Xử lý sự cố hiện tượng ngắt do điện áp thấp (LVC) gây nhầm lẫn trong các hệ thống truyền tải một chiều (DC) ở khoảng cách xa

Giới thiệu về các thách thức trong truyền tải điện một chiều (DC)

Trong các ứng dụng cấp nguồn B2B ở khu vực xa xôi—ví dụ như trạm viễn thông ngoài lưới, trạm giám sát dầu khí, hệ thống tưới tiêu nông nghiệp và bơm giếng sâu—bố trí thực tế của hệ thống điện thường bị giới hạn bởi điều kiện địa lý. Thường thì hệ thống lưu trữ năng lượng (bộ pin) phải được đặt cách xa bộ biến tần hoặc các tải DC đang hoạt động một khoảng cách đáng kể.

Trong các cấu hình DC truyền tải khoảng cách xa này, các nhà tích hợp hệ thống thường gặp phải trở ngại gây khó chịu khi khắc phục sự cố: bộ biến tần bất ngờ tắt máy, báo lỗi 'Cắt điện do điện áp thấp' (LVC) hoặc 'Điện áp pin quá thấp'. Việc tắt máy này xảy ra ngay cả khi cụm pin vẫn được sạc đầy và hoạt động ở mức điện áp ổn định. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng ngắt không mong muốn.

Bài viết này trình bày phân tích kỹ thuật về nguyên nhân gây ra hiện tượng ngắt không mong muốn do LVC trong các bố trí truyền tải DC khoảng cách xa và nêu rõ các giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm khắc phục vấn đề này.

Câu hỏi: Tại sao hiện tượng ngắt không mong muốn do 'Cắt điện do điện áp thấp' (LVC) lại xảy ra trong các hệ thống DC truyền tải khoảng cách xa, và các kỹ sư có thể khắc phục vấn đề này như thế nào?

Hiện tượng ngắt không mong muốn do bảo vệ điện áp thấp (LVC) xảy ra vì các cáp cấp nguồn một chiều (DC) dài có điện trở nội tại. Khi bộ nghịch lưu khởi động hoặc chịu tải nặng, dòng điện lớn chạy qua gây sụt áp đáng kể dọc theo cáp, theo định luật Ohm. Do đó, điện áp đo được tại đầu vào của bộ nghịch lưu giảm xuống dưới ngưỡng LVC, dù cụm pin vẫn còn nạp đầy. Để khắc phục, kỹ sư cần tính toán và giảm thiểu điện trở cáp DC, nâng cấp điện áp hệ thống, hiệu chỉnh tham số độ trễ và ngưỡng LVC của bộ nghịch lưu, hoặc sử dụng dây cảm biến điện áp từ xa.

Cơ chế vật lý của hiện tượng sụt áp DC và điện trở cáp

Khác với truyền tải xoay chiều (AC), nơi biến áp dễ dàng bù trừ sụt áp thông qua việc tăng/giảm điện áp, truyền tải một chiều (DC) rất nhạy cảm với chiều dài và tiết diện dây dẫn. Mọi vật dẫn điện, kể cả đồng tinh khiết cao, đều có điện trở riêng (rho).

Theo định luật Ohm, độ sụt áp (V_drop) trên một cặp dây dẫn tỷ lệ thuận với dòng điện (I) chạy qua mạch và tổng điện trở đi về (R) của dây dẫn:

V_drop = I × R

Điện trở của dây dẫn được xác định theo công thức:

R = ρ × (2L) / A

Ở đâu:

• ρ là điện trở suất của vật liệu (đối với đồng, ρ khoảng 1,72 × 10^-8 ohm-mét).
• L là khoảng cách một chiều giữa pin và bộ biến tần.
• A là diện tích mặt cắt ngang của dây dẫn.
• Hệ số nhân 2 phản ánh khoảng cách đi về (dây dẫn dương và dây dẫn âm).

Trong hệ thống một chiều (DC) điện áp thấp, dòng điện rất lớn. Ví dụ, một bộ biến tần 12 V – 2 kW hoạt động ở tải đầy sẽ tiêu thụ dòng điện khoảng 166 ampe. Trong trường hợp khởi động động cơ với dòng xung cao, dòng điện này có thể tăng vọt lên 400 A hoặc hơn.

