אבחון ופתרון תקלה של 'השעיה עקב מתח נמוך' (LVC) במערכות העברת זרם ישר לטווח ארוך

מבוא לקשיי העברת זרם ישר

בישומים תעסוקתיים-ל-between (B2B) מרוחקים בתחום האנרגיה, כגון מגדלי תקשורת מחוץ לרשת, תחנות ניטור של ענף הנפט והגז, מערכות השקיה חקלאיות ומשאבות בארות עמוקות, המבנה הפיזי של המערכת החשמלית מוגבל לעיתים קרובות על ידי הגאוגרפיה. לעיתים קרובות יש להתקין את מערכת אגירת האנרגיה (הבנק הסוללות) במרחק משמעותי מהמתמר או מהמשתמשים הפעילים בזרם ישר.

במערכות DC למרחקים ארוכים אלו, מתקינים מערכות נאלצים לעתים קרובות להתמודד עם מחסום טרואבל-שוטינג מתסכל: הממיר ננעל באופן בלתי צפוי ומדווח על שגיאת 'הפעלת חסימה עקב מתח נמוך' (LVC) או 'מתח סוללה נמוך מדי'. הנעילה הזו מתרחשת גם כאשר בנק הסוללות עצמו טעון לחלוטין ופועל ברמה תקינה של מתח. תופעה זו ידועה בשם 'הפעלה לא רצויה'.

מאמר זה מציג ניתוח טכני של הסיבה להפעלה לא רצויה של חסימת מתח נמוך (LVC) במערכות העברת DC למרחקים ארוכים, ומציג פתרונות הנדסיים ספציפיים למתן פתרון לבעיה.

שאלה: מדוע מתרחשת הפעלה לא רצויה של חסימת מתח נמוך (LVC) בהתקנות DC למרחקים ארוכים, ואיך מהנדסים יכולים לפתור אותה?

התנתקות מיותרת של LVC מתרחשת בשל התנגדות החשמלית המובנית בכבלים ארוכים לזרם ישר. כאשר זרם גבוה נמשך בעת הפעלת האינברטר או תחת עומסים כבדים, התנגדות זו גורמת לירידת מתח משמעותית לאורך הכבל, בהתאם לחוק אום. כתוצאה מכך, המתח הנמדד במבוא האינברטר יורד מתחת לסף LVC, למרות שהבנק הסוללות עדיין טעון. כדי לפתור בעיה זו, על מהנדסים לחשב ולמזער את ההתנגדות של כבלי ה-DC, לשפר את מתח המערכת, לכייל את פרמטרי השהייה והסף של LVC באינברטר, או להשתמש בקווי מדידת מתח מרוחקים.

הפיזיקה של ירידת מתח ב-DC והתנגדות הכבל

בניגוד למעבר זרם חילופין, שבו ניתן להקל על ירידת המתח בקלות באמצעות מערכות טרנספורמציה, מעבר זרם ישר רגיש מאוד לאורך הכבל ולקוטרו. כל מוליך חשמלי, גם אם הוא נחושת טהורה מאוד, יש לו התנגדות ספציפית (rho).

לפי חוק אוהם, נפילת המתח (V_drop) על זוג מוליכים היא יחסית ישירה לזרם (I) הזורם במעגל ולהתנגדות הכוללת של החוט (R) במסלול הלוך ושוב:

V_drop = I R

ההתנגדות של החוט נקבעת על פי הנוסחה:

R = rho ( 2 L ) / A

כאשר:‏

• rho הוא מקדם ההתנגדות הסגול של החומר (עבור נחושת, rho הוא כ-1.72 × 10^-8 אום-מטר).
• L הוא המרחק החד-כיווני בין הסוללה לממיר.
• A הוא שטח החתך הרוחבי של החוט.
• הכופל 2 מבטא את המרחק הכולל הלוך ושוב (המוליכים החיובי והשלילי).

