Resolución de problemas de disparos molestos del 'Corte por bajo voltaje' (LVC) en configuraciones de transmisión de corriente continua (CC) de larga distancia

Introducción a los desafíos de la transmisión en corriente continua

En aplicaciones remotas de energía B2B, como torres de telecomunicaciones aisladas, estaciones de monitoreo para petróleo y gas, instalaciones de riego agrícola y bombas de pozos profundos, la disposición física del sistema eléctrico suele estar limitada por la geografía. Con frecuencia, el sistema de almacenamiento de energía (el banco de baterías) debe ubicarse a una distancia considerable del inversor o de las cargas de CC activas.

En estas configuraciones de corriente continua (CC) de larga distancia, los integradores de sistemas suelen enfrentarse a un obstáculo frustrante durante la resolución de problemas: el inversor se apaga inesperadamente, informando una falla de 'Corte por Baja Tensión' (LVC) o 'Tensión Insuficiente de la Batería'. Este apagado ocurre incluso cuando el banco de baterías está completamente cargado y opera a un nivel de tensión saludable. Este fenómeno se conoce como disparo intempestivo.

Este artículo presenta un análisis técnico sobre las causas del disparo intempestivo del corte por baja tensión (LVC) en instalaciones de transmisión de corriente continua de larga distancia y describe soluciones de ingeniería específicas para resolverlo.

Pregunta: ¿Por qué ocurre el disparo intempestivo del corte por baja tensión (LVC) en instalaciones de corriente continua de larga distancia y cómo pueden los ingenieros resolverlo?

El disparo innecesario del LVC (corte por bajo voltaje) ocurre porque los cables de alimentación de CC de gran longitud tienen una resistencia eléctrica inherente. Cuando se demanda una corriente elevada durante el arranque del inversor o bajo cargas intensas, esta resistencia provoca una caída significativa de voltaje a lo largo del cable, según la ley de Ohm. En consecuencia, el voltaje medido en los terminales de entrada del inversor desciende por debajo del umbral del LVC, aunque el banco de baterías siga cargado. Para resolver este problema, los ingenieros deben calcular y minimizar la resistencia del cable de CC, actualizar el voltaje del sistema, calibrar los parámetros de retardo y umbral del LVC del inversor o utilizar líneas de detección remota de voltaje.

La física de la caída de voltaje en corriente continua y la resistencia del cable

A diferencia de la transmisión de CA, donde los transformadores permiten mitigar fácilmente las caídas de voltaje mediante escalonamiento, la transmisión de CC es muy sensible a la longitud del cable y al grosor de su sección transversal. Todo conductor eléctrico, incluso el cobre de alta pureza, posee una resistencia específica (rho).

Según la ley de Ohm, la caída de tensión (V_caída) en un par de conductores es directamente proporcional a la corriente (I) que fluye por el circuito y a la resistencia total de ida y vuelta (R) del cable:

V_caída = I R

La resistencia del cable se determina mediante la fórmula:

R = rho (2 L) / A

Donde:

• rho es la resistividad del material (para el cobre, rho es aproximadamente 1,72 × 10^-8 ohm-metros).
• L es la distancia unidireccional entre la batería y el inversor.
• A es el área de la sección transversal del cable.
• El factor multiplicador 2 tiene en cuenta la distancia de ida y vuelta (conductores positivo y negativo).

En un sistema de corriente continua de baja tensión, la corriente es extremadamente alta. Por ejemplo, un inversor de 12 V y 2 kW que opera a carga máxima consumirá aproximadamente 166 amperios. Durante una sobrecarga intensa al arrancar el motor, esta corriente puede alcanzar picos de 400 A o más.

Si el inversor está ubicado a solo 10 metros (33 pies) de distancia del banco de baterías y está conectado mediante un cable de cobre estándar de calibre 2 AWG (aproximadamente 33,6 mm²), la resistencia de ida y vuelta del tramo de cable de 20 metros es aproximadamente de 0,010 ohmios.

Al extraer una corriente continua de 166 A, la caída de tensión es:

V_caída = 166 A × 0,010 ohmios = 1,66 V

Si el banco de baterías se encuentra en un estado saludable de 12,6 V, la tensión que llega a los terminales de entrada de CC del inversor es únicamente:

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

Este valor se aproxima al umbral estándar de desconexión por baja tensión (LVC) de 10,5 V. Sin embargo, si un motor arranca y la corriente se dispara a 350 A, la caída de tensión aumenta instantáneamente a:

V_caída_pico = 350 A × 0,010 ohmios = 3,50 V

La tensión en los terminales del inversor desciende a:

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

Como 9,10 V está muy por debajo del límite de corte por baja tensión (LVC) de 10,5 V, el circuito de protección del inversor se activa inmediatamente, interrumpiendo la salida de corriente alterna (CA). En el instante en que el inversor se apaga, la corriente consumida cae a cero, desaparece la caída de tensión y los terminales del inversor vuelven a 12,6 V. Para el técnico, el banco de baterías parece estar completamente cargado y el apagado parece un fallo de hardware. Esto es precisamente lo que se denomina disparo espurio del LVC.

