Disseny i implementació d'un nou contactor AC híbrid sense arc de nova generació
I. Antecedents del projecte i principals problemes a abordar
Com un dels dispositius elèctrics de baixa tensió més utilitzats, els contactors AC tenen un paper clau en sistemes d'operació a llarg termini. No obstant això, el seu disseny tradicional té un defecte fonamental: els contactes generen inevitablement un arc quan es treu el circuit.
Aquest defecte inherent porta a una sèrie de problemes seriosos:
- Resistència elèctrica severament limitada: Els arcs causen un desgast elèctric significatiu als contactes, resultant en una vida útil elèctrica (aproximadament 2-2,5 milions d'operacions) molt més curta que la vida útil mecànica (20-25 milions d'operacions), típicament només una dècima d'aquesta última.
- Contaminació electromagnètica: Els arcs contaminen la xarxa elèctrica, generen interferències de freqüència radio i afecten altres equips elèctrics.
- Riscos de seguretat: La sobretensió generada quan es treu càrregues inductives pot enderrocar l'equip connectat i també limita la freqüència d'operació del contactor.
II. Solució central: Principi de trencament sense arcs
La innovació central d'aquesta solució resideix en l'adopció d'una estructura híbrida que combina contactes principals + un mòdul de tiristor paral·lel, amb un circuit de control de disparador precís per sincronitzar exactament les seves seqüències de commutació.
- Enfocament de disseny central:
• Utilitza tiristors bidireccionals com a commutadors sense contacte per aconseguir la connexió inicial, desconnexió final de la corrent, evitant completament la generació d'arcs.
• Utilitza els contactes mecànics tradicionals per portar la corrent durant la conducció en estat estable, superant els inconvenients dels commutadors purament sense contacte (per exemple, utilitzant només tiristors), com la poca resistència a la corrent d'impuls, l'alta caiguda de tensió de conducció, el cost elevat i la necessitat de dissipadors de calor grans.
• La sincronització precisa al nivell de mil·lisegons entre els contactes mecànics i els dispositius semiconductors (tiristors) mitjançant el circuit de control de disparador és clau pel èxit d'aquesta solució. - Flux de treball clau (amb el contactor CJ20-40A com a exemple):
|
Fase d'operació |
Nodi de temps |
Processos d'acció |
Objectiu i efecte central |
|
Connexió |
|||
|
10 ms després de l'energització de la bobina |
El circuit de disparador envia un senyal; tres parells de tiristors bidireccionals condueixen instantàniament. |
Connexió inicial: S'estableix primer la via de la corrent, preparant-se per al tancament del contacte → connexió sense arcs. |
|
|
15 ms després de l'energització de la bobina |
Els contactes principals del contactor es tanquen, fent curt-circuit als tiristors. |
Canvi: Els contactes mecànics porten la corrent principal del circuit; els tiristors es trenquen automàticament degut a la diferència de tensió zero → eficient energèticament. |
|
|
Desconnexió |
|||
|
Després de la desenergització de la bobina |
La pressió del contacte disminueix; la resistència del contacte augmenta; la caiguda de tensió a través dels contactes augmenta fins a ~0,10 V. |
Preparació: El senyal de caiguda de tensió activa el circuit de control → els tiristors condueixen immediatament. |
|
|
12 ms després de la desenergització de la bobina |
Els contactes principals comencen a obrir-se. |
Trencament sense arcs: La corrent es transfereix completament a la via del tiristor → els contactes es treuen a corrent zero → totalment sense arcs. |
|
|
18 ms després de la desenergització de la bobina |
El circuit de disparador atura el senyal; els tiristors es trenquen naturalment al creuat de la corrent zero. |
Desconnexió final: Completa el trencament sense arcs de tot el circuit. |
III. Implementació del procés i pla de modificació
Aquesta solució segueix el principi de "modificació orientada basada en productes madurs," reduint significativament les barres industrialitzades i els costos.
Modificacions específiques:
- Sistema electromagnètic: Ajustaments lleus i optimitzacions per assegurar que el seu temps d'actuació compleixi els requisits de precisió per a la sincronització amb el circuit de tiristors.
- Contactes i sistema d'extinció d'arcs:
o Com s'ha assolit el trencament sense arcs, la cambra d'extinció d'arcs original ja no és necessària i es pot eliminar.
o Es substitueix per una closca aïllada resistent a altes temperatures. Aquesta nova closca integra tres tiristors bidireccionals, el circuit de control de disparador i altres components electrònics essencials. - Aparença i compatibilitat: Les dimensions externes, els forats de muntatge i el mètode de cablagem del contactor modificat romanen totalment consistents amb els contactors estàndard. Els usuaris poden reemplaçar i actualitzar sense canviar cap base de muntatge o lògica de cablagem, facilitant enormement l'adopció al mercat.
IV. Conclusions de les proves i valor significatiu
El contactor AC desenvolupat basant-se en aquesta solució ha passat proves rigoroses de resistència mecànica i elèctrica, verificant la seva seguretat, fiabilitat i viabilitat.
Valor central aportat:
• Millora revolucionària del rendiment: L'eliminació completa dels arcs de commutació incrementa la resistència elèctrica en dezenes de vegades, teòricament arribant al nivell de la vida útil mecànica. També redueix la manutenició dels contactes i augmenta la freqüència d'operació permessa.
• Ampliació dels camps d'aplicació: La característica sense arcs permet una aplicació segura en entorns d'alt risc amb estrictes exigències d'explosió i incendi, com ara plantes petroquímiques, mines de carbó, aeroespacial, etc., convertint-lo en un component central altament fiable en sistemes de control i distribució d'energia.
• Respectuós amb l'ambient: Redueix significativament la contaminació de la xarxa i la interferència electromagnètica causades pels arcs, alineant-se amb la tendència de desenvolupament d'aparells elèctrics moderns i verds.
