Projektowanie i wdrożenie nowej generacji hybrydowego kontaktora przemiennego bez łuku elektrycznego
I. Tło projektu i kluczowe problemy do rozwiązania
Jako jedno z najbardziej rozpowszechnionych urządzeń elektrycznych niskiego napięcia, styki przepustnic AC odgrywają kluczową rolę w systemach długotrwałej eksploatacji. Jednak ich tradycyjny projekt ma podstawowy defekt: styki nieuchronnie generują łuk elektryczny podczas przerwania obwodu.
Ten wbudowany defekt prowadzi do szeregu poważnych problemów:
- Znacznie ograniczona wytrzymałość elektryczna: Łuki powodują znaczne zużycie elektryczne styków, co skutkuje długością życia elektrycznego (około 2-2,5 miliona operacji) znacznie krótszą niż długość życia mechanicznego (20-25 milionów operacji), zazwyczaj tylko jedna dziesiąta tej drugiej.
- Zanieczyszczenie elektromagnetyczne: Łuki zanieczyszczają sieć energetyczną, generują zakłócenia częstotliwości radiowej i wpływają na inne urządzenia elektryczne.
- Ryzyko bezpieczeństwa: Przeciążenie napięciowe generowane podczas przerwania obciążeń indukcyjnych może uszkodzić połączone urządzenia i również ogranicza częstotliwość pracy przepustnicy.
II. Kluczowe rozwiązanie: Zasada przerwania bez łuku elektrycznego
Kluczowa innowacja tego rozwiązania polega na przyjęciu hybrydowej struktury łączącej główne styki + moduł tirystorów równoległych, z precyzyjnym obwodem sterującym synchronizującym sekwencje przełączania.
- Kluczowe podejście projektowe:
• Używanie dwukierunkowych tirystorów jako bezkontaktnych przełączników do osiągnięcia połączenia jako pierwszego, a rozłączenia jako ostatniego przełączania prądu, całkowicie unikając tworzenia łuku elektrycznego.
• Wykorzystanie tradycyonicznych styków mechanicznych do przewodzenia prądu w stanie ustalonym, pokonując wady czysto bezkontaktnych przełączników (np. używania tylko tirystorów), takich jak słaba odporność na przeciążenia prądowe, wysokie spadki napięcia przewodzenia, wysokie koszty i konieczność dużych wymiarów chłodzenia.
• Precyzyjna synchronizacja na poziomie milisekund między stykami mechanicznymi a półprzewodnikami (tirystory) za pomocą obwodu sterującego jest kluczowa dla sukcesu tego rozwiązania. - Kluczowy przebieg pracy (na przykładzie przepustnicy CJ20-40A):
|
Faza pracy |
Czas |
Proces działania |
Główny cel i efekt |
|
Połączenie |
|||
|
10 ms po wzmocnieniu cewki |
Obwód sterujący wysyła sygnał; trzy pary dwukierunkowych tirystorów natychmiast przewodzą. |
Połączenie jako pierwsze: Najpierw ustanawiana jest ścieżka prądu, przygotowując do zamknięcia styków → połączenie bez łuku. |
|
|
15 ms po wzmocnieniu cewki |
Główne styki przepustnicy zamykają, krótkozamknięte są tirystory. |
Przełączenie: Styki mechaniczne przewodzą główny prąd obwodu; tirystory automatycznie wyłączone z powodu zerowego spadku napięcia → oszczędność energii. |
|
|
Rozłączenie |
|||
|
Po zdemagnetyzowaniu cewki |
Wpływ styków maleje; opór styków wzrasta; spadek napięcia na stykach wzrasta do około 0,10 V. |
Przygotowanie: Sygnał spadku napięcia uruchamia obwód sterujący → tirystory natychmiast przewodzą. |
|
|
12 ms po zdemagnetyzowaniu cewki |
Główne styki zaczynają się otwierać. |
Rozłączenie bez łuku: Cały prąd przekazany jest na ścieżkę tirystorów → styki rozłączane są przy zerowym prądzie → całkowicie bez łuku. |
|
|
18 ms po zdemagnetyzowaniu cewki |
Obwód sterujący zatrzymuje sygnał; tirystory naturalnie wyłączone przy zerowym przebiegu prądu. |
Rozłączenie jako ostatnie: Kompleksowe rozłączenie całego obwodu bez łuku. |
III. Implementacja procesu i plan modyfikacji
To rozwiązanie opiera się na zasadzie "celowej modyfikacji opartej na dojrzałych produktach," znacząco redukując bariery i koszty industrializacji.
Specyficzne modyfikacje:
- System elektromagnetyczny: Lekkie dostosowania i optymalizacje, aby zapewnić, że jego czas działania spełnia wymagania precyzji synchronizacji z obwodem tirystorów.
- Styki i system gaszenia łuków:
o Ponieważ osiągnięto rozłączanie bez łuku, oryginalna komora gaszenia łuków staje się zbędna i może być usunięta.
o Zastąpiona przez obudowę izolacyjną odporną na wysoką temperaturę. Ta nowa obudowa integruje trzy dwukierunkowe tirystory, obwód sterujący i inne niezbędne elementy elektroniczne. - Wygląd i zgodność: Zewnętrzne wymiary, otwory montażowe i sposób kablowania zmodyfikowanej przepustnicy pozostają całkowicie zgodne ze standardowymi przepustnicami. Użytkownicy mogą zastępować i modernizować bez zmiany żadnych podstaw montażowych lub logiki kablowania, co znacznie ułatwia przyjęcie rynkowe.
IV. Wnioski z testów i istotna wartość
Przepustnica AC opracowana na podstawie tego rozwiązania przeszła rygorystyczne testy wytrzymałości mechanicznej i elektrycznej, potwierdzając jej bezpieczeństwo, niezawodność i wykonalność.
Kluczowa dostarczona wartość:
• Rewolucyjne poprawienie wydajności: Kompleksowe eliminowanie łuków przelączania zwiększa wytrzymałość elektryczną dziesięciokrotnie, teoretycznie osiągając poziom długości życia mechanicznego. Również zmniejsza konieczność konserwacji styków i zwiększa dopuszczalną częstotliwość pracy.
• Rozszerzenie obszarów zastosowania: Brak łuków umożliwia bezpieczne zastosowanie w środowiskach o wysokim ryzyku, gdzie wymagane są surowe normy wybuchobezpieczności i ogniotrwałości, takich jak rafinerie, kopalnie węgla, lotnictwo, itp., co czyni ją niezawodnym elementem centralnym w systemach sterowania i dystrybucji energii.
• Eko-przyjazne: Znacznie zmniejsza zanieczyszczenie sieci i zakłócenia elektromagnetyczne spowodowane łukami, zgodnie z trendem rozwoju nowoczesnych zielonych urządzeń elektrycznych.
