Resolució de problemes de disparos intempestius del 'tall per baixa tensió' (LVC) en configuracions de transmissió de corrent continu a llarga distància

Introducció als reptes de la transmissió de CC

En aplicacions remotes d'energia B2B, com ara torres de telecomunicacions fora de xarxa, estacions de monitoratge d'instal·lacions petroleres i gasístiques, sistemes d'irrigació agrícola i bombes de pous profunds, la disposició física del sistema elèctric sovint està limitada per la geografia. En molts casos, el sistema d'emmagatzematge d'energia (el banc de bateries) ha d'estar situat a una distància significativa de l'inversor o de les càrregues de CC actives.

En aquestes configuracions de corrent continu (CC) de llarga distància, els integradors de sistemes sovint es troben amb un obstacle frustrant en la resolució de problemes: l’inversor s’atura inesperadament i informa d’un error de 'Tall per baixa tensió' (LVC) o de 'Tensió de la bateria massa baixa'. Aquesta aturada es produeix fins i tot quan el banc de bateries està completament carregat i funciona a un nivell de tensió saludable. Aquest fenomen es coneix com a disparo intempestiu.

Aquest article ofereix una anàlisi tècnica de per què es produeix el disparo intempestiu del tall per baixa tensió (LVC) en les instal·lacions de transmissió de CC de llarga distància i exposa solucions d’enginyeria concretes per resoldre'l.

Pregunta: Per què es produeix el disparo intempestiu del tall per baixa tensió (LVC) en les instal·lacions de CC de llarga distància, i com poden resoldre-ho els enginyers?

Les interrupcions intempestives per baixa tensió d'entrada (LVC) es produeixen perquè els cables de corrent continu (CC) llargs tenen una resistència elèctrica intrínseca. Quan es demana un corrent elevat durant l'engegada dels inversors o sota càrregues pesades, aquesta resistència provoca una caiguda de tensió significativa al llarg del cable, segons la llei d'Ohm. Per tant, la tensió mesurada als terminals d'entrada de l'inversor cau per sota del llindar LVC, encara que el banc de bateries segueixi carregat. Per resoldre aquest problema, els enginyers han de calcular i minimitzar la resistència dels cables de CC, millorar la tensió del sistema, calibrar els paràmetres de retard i llindar LVC de l'inversor o fer servir línies de detecció remota de tensió.

La física de la caiguda de tensió en corrent continu i la resistència dels cables

A diferència de la transmissió en corrent altern (CA), on els transformadors poden mitigar fàcilment les caigudes de tensió mitjançant elevació o reducció, la transmissió en corrent continu és molt sensible a la longitud i al gruix de la secció transversal dels cables. Tot conductor elèctric, fins i tot el coure d’alta puresa, té una resistència específica (rho).

Segons la llei d'Ohm, la caiguda de tensió (V_drop) entre un parell de conductors és directament proporcional al corrent (I) que circula pel circuit i a la resistència total d'anada i tornada (R) del cable:

V_drop = I R

La resistència del cable es determina amb la fórmula:

R = rho ( 2 L ) / A

On:

• rho és la resistivitat del material (per al coure, rho és aproximadament 1,72 × 10^-8 ohm-metres).
• L és la distància d'anada entre la bateria i l'inversor.
• A és l'àrea de la secció transversal del cable.
• El factor multiplicador 2 té en compte la distància d'anada i tornada (conductors positiu i negatiu).

En un sistema de CC de baixa tensió, el corrent és extremadament elevat. Per exemple, un inversor de 12 V i 2 kW que treballi a càrrega màxima absorbirà aproximadament 166 amperes. Durant una sobrecàrrega intensa al moment de posar en marxa un motor, aquest corrent pot arribar a superar els 400 A.

Si l'inversor es troba només a 10 metres (33 peus) de distància del banc de bateries i està connectat mitjançant un cable de coure estàndard de calibre 2 AWG (aproximadament 33,6 mm²), la resistència d'anada i tornada del cable de 20 metres és d'aproximadament 0,010 ohms.

Quan es treu un corrent continu de funcionament de 166 A, la caiguda de tensió és:

V_caiguda = 166 A × 0,010 ohms = 1,66 V

Si el banc de bateries té una tensió saludable de 12,6 V, la tensió que arriba als terminals d'entrada de CC de l'inversor és només:

12,6 V - 1,66 V = 10,94 V

Això s'acosta al llindar estàndard de LVC de 10,5 V. Tanmateix, si un motor s'engega i el corrent augmenta bruscament fins a 350 A, la caiguda de tensió augmenta instantàniament fins a:

V_caiguda_pic = 350 A × 0,010 ohms = 3,50 V

La tensió als terminals de l'inversor baixa fins a:

12,6 V - 3,50 V = 9,10 V

Com que 9,10 V està molt per sota del límit de LVC de 10,5 V, el circuit de protecció de l’inversor activa immediatament la desconexió per baixa tensió, interrompent la sortida CA. En el moment en què l’inversor es desconnecta, el consum de corrent cau a zero, desapareix la caiguda de tensió i els terminals de l’inversor tornen a pujar fins a 12,6 V. Per al tècnic, el banc de bateries sembla complet i la desconexió sembla un error de maquinari. Aquest és precisament el significat de la desconnexió intempestiva per LVC.

