Bảo vệ thấp áp là gì?

Bảo vệ thấp áp là cơ chế an toàn tự động ngắt kết nối thiết bị điện khi điện áp nguồn giảm xuống dưới ngưỡng quy định. Hệ thống bảo vệ này giám sát mức điện áp liên tục và ngăn chặn thiết bị hoạt động trong các điều kiện có thể gây quá nhiệt, giảm hiệu suất hoặc hư hỏng vĩnh viễn.

Khi điện áp giảm xuống dưới mức vận hành được thiết kế, các thiết bị điện sẽ phản ứng theo cách có thể làm giảm tuổi thọ của chúng một cách nghiêm trọng. Động cơ và máy biến áp tiêu thụ nhiều dòng điện hơn để bù đắp cho điện áp giảm, tạo ra nhiệt quá mức làm giảm chất cách điện và làm tăng tốc độ hư hỏng linh kiện. Động cơ ba pha-chạy ở 90% điện áp định mức có thể chịu mức tăng dòng điện từ 11% trở lên, tạo ra ứng suất nhiệt tăng dần theo thời gian.

Nguyên lý vật lý đằng sau thiệt hại này rất đơn giản. Công suất (tính bằng watt) bằng điện áp nhân với dòng điện. Khi điện áp giảm nhưng thiết bị vẫn cần cung cấp cùng một công suất thì dòng điện phải tăng tương ứng. Dòng điện tăng cao này chạy qua dây dẫn và cuộn dây tạo ra nhiệt theo mối quan hệ I2R-gấp đôi dòng điện và tăng gấp bốn lần lượng nhiệt sinh ra.

Các yếu tố kích hoạt điện áp thấp phổ biến bao gồm:

Máy biến áp có công suất nhỏ hơn hoặc quá tải trong thời gian có nhu cầu cao điểm

Sự mất ổn định của lưới điện khi hệ thống tiện ích gặp sự cố

Đường dây truyền tải dài có sụt áp quá mức

Khởi động đồng thời nhiều tải-công suất cao

Trục trặc thiết bị hoặc kết nối điện kém

Undervoltage Protection

Cơ chế phá hủy của hoạt động ở điện áp thấp khác nhau tùy theo loại thiết bị nhưng có chung các mô hình. Động cơ cảm ứng đại diện cho một trong những loại dễ bị tổn thương nhất. Những động cơ này duy trì các yêu cầu về tải cơ học bất kể điện áp nguồn, buộc chúng phải tiêu thụ dòng điện cao hơn để làm nóng cuộn dây stato. Dữ liệu ngành cho thấy hoạt động liên tục ở điện áp 85% có thể làm giảm tuổi thọ động cơ từ 50% trở lên.

Máy nén và hệ thống làm lạnh phải đối mặt với những thách thức tương tự. Các thiết bị điều hòa không khí hoạt động dưới điện áp định mức sẽ bị giảm khả năng làm mát đồng thời tiêu thụ dòng điện quá mức. Động cơ máy nén gặp khó khăn trong việc duy trì chênh lệch áp suất, dẫn đến quá nhiệt của cả cuộn dây động cơ và chất làm lạnh.

Thiết bị điện tử với nguồn điện được điều chỉnh có các dạng hư hỏng khác nhau. Nhiều bộ điều chỉnh chuyển mạch có thể bù cho sự thay đổi điện áp đầu vào, nhưng việc bù này phải trả giá. Các thành phần-phía trước phải xử lý dòng điện cao hơn và các mạch chuyển mạch hoạt động ở chu kỳ nhiệm vụ cao hơn làm tăng áp lực lên bóng bán dẫn và tụ điện.

Quản lý pin đại diện cho một trong những ứng dụng quan trọng nhất để bảo vệ điện áp thấp. Pin lithium{1}}ion yêu cầu kiểm soát điện áp chính xác vì việc phóng điện dưới ngưỡng tối thiểu sẽ gây ra những thay đổi hóa học không thể khắc phục được, làm giảm công suất vĩnh viễn và tạo ra các mối nguy hiểm về an toàn.

Pin lithium{0}}ion điển hình có điện áp danh định là 3,7V với điện áp phóng điện an toàn tối thiểu là khoảng 3,0V. Khi điện áp di động giảm xuống dưới ngưỡng này, một số quá trình gây tổn hại sẽ bắt đầu. Sự hòa tan đồng từ bộ thu dòng anode có thể xảy ra, lắng đọng đồng kim loại có thể tạo ra đoản mạch bên trong. Lớp giao diện điện phân rắn (SEI) trên cực dương trở nên không ổn định và có thể phát triển quá mức trong quá trình sạc tiếp theo, tiêu thụ lithium hoạt động và giảm công suất tổng thể.