Nếu bộ biến tần được đặt cách cụm pin chỉ 10 mét (33 feet) và được kết nối bằng dây đồng tiêu chuẩn cỡ 2 AWG (khoảng 33,6 mm²), thì điện trở tổng của đoạn dây dẫn hai chiều dài 20 mét vào khoảng 0,010 ohm.

Khi dòng điện liên tục chạy qua là 166 A, độ sụt áp sẽ là:

V_drop = 166 A × 0,010 ohm = 1,66 V

Nếu điện áp cụm pin ở mức khỏe mạnh là 12,6 V, thì điện áp đến đầu vào DC của bộ biến tần chỉ còn:

12,6 V – 1,66 V = 10,94 V

Giá trị này gần với ngưỡng LVC tiêu chuẩn là 10,5 V. Tuy nhiên, nếu động cơ khởi động và dòng điện tăng vọt lên 350 A, thì độ sụt áp sẽ tăng đột ngột lên:

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

Điện áp tại các đầu nối của bộ biến tần giảm xuống còn:

12,6 V – 3,50 V = 9,10 V

Vì 9,10 V thấp xa so với ngưỡng giới hạn điện áp cắt thấp (LVC) là 10,5 V, mạch bảo vệ của bộ nghịch lưu sẽ lập tức kích hoạt chức năng cắt điện áp thấp, làm ngắt đầu ra AC. Ngay khi bộ nghịch lưu ngừng hoạt động, dòng điện tiêu thụ giảm về zero, độ sụt áp biến mất và điện áp tại các đầu nối của bộ nghịch lưu tăng trở lại mức 12,6 V. Đối với kỹ thuật viên, cụm pin dường như đầy điện và việc ngắt nguồn trông giống như một sự cố phần cứng. Đây chính là định nghĩa của hiện tượng 'nhảy máy do LVC gây ra một cách sai lầm'.

Quy trình chẩn đoán từng bước

Để chẩn đoán và xác minh rằng hiện tượng nhảy máy do LVC là do điện trở dây cáp gây ra chứ không phải do pin hoặc bộ nghịch lưu bị hỏng, hãy thực hiện quy trình đo lường sau:

• Bước 1: Đo điện áp tĩnh của pin

Sử dụng đồng hồ vạn năng kỹ thuật số để đo điện áp DC trực tiếp trên hai cực của cụm pin trong điều kiện không tải. Ghi lại giá trị này (ví dụ: 51,2 V đối với hệ thống 48 V).

• Bước 2: Đo điện áp tĩnh của bộ nghịch lưu

Đo điện áp trực tiếp tại các đầu nối đầu vào DC của bộ biến tần. Khi không tải, hai giá trị đo được phải giống nhau.

• Bước 3: Đo điện áp dưới tải hoạt động

Bật tải nặng nhất trong hệ thống. Trong khi tải đang hoạt động (hoặc đang cố gắng khởi động), đo điện áp tại các đầu nối của cụm pin và sau đó ngay lập tức đo điện áp tại các đầu nối của bộ biến tần.

• Bước 4: Phân tích sự chênh lệch

Nếu điện áp của cụm pin vẫn ở mức cao (ví dụ: giảm từ 51,2 V xuống 49,8 V) nhưng điện áp tại đầu nối bộ biến tần sụt giảm đáng kể (ví dụ: giảm từ 51,2 V xuống 41,5 V), bạn đã xác nhận có vấn đề về điện trở cáp. Sự chênh lệch này (8,3 V) chính là độ sụt áp trên dây cáp DC.

