حفاظت در برابر ولتاژ چیست؟

حفاظت در برابر ولتاژ یک مکانیسم ایمنی است که به طور خودکار تجهیزات الکتریکی را هنگامی که ولتاژ منبع تغذیه به زیر یک آستانه مشخص کاهش می یابد، قطع می کند. این سیستم حفاظتی سطوح ولتاژ را به طور مداوم کنترل می کند و از عملکرد تجهیزات تحت شرایطی که می تواند باعث گرم شدن بیش از حد، کاهش راندمان یا آسیب دائمی شود، جلوگیری می کند.

هنگامی که ولتاژ به زیر سطوح عملیاتی طراحی شده می‌رسد، دستگاه‌های الکتریکی به روش‌هایی پاسخ می‌دهند که می‌تواند به شدت طول عمر آنها را کاهش دهد. موتورها و ترانسفورماتورها برای جبران کاهش ولتاژ جریان بیشتری می کشند و گرمای بیش از حد تولید می کنند که عایق را تخریب می کند و خرابی قطعات را تسریع می کند. یک موتور سه فاز که با 90٪ ولتاژ نامی کار می کند، می تواند افزایش جریان 11٪ یا بیشتر را تجربه کند و استرس حرارتی ایجاد کند که در طول زمان ترکیب می شود.

فیزیک پشت این آسیب ساده است. توان (اندازه گیری شده بر حسب وات) برابر است با ولتاژ ضرب در جریان. هنگامی که ولتاژ کاهش می یابد اما تجهیزات هنوز نیاز به ارائه توان خروجی یکسان دارند، جریان باید به طور متناسب افزایش یابد. این جریان افزایش یافته از طریق هادی ها و سیم پیچ ها بر اساس رابطه I²R تولید گرما می کند-دوبرابر شدن جریان، تولید گرما را چهار برابر می کند.

محرک های رایج افت ولتاژ عبارتند از:

ترانسفورماتورهای کم اندازه یا اضافه بار در زمان پیک تقاضا

ناپایداری شبکه در هنگام مشکلات سیستم شهری

خطوط انتقال طولانی با افت ولتاژ بیش از حد

راه اندازی همزمان چند بار-قدرت بالا

خرابی تجهیزات یا اتصالات الکتریکی ضعیف

Undervoltage Protection

مکانیسم های مخرب عملکرد ولتاژ پایین بسته به نوع تجهیزات متفاوت است اما الگوهای مشترکی دارند. موتورهای القایی یکی از آسیب پذیرترین دسته ها هستند. این موتورها نیازهای بار مکانیکی را بدون توجه به ولتاژ تغذیه حفظ می‌کنند و آنها را مجبور می‌کنند تا جریان بیشتری بکشند که سیم‌پیچ‌های استاتور را گرم می‌کند. داده های صنعت نشان می دهد که عملکرد مداوم در ولتاژ 85 درصد می تواند طول عمر موتور را تا 50 درصد یا بیشتر کاهش دهد.

کمپرسورها و سیستم های تبرید با چالش های مشابهی روبرو هستند. واحدهای تهویه مطبوع که کمتر از ولتاژ نامی کار می کنند، ظرفیت خنک کننده را کاهش می دهند در حالی که به طور همزمان جریان بیش از حد را می کشند. موتور کمپرسور برای حفظ اختلاف فشار تلاش می کند که منجر به گرم شدن بیش از حد سیم پیچ های موتور و خود مبرد می شود.

دستگاه های الکترونیکی با منبع تغذیه تنظیم شده حالت های خرابی مختلفی را نشان می دهند. بسیاری از رگولاتورهای سوئیچینگ می توانند تغییرات ولتاژ ورودی را جبران کنند، اما این جبران هزینه دارد. اجزای جلویی-باید جریان های بالاتری را تحمل کنند و مدارهای سوئیچینگ در چرخه های کاری بالا عمل می کنند که باعث افزایش فشار بر ترانزیستورها و خازن ها می شود.