Hệ thống quản lý pin hiện đại (BMS) triển khai nhiều lớp bảo vệ điện áp thấp. Mạch bảo vệ chính giám sát liên tục từng điện áp của tế bào, thường lấy mẫu ở tốc độ từ 100Hz đến 1kHz. Khi bất kỳ ô nào đạt đến ngưỡng điện áp tối thiểu-thường được đặt với biên độ an toàn 100-200mV-BMS sẽ hành động ngay lập tức.

Các giai đoạn phản ứng bảo vệ thường bao gồm:

Đầu tiên, BMS giảm dòng phóng điện bằng cách hạn chế cung cấp điện cho tải. Điều này giúp tế bào yếu nhất có cơ hội phục hồi đôi chút sau hiện tượng sụt điện áp do điện trở trong gây ra. Nếu điện áp tiếp tục giảm mặc dù dòng điện giảm, BMS sẽ kích hoạt ngắt kết nối hoàn toàn bằng cách sử dụng MOSFET (bóng bán dẫn hiệu ứng trường bán dẫn-oxit-kim loại-) trong đường phóng điện. Những công tắc này có thể làm gián đoạn dòng điện trong vòng micro giây.

Thử thách với các tế bào ion lithium{0}}được phóng điện sâu vượt xa mức độ hư hại tức thời. Một tế bào được xả dưới 2,5V có thể chuyển sang chế độ tắt bảo vệ khi mạch bảo vệ bên trong của nó mở vĩnh viễn. Việc phục hồi pin như vậy cần có thiết bị và quy trình chuyên dụng mà nhiều bộ sạc tiêu chuẩn không thể cung cấp. Một số nhà sản xuất thiết kế hệ thống từ chối sạc pin với điện áp đầu cuối dưới ngưỡng, khiến pin không thể sử dụng được ngay cả khi về mặt lý thuyết các tế bào có thể phục hồi.

Mạch bảo vệ pin phải cân bằng giữa an toàn và khả năng sử dụng. Đặt ngưỡng điện áp thấp quá cao và người dùng không thể sử dụng hết dung lượng của pin. Đặt nó quá thấp và các tế bào có nguy cơ bị tổn thương vĩnh viễn. Nhiệt độ làm phức tạp thêm phép tính này. Các tế bào ion-lithium{4}}có thể phóng điện an toàn xuống điện áp thấp hơn ở nhiệt độ cao, nhưng làm như vậy ở nhiệt độ thấp (dưới 0 độ ) có thể khiến lớp mạ lithium tạo ra mối nguy hiểm về an toàn.

Undervoltage Protection

Hệ thống bảo vệ dựa vào một số thành phần chính phối hợp hoạt động. Cảm biến điện áp đại diện cho yếu tố quan trọng đầu tiên. Hệ thống ba{2} pha công nghiệp thường sử dụng máy biến thế tiềm năng (PT) để giảm điện áp đường dây xuống mức đo an toàn trong khi vẫn duy trì độ chính xác tương ứng. Những máy biến áp này phải duy trì độ chính xác trên các dải điện áp rộng-PT được định mức cho điện áp sơ cấp 480V có thể cung cấp đầu ra thứ cấp 120V với độ chính xác trong khoảng 0,5%.

Rơle dựa trên bộ vi xử lý{0}}đã thay thế phần lớn các thiết kế điện từ cũ hơn trong các hệ thống lắp đặt hiện đại. Các thiết bị kỹ thuật số này liên tục lấy mẫu dạng sóng điện áp và tính toán các giá trị RMS (bình phương trung bình gốc) đại diện cho mức điện áp hiệu dụng. Tốc độ lấy mẫu 1-2kHz cho phép rơle phản ứng với sự thay đổi điện áp trong một hoặc hai chu kỳ AC.

Cài đặt ngưỡng xác định thời điểm kích hoạt bảo vệ. Các tiêu chuẩn công nghiệp thường xác định điện áp thấp là 90% giá trị danh định đối với bảo vệ giai đoạn 1 và 85% đối với giai đoạn 2. Phương pháp hai-giai đoạn cho phép các hệ thống quan trọng triển khai phản hồi tăng dần-giai đoạn 1 có thể ngắt kết nối các tải không-thiết yếu trong khi vẫn duy trì các quy trình quan trọng, trong khi giai đoạn 2 thực hiện tắt máy hoàn toàn để tránh hư hỏng thiết bị.

