Предотвратяване на изскачане при високоволтови инвертори от 6 кВ

Високонапреговите инвертори са ключови устройства за контрол на скоростта на асинхронните мотори и се използват широко в приложенията за регулиране на скоростта на високомощностни, високонапрегови мотори в индустрии като подемно-транспортни машини, металургия, петрол и производство на електроенергия. Въпреки това, 6кВ високонапреговите инвертори често изпитват аномални прекъсвания на драйверите по време на работа поради фактори като колебания на мрежата и влияние на натоварването, което значително засяга безопасността и надеждността на системите за контрол на скоростта на моторите.

За да се гарантира стабилната работа на системите за променлива честота (VFD) с висока напрега, да се повиши индустриалната ефективност и да се намали енергийното потребление, правителството е въведло серия от политики, насърчаващи изследванията и приложението на технологията за високонапрегови инвертори. Следователно, задълбоченият анализ на причините за аномални прекъсвания на 6кВ високонапреговите инвертори и разработването на ефективни предпазни мерки имат голямо значение за напредъка на технологията VFD с висока напрега и поддържането на икономическия растеж в индустрията.

1 Общ преглед на 6кВ високонапреговите инвертори

6кВ високонапреговият инвертор е високомощностно електронно устройство, което използва IGBT-тове като комутационни елементи и многониво топология, за да осъществи променливочестотна регулация на скоростта при 6кВ и по-високо. Неговите мощностни единици обикновено използват тринивна нейтрално-фиксираща (3L-NPC) или петнивна активна нейтрално-фиксираща (5L-ANPC) схеми, които се конструират чрез каскадиране на множество подмодули. Всеки подмодул съдържа 6–24 IGBT-а и свободно-въртящи се диоди, генериращи стъпковидна вълна с 9–17 нива, която след филтриране приближава синусоидална вълна.

Типичната мощност варира от 3000 до 14 000 кВА, с напрега, покриващ 6кВ, 10кВ и 35кВ. За по-високи изисквания за мощност и напрега, може да се използва модулна многонивна конверторна (MMC) топология, където подмодулите използват полу-мост или пълен мост, с хиляди подмодули, стекнати на фаза, позволяващи напрега до 220кВ и единично мощност до 400 МВА, подходящи за приложения като интеграция на възобновяема енергия в мрежата, офшорна вятърна енергия и гъвкава DC-предаване. Контролната стратегия на високонапреговите инвертори е сложна и включва ключови технологии като модулация с фазово-сместени носители, балансиране на тока, безсензорно детектиране и оптимизация на ослабяването на полето.

2 Аномални прекъсвания на драйверите в 6кВ високонапреговите инвертори

По време на работа, 6кВ високонапреговите инвертори често прекъсват поради аномалии като прекомерен ток, прекомерно напрежение и прекомерно затопляне. Прекомерен ток обикновено се случва по време на стартиране или внезапни промени на натоварването, когато моментния ток може да надхвърли 2–3 пъти номиналната стойност. Ако токът надхвърли 1600A за повече от 100ms или 2000A за повече от 10ms, инверторът веднага блокира IGBT-товете и отключва контактната връзка, активирайки хардуерната защита и прекъсването.

Прекомерно напрежение обикновено се дължи на колебания на мрежата или внезапни промени на натоварването. Когато DC-напрежението на шината надхвърли 1.2 пъти номиналната стойност (1368V), софтуерната защита срещу прекомерно напрежение се активира; ако надхвърли 1.35 пъти (1026V), хардуерната защита директно прекъсва. Прекомерно затопляне обикновено се случва в условия на високи температури или при продължително натоварване. Когато температурата на IGBT-товете надхвърли 90°C или температурата на радиатора надхвърли 70°C за повече от 5 минути, системата издава предупреждение за висока температура; прекъсването се случва директно, ако температурите достигнат 100°C или 80°C, съответно. Обща черта на тези три типа грешки е активирането на самозащитата на инвертора, която бързо прекъсва изхода чрез блокиране на IGBT-товете и отключване на контактните връзки, водещо до явления като спешно спиране на мотора и мигащи предупредителни сигнали за грешки.

