Giải pháp Mô-đun Điều khiển Thông minh cho AC Contactor Qua Sóng Điện Áp

1. Thiết kế Bối cảnh và Phân tích Yêu cầu​
Trong quá trình vận hành hệ thống điện, hiện tượng sụt áp - đặc trưng bởi sự giảm đột ngột của điện áp RMS xuống 10% - 90% giá trị định mức kéo dài từ 10 ms đến 1 phút - thường xảy ra do sét đánh, lỗi ngắn mạch hoặc khởi động thiết bị lớn. Những sự kiện này có thể khiến tiếp điểm AC truyền thống bị nhảy, dẫn đến việc dừng sản xuất không theo kế hoạch trong các quy trình sản xuất liên tục và gây thiệt hại kinh tế đáng kể.

Mặc dù đã có nhiều giải pháp điều khiển thông minh (ví dụ: khởi động DC cao áp, điều khiển PWM) được đề xuất, nhưng một hạn chế chính vẫn còn tồn tại: không tích hợp chức năng chuyển đổi tự động khi mô-đun gặp lỗi với khả năng vượt qua sụt áp. Để giải quyết vấn đề này, giải pháp này sử dụng tiếp điểm AC CDC17-115 làm mục tiêu điều khiển và thiết kế mô-đun điều khiển thông minh có tính dự phòng lỗi để duy trì tính liên tục của sản xuất ngay cả khi mô-đun gặp lỗi.

​2. Nguyên lý hoạt động của Mô-đun và Thiết kế Hệ thống​
​2.1 Cấu trúc Logic Hoạt động Tổng thể​
Mô-đun điều khiển thông minh sử dụng thiết kế nguồn điện hai chế độ để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy dưới mọi điều kiện:

​2.2 Chi tiết Kỹ thuật Thành phần Chính​
​2.2.1 Thiết kế Nguồn Điện Chuyển mạch​
Một nguồn điện chuyển mạch hiệu suất cao đóng vai trò là đơn vị nguồn điện chính với các đặc điểm sau:

• Cấu trúc Cơ bản: IC điều chế rộng xung (tần số chuyển mạch 132 kHz), MOSFET (MTD1N80E), biến áp đặc biệt (cảm ứng sơ cấp 900 μH, cảm ứng rò rỉ 15 μH, tỷ lệ vòng quấn 0.11), và bộ lọc đầu ra dạng π (L3, C2, C3)
• Nhiều Chức năng Bảo vệ: Quá áp/ít áp vào, quá áp/quá dòng/đứt mạch/quá nhiệt ra, tích hợp công nghệ khởi động mềm và rung tần số
• Hiệu suất:
• Thời gian khởi động tải ổn định < 35 ms, hỗ trợ chuyển đổi nhanh giữa chế độ vượt qua và bình thường
• Tự động hạn chế công suất trong trường hợp đứt mạch và ổn định nhanh sau khi khắc phục lỗi
• Kích hoạt bảo vệ quá áp và tắt ngay lập tức đầu ra PWM khi vòng phản hồi mở

Bảng 1: Tác động của Các Tham số Parasitic Bộ lọc lên Điện áp Phục hồi Đứt mạch

​2.2.2 Thiết kế Mạch Chuyển đổi Lỗi​
Sử dụng kết hợp sáng tạo giữa công tắc tiếp xúc và công tắc không tiếp xúc:

• Thiết kế Cấu trúc: Công tắc tiếp xúc xử lý chức năng ngắt và cách ly cho chuyển mạch công suất cao; công tắc điện tử cho phép hoạt động tần số cao không có hồ quang
• Logic Chuyển đổi Thông minh:
• Nguồn AC được cung cấp qua tiếp điểm luôn đóng trong giai đoạn khởi động ban đầu
• Tự động chuyển sang chế độ nguồn DC trong quá trình hoạt động bình thường
• Khi phát hiện lỗi, ngắt điều khiển công tắc tiếp xúc; sau khi đặt lại, tiếp tục cung cấp trực tiếp nguồn AC để đảm bảo tính liên tục
• Công nghệ Bảo vệ Tiếp xúc: Sử dụng mạch hấp thụ ức chế AC/DC phổ quát (điôt RC + điôt TVS hai chiều D3) để hiệu quả kẹp quá áp, tiêu tán năng lượng từ tính cảm ứng, và giảm đáng kể hồ quang