Proceso de diagnóstico paso a paso

Para diagnosticar y demostrar que el disparo del LVC se debe a la resistencia del cableado y no a una batería o un inversor defectuoso, siga este procedimiento de medición:

• Paso 1: Medir la tensión estática de la batería

Con un multímetro digital, mida la tensión continua (CC) directamente entre los terminales del banco de baterías en condiciones sin carga. Anote este valor (por ejemplo, 51,2 V para un sistema de 48 V).

• Paso 2: Medir la tensión estática del inversor

Mida el voltaje directamente en los bornes de entrada de CC del inversor. En condiciones de vacío, las dos lecturas deben ser idénticas.

• Paso 3: Medir el voltaje bajo carga activa

Active la carga más elevada del sistema. Mientras la carga esté funcionando (o intentando arrancar), mida el voltaje en los bornes del banco de baterías y, a continuación, mida inmediatamente el voltaje en los bornes del inversor.

• Paso 4: Analizar la diferencia

Si el voltaje del banco de baterías permanece alto (por ejemplo, desciende de 51,2 V a 49,8 V), pero el voltaje en los bornes del inversor cae significativamente (por ejemplo, desciende de 51,2 V a 41,5 V), se ha confirmado un problema de resistencia en los cables. La diferencia (8,3 V) corresponde a la caída de tensión en los cables de corriente continua.

Soluciones de ingeniería para eliminar los disparos innecesarios por baja tensión (LVC)

Una vez confirmado el problema, los integradores de sistemas deberán aplicar una o varias de las siguientes técnicas correctivas:

• 1. Aumentar el voltaje nominal del sistema

La forma más eficaz de reducir la corriente (y, por tanto, la caída de tensión) consiste en diseñar el sistema con una tensión de corriente continua (CC) nominal más elevada. La potencia (vatios) es el producto de la tensión y la corriente (P = V × I). Si se aumenta la tensión nominal de 12 V a 48 V, la corriente necesaria para suministrar la misma carga de 2 kW disminuye un 75 % (de 166 A a solo 41,5 A). Según la ley de Ohm, reducir la corriente a la cuarta parte disminuye la caída de tensión un 75 %. Siempre que sea posible, elija arquitecturas de CC de 48 V para recorridos de larga distancia.

• 2. Aumente la sección del conductor de CC

Si no es posible modificar la tensión del sistema, deberá reducir la resistencia del cable aumentando su área de sección transversal (A). Utilice cables de cobre de mayor sección, como 4/0 AWG (95 mm²), o instale varios cables en paralelo por polo. Asegúrese de que los conductores sean de cobre sin oxígeno, de alta calidad y de hebra fina, ya que ofrecen la menor resistencia eléctrica práctica.

• 3. Ajuste los parámetros de configuración del LVC del inversor

Inversores de alto rendimiento, como la serie programable JYINS, permiten a los ingenieros personalizar los ajustes de LVC mediante el software de control digital. Se pueden ajustar dos parámetros:

• Reducir el umbral de LVC: Puede reducir ligeramente el voltaje de corte (por ejemplo, de 10,5 V a 10,0 V) si su química de batería puede soportar con seguridad la caída transitoria sin sufrir daños.
• Agregar un temporizador de retardo de LVC: La mayoría de las unidades JYINS cuentan con un retardo programable (por ejemplo, de 0 a 10 segundos). Al establecer un retardo de 3 segundos, el inversor ignorará las breves caídas de voltaje causadas por las sobrecargas al arrancar el motor, lo que permite que el motor se inicie y que el voltaje se recupere antes de que se active el circuito de protección.
• 4. Implementar la detección remota de voltaje

Los sistemas industriales avanzados pueden utilizar la detección remota de voltaje. Un par de cables delgados de baja corriente se conecta directamente desde los terminales de la batería hasta la placa de control del inversor. El inversor utiliza estos cables de sensor dedicados para medir el estado real de carga de la batería, evitando así las líneas de alimentación de alta corriente. El inversor solo ejecutará una desconexión por bajo voltaje (LVC) si el voltaje real de la batería disminuye, ignorando por completo la caída de voltaje en los cables.

Conclusión

La activación indebida del corte de bajo voltaje (LVC) en instalaciones de corriente continua (CC) a larga distancia es un problema clásico de ingeniería eléctrica causado por la resistencia del cableado y la alta demanda de corriente. Aplicando la ley de Ohm, los integradores de sistemas pueden calcular con precisión las caídas de tensión y dimensionar los conductores de cobre adecuadamente. La transición a tensiones nominales más elevadas del sistema (por ejemplo, 48 V), el aumento del calibre de los cables hasta secciones robustas y la utilización de los retardos programables del LVC y las entradas de detección remota de JYINS eliminarán las desconexiones indebidas. Estos pasos garantizan una alimentación estable y continua a infraestructuras críticas fuera de la red, independientemente de las restricciones físicas del emplazamiento.