3 Предпазни мерки
3.1 Ограничител на тока

За справяне с прекомерен ток, ограничител на тока може да се свърже в редовна последователност между изхода на инвертора и мотора. Полеви измервания показват, че когато 6кВ/1500кВА инвертор стартира мотор от 380кВт или по-голям, моментният стартерски ток може да достигне 5–8 пъти номиналния ток, далеч над границата на защитата срещу прекомерен ток.

За потушаване на стартерския ток, може да се използва въртесто-оплетена резистора или нелинейна цинк-оксидна варистанта със съпротивление от 1–3Ω и номинална мощност от 200–500W. Последната има съпротивление в студено състояние над 100Ω, което бързо намалява с увеличаване на тока, ограничавайки пикиращия стартерски ток до в рамките на 2–3 пъти номиналната стойност. След стартирането на мотора, когато честотата на изхода на инвертора надхвърли 40Hz и токът спадне под номиналната стойност, нападащото напрежение през резистората е по-малко от 50V.

В този момент, байпас контакторът паралелизира резистората, за да се избегне постоянна загуба на мощност. Ако токът се повиши по време на стартирането, когато токовият трансформатор засече стойност над 1200A, контролната система издава предупреждение; ако стигне 1500A, инверторът веднага блокира IGBT-товете и отваря байпас контактора, връщайки ограничителя на тока, за да намали бързо тока. Байпас контакторът се затваря отново, за да възстанови нормалната работа. Целият процес на превключване отнема по-малко от 0.5s, ефективно потушавайки пикиращия ток, осигурявайки гладко стартиране на мотора и значително подобрявайки надеждността на инвертора.

3.2 Цеп за клампиране на напрежението

За потушаване на прекомерно напрежение, цеп за клампиране на напрежението може да се свърже успоредно към DC-шината. Този цеп се състои основно от оксиден варистан (MOV), бърз тиристор (GTO) и детекторен цеп. Полеви данни показват, че софтуерната защита срещу прекомерно напрежение се активира, когато напрежението на мрежата колебае повече от 15% или когато намалението на натоварването доведе до DC-напрежение на шината, което надхвърли 1300V за повече от 20ms.

За предотвратяване на такива грешки, може да се използва TYN-20/141 MOV, с активиращо напрежение от 1420V, максимален разряден ток от 20kA и енергийна капацитетност от 8800J за единица. Когато напрежението на шината надхвърли 1350V, MOV започва да провежда и абсорбира излишната енергия; ако напрежението се увеличи до 1400V, GTO се активира, бързо отклонява излишната енергия в резистор, за да възстанови напрежението до безопасно ниво. Детекторният цеп непрекъснато наблюдава напрежението на шината.

Когато напрежението спадне под 1250V и остане там за 50ms, се изпраща сигнал за освобождаване, изключващ GTO и възстановяващ нормалната работа на системата. Ако напрежението на шината остане над 1400V за повече от 100ms, се установява сериозна грешка от прекомерно напрежение, и инверторът влезе в софтуерно заключено състояние, изискващо ръчно възстановяване, преди рестарт. Практиката показва, че с този цеп за клампиране, 6кВ инвертор може да издържи 35% моментно прекомерно напрежение и да потуши прекомерно напрежение до 1.05 пъти номиналното напрежение в рамките на 100ms. Отговорът е бърз и надежден, ефективно предотвратяващ честите прекъсвания от прекомерно напрежение и значително подобряващ непрекъснатостта и надеждността на системата.

3.3 Проект за делене на тока

За справяне с прекомерно затопляне, технологията за делене на тока може да се използва, за да намали генерирането на топлина в ключови компоненти като IGBT-товете и радиаторите, предотвратявайки термично прекъсване.

Специфични мерки включват свързването на 1–2 електролитни кондензатора успоредно към положителните и отрицателните терминали на DC-шината на всеки мощностен модул. Кондензаторите трябва да имат капацитет от 1000–2200μF, напрежение ≥1600V и непрекъснато риплеен ток ≥100A. Когато изходният ток на инвертора надхвърли 1.2 пъти номиналната стойност (например 900A), тези успоредни кондензатори могат да предоставят способност за делене на тока от 10%–20%, намалявайки реалния ток през IGBT-товете до 720–810A. Учитывайки, че загубите при провеждане на IGBT-товете са пропорционални на квадрата на тока, този подход ефективно намалява температурното повишаване.

