Depanarea declanșării nedorite a protecției 'Cutoff la tensiune scăzută' (LVC) în configurațiile de transmisie în curent continuu pe distanțe lungi

Introducere în provocările transmisiei în curent continuu (DC)

În aplicațiile comerciale (B2B) de energie la distanță, cum ar fi turnurile de telecomunicații fără conexiune la rețea, stațiile de monitorizare din domeniul petrolului și gazului, instalațiile agricole de irigații și pompele pentru puțuri adânci, configurația fizică a sistemului electric este adesea limitată de condițiile geografice. În mod frecvent, sistemul de stocare a energiei (bancul de baterii) trebuie amplasat la o distanță semnificativă față de invertorul de putere sau de sarcinile active în curent continuu (DC).

În aceste configurații DC de lungă distanță, integratorii de sisteme se confruntă adesea cu o provocare frustrantă de depanare: invertorul se oprește neașteptat, raportând o defecțiune de 'întrerupere la tensiune scăzută' (LVC) sau 'tensiune scăzută la baterie'. Această oprire are loc chiar și atunci când bancul de baterii este complet încărcat și funcționează la un nivel sănătos de tensiune. Acest fenomen este cunoscut sub denumirea de declanșare nedorită.

Acest articol oferă o analiză tehnică a motivelor pentru care are loc declanșarea nedorită LVC în configurațiile de transmisie DC pe distanțe lungi și prezintă soluții ingineresci specifice pentru rezolvarea acesteia.

Întrebare: De ce apare declanșarea nedorită la întreruperea la tensiune scăzută (LVC) în instalațiile DC pe distanțe lungi și cum pot inginerii remedia această problemă?

Declanșarea nedorită a protecției LVC apare deoarece cablurile lungi de alimentare în curent continuu (DC) au o rezistență electrică intrinsecă. Când se consumă un curent ridicat în timpul pornirii invertorului sau sub sarcini mari, această rezistență determină o cădere semnificativă de tensiune pe lungimea cablului, conform legii lui Ohm. În consecință, tensiunea măsurată la bornele de intrare ale invertorului scade sub pragul LVC, chiar dacă bateria rămâne încărcată. Pentru a remedia această situație, inginerii trebuie să calculeze și să minimizeze rezistența cablurilor DC, să modernizeze tensiunea sistemului, să calibreze parametrii de întârziere și prag ai protecției LVC a invertorului sau să utilizeze linii de sesizare a tensiunii la distanță.

Fizica căderii de tensiune în curent continuu și a rezistenței cablurilor

Spre deosebire de transmisia în curent alternativ (AC), unde transformatorii pot reduce ușor căderile de tensiune prin reglarea nivelului de tensiune, transmisia în curent continuu este foarte sensibilă la lungimea și grosimea secțiunii transversale a cablurilor. Orice conductor electric, chiar și cuprul de înaltă puritate, are o rezistență specifică (rho).

Conform legii lui Ohm, căderea de tensiune (V_drop) pe o pereche de conductori este direct proporțională cu curentul (I) care circulă prin circuit și cu rezistența totală pe traseul dus-întors (R) a cablului:

V_drop = I R

Rezistența cablului este determinată de formula:

R = rho ( 2 L ) / A

Unde:

• rho este rezistivitatea materialului (pentru cupru, rho este aproximativ 1,72 × 10^-8 ohm-metri).
• L este distanța unidirecțională dintre baterie și invertor.
• A este aria secțiunii transversale a cablului.
• Factorul de multiplicare 2 ține cont de distanța dus-întors (conductori pozitiv și negativ).

Într-un sistem de curent continuu de joasă tensiune, curentul este extrem de mare. De exemplu, un invertor de 12 V, 2 kW, care funcționează la sarcină maximă, va consuma aproximativ 166 de amperi. În cazul unei supratensiuni mari la pornirea motorului, acest curent poate crește brusc până la 400 A sau mai mult.

Dacă invertorul este situat la doar 10 metri (33 de picioare) distanță de bateria, iar conectarea se face cu cablu standard din cupru de calibru 2 AWG (aprox. 33,6 mm²), rezistența totală a traseului de cablu de 20 de metri este de aproximativ 0,010 ohmi.

Când se extrage un curent continuu de 166 A, căderea de tensiune este:

V_cădere = 166 A × 0,010 ohmi = 1,66 V

Dacă bateria se află la o tensiune sănătoasă de 12,6 V, tensiunea care ajunge la bornele de intrare CC ale invertorului este doar:

12,6 V – 1,66 V = 10,94 V

Această valoare este apropiată de pragul standard LVC de 10,5 V. Totuși, dacă un motor pornește și curentul crește brusc la 350 A, căderea de tensiune crește instantaneu la:

V_cădere_puls = 350 A × 0,010 ohmi = 3,50 V

Tensiunea la bornele invertorului scade la:

12,6 V – 3,50 V = 9,10 V

Deoarece 9,10 V este mult sub limita LVC de 10,5 V, circuitul de protecție al invertorului declanșează imediat o întrerupere datorită tensiunii scăzute, oprind ieșirea în curent alternativ. În momentul în care invertorul se oprește, consumul de curent scade la zero, căderea de tensiune dispare și tensiunea la bornele invertorului revine brusc la 12,6 V. Pentru tehnician, bateria pare plină, iar oprirea pare un defect de hardware. Aceasta este definiția declanșării nedorite a LVC.

