Dépannage des déclenchements intempestifs de la fonction « Coupure basse tension » (LVC) dans les installations de transmission continue sur de longues distances

Introduction aux défis de la transmission CC

Dans les applications professionnelles (B2B) d’alimentation électrique éloignées, telles que les tours de télécommunications hors réseau, les stations de surveillance pétrolière et gazière, les installations d’irrigation agricole et les pompes de forage profond, l’agencement physique du système électrique est souvent contraint par la géographie. Il arrive fréquemment que le système de stockage d’énergie (le banc de batteries) doive être installé à une distance importante de l’onduleur ou des charges continues (CC) actives.

Dans ces configurations à courant continu (CC) sur de longues distances, les intégrateurs de systèmes rencontrent souvent un obstacle frustrant lors du dépannage : l’onduleur s’arrête de façon inattendue et signale une « coupure par basse tension » (LVC) ou une « tension de batterie trop faible ». Cet arrêt se produit même lorsque le banc de batteries est entièrement chargé et fonctionne à un niveau de tension sain. Ce phénomène est connu sous le nom de déclenchement intempestif.

Cet article propose une analyse technique des causes du déclenchement intempestif de la coupure par basse tension (LVC) dans les installations de transmission à courant continu sur de longues distances, et présente des solutions techniques spécifiques permettant de le résoudre.

Question : Pourquoi le déclenchement intempestif de la coupure par basse tension (LVC) se produit-il dans les installations à courant continu sur de longues distances, et comment les ingénieurs peuvent-ils y remédier ?

Les déclenchements intempestifs de la protection contre la basse tension continue (LVC) surviennent parce que les longs câbles d’alimentation en courant continu présentent une résistance électrique intrinsèque. Lorsque le variateur démarre ou lors de fortes charges, le courant élevé qui circule provoque une chute de tension importante le long du câble, conformément à la loi d’Ohm. Par conséquent, la tension mesurée aux bornes d’entrée du variateur chute en dessous du seuil LVC, même si le banc de batteries reste chargé. Pour résoudre ce problème, les ingénieurs doivent calculer et réduire au minimum la résistance des câbles en courant continu, augmenter la tension du système, recalibrer les paramètres de délai et de seuil LVC du variateur, ou utiliser des lignes de détection de tension à distance.

Physique de la chute de tension continue et de la résistance des câbles

Contrairement à la transmission en courant alternatif, où l’utilisation de transformateurs permet aisément de compenser les chutes de tension, la transmission en courant continu est très sensible à la longueur des câbles et à leur épaisseur (section). Tout conducteur électrique, même le cuivre de haute pureté, possède une résistance spécifique (rho).

Selon la loi d'Ohm, la chute de tension (V_chute) aux bornes d'une paire de conducteurs est directement proportionnelle au courant (I) circulant dans le circuit et à la résistance totale aller-retour (R) du câble :

V_chute = I × R

La résistance du câble est déterminée par la formule suivante :

R = ρ × (2L) ÷ A

Où :

• ρ est la résistivité du matériau (pour le cuivre, ρ est d’environ 1,72 × 10⁻⁸ ohm-mètre).
• L est la distance unidirectionnelle entre la batterie et l’onduleur.
• A est la section transversale du câble.
• Le facteur 2 tient compte de la distance aller-retour (conducteurs positif et négatif).

Dans un système à courant continu basse tension, le courant est extrêmement élevé. Par exemple, un onduleur 12 V / 2 kW fonctionnant à pleine charge absorbe environ 166 ampères. Lors d’une forte surcharge au démarrage d’un moteur, ce courant peut atteindre 400 A ou plus.

Si l'onduleur est situé à seulement 10 mètres (33 pieds) de la batterie, et qu'il est raccordé à l'aide d'un câble en cuivre standard de section 2 AWG (environ 33,6 mm²), la résistance aller-retour du tronçon de câble de 20 mètres est d'environ 0,010 ohm.

Lorsqu'un courant continu de 166 A est tiré, la chute de tension est la suivante :

V_chute = 166 A × 0,010 ohm = 1,66 V

Si la batterie se trouve à une tension saine de 12,6 V, la tension arrivant aux bornes d'entrée CC de l'onduleur n'est que de :

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

Cela se rapproche du seuil standard de déconnexion par sous-tension (LVC) de 10,5 V. Toutefois, si un moteur démarre et que le courant augmente brusquement jusqu'à 350 A, la chute de tension augmente instantanément à :

V_chute_pointe = 350 A × 0,010 ohm = 3,50 V

La tension aux bornes de l'onduleur chute alors à :

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

Comme 9,10 V est nettement inférieur à la limite de coupure basse tension (LVC) de 10,5 V, le circuit de protection de l’onduleur déclenche immédiatement une coupure par sous-tension, arrêtant la sortie CA. Dès que l’onduleur s’arrête, la consommation de courant chute à zéro, la chute de tension disparaît et la tension aux bornes de l’onduleur remonte instantanément à 12,6 V. Pour le technicien, le banc de batteries semble pleinement chargé et l’arrêt apparaît comme un dysfonctionnement matériel. C’est précisément la définition d’un déclenchement intempestif de la LVC.

