رفع اشکال قطع نامناسب به دلیل «کاهش ولتاژ» (LVC) در سیستم‌های انتقال جریان مستقیم (DC) با فاصله‌های طولانی

مقدمه‌ای بر چالش‌های انتقال جریان مستقیم (DC)

در کاربردهای تجاری دور از شبکه (B2B) مانند ایستگاه‌های مخابراتی بدون اتصال به شبکه، ایستگاه‌های نظارتی صنایع نفت و گاز، سیستم‌های آبیاری کشاورزی و پمپ‌های چاه عمیق، چیدمان فیزیکی سیستم برق اغلب تحت محدودیت‌های جغرافیایی قرار دارد. در بسیاری از موارد، سیستم ذخیره انرژی (بانک باتری) باید در فاصله قابل توجهی از اینورتر یا بارهای فعال DC قرار گیرد.

در این راه‌اندازی‌های جریان مستقیم (DC) با فاصله‌ی طولانی، ادغام‌کنندگان سیستم‌ها اغلب با مانعی ناامیدکننده در عیب‌یابی مواجه می‌شوند: اینورتر به‌صورت غیرمنتظره خاموش می‌شود و خطای «قطع ولتاژ پایین» (LVC) یا «ولتاژ پایین باتری» را گزارش می‌دهد. این خاموشی حتی زمانی رخ می‌دهد که بانک باتری خود به‌طور کامل شارژ شده و در سطح ولتاژ سالمی کار می‌کند. این پدیده با نام «قطع غیرضروری» شناخته می‌شود.

این مقاله تحلیلی فنی از دلایل وقوع قطع غیرضروری LVC در طرح‌های انتقال جریان مستقیم با فاصله‌ی طولانی ارائه می‌دهد و راه‌حل‌های مهندسی خاصی را برای رفع آن بیان می‌کند.

سوال: چرا قطع غیرضروری ولتاژ پایین (LVC) در نصب‌های جریان مستقیم با فاصله‌ی طولانی رخ می‌دهد و مهندسان چگونه می‌توانند آن را رفع کنند؟

قطع ناخواسته LVC به دلیل مقاومت الکتریکی ذاتی کابل‌های طولانی جریان مستقیم رخ می‌دهد. هنگامی که در زمان راه‌اندازی اینورتر یا بارهای سنگین، جریان بالایی مصرف می‌شود، این مقاومت طبق قانون اُهم باعث افت ولتاژ قابل توجهی در طول کابل می‌شود. در نتیجه، ولتاژ اندازه‌گیری‌شده در ترمینال‌های ورودی اینورتر پایین‌تر از آستانه LVC می‌افتد، حتی اگر باتری‌ها همچنان شارژ باشند. برای رفع این مشکل، مهندسان باید مقاومت کابل‌های جریان مستقیم را محاسبه و به حداقل برسانند، ولتاژ سیستم را ارتقا دهند، پارامترهای تأخیر و آستانه LVC اینورتر را تنظیم کنند یا از خطوط حس‌گر ولتاژ از راه دور استفاده نمایند.

فیزیک افت ولتاژ جریان مستقیم و مقاومت کابل

برخلاف انتقال جریان متناوب که با استفاده از ترانسفورماتورها به‌راحتی می‌توان افت ولتاژ را کاهش داد، انتقال جریان مستقیم بسیار حساس به طول کابل و ضخامت مقطع عرضی آن است. هر هادی الکتریکی، حتی مس با خلوص بالا، دارای مقاومت خاصی (ρ) است.

بر اساس قانون اُهم، افت ولتاژ (V_drop) در دو رسانای موازی به طور مستقیم متناسب با جریان عبوری (I) از مدار و مقاومت کل مسیر رفت‌وبرگشت (R) سیم است:

V_drop = I R

مقاومت سیم با فرمول زیر تعیین می‌شود:

R = rho ( 2 L ) / A

جایی که:

• rho ضریب مقاومت ویژه ماده است (برای مس، rho تقریباً برابر با ۱٫۷۲ × ۱۰^−۸ اُهم-متر است).
• L فاصله یک‌طرفه بین باتری و اینورتر است.
• A سطح مقطع سیم است.
• ضریب ۲ برای در نظر گرفتن مسیر رفت‌وبرگشت (دو رسانای مثبت و منفی) به کار می‌رود.

در سیستم‌های جریان مستقیم با ولتاژ پایین، جریان بسیار بالاست. به‌عنوان مثال، یک اینورتر ۲ کیلوواتی با ولتاژ ۱۲ ولت در حالت بار کامل حدود ۱۶۶ آمپر جریان مصرف می‌کند. در شرایط اوج جریان ناشی از راه‌اندازی موتور، این جریان ممکن است به ۴۰۰ آمپر یا بیشتر برسد.

