6kV yüksək qəbiliyyətli inverterlərdə sürünməni qarşılamaq

Yüksək voltajlı inverterlər, AC motorların sürətini idarə etmək üçün əhəmiyyətli cihazlardır və qaldırma, metallurgiya, neft, elektrik istehsalı kimi sənayelərdə yüksək quvvəli, yüksək voltajlı motorların sürətinin tənzimlənməsində geniş şəkildə istifadə olunur. Amma gridin dalğalanması və yüklərin təsiri kimi amillər nəticəsində 6kV yüksək voltajlı inverterlər əməliyyat zamanında anormal sürüş tripləmə xəbərsizlikləri ilə üzləşir, bu da motor sürəti idarəetmə sisteminin təhlükəsizliyinə və mənfəətliyinə çox mənfi təsir edir.

Yüksək voltajlı dəyişən frekanslı sürüş (VFD) sistemlərinin sabit işləməsinin təmin edilməsi, sənaye verimliliyinin artırılması və enerji istifadəsinin azaldılması üçün hökumət bir sıra siyasətlər təqdim etmişdir, bu siyasətlər yüksək voltajlı inverter texnologiyasının araşdırılmasına və tətbiqinə təşviq edir. Bu səbəbdən, 6kV yüksək voltajlı inverterlərdə anormal tripləmə xəbərsizliklərinin səbəblərinin gələnən analizi və effektiv öncədən qoruma tədbirlərinin inkişafı, yüksək voltajlı VFD texnologiyasının inkişafına və sənaye iqtisadi bərpağına böyük önəmlə malikdir.

1 6kV Yüksək Voltajlı Inverterlərin Ümumi Baxış

6kV yüksək voltajlı inverter, IGBT-lər kimi kommutator elementlərindən istifadə edərək və 6kV və daha yuxarıda dəyişən frekanslı sürət idarəsini təmin etmək üçün çox səviyyəli topoloji tətbiq edən yüksək quvvəli elektron cihazdır. Onun enerji blokları adətən üç səviyyəli neutral nöqtənin saxlanılması (3L-NPC) və beş səviyyəli aktiv neutral nöqtənin saxlanılması (5L-ANPC) şəkillərindən ibarətdir, bir neçə alt modulun kaskadlaşdırılması vasitəsilə qurulur. Hər bir alt modul 6-24 IGBT və özgür dairə diodlarından ibarətdir, filtrələndirdikdən sonra sinusoidal eyniqləyən 9-17 səviyyəli addımlanmış formaya səbəb olur.

Tipik kapasitet 3000-dən 14,000 kVA aralığında, voltaj səviyyələri 6kV, 10kV və 35kV kimi dəyişir. Daha yüksək kapasite və voltaj tələbləri üçün modulyar çox səviyyəli konvertor (MMC) topolojisi istifadə edilə bilər, burada alt modullar yarı-maqsa və tam-maqsa strukturlardan istifadə edilir, hər fazada yüzənlər alt modul toplanır, bu da 220kV voltaj səviyyəsinə və 400 MVA yeganə kapasiteyə imkan verir, bu da yenidən istifadə olunan enerjinin şəbəkəyə inteqrasiyası, dəniz üstündəki üst rüzgar enerjisi və esnek DC transmisiyası kimi tətbiqlər üçün uyğundur. Yüksək voltajlı inverterlərin idarəetmə strategiyası mürəkkəddir, nosaca carrier fazasında sırasız modulyasiya, cərəyan balanslaşdırma, sensorlərsiz aşkarlama və sahə zayıflama optimizasiya kimi əsas texnologiyaları daxil edir.

2 6kV Yüksək Voltajlı Inverterlərdə Anormal Sürüş Tripləmə Xəbərsizlikləri

Əməliyyat zamanında 6kV yüksək voltajlı inverterlər, ağır cərəyan, ağır voltaj və isixərələnən kimi anormal hallar nəticəsində tez-tez triplənirlər. Ağır cərəyan xəbərsizlikləri adətən başlama və ya müxtəlif yük dəyişiklikləri zamanı baş verir, bu zaman anlık cərəyan nominal dəyərdən 2-3 dəfə çox ola bilər. Əgər cərəyan 1600A-nın üstündə 100ms və ya 2000A-nın üstündə 10ms qalırsa, inverter IGBT-ləri bloklayır və çıxış kontaktora ayırır, bu da aparativ qoruma tripləməsinə səbəb olur.

