ما هي حماية الجهد المنخفض؟

الحماية من انخفاض الجهد هي آلية أمان تقوم تلقائيًا بفصل المعدات الكهربائية عندما ينخفض جهد الإمداد عن الحد المحدد. يقوم نظام الحماية هذا بمراقبة مستويات الجهد بشكل مستمر ويمنع المعدات من العمل في ظل ظروف قد تسبب ارتفاع درجة الحرارة أو انخفاض الكفاءة أو تلفًا دائمًا.

عندما ينخفض الجهد الكهربي عن مستويات التشغيل المصممة، تستجيب الأجهزة الكهربائية بطرق قد تؤدي إلى تقصير عمرها الافتراضي بشكل كبير. تسحب المحركات والمحولات تيارًا أكبر للتعويض عن انخفاض الجهد، مما يؤدي إلى توليد حرارة زائدة تؤدي إلى تدهور العزل وتسريع فشل المكونات. يمكن للمحرك ثلاثي الطور-الذي يعمل بـ 90% من الجهد المقدر أن يتعرض لزيادات في التيار بنسبة 11% أو أكثر، مما يؤدي إلى إجهاد حراري يتراكم بمرور الوقت.

إن الفيزياء وراء هذا الضرر واضحة ومباشرة. الطاقة (المقاسة بالواط) تساوي الجهد مضروبًا في التيار. عندما ينخفض الجهد ولكن الجهاز لا يزال بحاجة إلى توصيل نفس خرج الطاقة، يجب أن يزيد التيار بشكل متناسب. يؤدي تدفق التيار المرتفع عبر الموصلات والملفات إلى إنتاج حرارة وفقًا لعلاقة I²R- مما يؤدي إلى مضاعفة التيار إلى مضاعفة توليد الحرارة أربع مرات.

تشمل محفزات انخفاض الجهد الشائعة ما يلي:

المحولات ذات الحجم الصغير أو المحملة بشكل زائد أثناء ذروة الطلب

عدم استقرار الشبكة أثناء مشاكل نظام المرافق

خطوط النقل الطويلة مع انخفاض الجهد الزائد

بدء تشغيل متزامن لأحمال طاقة متعددة-عالية

أعطال المعدات أو ضعف التوصيلات الكهربائية

Undervoltage Protection

تختلف الآليات التدميرية لتشغيل الجهد المنخفض حسب نوع المعدات ولكنها تشترك في أنماط مشتركة. تمثل المحركات الحثية واحدة من الفئات الأكثر عرضة للخطر. تحافظ هذه المحركات على متطلبات الحمل الميكانيكي بغض النظر عن جهد الإمداد، مما يجبرها على سحب تيار أعلى يؤدي إلى تسخين ملفات الجزء الثابت. تظهر بيانات الصناعة أن التشغيل المستمر بجهد 85% يمكن أن يقلل من العمر المتوقع للمحرك بنسبة 50% أو أكثر.

تواجه الضواغط وأنظمة التبريد تحديات مماثلة. وحدات تكييف الهواء التي تعمل تحت الجهد المقنن تعاني من انخفاض قدرة التبريد بينما تسحب تيارًا زائدًا في نفس الوقت. يكافح محرك الضاغط للحفاظ على فرق الضغط، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة كل من ملفات المحرك وغاز التبريد نفسه.

تظهر الإلكترونيات ذات مصادر الطاقة المنظمة أوضاع فشل مختلفة. يمكن للعديد من منظمات التحويل التعويض عن تغيرات جهد الدخل، لكن هذا التعويض له تكلفة. يجب أن تتعامل مكونات الواجهة الأمامية- مع تيارات أعلى، وتعمل دوائر التبديل عند دورات عمل مرتفعة تزيد من الضغط على الترانزستورات والمكثفات.

تمثل إدارة البطارية أحد أهم التطبيقات لحماية الجهد المنخفض. تتطلب بطاريات الليثيوم-أيون تحكمًا دقيقًا في الجهد لأن التفريغ تحت الحد الأدنى يؤدي إلى تغيرات كيميائية لا رجعة فيها تقلل السعة بشكل دائم وتخلق مخاطر على السلامة.

تحتوي خلية أيون الليثيوم- النموذجية على جهد اسمي يبلغ 3.7 فولت مع حد أدنى لجهد التفريغ الآمن يبلغ حوالي 3.0 فولت. عندما ينخفض جهد الخلية إلى ما دون هذا الحد، تبدأ العديد من العمليات الضارة. يمكن أن يحدث انحلال للنحاس من مجمع تيار الأنود، مما يؤدي إلى ترسيب النحاس المعدني الذي قد يؤدي إلى إنشاء دوائر قصيرة داخلية. تصبح طبقة واجهة الإلكتروليت الصلبة (SEI) الموجودة على الأنود غير مستقرة ويمكن أن تنمو بشكل مفرط أثناء الشحن اللاحق، مما يستهلك الليثيوم النشط ويقلل السعة الإجمالية.