​2.2.3 Tối ưu hóa Quá trình Chuyển đổi​

• Chuyển đổi từ AC sang DC: Áp dụng điện áp dao động đã chỉnh lưu toàn sóng qua công tắc điện tử, chậm 10 ms trước khi chuyển sang DC điện áp thấp, hiệu quả ngăn chặn sự bật lại của lõi; thử nghiệm chuyển đổi mượt mà và không rung
• Chuyển đổi từ DC sang AC: Ngắt DC khi có lỗi và thông minh giới thiệu nguồn AC; năng lượng hồ quang được dẫn qua điôt ngược trong quá trình chuyển đổi, với điều khiển góc pha để tránh nhiễu xung điện áp
• Tối ưu hóa Tham số (dựa trên kết quả mô phỏng):
• Điện trở (R2, R3): Giá trị điện trở nhỏ hơn làm giảm tốc độ suy giảm biên độ điện áp nhưng không ảnh hưởng đến góc pha chuyển đổi
• Tụ điện (C1, C2): Giá trị dung lượng nhỏ hơn tạo ra tần số suy giảm dao động cao hơn (f = 174.7 Hz tại C = 2 μF; f = 795.4 Hz tại C = 0.1 μF)

​3. Mô phỏng và Xác minh Thí nghiệm​
​3.1 Phân tích Mô phỏng​
Các mô phỏng hệ thống được thực hiện bằng phần mềm Multisim, bao gồm:

• Đặc tính khởi động và hiệu suất bảo vệ của nguồn điện chuyển mạch
• Phân tích tác động của điện trở, tụ điện và góc pha đối với dao động điện áp trong quá trình chuyển đổi
• Đánh giá tác động của các tham số parasitic đối với sự ổn định của hệ thống

​3.2 Xác minh Thí nghiệm​
Các thử nghiệm trên tiếp điểm AC CDC17-115 xác nhận:

• Đường cong không tải/tải đầy (tiếp điểm 50 A) của nguồn điện chuyển mạch đáp ứng như mong đợi
• Các cơ chế bảo vệ phản ứng nhanh chóng và hiệu quả trong trường hợp đứt mạch/đứt mạch phản hồi
• Quá trình chuyển đổi mượt mà, không có rung lõi, và tất cả chức năng đáp ứng yêu cầu thiết kế

​4. Ưu điểm Chính và Kết luận​

1. ​Nguồn Điện Chuyển mạch Hiệu suất Cao: Kích thước nhỏ gọn, hiệu suất cao, và các chức năng bảo vệ toàn diện nâng cao đáng kể độ tin cậy điện, phù hợp cho các ứng dụng điện thông minh.
2. ​Chuyển đổi Lỗi Thông minh: Thiết kế sáng tạo kết hợp công tắc tiếp xúc và không tiếp xúc đảm bảo chuyển đổi kịp thời sang hoạt động AC trong trường hợp mô-đun gặp lỗi, đảm bảo cung cấp điện liên tục cho hệ thống tiếp điểm.
3. ​Quản lý Năng lượng Hiệu quả: Mạch hấp thụ ức chế AC/DC phổ quát hiệu quả chuyển đổi quá áp và năng lượng hồ quang trong quá trình chuyển đổi thành lực điện từ ổn định, đảm bảo sản xuất không gián đoạn.
4. ​Khả năng Vượt qua Sụt áp: Tự động kích hoạt khi điện áp hệ thống giảm xuống 60% giá trị định mức, duy trì trạng thái hút tiếp điểm đáng tin cậy để tránh ngừng sản xuất không theo kế hoạch.

Giải pháp này thành công trong việc tích hợp chức năng chuyển đổi lỗi mô-đun với khả năng vượt qua sụt áp, cung cấp giải pháp đảm bảo điện đáng tin cậy cho quy trình sản xuất liên tục và hiệu quả giảm thiểu thời gian ngừng do sụt áp.