โซลูชันโมดูลควบคุมอัจฉริยะสำหรับการผ่านแรงดันตกของคอนแทคเตอร์ AC

1. บริบทการออกแบบและการวิเคราะห์ความต้องการ​
ในการดำเนินงานของระบบไฟฟ้า การลดลงอย่างฉับพลันของแรงดันไฟฟ้า (voltage sags) ซึ่งมีลักษณะเป็นการลดลงของแรงดัน RMS ไปที่ 10%–90% ของค่ากำหนด ภายในระยะเวลา 10 มิลลิวินาทีถึง 1 นาที มักเกิดขึ้นเนื่องจากฟ้าผ่า ข้อบกพร่องของการลัดวงจร หรือการเริ่มทำงานของอุปกรณ์ขนาดใหญ่ เหตุการณ์เหล่านี้สามารถทำให้คอนแทคเตอร์ AC แบบดั้งเดิมกระโดด ทำให้กระบวนการผลิตต่อเนื่องหยุดชะงักโดยไม่ได้วางแผนไว้และส่งผลให้เกิดความเสียหายทางเศรษฐกิจอย่างมาก

แม้ว่าจะมีโซลูชันควบคุมอัจฉริยะหลาย ๆ แบบ (เช่น การเริ่มต้นด้วยไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันสูง การควบคุม PWM) ได้ถูกเสนอมาแล้ว แต่ยังมีข้อจำกัดสำคัญอยู่: ไม่สามารถรวมฟังก์ชันการเปลี่ยนแปลงอัตโนมัติของโมดูลที่มีปัญหากับความสามารถในการทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าที่ลดลงได้ ในการแก้ไขปัญหานี้ โซลูชันนี้ใช้ CDC17-115 AC contactor เป็นเป้าหมายในการควบคุม และออกแบบโมดูลควบคุมอัจฉริยะที่มีการสำรองข้อมูลในกรณีเกิดข้อผิดพลาด เพื่อรักษาความต่อเนื่องในการผลิตแม้ในกรณีที่โมดูลเกิดข้อผิดพลาด

​2. หลักการทำงานของโมดูลและการออกแบบระบบ​
​2.1 สถาปัตยกรรมลอจิกการทำงานโดยรวม​
โมดูลควบคุมอัจฉริยะใช้การออกแบบแหล่งจ่ายไฟสองโหมดเพื่อให้มั่นใจว่าสามารถทำงานได้อย่างเชื่อถือได้ภายใต้สภาพแวดล้อมต่าง ๆ:

​2.2 รายละเอียดทางเทคนิคของส่วนประกอบหลัก​
​2.2.1 การออกแบบแหล่งจ่ายไฟสวิตชิง​
แหล่งจ่ายไฟสวิตชิงประสิทธิภาพสูงเป็นหน่วยกำลังหลักที่มีคุณสมบัติดังนี้:

• โครงสร้างหลัก: IC ปรับความกว้างพัลส์ (ความถี่สวิตชิง 132 kHz), MOSFET (MTD1N80E), หม้อแปลงพิเศษ (ความเหนี่ยวนำหลัก 900 μH, ความเหนี่ยวนำรั่ว 15 μH, อัตราส่วนรอบ 0.11) และตัวกรองออก π-type (L3, C2, C3)
• ฟังก์ชันป้องกันหลายระดับ: ป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูง/ต่ำที่เข้า, ป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูง/กระแสไฟฟ้าสูง/วงจรลัดวงจร/ความร้อนสูง, รวมเทคโนโลยีการเริ่มต้นนุ่มนวลและการสั่นของความถี่
• ประสิทธิภาพ:
• เวลาเริ่มต้นโหลดที่มั่นคง < 35 มิลลิวินาที, สนับสนุนการสลับระหว่างการทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าที่ลดลงและสถานะปกติอย่างรวดเร็ว
• จำกัดกำลังอัตโนมัติในกรณีวงจรลัดวงจรและกลับสู่ภาวะมั่นคงอย่างรวดเร็วหลังจากข้อผิดพลาดถูกแก้ไข
• ทริกเกอร์ป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูงและปิดการส่งออก PWM ทันทีเมื่อมีวงจรป้อนกลับเปิด

ตาราง 1: ผลกระทบของพารามิเตอร์พาราไซติกต่อแรงดันไฟฟ้าในการฟื้นฟูวงจรลัดวงจร

​2.2.2 การออกแบบวงจรการเปลี่ยนแปลงข้อผิดพลาด​
การผสมผสานระหว่างสวิตช์ติดต่อและสวิตช์ไร้ติดต่อที่นวัตกรรมใหม่:

• การออกแบบโครงสร้าง: สวิตช์ติดต่อจัดการฟังก์ชันการแยกวงจรและวงจรลัดวงจรสำหรับการสวิตช์พลังงานสูง; สวิตช์ไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์สนับสนุนการทำงานที่ไม่มีอาร์กและมีความถี่สูง
• ลอจิกการเปลี่ยนแปลงอัจฉริยะ:
• จ่ายไฟ AC ผ่านคอนแทคที่ปิดตลอดเวลาในระหว่างการเปิดเครื่องครั้งแรก
• เปลี่ยนไปใช้วิธีการจ่ายไฟ DC ในระหว่างการทำงานปกติ
• เมื่อตรวจพบข้อผิดพลาด จะปิดการขับเคลื่อนสวิตช์ติดต่อ; กลับมาใช้การจ่ายไฟ AC โดยตรงหลังจากการรีเซ็ตเพื่อรักษาความต่อเนื่อง
• เทคโนโลยีการป้องกันคอนแทค: ใช้วงจรการดูดซับและการยับยั้งทั่วไป AC/DC (ไดโอด RC + ไดโอด TVS สองทาง D3) เพื่อควบคุมแรงดันไฟฟ้าสูง, กระจายพลังงานแม่เหล็กเหนี่ยวนำ, และลดอาร์กอย่างมาก