במערכת זרם ישר נמוכה מתח, הזרם גבוה מאוד. לדוגמה, ממיר 2 קילוואט ב-12 וולט, בעת עומס מלא, ימשוך זרם של כ-166 אמפר. במהלך חבטת הפעלה חזקה של מנוע, זרם זה עלול לעלות ל-400 אמפר או יותר.

אם הממיר נמצא במרחק של 10 מטרים (33 רגל) מהבנק הסוללות, ומחובר באמצעות כבל נחושת סטנדרטי בגודל 2 AWG (כ-33.6 מילימטר ריבועי), התנגדות הליכה וחזרה של קטע הכבל באורך 20 מטרים היא בערך 0.010 אום.

בעת הוצאת זרם רציף של 166 אמפר, נפילת המתח היא:

V_drop = 166A × 0.010 אום = 1.66 וולט

אם מתח הבנק של הסוללות תקין ועומד על 12.6 וולט, המתח שמגיע למספרי הקלט ה-DC של הממיר הוא רק:

12.6 וולט − 1.66 וולט = 10.94 וולט

ערך זה קרוב לסף LVC הסטנדרטי של 10.5 וולט. עם זאת, אם מנוע מתחיל לפעול והזרם עולה פתאום ל-350 אמפר, נפילת המתח עולה באופן מיידי ל:

V_drop_surge = 350A × 0.010 אום = 3.50 וולט

המתח במספרי הממיר יורד ל:

12.6 וולט − 3.50 וולט = 9.10 וולט

מכיוון ש-9.10V נמוך בהרבה מגבול ה-LVC של 10.5V, מעגל הגנת הממיר מופעל באופן מיידי ומביא להפסקת מתח נמוך, מה שמביא להשבתה של פלט ה-AC. ברגע שהממיר מושבת, זרם הפעולה יורד לאפס, נפילת המתח נעלמת והמתח על הדקיות הממיר עולה בחזרה ל-12.6V. לטכנאי נראה שהסוללה מלאה וההשבתה נראית כתקלה חומרית. זהו ההגדרה של הפעלת LVC מיותרת.

תהליך אבחון צעד אחר צעד

כדי לאבחן ולהוכיח שפעולת LVC נגרמת על ידי התנגדות הכבל ולא על ידי סוללה או ממיר פגומים, יש לפעול לפי תהליך המדידה הבא:

• שלב 1: מדידת מתח הסוללה במצב סטטי

למדוד את מתח ה-DC ישירות על הדקיות סוללת הסוללות באמצעות מד-מתח דיגיטלי בתנאי ללא עומס. לרשום ערך זה (למשל, 51.2V למערכת 48V).

• שלב 2: מדידת מתח הממיר במצב סטטי

מדודו את המתח ישירות על מבליטי קלט ה-DC של הממיר. במצב ללא עומס, שני הצעדים צריכים להיות זהים.

• שלב 3: מדידת מתח תחת עומס פעיל

הפעילו את העומס הכבד ביותר במערכת. בזמן שהעומס פועל (או מנסה להתחיל), מדדו את המתח על מבליטי סוללת הבטריות ולאחר מכן מיד מדדו את המתח על מבליטי הממיר.

• שלב 4: ניתוח ההבדל

אם מתח סוללת הבטריות נשאר גבוה (למשל, יורד מ-51.2V ל-49.8V) אך מתח מבליטי הממיר צונח באופן משמעותי (למשל, יורד מ-51.2V ל-41.5V), אוששה בעיה של התנגדות בכבלים. ההבדל (8.3V) הוא נפילת המתח לאורך כבל ה-DC.