Ağır voltaj xəbərsizlikləri adətən gridin dalğalanması və ya müxtəlif yük dəyişiklikləri tərəfindən yaranır. DC otobus voltazı nominal dəyərin 1.2 dəfəsinin (1368V) üstündə olduqda proqram tərəfindən ağır voltaj qoruması aktivləşir; əgər 1.35 dəfəsinin (1026V) üstündə olduqda aparativ qoruma doğrudan triplənir. Isixərələnmə xəbərsizlikləri adətən yüksək temperaturlu mühit və ya uzun müddətli yük altında işləmə zamanı baş verir. IGBT temperaturu 90°C-dən yüksək və ya radiator temperaturu 70°C-dən yüksək olduqda 5 dəqiqə boyunca sistem yüksək temperatur xəbərdarlığı göndərir; temperaturlar sırasıyla 100°C və 80°C-dən yüksək olduqda doğrudan triplənir. Bu üç xəbərsizlik növünün ümumi xüsusiyyəti, inverterin özü olan qoruma mekanizminin aktivləşməsidir, bu da IGBT-lərin bloklanması və kontaktorların ayırılması vasitəsilə çıxışın tez kəsməsinə səbəb olur, bu da motorun acil durdurulması və yanıp sönmək növündə xəbərsizliklərə səbəb olur.

3 Öncədən Qoruma Tədbirləri
3.1 Cərəyan Sınırlama Rezistoru

Ağır cərəyan xəbərsizlikləri ilə mübarizə etmək üçün inverter çıxışı və motor arasına bir rezistor ardıcıllığı ilə qoşula bilər. Sahə ölçmələri göstərir ki, 6kV/1500kVA inverter 380kW və daha böyük motoru başladarkən, anlık başlama cərəyanı nominal cərəyanın 5-8 dəfəsinə çoxa çoxa çata bilər, bu da ağır cərəyan qoruma ayarının çox uzaqdadır.

Başlama cərəyanını hissələtmək üçün 1-3Ω direksiyalı və 200-500W nominal gücü olan lənglənmiş rezistor və ya nonlineer çink oksid varistor istifadə edilə bilər. Sonuncu, soğuk halda 100Ω-dan yüksək direksiyaya malikdir və cərəyan artıqca çox tez azalır, başlama cərəyanını nominal dəyərin 2-3 dəfəsinə çoxa çəkər. Motorun işə salındıqdan sonra, inverter çıxış frekansı 40Hz-dən yuxarı yüksəldikdə və cərəyan nominal dəyərdən aşağıya düşdükdə, rezistorda olan voltaj düşməsi 50V-dən aşağı olur.

Bu dəqiqədə, paralel kontaktor rezistoru short edərək davamlı enerji itirilməsindən qoruyur. Başlama zamanı cərəyanın artması halında, cərəyan transformatoru 1200A-nın üstündə bir dəyər aşkar edəndə, idarəetmə sistemi xəbərdarlıq göndərir; 1500A-yə çatdıqda, inverter IGBT-ləri bloklayır və paralel kontaktoru açır, cərəyan sınırlama rezistorunu yenidən qoşaraq cərəyanı tez azaltır. Paralel kontaktor sonra yenidən bağlanır və normal işləmə bərpa olunur. Tam dəyişmə prosesi 0.5s-dən az müddətdə yerinə yetirilir, bu da cərəyan zirvəsini effektiv şəkildə hissələyir, motorun düzgün işə salınmasını təmin edir və inverterin mənfəətliliyini çox mənfi şəkildə artırır.

3.2 Voltaj Sınırlama Düyü

Ağır voltaj xəbərsizlikləri ilə mübarizə etmək üçün DC otobusu paralelə qoşulan voltaj sınırlama düyü istifadə edilə bilər. Bu düyü əsasən metal oksid varistor (MOV), tez tranzistor (GTO) və aşkarlama düyü-dən ibarətdir. Sahə verilənləri göstərir ki, proqram tərəfindən ağır voltaj qoruması aktivləşir, əgər şəbəkə voltazı 15%-dən çox dalğalanırsa və ya yük azaldıqda DC otobus voltazı 1300V-dən yüksək olduqda 20ms-dən çox qalırsa.

Bunun təqibinə qarşı, TYN-20/141 MOV istifadə edilə bilər, bu da 1420V-a eşit olan aktivləşmə voltajına, 20kA maksimum boşaltma cərəyanına və hər bir birim 8800J enerji absorpsiyasına malikdir. Otobus voltazı 1350V-dən yüksək olduqda, MOV başlayır və artıq enerjiyi absorbe edir; əgər voltaj 1400V-ə çatdıqda, GTO aktivləşir və artıq voltaj enerjisini rezistorda tez tez tərəf alır, voltajı təhlükəsiz bir səviyyəyə bərpa edir. Aşkarlama düyü DC otobus voltazını davamlı izləyir.