Các giải pháp kỹ thuật nhằm loại bỏ hiện tượng ngắt do LVC gây phiền hà

Sau khi xác nhận, các kỹ sư tích hợp hệ thống nên áp dụng một hoặc nhiều biện pháp khắc phục sau đây:

• 1. Tăng điện áp định mức của hệ thống

Cách hiệu quả nhất để giảm dòng điện (và do đó giảm sụt áp) là thiết kế hệ thống ở điện áp một chiều danh định cao hơn. Công suất (Watt) là tích của điện áp và dòng điện (P = V × I). Nếu tăng điện áp danh định từ 12 V lên 48 V, dòng điện cần thiết để cung cấp cùng tải 2 kW sẽ giảm 75% (từ 166 A xuống chỉ còn 41,5 A). Theo định luật Ohm, việc giảm dòng điện bốn lần sẽ làm giảm sụt áp 75%. Khi có thể, hãy chọn kiến trúc một chiều 48 V cho các đường dây truyền tải dài.

• 2. Tăng kích thước tiết diện dây dẫn một chiều

Nếu không thể thay đổi điện áp hệ thống, bạn phải giảm điện trở dây dẫn bằng cách tăng diện tích mặt cắt ngang (A) của dây. Nâng cấp cáp lên loại đồng có tiết diện lớn như cáp 4/0 AWG (95 mm²) hoặc lắp nhiều cáp song song cho mỗi cực. Đảm bảo dây dẫn được làm từ đồng không oxy hóa, nhiều sợi mịn và chất lượng cao, vì đây là loại có điện trở thực tế thấp nhất.

• 3. Điều chỉnh các thông số thiết lập LVC của bộ biến tần

Các bộ nghịch lưu hiệu suất cao, chẳng hạn như dòng lập trình được JYINS, cho phép kỹ sư tùy chỉnh các thiết lập LVC thông qua phần mềm điều khiển kỹ thuật số. Hai tham số có thể điều chỉnh là:

• Giảm ngưỡng LVC: Bạn có thể giảm nhẹ điện áp ngắt (ví dụ: từ 10,5 V xuống 10,0 V) nếu hóa học pin của bạn có thể chịu đựng an toàn mức sụt giảm điện áp tức thời mà không gây hư hại.
• Thêm bộ hẹn giờ trễ LVC: Hầu hết các thiết bị JYINS đều có chức năng hẹn giờ trễ lập trình được (ví dụ: từ 0 đến 10 giây). Bằng cách thiết lập độ trễ 3 giây, bộ nghịch lưu sẽ bỏ qua các đợt sụt giảm điện áp ngắn do xung khởi động động cơ gây ra, cho phép động cơ khởi động và điện áp phục hồi trước khi mạch bảo vệ được kích hoạt.
• 4. Triển khai cảm biến điện áp từ xa

Các hệ thống công nghiệp tiên tiến có thể sử dụng cảm biến điện áp từ xa. Một cặp dây dẫn mỏng, dòng thấp được nối trực tiếp từ các cực của pin đến bảng điều khiển bộ nghịch lưu. Bộ nghịch lưu sử dụng các dây cảm biến chuyên dụng này để đo trạng thái sạc thực tế của pin, bỏ qua các đường dây cấp điện dòng cao. Bộ nghịch lưu chỉ thực hiện tắt khẩn cấp do điện áp thấp (LVC) khi điện áp thực tế của pin giảm xuống, hoàn toàn không tính đến độ sụt áp trên dây cáp.

Kết luận

Hiện tượng ngắt điện áp thấp (LVC) sai do dây cáp dài trong các hệ thống một chiều (DC) là một vấn đề kỹ thuật điện cổ điển, bắt nguồn từ điện trở dây cáp và nhu cầu dòng điện cao. Bằng cách áp dụng Định luật Ohm, các kỹ sư tích hợp hệ thống có thể tính toán chính xác mức sụt áp và lựa chọn tiết diện dây đồng phù hợp. Việc chuyển sang điện áp danh định cao hơn (ví dụ như 48 V), tăng kích thước dây cáp lên các loại có tiết diện lớn hơn, đồng thời sử dụng chức năng trì hoãn LVC lập trình được và đầu vào cảm biến từ xa của JYINS sẽ loại bỏ hoàn toàn hiện tượng ngắt điện sai. Các bước này đảm bảo cung cấp điện ổn định và liên tục cho cơ sở hạ tầng ngoài lưới điện, bất kể các ràng buộc về bố trí thực tế tại hiện trường.