مدیریت باتری یکی از حیاتی ترین کاربردها برای حفاظت در برابر ولتاژ پایین است. باتری‌های لیتیوم{1} یونی به کنترل دقیق ولتاژ نیاز دارند زیرا تخلیه زیر حداقل آستانه باعث تغییرات شیمیایی غیرقابل برگشتی می‌شود که به طور دائم ظرفیت را کاهش می‌دهد و خطرات ایمنی ایجاد می‌کند.

یک سلول یونی لیتیومی معمولی دارای ولتاژ اسمی 3.7 ولت با حداقل ولتاژ تخلیه ایمن در حدود 3.0 ولت است. هنگامی که ولتاژ سلول به زیر این آستانه می‌رسد، چندین فرآیند آسیب‌رسان آغاز می‌شود. انحلال مس از کلکتور جریان آند ممکن است رخ دهد و مس فلزی رسوب کند که ممکن است اتصال کوتاه داخلی ایجاد کند. لایه رابط الکترولیت جامد (SEI) روی آند ناپایدار می شود و می تواند در طول شارژ بعدی به شدت رشد کند و لیتیوم فعال مصرف کند و ظرفیت کلی را کاهش دهد.

سیستم های مدیریت باتری مدرن (BMS) چندین لایه حفاظت از ولتاژ پایین را پیاده سازی می کنند. مدار حفاظت اولیه، ولتاژ هر سلول را به طور مداوم نظارت می کند، معمولاً با نرخ های بین 100 هرتز و 1 کیلوهرتز نمونه برداری می کند. وقتی هر سلولی به حداقل آستانه ولتاژ نزدیک می‌شود-اغلب با حاشیه ایمنی 100-200 میلی‌ولت تنظیم می‌شود، BMS فوراً اقدام می‌کند.

مراحل پاسخ حفاظتی معمولاً عبارتند از:

اول، BMS جریان تخلیه را با محدود کردن تحویل توان به بار کاهش می دهد. این به ضعیف ترین سلول فرصتی می دهد تا کمی از کاهش ولتاژ ناشی از مقاومت داخلی بازیابی کند. اگر علیرغم کاهش جریان، ولتاژ همچنان به کاهش خود ادامه دهد، BMS با استفاده از ماسفت‌ها (ترانزیستورهای اثر میدان{4}}میدان نیمه هادی{4}}فلزی-اکسید-) یک قطع کامل را در مسیر تخلیه ایجاد می‌کند. این سوئیچ ها می توانند جریان جریان را در عرض میکروثانیه قطع کنند.

چالش سلول‌های یون لیتیوم- عمیقاً تخلیه شده فراتر از آسیب فوری است. سلولی که کمتر از 2.5 ولت تخلیه می شود ممکن است وارد حالت خاموش شدن محافظ شود، جایی که مدار حفاظت داخلی آن به طور دائم باز می شود. بازیابی چنین باتری نیازمند تجهیزات و روش های تخصصی است که بسیاری از شارژرهای استاندارد قادر به ارائه آن نیستند. برخی از سازندگان سیستم‌هایی را طراحی می‌کنند که از شارژ باتری‌ها با ولتاژ ترمینال زیر آستانه امتناع می‌ورزند و عملاً باتری را غیرقابل استفاده می‌کنند، حتی اگر سلول‌ها از نظر تئوری بازیابی شوند.

مدارهای محافظ باتری باید ایمنی را در مقابل قابلیت استفاده متعادل کنند. آستانه ولتاژ را خیلی بالا تنظیم کنید و کاربران نمی توانند به ظرفیت کامل باتری دسترسی پیدا کنند. آن را خیلی پایین بگذارید و سلول‌ها در معرض آسیب دائمی هستند. دما این محاسبه را پیچیده تر می کند، سلول های یونی-لیتیوم- می توانند با خیال راحت به ولتاژهای پایین تر در دماهای بالا تخلیه شوند، اما انجام این کار در دماهای پایین (زیر 0 درجه) می تواند باعث آبکاری لیتیوم شود که خطرات ایمنی ایجاد می کند.