Voltaj 1250V-dən aşağı olduqda və 50ms boyunca orada qalıb qalırsa, buraxılış signali göndərilir, GTO-u bağlayır və normal sistem işləməsini bərpa edir. Əgər otobus voltazı 1400V-dən yüksək qalırsa 100ms-dən çox, ciddi ağır voltaj xəbərsizliyi aşkar edilir və inverter proqram tərəfindən qapalı olur, yenidən işə salmaq üçün əl ilə sıfırlanması lazımdır. Praktika göstərir ki, bu təkmilləşdirmə ilə 6kV inverter 35% anlık ağır voltaja dayanabilər və 100ms-dən az müddətdə voltajı nominal dəyərin 1.05 dəfəsinə endirə bilər. Cavab tez və mənfəətli olur, tez-tez ağır voltaj tripləmələrini effektiv şəkildə qarşılayır və sistem təhlükəsizliyini və mənfəətliliyini çox mənfi şəkildə artırır.

3.3 Cərəyan Paylaşım Tasarımı

Isixərələnmə xəbərsizlikləri ilə mübarizə etmək üçün cərəyan paylaşım texnologiyası istifadə edilə bilər, bu da IGBT və radiator kimi əsas komponentlərdən istifadə edərək istilik tripləməsini qarşılayır.

Xüsusi tədbirlər arasında hər bir enerji bloğunun müsbət və mənfi DC otobus terminalinə paralel qoşulmuş 1-2 elektrolit kondensatoru daxildir. Kondensatorlar 1000-2200μF kapasitansi, ≥1600V voltaj limiti və ≥100A davamlı ripple cərəyanına malik olmalıdır. İnverter çıxış cərəyanı nominal dəyərin 1.2 dəfəsinə (məsələn, 900A) çox olduqda, bu paralel kondensatorlar 10%-20% cərəyan paylaşım imkanı təmin edə bilər, bu da IGBT-lərdən keçən faktiki cərəyanı 720-810A-a endirir. IGBT kənar kayıplarının cərəyanın kvadratına nisbətli olduğu nəzərə alınarsa, bu yanaşma istilik artımını effektiv şəkildə azaldır.

Formulada: PCPC IGBT kənar kayıplarıdır (W); VCEVCE IGBT doyma voltajıdır (V), bu cərəyan ICIC (A) ilə linear münasibət qurur; UηUη IGBT-in aktivləşmə voltajıdır (V); $K$ IGBT-in cərəyan amplifikasiya faktorudur.

Görünür ki, paylaşma tədbirlərindən sonra, IGBT kənar kayıpları 19%-36% azalır və çip qonşuluğu temperaturu 10°C-25°C azalır, bu da inverterin istilənmə problemini çox mənfi şəkildə həll edir.

Əlavə olaraq, inverter radiatorının giriş və çıxışında ≥ 3000 m³/h nominal hava həcmi olan 1-2 elektrik fanı paralel qoşulmalıdır, bu da radiatorın soğutma effektlərini effektiv şəkildə artırır. İdarə panelinin içində 6-8 temperatur sensörü qurulmalıdır, bu da müxtəlif enerji bloklarının, ana kartın, IGBT sürücü kartının və s. temperaturunu real vaxtla izləyir. Hər hansı bir nöqtənin temperaturu 65°C-i keçdiyi zaman, idarəetmə sistemi elektrik fandı tam sürətə başlatır və "yüklərin azaldılması xəbərdarlığı" signalını inverter idarəetmə birimində göndərir.

Temperatur 75°C-ə yüksəldikdə və 10 dəqiqə boyunca qalıb qalırsa, sistem "aşırı temperatur xəbərdarlığı" signalını göndərir, inverterin maksimum çıxış cərəyanını nominal dəyərin 50%-ən aşağıda qoyur, bu da temperatur 60°C-dən aşağıya düşənə qədər "aşırı temperatur xəbərdarlığını" ləğv edir.

Hər hansı bir ölçüm nöqtəsinin temperaturu 85°C-i keçdiyi və motor cərəyanı nominal dəyərin 30%-dən aşağıya düşmədikdə, inverter aparativ qorunmayı qapanır və çıxışı dayandırır. Soğutma effektlərini daha da artırmaq üçün, hər bir enerji bloğunun IGBT radiatorlarına grafen və ya karbon nanotubları kimi nanomateriallər tətbiq edilir, bu da onların süper yüksek istilik iletimi ilə IGBT çiplərinin istilik yayılmasını təzyiqləyir, bu da çip qonşuluğu temperaturunu azaldır.

