Các bộ điều khiển đóng cắt tự động: Chìa khóa cho độ tin cậy của lưới điện thông minh

Sét đánh, cây cối đổ và thậm chí cả bóng bay Mylar cũng đủ để làm gián đoạn dòng điện trên đường dây điện. Đó là lý do các công ty dịch vụ công cộng ngăn ngừa sự cố bằng cách trang bị cho hệ thống phân phối trên không của họ các bộ điều khiển đóng lại đáng tin cậy.

Trong bất kỳ môi trường lưới điện thông minh nào, các bộ điều khiển đóng lại đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện và ngắt các lỗi tạm thời. Mặc dù nhiều mạch ngắn trên đường dây trên không có thể tự giải quyết, nhưng bộ đóng lại giúp cải thiện tính liên tục của dịch vụ bằng cách tự động khôi phục nguồn điện sau khi xảy ra lỗi tạm thời.

Các bộ điều khiển đóng lại cảm nhận điện áp và dòng điện của truyền tải AC trên đường dây điện. Khi xảy ra xung hoặc lỗi, rơ le điện mở để kiểm soát lỗi và ngăn nó lan rộng khắp toàn bộ lưới - một hiện tượng được gọi là sự cố lan tỏa. Khi lỗi được gây ra bởi một sự kiện tạm thời - như sét đánh, cây cối, hoặc bóng bay (như đã đề cập trước đó) - bất kỳ yếu tố nào trong số này cũng có thể tạm thời khiến các đường dây chạm nhau. Bộ điều khiển đóng lại tiếp tục theo dõi đường dây điện và, nếu hiệu suất AC ổn định, sẽ cố gắng đóng hoặc "đóng lại" rơ le. Sau khi đóng, nếu phát hiện điện áp cao, dòng điện cao, hoặc tình trạng lỗi khác, rơ le sẽ mở lại. Các bộ đóng lại thường cố gắng đóng lại rơ le từ ba đến năm lần. Ý tưởng là để cho phép lưới điện tự hồi phục.

Tại sao các bộ điều khiển đóng lại lại quan trọng như vậy?

Các bộ điều khiển đóng lại có một số tính năng chính:

• Cảm biến đường dây điện, bao gồm ba điện áp, ba dòng điện, một hoặc hai đất, và thường có tính năng dự phòng. Độ chính xác cao là cần thiết, đặc biệt là cho các phép đo hài.

• Cách ly là bắt buộc. Cách ly thường được thực hiện cả ở phía thượng nguồn và hạ nguồn trong chuỗi tín hiệu để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy của hệ thống và bảo vệ các thành phần điện tử. Cách ly cũng được yêu cầu trước các liên kết giao tiếp, và thường cần nhiều tùy chọn cách ly khác nhau.

• Nhiều nguồn điện với cả đầu vào AC và DC. Không ngạc nhiên, hệ thống bao gồm một pin vì nó phải duy trì hoạt động và tiếp tục cảm biến đường dây AC ngay cả trong trường hợp mất điện.

• Giao tiếp cũng rất quan trọng đối với các bộ điều khiển đóng lại, vì các hệ thống này phải giao tiếp với lưới điện lớn hơn để báo cáo các sự kiện. Hầu hết các lưới điện thông minh sử dụng mạng giao tiếp không dây hoặc qua đường dây điện. Các đơn vị như bộ điều khiển đóng lại thường vẫn giữ giao tiếp nối tiếp truyền thống, chẳng hạn như RS-485, được chuyển đổi qua cổng hoặc phần cứng khác thành giao thức không dây được chọn.

Các khối tương tự cho bộ điều khiển đóng lại

Thiết kế một bộ điều khiển đóng lại đòi hỏi nhiều khối tương tự quan trọng. Sơ đồ khối được hiển thị trong Hình 1 chỉ cung cấp một ví dụ về thiết kế bộ điều khiển đóng lại. Như bạn có thể thấy, có nhiều nguồn điện hệ thống, giao diện giao tiếp, giám sát điện áp và mạch giám sát. Làm thế nào để chọn các thành phần phù hợp? Độ chính xác cao, dải bảo vệ điện áp đầu vào rộng, tiêu thụ điện năng thấp và kích thước nhỏ là một số đặc điểm quan trọng để đánh giá để đáp ứng yêu cầu thiết kế của bạn. MAX16126/MAX16127 là ví dụ về các mạch bảo vệ quá tải/nghịch lưu cung cấp các tính năng này. 

Với bộ nạp tích hợp, các IC này điều khiển hai MOSFET kênh N ngược chiều bên ngoài, đóng và cách ly nguồn điện hạ nguồn dưới các điều kiện đầu vào phá hủy. Chúng bao gồm một đầu ra cờ báo hiệu trong các điều kiện lỗi. Đối với bảo vệ nghịch lưu, các MOSFET ngược chiều bên ngoài giảm thiểu độ giảm điện áp và tổn thất điện năng trong quá trình hoạt động bình thường, vượt trội hơn so với các điôt nghịch lưu truyền thống. Một bộ giám sát vi xử lý đáng tin cậy, tiêu thụ điện năng thấp khác là dòng MAX6365, có chức năng điều khiển pin dự phòng và khóa chip. 

Mạch giám sát MAX6365, được chứa trong gói SOT23 8 chân nhỏ gọn, đơn giản hóa chức năng giám sát nguồn, điều khiển pin dự phòng và bảo vệ ghi nhớ trong các hệ thống vi xử lý. Đối với các ứng dụng luôn bật như bộ điều khiển đóng lại, bộ điều chỉnh tuyến tính MAX6766 tiêu thụ ít điện năng đáp ứng yêu cầu. MAX6766 hoạt động từ 4V đến 72V, cung cấp lên đến 100mA dòng tải và tiêu thụ chỉ 31µA dòng tiêu thụ tĩnh.

Các lưới điện thông minh mang lại hiệu quả và độ tin cậy cao hơn cho việc cung cấp điện, đồng thời cũng tăng cường khả năng chịu đựng của cơ sở hạ tầng điện. Do đó, khi bạn thiết kế bộ điều khiển đóng lại tiếp theo, hãy nhớ đến các công nghệ cơ bản bên trong - tất cả đều đóng vai trò trong việc giữ cho đèn sáng.