Undervoltage Protection

سیستم های حفاظتی متکی به چندین مؤلفه کلیدی هستند که به صورت هماهنگ کار می کنند. سنجش ولتاژ نشان دهنده اولین عنصر حیاتی است. سیستم‌های سه فاز صنعتی معمولاً از ترانسفورماتورهای پتانسیل (PTs) استفاده می‌کنند که ولتاژ خط را به سطوح اندازه‌گیری ایمن کاهش می‌دهند و در عین حال دقت متناسبی را حفظ می‌کنند. این ترانسفورماتورها باید دقت خود را در محدوده وسیع ولتاژ حفظ کنند{4}}یک PT دارای رتبه برای 480 ولت اولیه ممکن است خروجی ثانویه 120 ولت را با دقت 0.5٪ ارائه دهد.

رله‌های مبتنی بر ریزپردازنده{0}}تا حد زیادی جایگزین طرح‌های الکترومغناطیسی قدیمی در تاسیسات مدرن شده‌اند. این دستگاه های دیجیتال به طور پیوسته از شکل موج ولتاژ نمونه برداری می کنند و مقادیر RMS (ریشه میانگین مربع) را محاسبه می کنند که سطح ولتاژ موثر را نشان می دهد. نرخ نمونه برداری 1-2 کیلوهرتز به رله اجازه می دهد تا به تغییرات ولتاژ در یک یا دو سیکل AC پاسخ دهد.

تنظیم آستانه تعیین می کند که محافظت چه زمانی فعال شود. استانداردهای صنعتی معمولاً ولتاژ پایین را 90 درصد اسمی برای حفاظت مرحله 1 و 85 درصد برای مرحله 2 تعریف می‌کنند. رویکرد دو مرحله‌ای به سیستم‌های حیاتی اجازه می‌دهد تا پاسخ‌های مدرج را اجرا کنند-مرحله 1 ممکن است بارهای غیر ضروری را قطع کند و در عین حال فرآیندهای حیاتی را حفظ کند، در حالی که خاموش شدن مرحله 2 برای جلوگیری از آسیب کامل به تجهیزات انجام می‌دهد.

تنظیمات تاخیر زمانی از افت مزاحم ناشی از افت های مختصر ولتاژ جلوگیری می کند. یک تاخیر زمانی معمولی از 0.1 تا 10 ثانیه است که بر اساس برنامه قابل تنظیم است. افت ولتاژ مختصر در هنگام راه اندازی موتور یا اختلالات مختصر شبکه نباید باعث حفاظت شود، اما شرایط کم ولتاژ پایدار نیاز به قطع و وصل سریع دارد.

مکانیسم قطع بر اساس کاربرد متفاوت است. سیستم های صنعتی بزرگ از کنتاکتورها یا قطع کننده های مدار استفاده می کنند که توسط خروجی های رله کنترل می شوند. این دستگاه ها می توانند صدها یا هزاران آمپر را با خیال راحت قطع کنند. برای کاربردهای کوچکتر، سوئیچینگ حالت جامد با استفاده از MOSFET یا IGBT (ترانزیستورهای دوقطبی گیت عایق شده) پاسخ سریع تری را بدون سایش مکانیکی ارائه می دهد.

سیستم های DC مدارهای قفل کم ولتاژ (UVLO) را اجرا می کنند که از عملکرد مدار کمتر از حداقل ولتاژ تغذیه جلوگیری می کند. این حفاظت برای مدارهای مجتمع و میکروکنترلرهایی که ممکن است در هنگام سقوط ولتاژ منبع تغذیه در مناطق عملیاتی نامشخص دچار نقص شوند، حیاتی است.

میکروکنترلر مشخص شده برای عملکرد 2.7-5.5 ولت به سادگی در 2.6 ولت کار نمی کند. در عوض، وارد یک حالت نامشخص می شود که در آن برخی از مدارها کار می کنند در حالی که برخی دیگر از کار می افتند. گیت‌های منطقی ممکن است خروجی‌های نادرستی تولید کنند، سلول‌های حافظه ممکن است به‌طور تصادفی بچرخند، و پردازنده ممکن است دستورالعمل‌های نامعتبر را اجرا کند. نتیجه می تواند از تخریب داده ها تا اقدامات کنترلی خطرناک متغیر باشد.