Procés de diagnòstic pas a pas

Per diagnosticar i demostrar que la desconnexió per LVC és causada per la resistència dels cables i no per una bateria o un inversor defectuós, segueixi aquest procediment de mesura:

• Pas 1: Mesura de la tensió estàtica de la bateria

Amb un multimetre digital, mesureu la tensió CC directament als terminals del banc de bateries en condicions sense càrrega. Anoteu aquest valor (per exemple, 51,2 V per a un sistema de 48 V).

• Pas 2: Mesura de la tensió estàtica de l’inversor

Mesureu la tensió directament als borns d'entrada de CC de l'inversor. En absència de càrrega, les dues lectures han de ser idèntiques.

• Pas 3: Mesura de la tensió sota càrrega activa

Activeu la càrrega més elevada del sistema. Mentre la càrrega estigui en funcionament (o intenti arrencar), mesureu la tensió als borns de la bateria i, immediatament després, mesureu la tensió als borns de l'inversor.

• Pas 4: Anàlisi de la diferència

Si la tensió de la bateria roman alta (per exemple, disminueix de 51,2 V a 49,8 V), però la tensió als borns de l'inversor cau significativament (per exemple, disminueix de 51,2 V a 41,5 V), heu confirmat un problema de resistència dels cables. La diferència (8,3 V) és la caiguda de tensió a través del cablejat de CC.

Solucions d'enginyeria per eliminar les desconexions innecessàries per baixa tensió (LVC)

Un cop confirmat, els integradors de sistemes haurien d'aplicar una o més de les tècniques correctives següents:

• 1. Augmentar la tensió nominal del sistema

La manera més eficaç de reduir el corrent (i, per tant, la caiguda de tensió) és dissenyar el sistema amb una tensió de CC nominal més elevada. La potència (en watts) és el producte de la tensió i el corrent (P = V × I). Si augmentem la tensió nominal de 12 V a 48 V, el corrent necessari per subministrar la mateixa càrrega de 2 kW es redueix un 75 % (de 166 A a només 41,5 A). Segons la llei d’Ohm, reduir el corrent per quatre redueix la caiguda de tensió un 75 %. Sempre que sigui possible, esculliu arquitectures de CC de 48 V per a recorreguts llargs.

• 2. Augmenteu la secció dels conductors de CC

Si no es pot modificar la tensió del sistema, cal reduir la resistència del cable augmentant-ne l’àrea de la secció transversal (A). Actualitzeu els cables a seccions de coure més gruixudes, com ara 4/0 AWG (95 mm²), o instal·leu diversos cables en paral·lel per a cada pol. Assegureu-vos que els conductors siguin de coure sense oxigen, de filaments fins i d’alta qualitat, ja que ofereixen la resistència elèctrica pràctica més baixa.

• 3. Ajusteu els paràmetres de LVC de l’inversor

Invertidors d'alt rendiment, com la sèrie programable JYINS, permeten als enginyers personalitzar els paràmetres de LVC mitjançant el programari de control digital. Es poden ajustar dos paràmetres:

• Disminuir el llindar de LVC: es pot reduir lleugerament la tensió de tall (per exemple, de 10,5 V a 10,0 V) si la química de la bateria pot suportar de forma segura la caiguda temporal sense patir danys.
• Afegir un temporitzador de retard de LVC: la majoria d'unitats JYINS incorporen un retard programable (per exemple, de 0 a 10 segons). Si s'estableix un retard de 3 segons, l'invertidor ignorarà les caigudes breus de tensió causades per les sobrecàrregues al moment de posar en marxa el motor, permetent que el motor s'engegui i que la tensió es recuperi abans que es dispari el circuit de protecció.
• 4. Implementar la detecció remota de tensió

Els sistemes industrials avançats poden utilitzar la detecció remota de tensió. Un parell de cables prims de baixa intensitat es connecta directament des dels terminals de la bateria fins a la placa de control de l'inversor. L'inversor utilitza aquests cables de sensors especialitzats per mesurar l'estat real de càrrega de la bateria, evitant les línies d'alimentació de gran intensitat. L'inversor només executarà una parada per baixa tensió (LVC) si la tensió real de la bateria disminueix, ignorant completament la caiguda de tensió als cables.

Conclusió

La desconnexió intempestiva per tall de tensió baixa (LVC) en instal·lacions CC de llarga distància és un problema clàssic d’enginyeria elèctrica causat per la resistència dels cables i la demanda elevada de corrent. Aplicant la llei d’Ohm, els integradors de sistemes poden calcular amb precisió les caigudes de tensió i dimensionar els conductors de coure de manera adequada. La transició a tensions nominals de sistema més altes (com ara 48 V), l’augment de la secció dels cables fins a calibres robustes i l’ús de les funcions de retard programables de LVC i les entrades de detecció remota de JYINS eliminaran les aturades intempestives. Aquests passos garanteixen una alimentació estable i contínua als elements crítics d’infraestructura fora de xarxa, independentment de les limitacions físiques de la disposició del lloc.