Új generációs hibrid ívesmentes AC kapcsoló tervezése és megvalósítása
I. Projekt háttér és megoldandó kritikus kérdések
A csomagolókapcsolók, mint a leggyakrabban használt alacsony feszültségű villamos eszközök egyike, kulcsszerepet játszanak a hosszú távú működési rendszerekben. Azonban a hagyományos tervezésüknek egy alapvető hibája van: a kapcsolók biztosan ívot generálnak, amikor megszakítják a körzetet.
Ez az összetett hiba számos komoly problémát eredményez:
- Súlyosan korlátozott elektromos tartóság: Az ívek jelentős elektromos súlylást okoznak a kapcsolókon, ami az elektromos élettartam (kb. 2-2,5 millió művelet) messze rövidebbé teszi, mint a mechanikai élettartam (20-25 millió művelet), általában csak ennek tizedrésze.
- Elektromágneses zavar: Az ívek a hálózatot szennyezik, rádiófrekvenciás zavarokat generálnak, és más villamos berendezéseket is befolyásolnak.
- Biztonsági kockázatok: A töltött induktív terhelések megszakításakor keletkező túlfeszültségi hullám károsíthatja a csatlakoztatott berendezéseket, valamint korlátozza a kapcsoló működtethető frekvenciáját.
II. Alapmegoldás: Ívmentes megszakítás elve
Ezen megoldás alapvető innovációja abban áll, hogy hibrid szerkezetet alkalmaz, amely főkapcsolókat + párhuzamos thyristor modult kombinál, és precíz indító vezérlő áramkört használ, hogy pontosan szinkronizálja a kapcsoló sorrendjüket.
- Kulcsszerkezeti megközelítés:
• Bidirektoriális thyristorok használata érintés nélküli kapcsolókként, hogy a szakasz első, utolsónak záródjon le, teljesen elkerülve az ív generálódását.
• A hagyományos mechanikai kapcsolók használata a stabil vezetés során, átadva a puszta érintés nélküli kapcsolók (pl. kizárólag thyristorok) hátrányait, mint például a rossz átvilágítási jelenléte, magas vezetési feszültség, magas költség, és a nagy hőtárna szükséglete.
• A mechanikai kapcsolók és a fémeszeresek (thyristorok) közötti millisekundum-szintű pontatlan szinkronizáció a megoldás sikeres végrehajtásának kulcsa. - Főbb működési folyamat (CJ20-40A kapcsoló például):
|
Működési szakasz |
Időpont |
Műveleti folyamat |
Kulcsfontosságú cél és hatás |
|
Kapcsolás |
|||
|
10 ms a címkör energizálása után |
Az indító áramkör jelet küld; három pár bidirektoriális thyristor azonnal vezetővé válik. |
Előre kapcsolás: Először létrehozott áramút, előkészítve a kapcsoló bezárását → ívmentes kapcsolás. |
|
|
15 ms a címkör energizálása után |
A kapcsoló főkapcsolói bezáródnak, rövidzártatva a thyristorokat. |
Átkapcsolás: A mechanikai kapcsolók viszik a fő áramutat; a thyristorok automatikusan kikapcsolódnak a null feszültségkülönbség miatt → energiahatékony. |
|
|
Lekapcsolás |
|||
|
A címkör de-energizálása után |
A kapcsoló nyomás csökken; a kapcsolóellenállás növekszik; a kapcsolókon mért feszültségugrás ~0,10 V-ra emelkedik. |
Előkészítés: A feszültségugrás jele aktiválja a vezérlő áramkört → a thyristorok azonnal vezetővé válnak. |
|
|
12 ms a címkör de-energizálása után |
A főkapcsolók elkezdik megnyílni. |
Ívmentes megszakítás: Az áram teljesen átkerül a thyristor útvonalra → a kapcsolók null áram mellett szakadnak → teljesen ívmentes. |
|
|
18 ms a címkör de-energizálása után |
Az indító áramkör megállítja a jelet; a thyristorok természetesen kikapcsolódnak a nullátlépésnél. |
Utolsó lekapcsolás: Bevégzi a teljes körzet ívmentes megszakítását. |
III. Folyamat implementálása és módosítási terv
Ez a megoldás a "mature products alapján célszerű módosítás" elvét követi, jelentősen csökkentve az iparizálási akadályokat és költségeket.
Konkrét módosítások:
- Elektromágneses rendszer: Enyhe beállítások és optimalizálás annak érdekében, hogy aktuális időpontja megfeleljen a thyristor áramkörrel való szinkronizálás szükséges pontosságának.
- Kapcsolók és ívkioltó rendszer:
o Mivel ívmentes megszakítást érhetünk el, a régi ívkioltó kamra nem szükséges, és eltávolítható.
o Helyettesítve magas hőmérsékletű rezisztens izolált behelyezéssel. Ez az új behelyezés integrálja a három bidirektoriális thyristort, az indító vezérlő áramkört, és más fontos elektronikus elemeket. - Kifejezés és kompatibilitás: A módosított kapcsoló külső méretei, a rögzítési lyukak és a vezetékesítési módszer teljesen összhangban marad a standard kapcsolókkal. A felhasználók cserélhetik és frissíthetik a berendezést anélkül, hogy bármilyen rögzítési bázist vagy vezetékesítési logikát változtatnának, jelentősen megkönnyítve a piaci elfogadást.
IV. Teszt következtetések és jelentős érték
Az ezen megoldáson alapuló AC kapcsoló sikeresen teljesítette a szigorú mechanikai és elektromos tartósági teszteket, igazolva a biztonságát, megbízhatóságát és gyakorlati alkalmasságát.
Külső értékkel rendelkező alapértékek:
• Forradalmi teljesítmény javítás: A teljes ívmentesség a kapcsoló elektromos tartóságát tízszeresére növeli, elméletileg a mechanikai élettartam szintjére emeli. Emellett csökkenti a kapcsoló karbantartását, és növeli a megengedett működtethető frekvenciát.
• Tevékenységi területek kiterjesztése: Az ívmentes tulajdonság lehetővé teszi a biztonságos alkalmazást magas kockázati környezetekben, ahol szigorú robbanásvédelmi és tűzvédelmi követelmények vonatkoznak, például a petrokémiai üzemekben, a szénbányákban, a légiforgalom szabályozásában, stb., így megbízható alapkomponensévé válik a vezérlő és a hálózati rendszerekben.
• Környezetbarát: Jelentősen csökkenti az ív által okozott hálózati szennyezést és elektromágneses zavarokat, illeszkedve a modern zöld villamos berendezések fejlesztési trendjéhez.