مدارهای UVLO معمولاً از مراجع و مقایسه کننده های ولتاژ دقیق استفاده می کنند تا تشخیص دهند که ولتاژ منبع تغذیه از حداقل آستانه عبور می کند. UVLO خوب طراحی شده شامل پسماند است-قبل از فعال شدن مجدد مدار، ولتاژ باید چند صد میلی ولت بالاتر از نقطه تردد افزایش یابد. اگر ولتاژ تغذیه نزدیک آستانه باشد، این هیسترزیس از نوسانات جلوگیری می کند.

برای دستگاه‌های باطری-، UVLO دارای اهداف دوگانه است. ابتدا مدارهای دستگاه را از خرابی محافظت می کند. دوم اینکه باتری را از تخلیه بیش از حد محافظت می کند. بسیاری از مدارهای UVLO در حالت غیرفعال کمتر از 5 µA مصرف می‌کنند و به باتری‌ها اجازه می‌دهند تا سطوح ولتاژ ایمن را در طول ذخیره‌سازی طولانی مدت حفظ کنند، بدون اینکه خود مدار حفاظتی باعث تخلیه عمیق شود.

استانداردهای بین المللی تحمل ولتاژ را برای دسته های مختلف تجهیزات تعریف می کنند. استاندارد ANSI C84.1 برای سیستم های قدرت الکتریکی محدوده های ولتاژ قابل قبولی را در نقاط تحویل خدمات مشخص می کند. برای سیستم های اسمی 120 ولت، محدوده قابل قبول 114-126 ولت (95-105 درصد اسمی) است. تولیدکنندگان تجهیزات باید محصولاتی را طراحی کنند که در این محدوده ها به طور رضایت بخشی عمل کنند.

IEC 61000-4-11 الزامات تست ایمنی افت ولتاژ را برای تجهیزات تعریف می کند. این استاندارد تجهیزات را بر اساس توانایی آنها در مقاومت در برابر کاهش ولتاژ در بزرگی ها و مدت زمان های مختلف به کلاس هایی طبقه بندی می کند. تجهیزات کلاس 3 باید در طول افت ولتاژ 30 درصد به مدت 0.5 ثانیه به کار خود ادامه دهند، در حالی که تجهیزات کلاس 1 ممکن است عملکرد خود را از دست بدهند اما نباید آسیب ببینند.

استانداردهای حفاظت موتور راهنمایی خاصی برای تجهیزات چرخشی ارائه می دهد. NEMA MG 1 مشخص می کند که موتورها باید در بار نامی رضایت بخش عمل کنند، زمانی که ولتاژ در محدوده ± 10٪ از امتیاز پلاک نام باشد. کار در ولتاژهای زیر این محدوده نیاز به محافظت برای جلوگیری از آسیب حرارتی دارد.

تاسیسات تولیدی برای تداوم فرآیند و ایمنی تجهیزات به شدت به حفاظت در برابر ولتاژ متکی هستند. خطوط تولید خودکار نمی توانند آسیب های غیرمنتظره تجهیزات ناشی از نوسانات ولتاژ را تحمل کنند. یک کارخانه تولید خودرو معمولی ممکن است صدها رله کم ولتاژ داشته باشد که از مراکز کنترل موتور جداگانه محافظت می کند، هر مجموعه با آستانه ها و تاخیرهای زمانی بهینه شده برای تجهیزات خاص.