اگر اینورتر تنها در فاصله‌ی ۱۰ متر (۳۳ فوت) از بانک باتری قرار داشته باشد و با سیم مسی استاندارد ۲ AWG (تقریباً ۳۳٫۶ میلی‌متر مربع) به آن متصل شده باشد، مقاومت کل مسیر ۲۰ متری سیم در رفت و برگشت تقریباً ۰٫۰۱۰ اهم است.

هنگام عبور جریان پیوسته‌ی ۱۶۶ آمپر، افت ولتاژ برابر است با:

افت ولتاژ = ۱۶۶ آمپر × ۰٫۰۱۰ اهم = ۱٫۶۶ ولت

اگر ولتاژ بانک باتری در حالت سالم ۱۲٫۶ ولت باشد، ولتاژ وارد شده به ترمینال‌های ورودی مستقیم‌جریان (DC) اینورتر تنها برابر است با:

۱۲٫۶ ولت – ۱٫۶۶ ولت = ۱۰٫۹۴ ولت

این مقدار نزدیک آستانه‌ی استاندارد قطع ولتاژ پایین (LVC) برابر با ۱۰٫۵ ولت است. با این حال، اگر موتور روشن شده و جریان به‌طور ناگهانی به ۳۵۰ آمپر برسد، افت ولتاژ بلافاصله به مقدار زیر افزایش می‌یابد:

افت ولتاژ در حالت جریان ناگهانی = ۳۵۰ آمپر × ۰٫۰۱۰ اهم = ۳٫۵۰ ولت

ولتاژ در ترمینال‌های اینورتر به مقدار زیر کاهش می‌یابد:

۱۲٫۶ ولت – ۳٫۵۰ ولت = ۹٫۱۰ ولت

از آنجا که ۹٫۱۰ ولت بسیار پایین‌تر از حد مجاز قطع ولتاژ پایین (LVC) یعنی ۱۰٫۵ ولت است، مدار محافظتی اینورتر بلافاصله فعال شده و خروجی AC را قطع می‌کند. در لحظه‌ای که اینورتر خاموش می‌شود، جریان مصرفی به صفر می‌رسد، افت ولتاژ ناپدید می‌گردد و ولتاژ دو سر اینورتر دوباره به ۱۲٫۶ ولت بازمی‌گردد. برای تکنسین، بانک باتری کاملاً شارژ شده به نظر می‌رسد و خاموشی اینورتر شبیه یک خرابی سخت‌افزاری می‌باشد. این دقیقاً تعریف «قطع ناخواسته LVC» است.

فرآیند عیب‌یابی و تشخیص مرحله‌به‌مرحله

برای تشخیص و اثبات اینکه قطع LVC ناشی از مقاومت کابل‌ها و نه از خرابی باتری یا اینورتر است، از این روش اندازه‌گیری پیروی کنید:

• مرحله ۱: اندازه‌گیری ولتاژ استاتیک باتری

با استفاده از یک مولتی‌متر دیجیتال، ولتاژ مستقیم (DC) را مستقیماً روی ترمینال‌های بانک باتری و در شرایط بدون بار اندازه‌گیری کنید. این مقدار را یادداشت کنید (مثلاً ۵۱٫۲ ولت برای یک سیستم ۴۸ ولتی).

• مرحله ۲: اندازه‌گیری ولتاژ استاتیک اینورتر

ولتاژ را مستقیماً در ترمینال‌های ورودی جریان مستقیم (DC) اینورتر اندازه‌گیری کنید. در حالت بدون بار، دو مقدار اندازه‌گیری‌شده باید یکسان باشند.

• مرحلهٔ ۳: اندازه‌گیری ولتاژ تحت بار فعال

سنگین‌ترین بار موجود در سیستم را روشن کنید. در هنگام کار کردن بار (یا تلاش برای راه‌اندازی آن)، ولتاژ را در ترمینال‌های باتری و سپس بلافاصله ولتاژ را در ترمینال‌های اینورتر اندازه‌گیری کنید.

• مرحلهٔ ۴: تحلیل تفاوت

اگر ولتاژ باتری همچنان بالا باقی بماند (برای مثال از ۵۱٫۲ ولت به ۴۹٫۸ ولت کاهش یابد)، اما ولتاژ ترمینال‌های اینورتر به‌طور قابل‌توجهی افت کند (برای مثال از ۵۱٫۲ ولت به ۴۱٫۵ ولت کاهش یابد)، شما مشکل مقاومت کابل‌ها را تأیید کرده‌اید. این تفاوت (۸٫۳ ولت) افت ولتاژ در طول کابل‌های جریان مستقیم (DC) است.

