طراحی و اجرای یک نسل جدید از کنتاکتور AC هیبریدی بدون قوس الکتریکی
I. پیش‌زمینه پروژه و مسائل کلیدی برای حل
کنتاکتورهای AC به عنوان یکی از دستگاه‌های الکتریکی با ولتاژ پایین پرکاربرد، نقش مهمی در سیستم‌های عملکرد بلندمدت دارند. با این حال، طراحی سنتی آنها نقص بنیادی دارد: تماس‌ها حتماً قوس الکتریکی ایجاد می‌کنند زمانی که مدار را قطع می‌کنند.
این نقص ذاتی منجر به مجموعه‌ای از مشکلات جدی می‌شود:
- طول عمر الکتریکی بسیار محدود: قوس‌ها باعث ایجاد سایش الکتریکی قابل توجه در تماس‌ها می‌شوند، که منجر به طول عمر الکتریکی (تقریباً ۲ تا ۲.۵ میلیون عملیات) بسیار کوتاه‌تر از طول عمر مکانیکی (۲۰ تا ۲۵ میلیون عملیات) می‌شود، معمولاً تنها یک دهم آن است.
- : قوس‌ها شبکه برق را آلوده می‌کنند، تداخل فرکانس رادیویی ایجاد می‌کنند و بر دیگر تجهیزات الکتریکی تأثیر می‌گذارند.
- ریسک‌های ایمنی: شاخه‌ای از ولتاژ بالا که هنگام قطع بارهای القایی ایجاد می‌شود ممکن است تجهیزات متصل شده را خراب کند و همچنین فرکانس عملیاتی کنتاکتور را محدود می‌کند.
II. راه‌حل اصلی: اصل قطع بدون قوس
نوآوری اصلی این راه‌حل در استفاده از یک ساختار ترکیبی شامل تماس‌های اصلی + یک ماژول تایریستور موازی است، با مدار کنترل تحریک دقیق برای همزمان‌سازی دقیق توالی تغییرات آنها.
- رویکرد طراحی اصلی:
• استفاده از تایریستورهای دوطرفه به عنوان سوئیچ‌های بدون تماس برای دستیابی به تغییر جریان با پیوند اول، قطع آخر و کاملاً جلوگیری از ایجاد قوس.
• استفاده از تماس‌های مکانیکی سنتی برای حمل جریان در حالت رسانایی پایدار، غلبه بر ضعف سوئیچ‌های صرفه‌جویی در تماس (مثلاً فقط با استفاده از تایریستورها)، مانند مقاومت ضعیف در برابر جریان سوپر، سقوط ولتاژ بالا در حالت رسانایی، هزینه بالا و نیاز به رادیاتورهای گرمایی بزرگ.
• همزمان‌سازی دقیق در سطح میلی‌ثانیه بین تماس‌های مکانیکی و دستگاه‌های نیمه‌رسانا (تایریستورها) از طریق مدار کنترل تحریک کلیدی برای موفقیت این راه‌حل است. - فرآیند کلیدی (به عنوان مثال کنتاکتور CJ20-40A):
|
فاز عملیاتی |
نود زمانی |
فرآیند عملیاتی |
هدف و اثر اصلی |
|
پیوند |
|||
|
۱۰ میلی‌ثانیه بعد از تغذیه سیم پیچ |
مدار تحریک سیگنال می‌فرستد؛ سه جفت تایریستور دوطرفه به طور فوری رسانا می‌شوند. |
پیوند اول: مسیر جریان ابتدا تأسیس می‌شود، آماده‌سازی برای بسته شدن تماس → پیوند بدون قوس. |
|
|
۱۵ میلی‌ثانیه بعد از تغذیه سیم پیچ |
تماس‌های اصلی کنتاکتور بسته می‌شوند، تایریستورها کوتاه می‌شوند. |
تغییر: تماس‌های مکانیکی جریان مدار اصلی را حمل می‌کنند؛ تایریستورها به دلیل عدم وجود اختلاف ولتاژ خودکار خاموش می‌شوند → کارآمد انرژی. |
|
|
قطع |
|||
|
بعد از قطع تغذیه سیم پیچ |