تطبق أنظمة إدارة البطارية الحديثة (BMS) طبقات متعددة من الحماية من انخفاض الجهد. تقوم دائرة الحماية الأولية بمراقبة جهد كل خلية بشكل مستمر، وعادةً ما تقوم بأخذ العينات بمعدلات تتراوح بين 100 هرتز و1 كيلو هرتز. عندما تقترب أي خلية منفردة من الحد الأدنى للجهد -الذي يتم تعيينه غالبًا بهامش أمان يبلغ 100-200 مللي فولت - يتخذ نظام إدارة المباني إجراءً فوريًا.

تتضمن مراحل الاستجابة للحماية عادة ما يلي:

أولاً، يعمل نظام إدارة المباني (BMS) على تقليل تيار التفريغ عن طريق الحد من توصيل الطاقة إلى الحمل. وهذا يمنح الخلية الأضعف فرصة للتعافي قليلاً من تراجع الجهد الناتج عن المقاومة الداخلية. إذا استمر الجهد في الانخفاض على الرغم من انخفاض التيار، فإن نظام إدارة المباني يؤدي إلى قطع الاتصال الكامل باستخدام الترانزستورات ذات التأثير المعدني -أكسيد-مجال أشباه الموصلات-) في مسار التفريغ. يمكن لهذه المفاتيح أن تقطع تدفق التيار خلال ميكروثانية.

إن التحدي المتمثل في خلايا أيون الليثيوم- المفرغة بعمق يمتد إلى ما هو أبعد من الضرر المباشر. قد تدخل الخلية التي تم تفريغها أقل من 2.5 فولت في وضع إيقاف التشغيل الوقائي حيث تفتح دائرة الحماية الداخلية الخاصة بها بشكل دائم. تتطلب استعادة مثل هذه البطارية معدات وإجراءات متخصصة لا تستطيع العديد من أجهزة الشحن القياسية توفيرها. تصمم بعض الشركات المصنعة أنظمة ترفض شحن البطاريات بجهد طرفي أقل من العتبة، مما يجعل البطارية غير قابلة للاستخدام حتى لو كان من الممكن استعادة الخلايا نظريًا.

يجب أن توازن دوائر حماية البطارية بين السلامة وسهولة الاستخدام. اضبط عتبة الجهد المنخفض على مستوى عالٍ للغاية، ولن يتمكن المستخدمون من الوصول إلى السعة الكاملة للبطارية. إذا قمت بضبطه على مستوى منخفض للغاية، فإن الخلايا تخاطر بتلف دائم. تزيد درجة الحرارة من تعقيد هذه العملية الحسابية، حيث يمكن لخلايا أيون الليثيوم-تفريغها بأمان إلى جهد منخفض عند درجات حرارة مرتفعة، ولكن القيام بذلك عند درجات حرارة منخفضة (أقل من 0 درجة ) يمكن أن يتسبب في طلاء الليثيوم مما يخلق مخاطر على السلامة.

Undervoltage Protection

تعتمد أنظمة الحماية على عدة مكونات رئيسية تعمل بالتنسيق. يمثل استشعار الجهد العنصر الحاسم الأول. تستخدم الأنظمة الصناعية ثلاثية الطور - عادةً محولات محتملة (PTs) تعمل على خفض جهد الخط إلى مستويات قياس آمنة مع الحفاظ على الدقة التناسبية. يجب أن تحافظ هذه المحولات على الدقة عبر نطاقات جهد واسعة-قد يوفر PT المقدر لجهد أساسي 480 فولت خرجًا ثانويًا بقدرة 120 فولت بدقة تصل إلى 0.5%.

لقد حلت المرحلات المعتمدة على المعالجات الدقيقة- محل التصميمات الكهرومغناطيسية القديمة إلى حد كبير في التركيبات الحديثة. تقوم هذه الأجهزة الرقمية باستمرار باختبار أشكال موجات الجهد وحساب قيم RMS (جذر متوسط مربع) التي تمثل مستوى الجهد الفعال. تسمح معدلات أخذ العينات التي تتراوح من 1 إلى 2 كيلو هرتز للمرحل بالاستجابة لتغيرات الجهد خلال دورة أو دورتين من دورات التيار المتردد.

