Risoluzione dei problemi di intervento ingiustificato del 'cutoff per bassa tensione' (LVC) negli impianti di trasmissione in corrente continua su lunga distanza

Introduzione alle sfide della trasmissione in corrente continua

In applicazioni B2B remote di alimentazione, quali torri di telecomunicazione fuori rete, stazioni di monitoraggio per il settore petrolifero e del gas, impianti di irrigazione agricola e pompe per pozzi profondi, la disposizione fisica del sistema elettrico è spesso vincolata dalla conformazione del territorio. Spesso, il sistema di accumulo energetico (il banco batterie) deve essere posizionato a una notevole distanza dall'inverter o dai carichi in corrente continua attivi.

In questi impianti in corrente continua (DC) per trasmissioni su lunga distanza, gli integratori di sistemi spesso incontrano un ostacolo frustrante nella risoluzione dei problemi: l'inverter si spegne inaspettatamente, segnalando un errore di 'Cutoff a bassa tensione' (LVC) o di 'Tensione della batteria troppo bassa'. Questo spegnimento avviene anche quando il banco di batterie è completamente carico e funziona a un livello di tensione sano. Tale fenomeno è noto come intervento intempestivo.

Questo articolo fornisce un'analisi tecnica delle cause dell'intervento intempestivo del Cutoff a bassa tensione (LVC) negli impianti in corrente continua su lunga distanza e illustra specifiche soluzioni ingegneristiche per risolverlo.

Domanda: Perché si verifica l'intervento intempestivo del Cutoff a bassa tensione (LVC) negli impianti in corrente continua su lunga distanza e come possono gli ingegneri risolverlo?

Il disinserimento indesiderato della protezione da bassa tensione continua (LVC) si verifica perché i cavi di alimentazione in corrente continua (DC) di lunghezza elevata presentano una resistenza elettrica intrinseca. Quando, durante l’avviamento degli inverter o sotto carichi elevati, viene assorbita una corrente elevata, tale resistenza provoca una caduta di tensione significativa lungo il cavo, secondo la legge di Ohm. Di conseguenza, la tensione misurata ai morsetti di ingresso dell’inverter scende al di sotto della soglia LVC, anche se il banco di batterie rimane carico. Per risolvere il problema, gli ingegneri devono calcolare e ridurre al minimo la resistenza dei cavi in corrente continua, potenziare la tensione del sistema, tarare i parametri di ritardo e soglia LVC dell’inverter oppure utilizzare linee di rilevamento remoto della tensione.

La fisica della caduta di tensione in corrente continua e della resistenza dei cavi

A differenza della trasmissione in corrente alternata (AC), nella quale le cadute di tensione possono essere facilmente mitigate mediante trasformatori con rapporto di trasformazione variabile, la trasmissione in corrente continua è fortemente sensibile alla lunghezza e allo spessore della sezione trasversale dei cavi. Ogni conduttore elettrico, anche il rame ad alta purezza, possiede una resistenza specifica (rho).

Secondo la legge di Ohm, la caduta di tensione (V_drop) attraverso una coppia di conduttori è direttamente proporzionale alla corrente (I) che scorre nel circuito e alla resistenza totale di andata e ritorno (R) del cavo:

V_drop = I R

La resistenza del cavo è determinata dalla formula:

R = rho ( 2 L ) / A

Dove:

• rho è la resistività del materiale (per il rame, rho è approssimativamente 1,72 × 10^-8 ohm-metri).
• L è la distanza monodirezionale tra la batteria e l'inverter.
• A è l'area della sezione trasversale del cavo.
• Il fattore moltiplicativo 2 tiene conto della distanza di andata e ritorno (conduttori positivo e negativo).

In un sistema in corrente continua a bassa tensione, la corrente è estremamente elevata. Ad esempio, un inverter da 12 V e 2 kW che assorbe carico massimo richiederà circa 166 ampere. Durante un picco di avviamento di un motore, questa corrente può salire a 400 A o più.

Se l'inverter è posizionato a soli 10 metri (33 piedi) di distanza dal banco batterie e collegato mediante cavo rame standard da 2 AWG (circa 33,6 mm²), la resistenza totale del tratto di cavo di 20 metri è approssimativamente pari a 0,010 ohm.

Quando si assorbe una corrente continua di 166 A, la caduta di tensione è:

V_drop = 166 A × 0,010 ohm = 1,66 V

Se il banco batterie è in buono stato con una tensione di 12,6 V, la tensione che arriva ai terminali di ingresso CC dell'inverter è soltanto:

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

Questo valore è prossimo alla soglia standard di LVC (Low Voltage Cut-off) di 10,5 V. Tuttavia, se un motore avvia il suo funzionamento e la corrente subisce un picco fino a 350 A, la caduta di tensione sale istantaneamente a:

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

La tensione ai terminali dell'inverter scende a:

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

Poiché 9,10 V è ben al di sotto del limite di tensione di taglio per bassa tensione (LVC) di 10,5 V, il circuito di protezione dell'inverter attiva immediatamente il taglio per sottotensione, interrompendo l'uscita CA. Nel momento in cui l'inverter si spegne, il consumo di corrente scende a zero, la caduta di tensione scompare e i morsetti dell'inverter tornano istantaneamente a 12,6 V. Per il tecnico, il banco batterie appare completamente carico e lo spegnimento sembra un guasto hardware. Questo è la definizione di intervento intempestivo dell'LVC.

