Voorkoming van Uitkapping in 6kV Hoogspanningsinverters

Hoëspan-inwenders is kritieke toerusting vir AC-motor spoedbeheer en word wyd gebruik in hoëvermogense, hoëspannings motor spoedreëltoepassings in industrieë soos hef, metallurgie, olie en kragopwekking. Tog ondervind 6kV hoëspanningsinwenders dikwels abnormaliteitsryk drywerystruikroete foute tydens operasie as gevolg van faktore soos netfluktuasies en laastimpak, wat die veiligheid en betroubaarheid van motor spoedbeheersisteme beduidend beïnvloed.

Om stabiliteit in hoëspannings veranderlike frekwensie drywer (VFD) stelsels te verseker, industriële doeltreffendheid te verbeter en energieverbruik te verminder, het die regering 'n reeks beleidse inlei om navorsing en toepassing van hoëspanningsinwender tegnologie aan te moedig. Daarom is die grondige analise van die oorsake van abnormaliteitsryk struikroete foute in 6kV hoëspanningsinwenders en die ontwikkeling van effektiewe voorkomende maatreëls van groot belang vir die vooruitgang van hoëspannings VFD-tegnologie en die handhawing van industriële ekonomiese groei.

1 Oorsig van 6kV Hoëspanningsinwenders

'n 6kV hoëspanningsinwender is 'n hoëvermogense elektroniese toestel wat IGBTs as swaartoebehore gebruik en 'n veellvlak topologie gebruik om veranderlike frekwensie spoedbeheer by 6kV en meer te bereik. Sy krag-eenhede neem tipies drievlak neutraalpunt-geklamp (3L-NPC) of vyfvlak aktiewe neutraalpunt-geklamp (5L-ANPC) skakels aan, opgebou deur meervoudige submodules te kaskadeer. Elke submodule bevat 6–24 IGBTs en vryloopdiodes, wat 'n getrede golfform met 9–17 vlakke genereer, wat na filtrering 'n sinusgolf benader.

Tipiese vermogen strek van 3000 tot 14 000 kVA, met spanningsvlakke wat 6kV, 10kV, en 35kV dek. Vir hoër vermogen en spanningsvereistes kan 'n modulêre veellvlak konverter (MMC) topologie gebruik word, waar submodules halfbrug of volle brugstrukture gebruik, met honderde submodules gestapel per fase, wat spanningsvlakke tot 220kV en enkel-eenheidsvermogen tot 400 MVA moontlik maak, geskik vir toepassings soos hernubare energie-net-integrasie, afgeleë windkrag, en buigsame DC-oordrag. Die beheerstrategie van hoëspanningsinwenders is kompleks, wat sleuteltegnologieë insluit soos draer fase-verskuifde modulasie, stroombalansering, sensorlose deteksie, en veld-verzwakkingsoptimalisering.

2 Abnormaliteitsryk Drywerystruikroete Foute in 6kV Hoëspanningsinwenders

Tydens operasie struik 6kV hoëspanningsinwenders dikwels as gevolg van abnormaliteite soos oorstroom, oorspanning, en oorgroot. Oorstroomfoute kom tipies voor tydens opstart of plotselinge laastverandering, waar die oombliklike stroom twee tot drie keer die spesifiseerde waarde kan oorskry. As die stroom langer as 100ms 1600A oorskry of langer as 10ms 2000A, blokkeer die inwender onmiddellik die IGBTs en ontkoppel die uitsetkontakter, wat hardewarebeskermingstruikroete activeer.

Oorspanningsfoute word gewoonlik veroorsaak deur netfluktuasies of plotselinge laastverandering. Wanneer die DC-busspanning 1.2 keer die spesifiseerde waarde (1368V) oorskry, activeer sagteware oorspanningsbeskerming; as dit 1.35 keer (1026V) oorskry, struik hardewarebeskerming direk. Oorgrootfoute kom algemeen voor in hoëtemperatuur omgewings of tydens langdurige oorbelasting. Wanneer die IGBT temperatuur langer as 5 minute 90°C oorskry of die koelplaat temperatuur 70°C oorskry, gee die stelsel 'n hoëtemperatuur waarskuwing; struiking vind direk plaas as temperature 100°C of 80°C, onderskeidelik, bereik. 'n Algemene kenmerk van hierdie drie fouttipes is die aktivering van die inwender se selfbeskermingsmekanisme, wat vinnig uitset deur IGBTs te blokkeer en kontakters te ontkoppel, wat verskynsels soos motor noodstop en flitsende foutwaarskuwings veroorsaak.

3 Voorkomende Maatreëls
3.1 Stroombeperkende Weerstand

Om oorstroomfoute aan te spreek, kan 'n stroombeperkende weerstand in serie tussen die inwender-uitset en die motor gekoppel word. Veldmetings wys dat wanneer 'n 6kV/1500kVA inwender 'n motor van 380kW of groter opstart, die oombliklike opstartstroom 5–8 keer die spesifiseerde stroom kan bereik, baie oor die oorstroombeskermingsinstelling.