راه‌حل‌های مهندسی برای رفع قطع‌شدن ناخواسته به دلیل کاهش ولتاژ (LVC)

پس از تأیید این مشکل، ادغام‌کنندگان سیستم باید یکی یا چند مورد از روش‌های اصلاحی زیر را اعمال کنند:

• ۱. افزایش ولتاژ اسمی سیستم

موثرترین راه برای کاهش جریان (و در نتیجه افت ولتاژ) طراحی سیستم با ولتاژ مستقیم اسمی بالاتر است. توان (وات) حاصل‌ضرب ولتاژ در جریان است (P = V I). اگر ولتاژ اسمی را از ۱۲ ولت به ۴۸ ولت افزایش دهید، جریان مورد نیاز برای تأمین بار ۲ کیلوواتی همان‌طور که پیش‌تر بود، ۷۵ درصد کاهش می‌یابد (از ۱۶۶ آمپر به تنها ۴۱٫۵ آمپر). طبق قانون اُهم، کاهش جریان به یک‌چهارم، افت ولتاژ را نیز ۷۵ درصد کاهش می‌دهد. هرگاه امکان‌پذیر باشد، برای اجرای خطوط طولانی از معماری‌های ۴۸ ولتی مستقیم استفاده کنید.

• ۲. افزایش سایز مقطع سیم‌های مستقیم‌الجریان

اگر نتوانید ولتاژ سیستم را تغییر دهید، باید مقاومت سیم را با افزایش سطح مقطع آن (A) کاهش دهید. کابل‌ها را به سایزهای ضخیم‌تر مسی مانند ۴\/۰ AWG (۹۵ میلی‌متر مربع) ارتقا دهید یا برای هر قطب چند کابل موازی به‌کار ببرید. مطمئن شوید که رساناها از مس با کیفیت بالا، با رشته‌های ظریف و بدون اکسیژن ساخته شده‌اند؛ زیرا این نوع مس کمترین مقاومت الکتریکی عملی را ارائه می‌دهد.

• ۳. تنظیم پارامترهای LVC اینورتر

اینورترهای پرتوان، مانند سری قابل‌برنامه‌ریزی JYINS، به مهندسان اجازه می‌دهند تا تنظیمات LVC را از طریق نرم‌افزار کنترل دیجیتال شخصی‌سازی کنند. دو پارامتر قابل تنظیم هستند:

• کاهش آستانه LVC: در صورتی که شیمی باتری شما بتواند بدون آسیب، افت موقت ولتاژ را تحمل کند، می‌توانید ولتاژ قطع را کمی پایین‌تر ببرید (مثلاً از ۱۰٫۵ ولت به ۱۰٫۰ ولت).
• افزودن زمان‌سنج تأخیر LVC: اکثر واحدهای JYINS دارای زمان‌سنج قابل‌برنامه‌ریزی (مثلاً از ۰ تا ۱۰ ثانیه) هستند. با تنظیم تأخیری معادل ۳ ثانیه، اینورتر افت‌های کوتاه ولتاژ ناشی از جریان‌های ناگهانی راه‌اندازی موتور را نادیده می‌گیرد و این امکان را فراهم می‌کند که موتور راه‌اندازی شده و ولتاژ بازیابی شود، پیش از اینکه مدار حفاظتی فعال شود.
• ۴. پیاده‌سازی حسگر ولتاژ از راه دور

سیستم‌های صنعتی پیشرفته می‌توانند از حسگری از راه دور ولتاژ استفاده کنند. یک جفت سیم نازک و کم‌جریان مستقیماً از ترمینال‌های باتری به برد کنترل اینورتر متصل می‌شوند. اینورتر از این سیم‌های حسگر اختصاصی برای اندازه‌گیری دقیق وضعیت شارژ واقعی باتری استفاده می‌کند و خطوط تغذیه با جریان بالا را دور می‌زند. اینورتر تنها در صورتی که ولتاژ واقعی باتری کاهش یابد، فرمان خاموشی LVC را اجرا می‌کند و افت ولتاژ کابل را کاملاً نادیده می‌گیرد.

نتیجه‌گیری

قطع ولتاژ پایین (LVC) به‌صورت نامناسب در راه‌اندازی‌های جریان مستقیم (DC) با فاصله‌ی طولانی، یک مسئله‌ی کلاسیک مهندسی برق است که عمدتاً ناشی از مقاومت کابل و تقاضای جریان بالا می‌باشد. با به‌کارگیری قانون اُهم، ادغام‌کنندگان سیستم‌ها می‌توانند افت دقیق ولتاژ را محاسبه کرده و سیم‌های مسی را با اندازه‌گیری مناسب انتخاب نمایند. انتقال به ولتاژ اسمی بالاتر سیستم (مانند ۴۸ ولت)، افزایش سایز کابل‌ها به مقاطع سنگین‌تر، و استفاده از تأخیرهای برنامه‌پذیر LVC و ورودی‌های حس‌گر از راه دور شرکت JYINS، باعث حذف قطع‌های نامناسب می‌شود. این اقدامات تضمین می‌کنند که تأمین توان پایدار و مداوم به زیرساخت‌های حیاتی خارج از شبکه، صرف‌نظر از محدودیت‌های طرح‌بندی فیزیکی محل نصب، انجام شود.