Cài đặt độ trễ thời gian ngăn cản việc vấp ngã phiền toái do sụt điện áp trong thời gian ngắn. Thời gian trễ thông thường dao động từ 0,1 đến 10 giây, có thể điều chỉnh dựa trên ứng dụng. Sự sụt giảm điện áp trong thời gian ngắn trong quá trình khởi động động cơ hoặc rối loạn lưới điện trong thời gian ngắn sẽ không kích hoạt tính năng bảo vệ, nhưng tình trạng điện áp thấp kéo dài đòi hỏi phải ngắt kết nối ngay lập tức.

Cơ chế ngắt kết nối thay đổi tùy theo ứng dụng. Các hệ thống công nghiệp lớn sử dụng công tắc tơ hoặc bộ ngắt mạch được điều khiển bằng đầu ra rơle. Những thiết bị này có thể ngắt dòng điện hàng trăm hoặc hàng nghìn ampe một cách an toàn. Đối với các ứng dụng nhỏ hơn, chuyển đổi trạng thái rắn-sử dụng MOSFET hoặc IGBT (bóng bán dẫn lưỡng cực cổng-cách điện) mang lại phản hồi nhanh hơn mà không bị mài mòn cơ học.

Hệ thống DC triển khai các mạch khóa điện áp thấp (UVLO) để ngăn chặn hoạt động của mạch dưới mức điện áp cung cấp tối thiểu. Việc bảo vệ này rất quan trọng đối với các mạch tích hợp và bộ vi điều khiển có thể gặp trục trặc khi điện áp nguồn rơi vào vùng hoạt động không xác định.

Một bộ vi điều khiển được chỉ định cho hoạt động 2,7-5,5V không chỉ dừng hoạt động ở 2,6V. Thay vào đó, nó chuyển sang trạng thái không chắc chắn, trong đó một số mạch hoạt động trong khi các mạch khác bị hỏng. Cổng logic có thể tạo ra đầu ra không chính xác, các ô nhớ có thể lật ngẫu nhiên và bộ xử lý có thể thực hiện các lệnh không hợp lệ. Kết quả có thể bao gồm từ hỏng dữ liệu đến các hành động kiểm soát nguy hiểm.

Mạch UVLO thường sử dụng bộ so sánh và tham chiếu điện áp chính xác để phát hiện khi điện áp nguồn vượt qua ngưỡng tối thiểu. UVLO-được thiết kế tốt bao gồm độ trễ-điện áp phải tăng vài trăm milivolt trên điểm ngắt trước khi mạch-bật lại. Độ trễ này ngăn ngừa dao động nếu điện áp nguồn dao động gần ngưỡng.

Đối với các thiết bị{0}}chạy bằng pin, UVLO phục vụ hai mục đích. Đầu tiên, nó bảo vệ các mạch của thiết bị khỏi sự cố. Thứ hai, nó bảo vệ pin khỏi bị xả quá mức. Nhiều mạch UVLO tiêu thụ ít hơn 5µA ở trạng thái tắt, cho phép pin duy trì mức điện áp an toàn trong quá trình lưu trữ-dài hạn mà không cần chính mạch bảo vệ gây phóng điện sâu.

Tiêu chuẩn quốc tế xác định dung sai điện áp cho các loại thiết bị khác nhau. Tiêu chuẩn ANSI C84.1 cho hệ thống điện chỉ định dải điện áp chấp nhận được tại các điểm cung cấp dịch vụ. Đối với hệ thống danh nghĩa 120V, phạm vi chấp nhận được là 114-126V (95-105% danh nghĩa). Các nhà sản xuất thiết bị phải thiết kế các sản phẩm để hoạt động thỏa đáng trong những giới hạn này.

IEC 61000-4-11 xác định các yêu cầu kiểm tra khả năng miễn nhiễm sụt áp cho thiết bị. Tiêu chuẩn này phân loại thiết bị thành các loại dựa trên khả năng chịu được sự giảm điện áp ở các cường độ và thời lượng khác nhau. Thiết bị Loại 3 phải duy trì hoạt động trong thời gian sụt áp 30% kéo dài 0,5 giây, trong khi thiết bị Loại 1 có thể mất chức năng nhưng không bị hư hỏng.