Om opstartstroom te onderdruk, kan 'n draadgewonde weerstand of nie-lineêre sikienoksied-varistor met 'n weerstand van 1–3Ω en 'n spesifiseerde vermogen van 200–500W gebruik word. Laasgenoem het 'n koustaatweerstand bo 100Ω en daal vinnig as stroom toeneem, wat die piek-opstartstroom tot binne 2–3 keer die spesifiseerde waarde beperk. Na motoropstart, wanneer die inwender-uitsetfrekwensie bo 40Hz en stroom onder die spesifiseerde waarde styg, is die spanning-val oor die weerstand minder as 50V.

Op hierdie punt kortsluit 'n omgaangskontakter die weerstand om voortdurende kragverlies te vermy. Indien stroom during opstart skyt, wanneer die stroomtransformator 'n waarde bo 1200A bespeur, gee die beheersisteem 'n waarskuwing; as dit 1500A bereik, blokkeer die inwender onmiddellik die IGBTs en open die omgaangskontakter, wat die stroombeperkende weerstand herinsert om stroom vinnig te verminder. Die omgaangskontakter sluit dan weer om normale operasie te herstel. Die hele switsoorgang neem minder as 0.5s, wat stroomskyting effektief onderdruk, motoropstart glad maak, en die betroubaarheid van die inwender aansienlik verhoog.

3.2 Spanningsklampie Sirkel

Om oorspanningsfoute te onderdruk, kan 'n spanningsklampie sirkel parallel aan die DC-bus gekoppel word. Hierdie sirkel bestaan hoofsaaklik uit 'n metaalokside varistor (MOV), 'n vinnige thyristor (GTO), en 'n deteksie sirkel. Velddata wys dat sagteware oorspanningsbeskerming activeer wanneer netspanning flukueer meer as 15% of wanneer laastvermindering die DC-busspanning bo 1300V vir meer as 20ms laat styg.

Om sulke foute te vermy, kan 'n TYN-20/141 MOV gebruik word, met 'n trigger-spanning van 1420V, maksimum aflaai-stroom van 20kA, en energie-absorpsiekapasiteit van 8800J per eenheid. Wanneer die busspanning 1350V oorskry, begin die MOV geleidelik te geleider en oormaatse energie te absorbeer; as die spanning styg tot 1400V, aktiveer die GTO, wat oorspanningsenergie vinnig in 'n weerstand aflei om die spanning terug te bring tot 'n veilige vlak. Die deteksie sirkel moniteer die busspanning voortdurend.

Wanneer die spanning langer as 50ms onder 1250V val, word 'n vrygawe sein gestuur, wat die GTO afskakel en normale stelseloperasie herstel. As die busspanning langer as 100ms bo 1400V bly, word 'n ernstige oorspanningsfout geïdentifiseer, en die inwender gaan in 'n sagteware vergrendeltoestand, wat 'n handmatige herstel vereis voordat herstart. Praktyk wys dat met hierdie klampie sirkel, 'n 6kV inwender 35% oombliklike oorspanning kan verdra en oorspanning binne 1.05 keer die spesifiseerde spanning binne 100ms kan onderdruk. Die reaksie is vinnig en betroubaar, wat frequente oorspanningsstruikroete effektief vermy en die stelsel se kontinuïteit en betroubaarheid aansienlik verhoog.

3.3 Stroomverspreiding Ontwerp

Om oorgrootfoute aan te spreek, kan stroomverspreiding tegnologie gebruik word om warmteproduksie in kritieke komponente soos IGBTs en koelplaatte te verminder, wat termale struikroete vermy.

Spesifieke maatreëls sluit in 1–2 elektrolitiese kondensators parallel aan die positiewe en negatiewe DC-buspol van elke krag-eenheid. Die kondensators moet 'n kapasiteit van 1000–2200μF, spanningsrating ≥1600V, en kontinue golfstroom ≥100A hê. Wanneer die inwender-uitsetstroom 1.2 keer die spesifiseerde waarde (bv. 900A) oorskry, kan hierdie parallel kondensators 10%–20% stroomverspreiding verleen, wat die werklike stroom deur die IGBTs tot 720–810A verlaag. Gegewe dat IGBT-leidingverliese eweredig is aan die kwadraat van die stroom, verlaag hierdie benadering effektief temperatuurstyg.

In die formule: PCPC is die IGBT-leidingverlies (W); VCEVCE is die IGBT-verzadigingspanning (V), wat 'n lineêre verhouding het met die stroom ICIC (A); UηUη is die inskakelspanning van die IGBT (V); $K$ is die stroomversterkingsfaktor van die IGBT.

Daar kan gesien word dat na die nemen van parallelmaatreëls, die leidingverlies van die IGBT met 19% tot 36% verminder kan word, en die chipverbindingstemperatuur kan met 10°C tot 25°C daal, wat dus grootliks die hitteprobleem van die inwender verlig.

