling till AC-drift vid modulavbrott, vilket garanterar kontinuerlig strömförsörjning till kontaktorsystemet.
3. ​Effektiv energihantering: Allmän AC/DC-absorptionsundertryckningskrets konverterar effektivt överspänning och arkeningenergi under övergångar till stabilt elektromagnetiskt drag, vilket säkerställer oavbruten produktion.
4. ​Kapacitet för genomkörning vid spänningsdal: Aktiveras automatiskt när systemspänningen sjunker till 60% av nominalvärdet, vilket upprätthåller tillförlitlig kontaktörshållning för att undvika oplanerade nedstängningar.

Denna lösning integrerar framgångsrikt modulfelförflyttning med kapacitet för genomkörning vid spänningsdal, vilket ger en mycket pålitlig strömförsörjningssäkerhetslösning för kontinuerliga produktionsprocesser och effektivt minskar driftstopp orsakade av spänningsdalar.