Tiêu chuẩn bảo vệ động cơ cung cấp hướng dẫn cụ thể cho thiết bị quay. NEMA MG 1 quy định rằng động cơ phải hoạt động ổn định ở mức tải định mức khi điện áp nằm trong khoảng ±10% định mức trên nhãn mác. Hoạt động ở điện áp dưới phạm vi này cần được bảo vệ để tránh hư hỏng do nhiệt.

Các cơ sở sản xuất phụ thuộc nhiều vào bảo vệ điện áp thấp để đảm bảo tính liên tục của quy trình và an toàn cho thiết bị. Dây chuyền sản xuất tự động không thể chịu đựng được những hư hỏng thiết bị bất ngờ do dao động điện áp. Một nhà máy sản xuất ô tô điển hình có thể có hàng trăm rơle điện áp thấp bảo vệ các trung tâm điều khiển động cơ riêng lẻ, mỗi bộ có ngưỡng và độ trễ thời gian được tối ưu hóa cho thiết bị cụ thể.

Các trung tâm dữ liệu phải đối mặt với những thách thức đặc biệt với điều kiện điện áp thấp. Bộ nguồn máy chủ thường bao gồm dải điện áp đầu vào rộng (90-264VAC), nhưng hoạt động liên tục ở điện áp thấp sẽ làm giảm hiệu suất cung cấp điện và tăng yêu cầu làm mát. Hệ thống UPS (nguồn điện liên tục) của trung tâm dữ liệu bao gồm khả năng điều chỉnh điện áp phức tạp có thể tăng điện áp đầu vào, nhưng khả năng bù này có giới hạn. Hệ thống giám sát kích hoạt cảnh báo khi điện áp tiện ích có xu hướng giảm xuống, cho phép người vận hành chuyển sang nguồn điện máy phát điện trước khi đạt đến ngưỡng tới hạn.

Hệ thống HVAC trong các tòa nhà thương mại yêu cầu phối hợp bảo vệ điện áp thấp. Một hệ thống làm lạnh tiêu tốn hàng trăm ampe không thể khởi động lại sau khi sụt điện áp-dòng điện khởi động sẽ ngắt bảo vệ quá dòng. Hệ thống quản lý tòa nhà hiện đại sử dụng trình tự khởi động lại theo giai đoạn sau khi xảy ra nhiễu loạn điện áp, đưa thiết bị hoạt động trở lại theo cách được kiểm soát nhằm ngăn ngừa các lỗi thứ cấp.

Các ứng dụng dân dụng ngày càng sử dụng nhiều thiết bị bảo vệ điện áp, đặc biệt ở những vùng có lưới điện không ổn định. Thiết bị chống sét lan truyền cho toàn bộ ngôi nhà-hiện nay thường bao gồm cả việc ngắt kết nối điện áp thấp, bảo vệ các thiết bị đắt tiền khỏi hư hỏng-do mất điện. Các thiết bị này thường sử dụng các ngưỡng có thể điều chỉnh cho phép chủ nhà đặt điểm ngắt dựa trên mô hình ổn định điện áp cục bộ.

Undervoltage Protection

Việc lựa chọn biện pháp bảo vệ phù hợp đòi hỏi phải hiểu rõ cả đặc điểm của hệ thống điện và thiết bị được bảo vệ. Đối với các ứng dụng động cơ ba pha,{1}}việc bảo vệ phải tính đến sự mất cân bằng điện áp cũng như điện áp thấp. Một động cơ có thể thấy 460V ở pha A, 445V ở pha B và 435V ở pha C. Kết quả là dòng điện thứ tự âm có thể làm hỏng động cơ ngay cả khi điện áp trung bình có vẻ chấp nhận được.

Sự phối hợp giữa các thiết bị bảo vệ ngăn ngừa sự cố xếp tầng. Nếu cả cầu dao chính và cầu dao nhánh đều có chức năng bảo vệ điện áp thấp, thì cài đặt của chúng phải phối hợp để đảm bảo mạch nhánh ngắt trước tiên do các lỗi cục bộ trong khi cầu dao chính xử lý các sự cố điện áp trên toàn hệ thống-. Việc phối hợp độ trễ thời gian tạo ra-các mạch nhánh có tính chọn lọc trong vòng 0,5 giây trong khi bộ ngắt chính trì hoãn 2-3 giây.