مراکز داده در شرایط ولتاژ کم با چالش های منحصر به فردی روبرو هستند. منبع تغذیه سرور معمولاً شامل محدوده ولتاژ ورودی گسترده ای (90-264VAC) می شود، اما عملکرد پایدار در ولتاژ پایین باعث کاهش کارایی منبع تغذیه و افزایش نیازهای خنک کننده می شود. سیستم‌های UPS (منبع برق اضطراری) مرکز داده شامل تنظیم ولتاژ پیچیده است که می‌تواند ولتاژ ورودی را افزایش دهد، اما این جبران محدودیت‌هایی دارد. سیستم های مانیتورینگ زمانی که ولتاژ برق شهری رو به پایین می رود، آلارم ایجاد می کند و به اپراتورها اجازه می دهد قبل از رسیدن به آستانه های بحرانی، به برق ژنراتور سوئیچ کنند.

سیستم های تهویه مطبوع در ساختمان های تجاری نیاز به حفاظت هماهنگ در برابر ولتاژ دارند. یک سیستم چیلر که صدها آمپر می کشد نمی تواند به سادگی پس از افت ولتاژ راه اندازی مجدد شود. سیستم‌های مدیریت ساختمان مدرن از توالی‌های راه‌اندازی مجدد مرحله‌ای پس از اختلالات ولتاژ استفاده می‌کنند و تجهیزات را به شیوه‌ای کنترل‌شده به حالت آنلاین برمی‌گردانند که از خطاهای ثانویه جلوگیری می‌کند.

کاربردهای مسکونی به طور فزاینده ای از دستگاه های حفاظت ولتاژ استفاده می کنند، به ویژه در مناطقی با توان شبکه ناپایدار. در حال حاضر، تمام{1}}حفاظ‌های برق خانگی معمولاً شامل قطع ولتاژ می‌شوند که از وسایل گران قیمت در برابر آسیب‌های قهوه‌ای محافظت می‌کنند. این دستگاه‌ها معمولاً از آستانه‌های قابل تنظیم استفاده می‌کنند که به مالکان خانه اجازه می‌دهد تا نقاط سفر را بر اساس الگوهای پایداری ولتاژ محلی تعیین کنند.

Undervoltage Protection

انتخاب حفاظت مناسب مستلزم درک ویژگی های سیستم قدرت و تجهیزات محافظت شده است. برای کاربردهای موتور سه فاز، حفاظت باید عدم تعادل ولتاژ و همچنین کمبود ولتاژ را در نظر بگیرد. یک موتور ممکن است 460 ولت در فاز A، 445 ولت در فاز B، و 435 ولت در فاز C ببیند. جریان های توالی منفی حاصل می تواند به موتور آسیب برساند، حتی اگر ولتاژ متوسط قابل قبول به نظر برسد.

هماهنگی بین وسایل حفاظتی از خرابی های آبشاری جلوگیری می کند. اگر هم یک قطع کننده اصلی و هم یک قطع کننده مدار انشعاب دارای حفاظت در برابر ولتاژ پایین باشند، تنظیمات آنها باید برای اطمینان از قطع شدن مدار انشعاب ابتدا برای خطاهای محلی در حالی که قطع کننده اصلی مشکلات ولتاژ گسترده سیستم را کنترل می کند{1}}. هماهنگی تأخیر زمانی باعث ایجاد گزینش می‌شود-مدارهای شاخه در عرض 0.5 ثانیه قطع می‌شوند در حالی که قطع کننده اصلی 2-3 ثانیه به تأخیر می‌افتد.

الزامات نگهداری بسته به نوع حفاظت متفاوت است. رله های الکترومکانیکی نیاز به آزمایش دوره ای برای تایید عملکرد سیم پیچ و یکپارچگی تماس دارند. رله‌ای که قطع نمی‌شود هیچ حفاظتی ایجاد نمی‌کند، در حالی که رله‌ای که پیش از موعد خاموش می‌شود باعث خرابی غیرضروری می‌شود. آزمایش سالانه با استفاده از مجموعه آزمایشی که می تواند شرایط ولتاژ پایین را شبیه سازی کند به اطمینان از عملکرد قابل اعتماد کمک می کند.

