Thiết kế và Triển khai Một Thế Hệ Mới Của AC Contactor Không Tia Chớp Hybrid
I. Bối cảnh Dự án và Các Vấn đề Cần Giải quyết
Là một trong những thiết bị điện áp thấp được sử dụng rộng rãi nhất, rơ-le tiếp xúc AC đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống hoạt động lâu dài. Tuy nhiên, thiết kế truyền thống của chúng có một khuyết điểm cơ bản: các tiếp điểm không thể tránh khỏi tạo ra hồ quang khi ngắt mạch.
Sự cố hữu này dẫn đến một loạt các vấn đề nghiêm trọng:
- Độ bền điện bị hạn chế nghiêm trọng: Hồ quang gây mòn điện đáng kể trên các tiếp điểm, dẫn đến tuổi thọ điện (khoảng 2-2,5 triệu lần hoạt động) ngắn hơn nhiều so với tuổi thọ cơ học (20-25 triệu lần hoạt động), thường chỉ bằng một phần mười của后者似乎被截断了。请允许我继续完成翻译：
```html
I. Bối cảnh Dự án và Các Vấn đề Cần Giải quyết
Là một trong những thiết bị điện áp thấp được sử dụng rộng rãi nhất, rơ-le tiếp xúc AC đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống hoạt động lâu dài. Tuy nhiên, thiết kế truyền thống của chúng có một khuyết điểm cơ bản: các tiếp điểm không thể tránh khỏi tạo ra hồ quang khi ngắt mạch.Sự cố hữu này dẫn đến một loạt các vấn đề nghiêm trọng:
- Độ bền điện bị hạn chế nghiêm trọng: Hồ quang gây mòn điện đáng kể trên các tiếp điểm, dẫn đến tuổi thọ điện (khoảng 2-2,5 triệu lần hoạt động) ngắn hơn nhiều so với tuổi thọ cơ học (20-25 triệu lần hoạt động), thường chỉ bằng một phần mười của tuổi thọ cơ học.
- Ô nhiễm điện từ: Hồ quang ô nhiễm lưới điện, tạo ra nhiễu tần số vô tuyến và ảnh hưởng đến các thiết bị điện khác.
- Rủi ro an toàn: Sóng điện áp quá mức khi ngắt tải cảm có thể làm hỏng thiết bị được kết nối và cũng hạn chế tần số hoạt động của rơ-le tiếp xúc.
II. Giải pháp Cốt lõi: Nguyên lý Ngắt Không Có Hồ Quang
Sự đổi mới cốt lõi của giải pháp này nằm ở việc sử dụng cấu trúc lai kết hợp tiếp điểm chính + mô-đun thyristor song song, với mạch điều khiển kích thích chính xác để đồng bộ hóa chính xác trình tự chuyển mạch của chúng.- Cách Tiếp cận Thiết kế Cốt lõi:
• Sử dụng thyristor hai chiều như công tắc không tiếp xúc để đạt được chuyển mạch dòng điện theo nguyên tắc đóng trước, ngắt sau, hoàn toàn tránh sự tạo ra hồ quang.
• Sử dụng tiếp điểm cơ khí truyền thống để truyền dẫn dòng điện trong trạng thái ổn định, khắc phục nhược điểm của công tắc không tiếp xúc thuần túy (ví dụ: sử dụng thyristor đơn thuần), như khả năng chịu đựng dòng xung kém, điện áp giọt dẫn cao, chi phí cao và cần bộ tản nhiệt lớn.
• Đồng bộ hóa chính xác ở cấp độ mili giây giữa tiếp điểm cơ khí và thiết bị bán dẫn (thyristor) thông qua mạch điều khiển kích thích là chìa khóa thành công của giải pháp này. - Quy trình Làm việc Chính (Ví dụ về Rơ-le CJ20-40A):
Giai đoạn Hoạt động
Thời điểm
Quá trình Thực hiện
Mục tiêu và Hiệu quả Cốt lõi
Kết nối
10ms sau khi cuộn dây được kích hoạt
Mạch kích thích gửi tín hiệu; ba cặp thyristor hai chiều ngay lập tức dẫn.