Procedura diagnostica passo-passo per la risoluzione dei problemi

Per diagnosticare e dimostrare che l'intervento dell'LVC è causato dalla resistenza dei cavi e non da una batteria o da un inverter difettosi, seguire questa procedura di misurazione:

• Passo 1: Misurare la tensione statica della batteria

Utilizzando un multimetro digitale, misurare la tensione continua direttamente ai morsetti del banco batterie in condizioni di assenza di carico. Registrare questo valore (ad esempio, 51,2 V per un sistema a 48 V).

• Passo 2: Misurare la tensione statica dell'inverter

Misurare la tensione direttamente sui morsetti di ingresso CC dell'inverter. A vuoto, le due letture devono essere identiche.

• Passo 3: Misurare la tensione sotto carico attivo

Accendere il carico più elevato del sistema. Mentre il carico è in funzione (o sta tentando di avviarsi), misurare la tensione ai morsetti del banco batterie e quindi misurare immediatamente la tensione sui morsetti dell'inverter.

• Passo 4: Analizzare la differenza

Se la tensione del banco batterie rimane elevata (ad esempio, scende da 51,2 V a 49,8 V), ma la tensione ai morsetti dell'inverter subisce un forte calo (ad esempio, scende da 51,2 V a 41,5 V), è confermato un problema di resistenza dei cavi. La differenza (8,3 V) rappresenta la caduta di tensione attraverso i cavi CC.

Soluzioni ingegneristiche per eliminare i distacchi indesiderati causati dalla protezione LVC

Una volta confermato il problema, gli integratori di sistema devono applicare una o più delle seguenti tecniche correttive:

• 1. Aumentare la tensione nominale del sistema

Il metodo più efficace per ridurre la corrente (e quindi la caduta di tensione) consiste nel progettare il sistema con una tensione continua nominale più elevata. La potenza (in watt) è il prodotto della tensione e della corrente (P = V × I). Se si aumenta la tensione nominale da 12 V a 48 V, la corrente necessaria per erogare lo stesso carico di 2 kW diminuisce del 75% (da 166 A a soli 41,5 A). Secondo la legge di Ohm, ridurre la corrente di un fattore quattro comporta una riduzione della caduta di tensione del 75%. Ogni volta che possibile, scegliere architetture a 48 V in corrente continua per collegamenti su lunga distanza.

• 2. Aumentare la sezione dei conduttori in corrente continua

Se non è possibile modificare la tensione del sistema, occorre ridurre la resistenza del cavo aumentandone l’area della sezione trasversale (A). Utilizzare cavi in rame di sezione maggiore, ad esempio 4/0 AWG (95 mm²), oppure installare più cavi in parallelo per ogni polo. Assicurarsi che i conduttori siano in rame di alta qualità, a fili fini e privo di ossigeno, che offre la minima resistenza elettrica praticamente ottenibile.

• 3. Regolare le impostazioni del parametro LVC dell’inverter

Gli inverter ad alte prestazioni, come la serie programmabile JYINS, consentono agli ingegneri di personalizzare le impostazioni LVC tramite il software di controllo digitale. È possibile regolare due parametri:

• Abbassare la soglia LVC: è possibile ridurre leggermente la tensione di intervento (ad esempio, da 10,5 V a 10,0 V) se la chimica della batteria consente di gestire in sicurezza il calo transitorio senza subire danni.
• Aggiungere un timer di ritardo LVC: la maggior parte dei dispositivi JYINS dispone di un ritardo programmabile (ad esempio, da 0 a 10 secondi). Impostando un ritardo di 3 secondi, l'inverter ignorerà brevi cali di tensione causati dalle sovratensioni di avviamento del motore, consentendo così al motore di avviarsi e alla tensione di recuperare prima che venga attivato il circuito di protezione.
• 4. Implementare il rilevamento remoto della tensione

I sistemi industriali avanzati possono utilizzare il rilevamento remoto della tensione. Una coppia di fili sottili a bassa corrente viene collegata direttamente ai terminali della batteria alla scheda di controllo dell'inverter. L'inverter utilizza questi fili dedicati per il rilevamento al fine di misurare lo stato effettivo di carica della batteria, escludendo le linee di alimentazione ad alta corrente. L'inverter eseguirà uno spegnimento per LVC (Low Voltage Cutoff) soltanto se la tensione reale della batteria scende, ignorando completamente la caduta di tensione nei cavi.

Conclusione

Il disinserimento intempestivo della protezione da bassa tensione (LVC) negli impianti in corrente continua su lunghe distanze è un classico problema di ingegneria elettrica causato dalla resistenza dei cavi e dall’elevata richiesta di corrente. Applicando la legge di Ohm, gli integratori di sistema possono calcolare con precisione le cadute di tensione e dimensionare di conseguenza i conduttori in rame. Passare a tensioni nominali di sistema più elevate (ad esempio 48 V), aumentare la sezione dei cavi utilizzando calibri pesanti e sfruttare i ritardi programmabili dell’LVC e gli ingressi per rilevamento remoto di JYINS elimineranno i disinserimenti intempestivi. Questi interventi garantiscono una fornitura di energia stabile e continua alle infrastrutture critiche fuori rete, indipendentemente dai vincoli fisici del layout del sito.