رله‌های دیجیتال مدرن مزایایی از جمله نظارت بر خود و ثبت داده‌ها را ارائه می‌دهند. این دستگاه‌ها به‌طور مداوم مدارهای داخلی خود را تأیید می‌کنند و می‌توانند به پرسنل تعمیر و نگهداری از بروز مشکلات قبل از شکست حفاظت هشدار دهند. ثبت رویداد پروفایل های ولتاژ را در هنگام اختلالات می گیرد و اطلاعات ارزشمندی را برای عیب یابی مشکلات تکراری ارائه می دهد.

آستانه های استاندارد معمولاً روی 90 درصد ولتاژ اسمی برای هشدارهای اولیه و 85 درصد برای قطع کامل اتصال قرار می گیرند. یک سیستم 480 ولت در 432 ولت (مرحله 1) و 408 ولت (مرحله 2) راه اندازی می شود. سیستم‌های باتری از آستانه‌های ولتاژ مخصوص سلول‌های یونی شیمی-لیتیوم{10} معمولاً حدود 3.0 ولت در هر سلول جدا می‌شوند در حالی که باتری‌های سرب{12}}اسید از 1.75 ولت در هر سلول استفاده می‌کنند.

زمان پاسخ به روش حفاظتی بستگی دارد. سیستم های الکترونیکی با استفاده از سوئیچینگ حالت جامد می توانند بارها را در عرض 1-2 میلی ثانیه قطع کنند. رله های الکترومکانیکی معمولاً در 50-200 میلی ثانیه پاسخ می دهند. تأخیرهای زمانی اغلب به عمد اضافه می شوند (معمولاً 0.5-5 ثانیه) تا از افت مزاحم افت ولتاژ جلوگیری شود.

این بستگی به الزامات برنامه و طراحی حفاظت دارد. تجهیزات ایمنی حیاتی معمولاً به تنظیم مجدد دستی نیاز دارند تا اطمینان حاصل شود که اپراتور شرایط ایمن را قبل از راه اندازی مجدد تأیید می کند. تنظیم مجدد خودکار در شارژرهای باتری و برخی منابع تغذیه رایج است که در آن اتصال مجدد فوری هنگام بازیابی ولتاژ هیچ خطر ایمنی ایجاد نمی کند. سیستم‌های بازنشانی خودکار معمولاً دارای تأخیرهای قابل برنامه‌ریزی (10-60 ثانیه) هستند تا ولتاژ تغذیه تثبیت شود.

حفاظت در برابر ولتاژ به میزان قابل توجهی خطر آسیب را کاهش می دهد اما نمی تواند همه مشکلات را برطرف کند. تجهیزات ممکن است در فاصله زمانی بین کاهش ولتاژ و فعال شدن حفاظت، مقداری تنش حرارتی را تجربه کنند. علاوه بر این، افت ولتاژ بسیار مختصر برای شروع زمان{2}}تأخیر در حفاظت همچنان می‌تواند باعث مشکلاتی مانند ضربان‌های گشتاور موتور یا اشکالات منبع تغذیه شود. حفاظت جامع نیازمند رویکردهای متعددی از جمله اندازه مدار مناسب، تصحیح ضریب توان و قرار دادن استراتژیک تجهیزات پشتیبانی ولتاژ است.

سیستم‌های الکتریکی مدرن برای عملکرد قابل اعتماد به ولتاژی که در باندهای باریک باقی می‌مانند متکی هستند. همانطور که تجهیزات پیچیده تر و گران تر می شوند، هزینه خرابی های مربوط به ولتاژ به نسبت افزایش می یابد. یک رویکرد جامع برای حفاظت از ولتاژ-ترکیب طراحی مناسب سیستم، دستگاه‌های حفاظتی مناسب، و تعمیر و نگهداری منظم{4}} قابلیت اطمینان مورد نیاز امکانات مدرن را فراهم می‌کند. سرمایه‌گذاری اولیه در حفاظت از کیفیت، از طریق طولانی‌تر شدن عمر تجهیزات، کاهش زمان از کار افتادگی، و بهبود حاشیه‌های ایمنی که از تجهیزات و پرسنل محافظت می‌کند، سود می‌دهد.