​2.2.3 การปรับปรุงกระบวนการเปลี่ยนแปลง​

• การเปลี่ยนแปลงจาก AC ไป DC: ใช้แรงดันไฟฟ้าพัลส์ที่ถูกปรับเต็มวงจรผ่านสวิตช์ไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์, รอ 10 มิลลิวินาทีก่อนเปลี่ยนไปใช้แรงดันไฟฟ้า DC ต่ำ, ป้องกันการกระแทกของแกนกลางอย่างมีประสิทธิภาพ; ทดสอบการเปลี่ยนแปลงเป็นไปอย่างราบรื่นและไม่มีการสั่นสะเทือน
• การเปลี่ยนแปลงจาก DC ไป AC: ตัดไฟ DC เมื่อเกิดข้อผิดพลาดและนำไฟ AC อย่างอัจฉริยะ; พลังงานอาร์กถูกปล่อยผ่านไดโอดย้อนกลับในระหว่างการเปลี่ยนแปลง, ควบคุมเฟสเพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนจากแรงดันไฟฟ้าสูง
• การปรับปรุงพารามิเตอร์ (ตามผลการจำลอง):
• ตัวต้านทาน (R2, R3): ค่าความต้านทานที่น้อยกว่าทำให้แรงดันไฟฟ้าลดลงช้ากว่า แต่ไม่ส่งผลต่อเฟสการเปลี่ยนแปลง
• ตัวเก็บประจุ (C1, C2): ค่าความจุที่น้อยกว่าทำให้ความถี่การสั่นสะเทือนลดลงเร็วขึ้น (f = 174.7 Hz ที่ C = 2 μF; f = 795.4 Hz ที่ C = 0.1 μF)

​3. การวิเคราะห์จำลองและการตรวจสอบทดลอง​
​3.1 การวิเคราะห์จำลอง​
การจำลองระบบได้ดำเนินการโดยใช้ซอฟต์แวร์ Multisim รวมถึง:

• การจำลองลักษณะการเริ่มต้นและการป้องกันของแหล่งจ่ายไฟสวิตชิง
• การวิเคราะห์ผลกระทบของความต้านทาน, ความจุ, และเฟสต่อการสั่นสะเทือนของแรงดันไฟฟ้าในการเปลี่ยนแปลง
• การประเมินผลกระทบของพารามิเตอร์พาราไซติกต่อความมั่นคงของระบบ

​3.2 การตรวจสอบทดลอง​
การทดสอบบน CDC17-115 AC contactor ยืนยันว่า:

• คลื่นรูปของแหล่งจ่ายไฟสวิตชิงที่ไม่มีโหลด/มีโหลดเต็ม (คอนแทคเตอร์ 50 A) ตรงตามความคาดหวังในการออกแบบ
• กลไกการป้องกันตอบสนองอย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพในกรณีวงจรลัดวงจร/วงจรป้อนกลับเปิด
• กระบวนการเปลี่ยนแปลงเป็นไปอย่างราบรื่น ไม่มีการสั่นสะเทือนของแกนกลาง และฟังก์ชันทั้งหมดตรงตามความต้องการในการออกแบบ

​4. ข้อได้เปรียบหลักและข้อสรุป​

1. ​แหล่งจ่ายไฟสวิตชิงประสิทธิภาพสูง: ขนาดกะทัดรัด, ประสิทธิภาพสูง, และฟังก์ชันการป้องกันที่ครอบคลุม เพิ่มความเชื่อถือได้ทางไฟฟ้าอย่างมาก ทำให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานในระบบไฟฟ้าอัจฉริยะ
2. ​การเปลี่ยนแปลงข้อผิดพลาดอัจฉริยะ: การออกแบบนวัตกรรมที่ผสมผสานระหว่างสวิตช์ติดต่อและสวิตช์ไร้ติดต่อ ทำให้สามารถเปลี่ยนไปใช้การจ่ายไฟ AC ได้อย่างทันท่วงทีในกรณีเกิดข้อผิดพลาดของโมดูล รับประกันการจ่ายไฟอย่างต่อเนื่องให้กับระบบคอนแทคเตอร์
3. ​การจัดการพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ: วงจรการดูดซับและการยับยั้งทั่วไป AC/DC แปลงแรงดันไฟฟ้าสูงและพลังงานอาร์กในการเปลี่ยนแปลงเป็นแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่มั่นคง ทำให้การผลิตไม่หยุดชะงัก
4. ​ความสามารถในการทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าที่ลดลง: เปิดใช้งานอัตโนมัติเมื่อแรงดันไฟฟ้าระบบลดลงเหลือ 60% ของค่ากำหนด รักษาสถานะการดึงคอนแทคเตอร์อย่างเชื่อถือได้เพื่อหลีกเลี่ยงการหยุดชะงักที่ไม่ได้วางแผนไว้

โซลูชันนี้ประสบความสำเร็จในการรวมฟังก์ชันการเปลี่ยนแปลงข้อผิดพลาดของโมดูลกับความสามารถในการทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าที่ลดลง ให้โซลูชันการรับประกันพลังงานที่เชื่อถือได้สำหรับกระบวนการผลิตต่อเนื่อง และลดการหยุดชะงักที่เกิดจากแรงดันไฟฟ้าที่ลดลงอย่างมีประสิทธิภาพ