يحدد إعداد العتبة وقت تنشيط الحماية. تحدد المعايير الصناعية عادةً انخفاض الجهد بنسبة 90% من الاسمي لحماية المرحلة 1 و85% للمرحلة 2. ويتيح منهج المرحلتين-للأنظمة المهمة تنفيذ استجابات متدرجة-قد تقوم المرحلة 1 بفصل الأحمال غير-الأساسية مع الحفاظ على العمليات الحيوية، بينما تقوم المرحلة 2 بإيقاف التشغيل بالكامل لمنع تلف المعدات.

تعمل إعدادات تأخير الوقت على منع التعثر المزعج الناتج عن الانخفاضات القصيرة في الجهد. يتراوح التأخير الزمني النموذجي من 0.1 إلى 10 ثوانٍ، ويمكن تعديله بناءً على التطبيق. لا ينبغي أن يؤدي انخفاض الجهد الكهربي القصير أثناء بدء تشغيل المحرك أو اضطرابات الشبكة القصيرة إلى الحماية، ولكن ظروف انخفاض الجهد المستمر تتطلب قطع الاتصال الفوري.

تختلف آلية قطع الاتصال حسب التطبيق. تستخدم الأنظمة الصناعية الكبيرة الموصلات أو قواطع الدائرة التي يتم التحكم فيها عن طريق مخرجات التتابع. يمكن لهذه الأجهزة مقاطعة مئات أو آلاف الأمبيرات بأمان. بالنسبة للتطبيقات الأصغر حجمًا، يوفر تبديل الحالة الصلبة- باستخدام MOSFETs أو IGBTs (ترانزستورات البوابة ثنائية القطب المعزولة-) استجابة أسرع بدون تآكل ميكانيكي.

تنفذ أنظمة التيار المستمر دوائر قفل الجهد المنخفض (UVLO) التي تمنع تشغيل الدائرة تحت الحد الأدنى من جهد الإمداد. تعتبر هذه الحماية أمرًا بالغ الأهمية للدوائر المتكاملة ووحدات التحكم الدقيقة التي يمكن أن تتعطل عندما يقع جهد الإمداد في مناطق تشغيل غير محددة.

إن وحدة التحكم الدقيقة المخصصة للتشغيل بجهد 2.7-5.5 فولت لا تتوقف ببساطة عن العمل عند 2.6 فولت. وبدلاً من ذلك، فإنه يدخل في حالة غير مؤكدة حيث تعمل بعض الدوائر بينما تفشل دوائر أخرى. قد تنتج البوابات المنطقية مخرجات غير صحيحة، وقد تنقلب خلايا الذاكرة بشكل عشوائي، وقد ينفذ المعالج تعليمات غير صالحة. يمكن أن تتراوح النتيجة من تلف البيانات إلى إجراءات التحكم الخطيرة.

تستخدم دوائر UVLO عادةً مراجع الجهد الكهربي الدقيقة والمقارنات لاكتشاف متى يتجاوز جهد الإمداد الحد الأدنى. -يشتمل UVLO المصمم جيدًا على التباطؤ-يجب أن يرتفع الجهد الكهربي عدة مئات من الميلي فولت فوق نقطة الرحلة قبل إعادة تمكين-الدائرة. يمنع هذا التباطؤ التذبذب إذا كان جهد الإمداد يحوم بالقرب من العتبة.

بالنسبة للأجهزة التي تعمل بالبطارية-، يخدم UVLO أغراضًا مزدوجة. أولاً، يعمل على حماية دوائر الجهاز من الخلل. ثانيًا، يحمي البطارية من التفريغ الزائد. تستهلك العديد من دوائر UVLO أقل من 5μA في حالة التعطيل، مما يسمح للبطاريات بالحفاظ على مستويات جهد آمنة أثناء التخزين طويل الأمد- دون أن تسبب دائرة الحماية نفسها تفريغًا عميقًا.

تحدد المعايير الدولية تفاوتات الجهد لفئات المعدات المختلفة. يحدد معيار ANSI C84.1 لأنظمة الطاقة الكهربائية نطاقات الجهد المقبولة في نقاط تقديم الخدمة. بالنسبة للأنظمة الاسمية 120 فولت، النطاق المقبول هو 114-126 فولت (95-105% من القيمة الاسمية). يجب على الشركات المصنعة للمعدات تصميم المنتجات لتعمل بشكل مرض ضمن هذه الحدود.