פתרונות הנדסיים למניעת דלוקי LVC מיותרים

לאחר האישור, מתקני מערכות צריכים ליישם אחד או יותר מהטכניקות הבאות לתיקון הבעיה:

• 1. הגברת מתח הנקרא של המערכת

הדרך היעילה ביותר להפחית את הזרם (ולפיכך את נפילת המתח) היא לעצב את המערכת במתח ישר נומינלי גבוה יותר. הספק (וואט) הוא מכפלת המתח והזרם (P = V I). אם תגבירו את המתח הנומינלי מ-12 וולט ל-48 וולט, הזרם הנדרש כדי לספק עומס זהה של 2 קילוואט יקטן ב-75% (מ-166 אמפר ל-41.5 אמפר בלבד). לפי חוק אוהם, הפחתת הזרם פי ארבעה מפחיתה את נפילת המתח ב-75%. בכל פעם שאפשר, יש לבחור בארכיטקטורת זרם ישר של 48 וולט עבור ריצות מרחק רב.

• 2. הגביהו את קוטר מוליך הזרם הישר

אם אי אפשר לשנות את מתח המערכת, עליכם להפחית את התנגדות החוט על ידי הגדלת שטח החתך שלו (A). שדרגו את הכבלים לקוטרים עבים של נחושת, כגון 4/0 AWG (95 מ״ר) או הפעילו מספר כבלים מקבילים לכל קטב. ודאו שהמוליכים הם נחושת חסרת חמצן, בעלת מבנה סיבי עדין ואיכות גבוהה, אשר מספקת את התנגדות החשמל הנמוכה ביותר האפשרית.

• 3. התאימו את 설정י הפרמטר LVC של הממיר

מתמרים בעלי ביצועים גבוהים, כגון סדרת JYINS התכנותית, מאפשרים למפתחים להתאים אישית את הגדרות LVC באמצעות תוכנת הבקרה הדיגיטלית. ניתן לדייק שני פרמטרים:

• להוריד את סף LVC: ניתן להוריד במעט את מתח החיתוך (למשל, מ-10.5V ל-10.0V) אם כימיה הסוללה שלכם יכולה להתמודד בבטחה עם הירידה הזמנית ללא נזק.
• להוסיף טיימר עיכוב ל-LVC: ברוב יחידות JYINS קיימת אפשרות לתכנות עיכוב (למשל, 0–10 שניות). על ידי הגדרת עיכוב של 3 שניות, המתמר יתעלם מהפחתות זמניות במתח שנגרמות על ידי גלי המתח בעת ההפעלה הראשונית של המנוע, ויאפשר למכונה להתחיל לפעול ולשחזר את המתח לפני שהמערכת להגנה תופעל.
• 4. יישום חישה מרוחקת של מתח

מערכות תעשייתיות מתקדמות יכולות לנצל זיהוי מתח מרוחק. זוג חוטים דקים ובעלי זרם נמוך מחובר ישירות מהטרמינלים של הסוללה ללוח הבקרה של הממיר. הממיר משתמש בחוטי החיישנים המיוחדים האלה כדי למדוד את מצב הטעינה האמיתי של הסוללה, תוך התעלמות מקווי הכוח בעלי הזרם הגבוה. הממיר יבצע כיבוי בשל LVC רק אם מתח הסוללה האמיתי ירד, תוך התעלמות מוחלטת על ירידת המתח בחוטים.

מסקנות

הפעלת מנגנון הפסקת מתח נמוך (LVC) באופן לא רצוי במערכות DC למרחקים ארוכים היא בעיה קלאסית בהנדסת חשמל, הנגרמת על ידי התנגדות הכבל ודרישת זרם גבוהה. באמצעות חוק אוהם, ניתן לחשב את ירידת המתח המדויקת ולבחור את קוטר מוליכי הנחושת בהתאם. מעבר למתח מערכת נומינלי גבוה יותר (כגון 48 וולט), הגדלת קוטר הכבלים למדרגות עבות במיוחד והשימוש בדילוגי LVC מתוכנתים ובכניסות מדידת מרחק של JYINS ימנעו את ההפסקות הלא רצויות. צעדים אלו מבטיחים אספקת כוח יציבה ורציפה לתשתיות קריטיות מחוץ לרשת, ללא תלות באילוצי תכנון האתר הפיזיים.