Verder, installeer 1 tot 2 elektriese venwaaier parallel by die inset en uitsiet van die inwenderkoelplaat, met 'n spesifiseerde lugvolume van ≥ 3000 m³/h, wat die koelplaat se koelvermoë effektief kan verhoog. Stel 6 tot 8 temperatuursensore binne die beheerkabinet op om die temperature van verskeie krag-eenhede, Moederplank, IGBT-bestuurplank, ens., in real-time te moniteer. Wanneer enige punt se temperatuur 65°C oorskry, start die beheersisteem onmiddellik die elektriese venwaaier op volle spoed en stuur 'n "laastvermindering waarskuwing" sein na die inwenderbeheereenheid.

As die temperatuur voortduur 75°C oorskry en langer as 10 minute bly, gee die stelsel 'n "oortemperatuur waarskuwing" sein, wat die maksimum uitsetstroom van die inwender tot onder 50% van die spesifiseerde waarde beperk totdat die temperatuur onder 60°C daal, waarop die "oortemperatuur waarskuwing" opgehef word.

As enige meetpunt se temperatuur 85°C oorskry en die motorstroom nie onder 30% van die spesifiseerde waarde daal nie, sluit die inwender onmiddellik die hardeware en stop die uitset. Om die koelvermoë verder te verbeter, pas nanomateriaal soos grafien of karbonnanobuis toe op die IGBT-koelplaatte van elke krag-eenheid, wat hul ultra-hoë termiese geleidbaarheid gebruik om die warmteafvoer van die IGBT-chips te versnel, wat die verbindingstemperatuur verlaag.

4 Doeltreffendheid van Voorkomende Maatreëls
4.1 Eksperimentele Ontwerp

Die ZINVERT-6kV/1500kVA intelligente hoëspanningsinwender is gebruik as die proefobjek, en 'n gegroepeerde beheer-eksperiment is uitgevoer om die doeltreffendheid van die drie voorgestelde voorkomende maatreëls te verifieer. Die eksperimente is uitgevoer onder spesifiseerde werksomstandighede (ingangsspanning: 6kV±5%; omgewingstemperatuur: 25°C±2°C; relatiewe vochtigheid: 65%±5%). Die eksperiment is verdeel in vier groepe: die beheergroep het geen voorkomende maatreëls aangewend nie; Groep A het 'n 2.2Ω/350W stroombeperkende weerstand met 'n MSC-500 vinnige omgaangskontakter gebruik; Groep B het 'n spanningsklampie sirkel gevorm deur 'n TYN-20/141 varistor en 'n IXYS-GTO parallel gekoppel, met die klampie-spanning ingestel op 1420V; Groep C het 'n 2000μF/1600V elektrolitiese kondensator (Hitachi HCG reeks) parallel gekoppel vir stroomverspreiding, gekombineer met 'n 3500 m³/h veranderbare spoed venwaaier (EBM-W3G450) vir gedwonge koeling.

Elke groep het 72 uur ononderbroke geopereer, met sleutelparameters soos inwender-uitsetstroom, DC-busspanning, en IGBT-verbindingstemperatuur elke 6 uur gereken. Data is ingesamel met 'n Fluke 435-II kragkwaliteit-analiseerder en 'n HIOKI 8847 datalogger. Tydens die eksperiment is drie tipiese foutscenario's gesimuleer: inrusstroom (8 keer spesifiseerde stroom / 0.5s), netspanningsfluktuasie (+20% / 1s), en vol belasting (omgewingstemperatuur 35°C / 2u). Die eksperimentele opstelling word in Figuur 1 getoon.

4.2 Resultaat Analise

Na 72 uur ononderbroke operasie, is data van die vier groepe ingesamel en geanaliseer, met resultate in Tabel 1 aangebied. Die beheergroep het truikroete ondervind onder al drie foutomstandighede, terwyl die eksperimentele groepe met voorkomende maatreëls effektiewe foutonderdrukking getoon het. In Groep A is die piekopstartstroom van 7.8 tot 2.2 keer die spesifiseerde waarde verlaag, wat oorstroomtruike effektief vermy het.

In Groep B het die spanningsklampie sirkel die maksimum DC-busspanningsfluktuasie tot 1368V beperk, baie onder die 1420V beskermingstoegelaat. In Groep C het die kombinasie van stroomverspreiding en gedwonge koeling die maksimum IGBT-verbindingstemperatuur onder 87.5°C gehou, aansienlik lager as die 100°C truikroetetoegelaat. Verder was die reaksietyd van al drie voorkomende maatreëls binne 100ms, wat die vereiste vir vinnige beskerming voldoen. Geen vals aktivering het tydens die eksperiment plaasgevind nie, wat stabiele en betroubare stelselverrigting aandui.

5 Gevolgtrekking

Hierdie studie het sistematies die oorsake van abnormaliteitsryk truikroete in 6kV hoëspanningsinwenders geanaliseer en gerigte voorkomende maatreëls voorgestel. Eksperimentele resultate bevestig dat die stroombeperkende weerstand effektief inrusstroom beheer, die spanningsklampie sirkel aansienlik DC-busoorspanning onderdruk, en die kombinasie van stroomverspreiding met gedwonge koeling grootliks die risiko van IGBT-oorgroot verlaag, wat die algehele betroubaarheid van die stelsel verhoog.