تحدد المواصفة القياسية IEC 61000-4-11 متطلبات اختبار مناعة انخفاض الجهد للمعدات. تصنف هذه المواصفة القياسية المعدات إلى فئات بناءً على قدرتها على تحمل انخفاضات الجهد بمقادير ومدد مختلفة. يجب أن تحافظ معدات الفئة 3 على التشغيل أثناء انخفاض الجهد بنسبة 30% لمدة 0.5 ثانية، بينما قد تفقد معدات الفئة 1 وظيفتها ولكن يجب ألا تتعرض للتلف.

توفر معايير حماية المحرك إرشادات محددة للمعدات الدوارة. تحدد NEMA MG 1 أن المحركات يجب أن تعمل بشكل مرض عند الحمل المقدر عندما يكون الجهد ضمن ±10% من تصنيف لوحة الاسم. يتطلب التشغيل بجهد أقل من هذا النطاق الحماية لمنع الضرر الحراري.

تعتمد مرافق التصنيع بشكل كبير على حماية الجهد المنخفض لاستمرارية العملية وسلامة المعدات. لا يمكن لخطوط الإنتاج الآلية أن تتحمل الأضرار غير المتوقعة للمعدات بسبب تقلبات الجهد. قد يحتوي مصنع تصنيع السيارات النموذجي على مئات من مرحلات الجهد المنخفض لحماية مراكز التحكم الفردية في المحركات، كل مجموعة لها عتبات وتأخيرات زمنية محسنة لمعدات معينة.

تواجه مراكز البيانات تحديات فريدة من نوعها مع ظروف انخفاض الجهد. تتضمن مصادر طاقة الخادم عادةً نطاقات جهد إدخال واسعة (90-264VAC)، لكن التشغيل المستمر بجهد منخفض يقلل من كفاءة مصدر الطاقة ويزيد من متطلبات التبريد. تتضمن أنظمة UPS (إمدادات الطاقة غير المنقطعة) في مراكز البيانات تنظيمًا متطورًا للجهد يمكنه تعزيز جهد الإدخال، لكن هذا التعويض له حدود. تقوم أنظمة المراقبة بإطلاق الإنذارات عندما يتجه جهد المرافق نحو الأسفل، مما يسمح للمشغلين بالتبديل إلى طاقة المولد قبل الوصول إلى العتبات الحرجة.

تتطلب أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) في المباني التجارية حماية منسقة للجهد المنخفض. لا يمكن لنظام التبريد الذي يسحب مئات الأمبيرات أن يبدأ التشغيل ببساطة بعد انخفاض الجهد-حيث قد يؤدي تيار التدفق إلى تعطيل حماية التيار الزائد. تستخدم أنظمة إدارة المباني الحديثة تسلسلات إعادة التشغيل المرحلية بعد اضطرابات الجهد الكهربي، مما يؤدي إلى إعادة تشغيل المعدات بطريقة خاضعة للرقابة تمنع حدوث أخطاء ثانوية.

تستخدم التطبيقات السكنية بشكل متزايد أجهزة حماية الجهد، خاصة في المناطق ذات طاقة الشبكة غير المستقرة. تشمل أجهزة الحماية من زيادة التيار-المنزلية بشكل عام فصل الجهد الكهربي المنخفض، مما يحمي الأجهزة باهظة الثمن من التلف الناتج عن انقطاع الكهرباء-. تستخدم هذه الأجهزة عادةً عتبات قابلة للتعديل تسمح لأصحاب المنازل بتعيين نقاط الرحلة بناءً على أنماط استقرار الجهد المحلي.

Undervoltage Protection

يتطلب اختيار الحماية المناسبة فهم خصائص نظام الطاقة والمعدات التي تتم حمايتها. بالنسبة لتطبيقات المحركات ثلاثية الطور-، يجب أن تأخذ الحماية في الاعتبار عدم توازن الجهد وكذلك انخفاض الجهد. قد يرى المحرك 460 فولت في المرحلة A، و445 فولت في المرحلة B، و435 فولت في المرحلة C. يمكن أن تؤدي تيارات التسلسل السلبي الناتجة إلى إتلاف المحرك حتى لو بدا متوسط الجهد مقبولًا.

التنسيق بين أجهزة الحماية يمنع الفشل المتتالي. إذا كان كل من القاطع الرئيسي وقاطع الدائرة الفرعية يتمتعان بحماية من انخفاض الجهد، فيجب تنسيق إعداداتهما لضمان رحلات الدائرة الفرعية أولاً بحثًا عن الأعطال المحلية بينما يعالج القاطع الرئيسي مشاكل الجهد الكهربي على مستوى النظام-. يؤدي تنسيق تأخير الوقت إلى إنشاء انتقائية- لرحلة الدوائر الفرعية خلال 0.5 ثانية بينما يتأخر القاطع الرئيسي لمدة 2-3 ثوانٍ.