Đóng trước: Đường dẫn dòng điện được thiết lập đầu tiên, chuẩn bị cho việc đóng tiếp điểm → kết nối không có hồ quang.
15ms sau khi cuộn dây được kích hoạt
Tiếp điểm chính của rơ-le đóng, tạo đường tắt cho thyristor.
Chuyển mạch: Tiếp điểm cơ khí truyền dẫn dòng điện chính; thyristor tự động tắt do không có chênh lệch điện áp → tiết kiệm năng lượng.
Ngắt
Sau khi cuộn dây ngừng kích hoạt
Áp lực tiếp điểm giảm; điện trở tiếp điểm tăng; điện áp giọt trên tiếp điểm tăng lên khoảng 0,10V.
Chuẩn bị: Tín hiệu điện áp giọt kích hoạt mạch điều khiển → thyristor dẫn ngay lập tức.
12ms sau khi cuộn dây ngừng kích hoạt
Tiếp điểm chính bắt đầu mở.
Ngắt không có hồ quang: Dòng điện được chuyển hoàn toàn sang đường dẫn thyristor → tiếp điểm ngắt tại dòng điện bằng không → hoàn toàn không có hồ quang.
18ms sau khi cuộn dây ngừng kích hoạt
Mạch kích thích dừng tín hiệu; thyristor tự nhiên tắt tại điểm giao nhau của dòng điện.
Ngắt sau: Hoàn thành việc ngắt không có hồ quang của toàn bộ mạch.
III. Kế hoạch Triển khai và Sửa đổi Quy trình
Giải pháp này tuân theo nguyên tắc "sửa đổi có mục tiêu dựa trên sản phẩm đã chín muỗm," giảm đáng kể rào cản và chi phí công nghiệp hóa.Sửa đổi Cụ thể:
- Hệ thống Điện từ: Điều chỉnh và tối ưu hóa nhẹ để đảm bảo thời gian tác động của nó đáp ứng yêu cầu chính xác về đồng bộ hóa với mạch thyristor.
- Tiếp điểm và Hệ thống Tiêu diệt Hồ quang:
o Do đã đạt được ngắt không có hồ quang, buồng tiêu diệt hồ quang ban đầu không còn cần thiết và có thể được loại bỏ.
o Thay thế bằng vỏ cách điện chịu nhiệt cao. Vỏ mới này tích hợp ba thyristor hai chiều, mạch điều khiển kích thích và các thành phần điện tử cần thiết khác. - Ngoại hình và Khả năng Tương thích: Kích thước bên ngoài, lỗ lắp đặt và phương pháp đấu dây của rơ-le đã sửa đổi vẫn hoàn toàn phù hợp với rơ-le tiêu chuẩn. Người dùng có thể thay thế và nâng cấp mà không cần thay đổi bất kỳ đế lắp đặt hoặc logic đấu dây nào, rất thuận tiện cho việc áp dụng thị trường.
IV. Kết luận Kiểm tra và Giá trị Quan trọng
Rơ-le tiếp xúc AC phát triển dựa trên giải pháp này đã vượt qua các bài kiểm tra độ bền cơ học và điện nghiêm ngặt, xác nhận tính an toàn, tin cậy và khả thi của nó.Giá trị Cốt lõi Đem lại:
```
• Cải thiện Hiệu suất Cách mạng: Loại bỏ hoàn toàn hồ quang chuyển mạch tăng tuổi thọ điện lên hàng chục lần, lý thuyết đạt đến mức tuổi thọ cơ học. Cũng giảm bảo dưỡng tiếp điểm và tăng tần số hoạt động cho phép.
• Mở rộng Lĩnh vực Ứng dụng: Đặc tính không có hồ quang cho phép ứng dụng an toàn trong môi trường rủi ro cao với yêu cầu chống nổ và chống cháy nghiêm ngặt, như nhà máy hóa dầu, mỏ than, hàng không vũ trụ, v.v., làm cho nó trở thành một thành phần cốt lõi đáng tin cậy trong các hệ thống điều khiển và phân phối điện.
• Bảo vệ Môi trường: Giảm đáng kể ô nhiễm lưới điện và nhiễu điện từ do hồ quang, phù hợp với xu hướng phát triển của các thiết bị điện xanh hiện đại.