Procédure de dépannage étape par étape

Pour diagnostiquer et prouver que le déclenchement de la LVC est causé par la résistance des câbles et non par une défaillance de la batterie ou de l’onduleur, suivez cette procédure de mesure :

• Étape 1 : Mesurer la tension statique de la batterie

À l’aide d’un multimètre numérique, mesurez la tension continue directement aux bornes du banc de batteries, en l’absence de charge. Notez cette valeur (par exemple, 51,2 V pour un système 48 V).

• Étape 2 : Mesurer la tension statique de l’onduleur

Mesurez directement la tension aux bornes d'entrée CC de l'onduleur. À vide, les deux mesures doivent être identiques.

• Étape 3 : Mesurer la tension sous charge active

Allumez la charge la plus importante du système. Pendant que la charge fonctionne (ou tente de démarrer), mesurez la tension aux bornes du banc de batteries, puis mesurez immédiatement la tension aux bornes de l'onduleur.

• Étape 4 : Analyser la différence

Si la tension du banc de batteries reste élevée (par exemple, chute de 51,2 V à 49,8 V), mais que la tension aux bornes de l'onduleur chute fortement (par exemple, de 51,2 V à 41,5 V), vous avez confirmé un problème de résistance des câbles. La différence (8,3 V) correspond à la chute de tension dans les câblages CC.

Solutions techniques pour éliminer les déclenchements intempestifs de la protection LVC

Une fois le problème confirmé, les intégrateurs de systèmes doivent mettre en œuvre une ou plusieurs des techniques correctives suivantes :

• 1. Augmenter la tension nominale du système

La méthode la plus efficace pour réduire le courant (et donc la chute de tension) consiste à concevoir le système avec une tension continue nominale plus élevée. La puissance (en watts) est le produit de la tension et du courant (P = V × I). Si vous augmentez la tension nominale de 12 V à 48 V, le courant requis pour fournir la même charge de 2 kW diminue de 75 % (passant de 166 A à seulement 41,5 A). Selon la loi d’Ohm, diviser le courant par quatre réduit la chute de tension de 75 %. Dans la mesure du possible, privilégiez les architectures à courant continu de 48 V pour les liaisons sur de longues distances.

• 2. Augmenter la section des conducteurs CC

Si la tension du système ne peut pas être modifiée, vous devez réduire la résistance du câble en augmentant sa section (A). Utilisez des câbles en cuivre épais, tels que des câbles de section 4/0 AWG (95 mm²), ou installez plusieurs câbles en parallèle par pôle. Assurez-vous que les conducteurs sont en cuivre sans oxygène, à faible résistivité, à âme fine et de haute qualité, ce qui offre la résistance électrique pratique la plus faible.

• 3. Ajuster les paramètres du seuil de déconnexion par sous-tension (LVC) de l’onduleur

Les onduleurs haute performance, tels que la série programmable JYINS, permettent aux ingénieurs de personnaliser les paramètres de la coupure basse tension (LVC) via le logiciel de commande numérique. Deux paramètres peuvent être ajustés :

• Abaisser le seuil de coupure basse tension (LVC) : vous pouvez légèrement réduire la tension de coupure (par exemple, passer de 10,5 V à 10,0 V) si votre chimie de batterie peut supporter sans dommage la chute transitoire de tension.
• Ajouter une temporisation de coupure basse tension (LVC) : la plupart des unités JYINS disposent d’une temporisation programmable (par exemple, de 0 à 10 secondes). En définissant une temporisation de 3 secondes, l’onduleur ignore les brèves chutes de tension dues aux pics de démarrage du moteur, ce qui permet au moteur de démarrer et à la tension de se rétablir avant que le circuit de protection ne soit déclenché.
• 4. Mettre en œuvre la mesure à distance de la tension

Les systèmes industriels avancés peuvent utiliser la détection de tension à distance. Une paire de fils minces à faible intensité est reliée directement aux bornes de la batterie et à la carte de commande de l'onduleur. L'onduleur utilise ces fils capteurs dédiés pour mesurer l'état de charge réel de la batterie, en contournant les lignes d'alimentation à forte intensité. L'onduleur n'exécutera une coupure par basse tension (LVC) que si la tension réelle de la batterie chute, ignorant totalement la chute de tension dans les câbles.

Conclusion

Le déclenchement intempestif de la coupure de tension basse (LVC) dans les installations CC à longue distance constitue un problème classique d'ingénierie électrique, causé par la résistance des câbles et la forte demande en courant. En appliquant la loi d'Ohm, les intégrateurs de systèmes peuvent calculer précisément les chutes de tension et dimensionner les conducteurs en cuivre en conséquence. Le passage à des tensions nominales système plus élevées (par exemple 48 V), l'augmentation de la section des câbles jusqu'à des calibres robustes, ainsi que l'utilisation des retards programmables de la LVC et des entrées de détection à distance de JYINS élimineront les arrêts intempestifs. Ces mesures garantissent une alimentation électrique stable et continue aux infrastructures critiques hors réseau, quelles que soient les contraintes liées à la disposition physique du site.