تختلف متطلبات الصيانة حسب نوع الحماية. تتطلب المرحلات الكهروميكانيكية اختبارات دورية للتحقق من تشغيل الملف وسلامة الاتصال. لا يوفر المرحل الذي يفشل في التعثر أي حماية، في حين أن المرحل الذي يتعطل قبل الأوان يسبب توقفًا غير ضروري. يساعد الاختبار السنوي باستخدام مجموعة اختبار يمكنها محاكاة ظروف انخفاض الجهد على ضمان التشغيل الموثوق.

توفر المرحلات الرقمية الحديثة مزايا تشمل-المراقبة الذاتية وتسجيل البيانات. تقوم هذه الأجهزة بالتحقق بشكل مستمر من دوائرها الداخلية ويمكنها تنبيه موظفي الصيانة إلى المشكلات الناشئة قبل فشل الحماية. يلتقط تسجيل الأحداث ملفات تعريف الجهد أثناء الاضطرابات، مما يوفر معلومات قيمة لاستكشاف المشكلات المتكررة وإصلاحها.

تبلغ العتبات القياسية عادةً 90% من الجهد الاسمي للتحذيرات الأولية و85% للانقطاع الكامل. سيتم تشغيل نظام 480 فولت عند 432 فولت (المرحلة 1) و408 فولت (المرحلة 2). تستخدم أنظمة البطاريات عتبات الجهد الكهربي الخاصة بخلايا أيون-الليثيوم-الكيميائية التي يتم فصلها عادةً بحوالي 3.0 فولت لكل خلية بينما تستخدم بطاريات الرصاص-الحمضية 1.75 فولت لكل خلية.

وقت الاستجابة يعتمد على طريقة الحماية. يمكن للأنظمة الإلكترونية التي تستخدم تبديل الحالة الصلبة- فصل الأحمال في غضون 1-2 مللي ثانية. تستجيب المرحلات الكهروميكانيكية عادةً خلال 50-200 مللي ثانية. غالبًا ما تتم إضافة التأخيرات الزمنية عمدًا (0.5-5 ثوانٍ نموذجيًا) لمنع التعثر المزعج من الانخفاضات القصيرة في الجهد.

هذا يعتمد على متطلبات التطبيق وتصميم الحماية. تتطلب معدات السلامة المهمة عادةً إعادة ضبط يدوي لضمان قيام المشغل بالتحقق من الظروف الآمنة قبل إعادة التشغيل. تعد إعادة الضبط التلقائي أمرًا شائعًا في أجهزة شحن البطاريات وبعض مصادر الطاقة حيث لا تؤدي إعادة الاتصال الفوري عند استعادة الجهد إلى أي مخاطر على السلامة. تشتمل أنظمة إعادة الضبط التلقائي- عادةً على تأخيرات قابلة للبرمجة (10-60 ثانية) للسماح بثبات جهد الإمداد.

تعمل الحماية من انخفاض الجهد الكهربي على تقليل مخاطر الضرر بشكل كبير ولكنها لا تستطيع القضاء على جميع المشكلات. قد تتعرض المعدات لبعض الضغط الحراري خلال الفترة بين انخفاض الجهد وتنشيط الحماية. بالإضافة إلى ذلك، فإن انخفاض الجهد الكهربي لفترة قصيرة جدًا بحيث لا يؤدي إلى تشغيل الحماية المتأخرة-لا يزال من الممكن أن يسبب مشكلات مثل نبضات عزم دوران المحرك أو خلل في مصدر الطاقة. تتطلب الحماية الشاملة أساليب متعددة بما في ذلك تحديد حجم الدائرة المناسب، وتصحيح عامل الطاقة، والوضع الاستراتيجي لمعدات دعم الجهد.

تعتمد الأنظمة الكهربائية الحديثة على بقاء الجهد ضمن نطاقات ضيقة من أجل التشغيل الموثوق. نظرًا لأن المعدات أصبحت أكثر تعقيدًا وتكلفة، فإن تكلفة الأعطال المرتبطة بالجهد الكهربي-تزداد بشكل متناسب. يوفر المنهج الشامل لحماية الجهد الكهربائي-الذي يجمع بين التصميم المناسب للنظام وأجهزة الحماية المناسبة والصيانة الدورية-الموثوقية التي تتطلبها المرافق الحديثة. يؤتي الاستثمار الأولي في حماية الجودة ثماره من خلال إطالة عمر المعدات، وتقليل وقت التوقف عن العمل، وتحسين هوامش الأمان التي تحمي كل من المعدات والموظفين.