Procesul pas cu pas de diagnosticare și depistare a defecțiunilor

Pentru a diagnostica și a demonstra că declanșarea LVC este cauzată de rezistența cablurilor, nu de o baterie sau un invertor defect, urmați această procedură de măsurare:

• Pasul 1: Măsurați tensiunea statică a bateriei

Folosind un multimetru digital, măsurați tensiunea în curent continuu direct la bornele bateriei în condiții fără sarcină. Notați această valoare (de exemplu, 51,2 V pentru un sistem de 48 V).

• Pasul 2: Măsurați tensiunea statică a invertorului

Măsurați tensiunea direct la bornelor de intrare CC ale invertorului. În lipsa sarcinii, cele două citiri trebuie să fie identice.

• Pasul 3: Măsurarea tensiunii sub sarcină activă

Puneți în funcțiune cea mai mare sarcină din sistem. În timp ce sarcina este în funcțiune (sau încearcă să pornească), măsurați tensiunea la bornele bateriei și apoi, imediat, măsurați tensiunea la bornele invertorului.

• Pasul 4: Analiza diferenței

Dacă tensiunea bateriei rămâne ridicată (de exemplu, scade de la 51,2 V la 49,8 V), dar tensiunea la bornele invertorului scade semnificativ (de exemplu, de la 51,2 V la 41,5 V), ați confirmat o problemă de rezistență a cablurilor. Diferența (8,3 V) reprezintă căderea de tensiune pe cablurile CC.

Soluții inginerești pentru eliminarea declanșărilor nedorite ale protecției LVC

După confirmare, integratorii de sisteme trebuie să implementeze una sau mai multe dintre următoarele tehnici de remediere:

• 1. Creșterea tensiunii nominale a sistemului

Cel mai eficient mod de a reduce curentul (și, astfel, căderea de tensiune) este de a proiecta sistemul la o tensiune continuă nominală mai ridicată. Puterea (watti) este produsul dintre tensiune și curent (P = V × I). Dacă creșteți tensiunea nominală de la 12 V la 48 V, curentul necesar pentru a furniza aceeași sarcină de 2 kW scade cu 75 % (de la 166 A la doar 41,5 A). Conform legii lui Ohm, reducerea curentului de patru ori determină o scădere a căderii de tensiune cu 75 %. De fiecare dată când este posibil, alegeți arhitecturi în curent continuu de 48 V pentru distanțe lungi.

• 2. Măriți secțiunea conductorului în curent continuu

Dacă tensiunea sistemului nu poate fi modificată, trebuie să reduceți rezistența cablului prin mărirea ariei secțiunii transversale (A). Îmbunătățiți cablurile folosind conductori groși din cupru, cum ar fi 4/0 AWG (95 mm²), sau rulați mai multe cabluri în paralel pe fiecare pol. Asigurați-vă că conductorii sunt din cupru fără oxigen, cu fir fin, de înaltă calitate, care oferă cea mai mică rezistență electrică practică.

• 3. Ajustați setările parametrilor LVC ai invertorului

Invertoare de înaltă performanță, cum ar fi seria programabilă JYINS, permit inginerilor să personalizeze setările LVC prin intermediul software-ului de control digital. Se pot ajusta două parametri:

• Reducerea pragului LVC: Puteți reduce ușor tensiunea de deconectare (de exemplu, de la 10,5 V la 10,0 V), dacă chimia bateriei dvs. poate suporta în siguranță scăderea temporară fără a suferi deteriorări.
• Adăugarea unui temporizator de întârziere LVC: Majoritatea unităților JYINS dispun de o întârziere programabilă (de exemplu, de la 0 la 10 secunde). Prin stabilirea unei întârzieri de 3 secunde, invertorul va ignora scăderile scurte ale tensiunii cauzate de suprasarcinile la pornirea motorului, permițând astfel motorului să pornească și tensiunii să se recupereze înainte ca circuitul de protecție să fie activat.
• 4. Implementarea detectării remote a tensiunii

Sistemele industriale avansate pot utiliza detectarea la distanță a tensiunii. O pereche de cabluri subțiri, cu curent scăzut, este conectată direct de la bornele bateriei la placa de comandă a invertorului. Invertorul folosește aceste cabluri de senzori dedicate pentru a măsura starea reală de încărcare a bateriei, ocolind liniile de alimentare cu curent ridicat. Invertorul va declanșa o oprire LVC doar dacă tensiunea reală a bateriei scade, ignorând complet căderea de tensiune pe cablu.

Concluzie

Declanșarea nedorită a limitatorului de tensiune joasă (LVC) în configurațiile DC pe distanțe lungi este o problemă clasică de inginerie electrică, cauzată de rezistența cablurilor și de cererea ridicată de curent. Aplicând legea lui Ohm, integratorii de sisteme pot calcula exact căderile de tensiune și pot dimensiona corespunzător conductoarele de cupru. Trecerea la tensiuni nominale mai mari ale sistemului (de exemplu, 48 V), mărirea secțiunii cablurilor la dimensiuni superioare și utilizarea funcțiilor programabile JYINS pentru întârzierea declanșării LVC și intrările de sesizare la distanță vor elimina oprirea nedorită. Aceste măsuri asigură o alimentare stabilă și continuă cu energie electrică pentru infrastructura critică off-grid, indiferent de constrângerile legate de amplasamentul fizic al site-ului.