Yêu cầu bảo trì khác nhau tùy theo loại bảo vệ. Rơle điện cơ yêu cầu kiểm tra định kỳ để xác minh hoạt động của cuộn dây và tính toàn vẹn của tiếp điểm. Một rơle không ngắt sẽ không có khả năng bảo vệ, trong khi một rơle ngắt sớm sẽ gây ra thời gian ngừng hoạt động không cần thiết. Thử nghiệm hàng năm bằng cách sử dụng bộ thử nghiệm có thể mô phỏng các điều kiện điện áp thấp giúp đảm bảo hoạt động đáng tin cậy.

Rơ-le kỹ thuật số hiện đại mang lại những lợi thế bao gồm cả-tự giám sát và ghi dữ liệu. Các thiết bị này liên tục xác minh các mạch bên trong của chúng và có thể cảnh báo nhân viên bảo trì về các vấn đề đang phát triển trước khi lỗi bảo vệ. Tính năng ghi sự kiện ghi lại cấu hình điện áp khi có nhiễu loạn, cung cấp thông tin có giá trị để khắc phục sự cố tái diễn.

Ngưỡng tiêu chuẩn thường ở mức 90% điện áp danh định cho các cảnh báo ban đầu và 85% cho việc ngắt kết nối hoàn toàn. Hệ thống 480V sẽ kích hoạt ở mức 432V (giai đoạn 1) và 408V (giai đoạn 2). Hệ thống pin sử dụng ngưỡng điện áp dành riêng cho tế bào ion-lithium{10}}hóa học thường ngắt kết nối khoảng 3,0V mỗi tế bào trong khi pin axit chì{12}}sử dụng 1,75V mỗi tế bào.

Thời gian đáp ứng phụ thuộc vào phương pháp bảo vệ. Hệ thống điện tử sử dụng chuyển đổi trạng thái rắn-có thể ngắt kết nối tải trong vòng 1-2 mili giây. Rơle điện cơ thường phản hồi trong 50-200 mili giây. Độ trễ thời gian thường được thêm vào một cách có chủ ý (thông thường là 0,5-5 giây) để tránh vấp ngã phiền toái do sụt điện áp trong thời gian ngắn.

Điều này phụ thuộc vào yêu cầu ứng dụng và thiết kế bảo vệ. Thiết bị an toàn quan trọng thường yêu cầu thiết lập lại thủ công để đảm bảo người vận hành xác minh các điều kiện an toàn trước khi khởi động lại. Tự động đặt lại là phổ biến trong bộ sạc pin và một số nguồn điện mà việc kết nối lại ngay lập tức khi điện áp phục hồi không gây ra mối nguy hiểm nào về an toàn. Hệ thống-đặt lại tự động thường bao gồm độ trễ có thể lập trình (10-60 giây) để cho phép điện áp nguồn ổn định.

Bảo vệ điện áp thấp làm giảm đáng kể nguy cơ hư hỏng nhưng không thể loại bỏ mọi vấn đề. Thiết bị có thể gặp một số ứng suất nhiệt trong khoảng thời gian từ khi điện áp giảm đến khi kích hoạt bảo vệ. Ngoài ra, độ trễ điện áp quá ngắn để kích hoạt tính năng bảo vệ trễ-theo thời gian vẫn có thể gây ra các sự cố như xung mô-men xoắn động cơ hoặc trục trặc về nguồn điện. Bảo vệ toàn diện đòi hỏi nhiều phương pháp tiếp cận bao gồm định cỡ mạch thích hợp, hiệu chỉnh hệ số công suất và vị trí chiến lược của thiết bị hỗ trợ điện áp.

Hệ thống điện hiện đại dựa vào điện áp nằm trong dải hẹp để hoạt động đáng tin cậy. Khi thiết bị trở nên phức tạp và đắt tiền hơn, chi phí cho các sự cố liên quan đến điện áp{1}}sẽ tăng theo tỷ lệ. Một cách tiếp cận toàn diện để bảo vệ điện áp-kết hợp thiết kế hệ thống phù hợp, thiết bị bảo vệ phù hợp và bảo trì thường xuyên-mang lại độ tin cậy mà các cơ sở hiện đại yêu cầu. Khoản đầu tư ban đầu vào việc bảo vệ chất lượng sẽ mang lại lợi ích thông qua việc kéo dài tuổi thọ thiết bị, giảm thời gian ngừng hoạt động và cải thiện biên độ an toàn để bảo vệ cả thiết bị và con người.