4 Öncədən Qoruma Tədbirlərinin Effektivliyi
4.1 Təcrübəni Tərtib Etmaq

ZINVERT-6kV/1500kVA intellektual yüksək voltajlı inverter təcrübə obyekt kimi istifadə edilmiş və təklif edilən üç öncədən qoruma tədbirinin effektivliyini təsdiqləmək üçün qruplaşdırılmış idarəetmə təcrübəsi icra edilmişdir. Təcrübə nominal işləmə şərtlərində (giriş voltazı: 6kV±5%; ətraf temperaturu: 25°C±2°C; nisbi nemlik: 65%±5%) icra edilmişdir. Təcrübə dörd qrupa bölünmüşdür: kontroldə heç bir öncədən qoruma tədbiri tətbiq edilməmişdir; A qrupu 2.2Ω/350W cərəyan sınırlama rezistoru və MSC-500 tez paralel kontaktor istifadə edib; B qrupu TYN-20/141 varistor və IXYS-GTO paralel bağlı olan voltaj sınırlama düyü istifadə edib, voltaj limiti 1420V olaraq təyin edilmişdir; C qrupu 2000μF/1600V elektrolit kondensator (Hitachi HCG seriyası) paralel bağlantısı və 3500 m³/h sürət dəyişən fan (EBM-W3G450) zərurətli soğutma üçün istifadə edib.

Hər bir qrup 72 saat davamlı işləmiş və inverter çıxış cərəyanı, DC otobus voltazı və IGBT çip qonşuluğu temperaturu kimi əsas parametrlər hər 6 saatda qeyd edilmişdir. Verilənlər Fluke 435-II enerji keyfiyyət analizatoru və HIOKI 8847 verilənlər qeydləyici ilə toplanmışdır. Təcrübə zamanı, üç tipik xəbərsizlik situasiyası simulasiya edilmişdir: başlama anında ağır cərəyan (nominal dəyərin 8 dəfəsi / 0.5s), şəbəkə voltajının dalğalanması (+20% / 1s) və tam yük altında işləmə (ətraf temperaturu 35°C / 2s). Təcrübə qurulumu Şəkil 1-də göstərilmiştir.

4.2 Nəticələrin Analizi

72 saat davamlı işlədikdən sonra, dörd qrupdan verilənlər toplanmış və analiz edilmişdir, nəticələr Cədvəl 1-də göstərilmiştir. Kontrol qrupu üç xəbərsizlik şəraitində triplənmiş, amma öncədən qoruma tədbirləri ilə olan təcrübə qrupları effektiv xəbərsizlik qarşılama göstərmişlər. A qrupunda, başlama cərəyanı nominal dəyərin 7.8 dən 2.2 dəfəsinə endirilib, bu da ağır cərəyan triplənməsini effektiv şəkildə qarşılamışdır.

B qrupunda, voltaj sınırlama düyü maksimum DC otobus voltaj dalğalanmasını 1368V-a limitləmiş, bu da 1420V qoruma limitindən aşağıdır. C qrupunda, cərəyan paylaşımı və zərurətli soğutmanın kombinasiyası IGBT çip qonşuluğu temperaturunu 87.5°C-dən aşağıda saxlamış, bu da 100°C triplənmə limitindən aşağıdır. Həmçinin, üç öncədən qoruma tədbirinin cavabı 100ms-dən az olmuş, bu da tez qoruma tələbinə uyğun gəlmişdir. Təcrübə zamanı heç bir yanlış aktivləşmə baş vermemiş, bu da sistem təhlükəsizliyinin və mənfəətliliyinin sabit olduğunu göstərir.

5 Nəticə

Bu tədqiqat, 6kV yüksək voltajlı inverterlərdə anormal triplənmələrin səbəblərini sistemli şəkildə analiz etmiş və hədəflənmiş öncədən qoruma tədbirləri təklif etmişdir. Təcrübə nəticələri təsdiqləyir ki, cərəyan sınırlama rezistoru başlama cərəyanını effektiv şəkildə idarə edir, voltaj sınırlama düyü DC otobusunun ağır voltajını çox mənfi şəkildə azaldır, cərəyan paylaşımı və zərurətli soğutmanın kombinasiyası IGBT-lərin isixərələnmə riskini çox mənfi şəkildə azaldır, bu da sistemin ümumi mənfəətliliyini artırır.