Проектиране и реализация на ново поколение хибридни контактни апарати без дъга за алтернативен ток
I. Фон на проекта и ключови проблеми за решаване
Като едно от най-широко използваните нисковолтови електрически устройства, алтернативните контактори играят ключова роля в системите за дългосрочно функциониране. Обачно, традиционният им дизайн има фундаментален недостатък: контактите неизбежно генерират дъга при разкъсване на цепта.
Този вроден дефект води до серия от сериозни проблеми:
- Сериозно ограничена електрическа издръжливост: Дъгите причиняват значителна електрическа износваемост на контактите, което води до електрическа продължителност (приблизително 2–2.5 милиона операции), далеч по-къса от механичната продължителност (20–25 милиона операции), обикновено само една десета от последната.
- Електромагнитно замърсяване: Дъгите замърсяват електрическата мрежа, генерират радиочестотна интерференция и влияят на другите електрически устройства.
- Рискове за безопасност: Превишаването на напрежението, генерирано при разкъсване на индуктивни натоварвания, може да повреди свързаното оборудване и също така ограничава честотата на операции на контактора.
II. Основно решение: Принцип на разкъсване без дъга
Основната иновация на това решение се състои в прилагането на хибриден конструкция, комбиниращ основни контакти + паралелен модул с тиристори, с прецизен тригерен контролен контур, за да се синхронизира точно техния ред на свързване.
- Основен подход в дизайна:
• Използване на двупосочни тиристори като безконтактни ключове, за да се постигне свързване на тока по принципа първо свързване, последно разкъсване, напълно избягвайки генерирането на дъга.
• Използване на традиционни механични контакти за провеждане на тока по време на стабилно провеждане, преодоляване на недостатъците на чисто безконтактните ключове (например, използване само на тиристори), като слабо съпротивление на импулсните токове, високо падане на напрежението, висока цена и необходимостта от големи охладители.
• Прецизна синхронизация на милисекунден ниво между механичните контакти и полупроводниковите устройства (тиристори) чрез тригерен контролен контур е ключов за успеха на това решение. - Основен рабоч процес (като пример с CJ20-40A контактор):
|
Фаза на работа |
Момент на време |
Процес на действие |
Основна цел и ефект |
|
Свързване |
|||
|
10ms след включване на бобина |
Тригерен контур изпраща сигнал; три двупосочни тиристора моментално провеждат. |
Първо свързване: Първо се установява пътят на тока, подготвяйки за затваряне на контактите → свързване без дъга. |
|
|
15ms след включване на бобина |
Основните контакти на контактора затварят, краткосвързвайки тиристорите. |
Превключване: Механичните контакти провеждат основния ток; тиристорите се изключват автоматично поради нулева разлика в напрежението → енергийно ефективно. |
|
|
Разкъсване |
|||
|
След изключване на бобина |
Натискът на контактите намалява; съпротивлението на контактите се увеличава; падането на напрежението върху контактите се увеличава до ~0.10V. |
Подготовка: Сигналът за падане на напрежението активира контролния контур → тиристорите моментално провеждат. |
|
|
12ms след изключване на бобина |
Основните контакти започват да се отварят. |
Разкъсване без дъга: Токът е напълно пренасен към пътя на тиристорите → контактите се разкъсват при нулев ток → напълно без дъга. |
|
|
18ms след изключване на бобина |
Тригерен контур спира сигнала; тиристорите се изключват естествено при нулево пресичане на тока. |
Последно разкъсване: Завършва разкъсването на целия контур без дъга. |
III. Реализация на процеса и план за модификация
Това решение следва принципа на "целеви модификации върху зряли продукти," значително намалявайки бариерите и разходите за индустриализация.
Специфични модификации:
- Електромагнитна система: Леки корекции и оптимизации, за да се осигури, че времето на действие отговаря на прецизионните изисквания за синхронизация с тиристорния контур.
- Контакти и система за изгасване на дъга:
o Тъй като се постига разкъсване без дъга, оригинален камерата за изгасване на дъга вече не е необходима и може да бъде премахната.
o Заменена с изолираща обвивка, устойчива на високи температури. Тази нова обвивка интегрира три двупосочни тиристора, тригерен контролен контур и други важни електронни компоненти. - Изглед и съвместимост: Външните размери, монтиращите отвори и метода на обединяване на модифицирания контактор са напълно съвместими с стандартните контактори. Потребителите могат да заменят и актуализират, без да променят никакви монтиращи бази или логика на обединяване, значително облекчавайки приемството на пазара.
IV. Резултати от тестовете и значителна стойност
Алтернативният контактор, разработен на базата на това решение, е преминал строги тестове на механична и електрическа издръжливост, потвърждавайки неговата безопасност, надеждност и изпълнимост.
Основна предадена стойност:
• Революционно подобрение на производителността: Пълното елиминиране на дъги при свързване увеличава електрическата издръжливост с десетки пъти, теоретично достигайки равнището на механичната продължителност. Също така намалява поддръжката на контактите и увеличава допустимата честота на операции.
• Разширени области на приложение: Характеристиката без дъга позволява безопасно приложение в високорискови среди с строги изисквания за взривобезопасност и огнебезопасност, като петрохимически заводи, мини, аерокосмическата индустрия и т.н., правейки го високо надежден основен компонент в системите за управление и разпределение на енергия.
• Екологично: Значително намалява замърсяването на мрежата и електромагнитната интерференция, причинени от дъгите, съобразно с трендовете в развитието на съвременните зелени електрически устройства.