فشار تماس کاهش می‌یابد؛ مقاومت تماس افزایش می‌یابد؛ سقوط ولتاژ روی تماس‌ها به حدود ۰.۱۰V می‌رسد. |
آماده‌سازی: سیگنال سقوط ولتاژ مدار کنترل را تحریک می‌کند → تایریستورها فوراً رسانا می‌شوند. |
|
|
۱۲ میلی‌ثانیه بعد از قطع تغذیه سیم پیچ |
تماس‌های اصلی شروع به باز شدن می‌کنند. |
قطع بدون قوس: جریان کاملاً به مسیر تایریستور منتقل می‌شود → تماس‌ها در جریان صفر قطع می‌شوند → کاملاً بدون قوس. |
|
|
۱۸ میلی‌ثانیه بعد از قطع تغذیه سیم پیچ |
مدار تحریک سیگنال را متوقف می‌کند؛ تایریستورها به طور طبیعی در عبور صفر جریان خاموش می‌شوند. |
قطع آخر: کامل کردن قطع بدون قوس کل مدار. |
III. اجرای فرآیند و برنامه تغییرات
این راه‌حل از اصل "اصلاح هدفمند بر اساس محصولات رسیده به مرحله بلوغ" پیروی می‌کند، که موجب کاهش قابل توجه موانع صنعتی و هزینه‌ها می‌شود.
تغییرات خاص:
- سیستم الکترومغناطیسی: تعدیلات و بهینه‌سازی‌های کمی برای اطمینان از اینکه زمان عملکرد آن نیازهای دقت همزمان‌سازی با مدار تایریستور را برآورده کند.
- تماس‌ها و سیستم خاموش‌سازی قوس:
o با دستیابی به قطع بدون قوس، اتاق خاموش‌سازی قوس اصلی لازم نیست و می‌تواند حذف شود.
o با یک پوشش عایق‌بندی مقاوم به دمای بالا جایگزین شده است. این پوشش جدید سه تایریستور دوطرفه، مدار کنترل تحریک و سایر مولفه‌های الکترونیکی ضروری را یکپارچه می‌کند. - ظاهر و سازگاری: ابعاد خارجی، سوراخ‌های نصب و روش سیم‌کشی کنتاکتور اصلاح شده کاملاً با کنتاکتورهای استاندارد سازگار است. کاربران می‌توانند آن را جایگزین و به‌روزرسانی کنند بدون تغییر هرگونه پایه نصب یا منطق سیم‌کشی، که به طور قابل توجهی تسهیل پذیرش بازار را افزایش می‌دهد.
IV. نتایج آزمون و ارزش قابل توجه
کنتاکتور AC توسعه یافته بر اساس این راه‌حل از آزمون‌های استقامت مکانیکی و الکتریکی سختگیرانه عبور کرده و ایمنی، قابلیت اطمینان و امکان‌پذیری آن تأیید شده است.
ارزش اصلی ارائه شده:
• بهبود عملکرد انقلابی: حذف کامل قوس‌های تغییر مسیر جریان طول عمر الکتریکی را تا ده‌ها برابر افزایش می‌دهد، به طور نظری به سطح طول عمر مکانیکی می‌رسد. همچنین نگهداری تماس‌ها را کاهش می‌دهد و فرکانس عملیاتی مجاز را افزایش می‌دهد.
• گسترش زمینه‌های کاربرد: ویژگی بدون قوس امکان استفاده ایمن در محیط‌های پرخطر با الزامات منفجره و ضد آتش‌زا مانند کارخانه‌های پتروشیمی، معادن زغال‌سنگ، هوافضا و غیره را فراهم می‌کند، آن را به عنوان یک مولفه هسته‌ای بسیار قابل اعتماد در سیستم‌های کنترل و توزیع برق می‌کند.
• دوستانه با محیط زیست: به طور قابل توجهی آلودگی شبکه و تداخل الکترومغناطیسی ناشی از قوس را کاهش می‌دهد و با روند توسعه دستگاه‌های الکتریکی سبز مدرن هماهنگ است.