В формулата: PCPC е загубата при провеждане на IGBT-товете (W); VCEVCE е налягането при насянче на IGBT-товете (V), което има линейна връзка с тока ICIC (A); UηUη е напрежението за включване на IGBT-товете (V); $K$ е фактора за усилване на тока на IGBT-товете.

Може да се види, че след вземането на мерки за делене, загубата при провеждане на IGBT-товете може да се намали с 19% до 36%, а температурата на чипа може да се намали с 10°C до 25°C, което значително облекчава проблема с нагреването на инвертора.

Освен това, инсталирайте 1 до 2 електрически вентилатора успоредно на входа и изхода на радиатора на инвертора, с номинална въздушна струя ≥ 3000 м³/ч, които могат ефективно да подобрят охлаждането на радиатора. Установете 6 до 8 температурни сензори във вътрешността на контролния кабинет, за да наблюдавате в реално време температурите на различните мощностни модули, материнската плата, плата за управление на IGBT-товете и т.н. Когато температурата на някое място надхвърли 65°C, контролната система веднага стартира вентилатора на максимална скорост и изпраща сигнал за "предупреждение за намаляване на натоварването" към контролния модул на инвертора.

Ако температурата продължи да се повишава до 75°C и това продължи повече от 10 минути, системата издава сигнал за "предупреждение за прекомерна температура", ограничавайки максималния изходен ток на инвертора под 50% от номиналната стойност, докато температурата не спадне под 60°C, когато "предупреждението за прекомерна температура" се отмяна.

Ако температурата на някое място надхвърли 85°C и токът на мотора не спадне под 30% от номиналната стойност, инверторът веднага блокира хардуера и спира изхода. За допълнително подобряване на охлаждането, приложете наноматериалите като графен или карбонови нанотрубки на радиаторите на IGBT-товете на всеки мощностен модул, използвайки техния свръхвисок теплов проводимост, за да ускорите разсейването на топлината от чиповете на IGBT-товете, като това намалява температурата на чипа.

4 Ефективност на предпазните мерки
4.1 Експериментален дизайн

Използва се интелигентен високонапрегов инвертор ZINVERT-6kV/1500kVA като обект за тест, и се проведе групова контролна експериментална проверка, за да се потвърди ефективността на трите предложени предпазни мерки. Експериментите се проведоха при номинални условия на работа (входно напрежение: 6кВ±5%; околна температура: 25°C±2°C; относителна влажност: 65%±5%). Експериментът беше разделен на четири групи: контролната група не използва предпазни мерки; Група A използва ограничител на тока 2.2Ω/350W с бърз байпас превключвател MSC-500; Група B използва цеп за клампиране на напрежението, създаден от TYN-20/141 варистан и IXYS-GTO, свързани успоредно, с клампиращо напрежение, зададено на 1420V; Група C използва 2000μF/1600V електролитен кондензатор (Hitachi HCG серия) свързан успоредно за делене на тока, в комбинация с променливо-скоростен вентилатор (EBM-W3G450) с мощност 3500 м³/ч за принудително охлаждане.

Всяка група работеше непрекъснато за 72 часа, с ключови параметри, като изходния ток на инвертора, напрежението на DC-шината и температурата на чипа на IGBT-товете, записани всяка 6 часа. Данните бяха събирани с помощта на Fluke 435-II анализатор на качеството на електроенергията и HIOKI 8847 регистратор. По време на експеримента, бяха моделирани три типични сценария на грешки: въвеждане на прекомерен ток (8 пъти номиналния ток / 0.5с), колебание на напрежението на мрежата (+20% / 1с) и работа при пълно натоварване (околна температура 35°C / 2ч). Експерименталната установка е показана на фигура 1.

4.2 Анализ на резултатите

След 72 часа непрекъсната работа, данните от четирите групи бяха събрани и анализирани, с резултати, представени в таблица 1. Контролната група изпита прекъсвания при всички три сценария на грешки, докато експерименталните групи с предпазни мерки демонстрираха ефективно потушаване на грешките. В група A, пикиращият стартерски ток беше намален от 7.8 до 2.2 пъти номиналната стойност, ефективно предотвратявайки прекъсването от прекомерен ток.

В група B, цепът за клампиране на напрежението ограничи максималното колебание на напрежението на DC-шината до 1368V, значително под 1420V защитната граница. В група C, комбинацията от делене на тока и принудително охлаждане поддържаха максималната температура на чипа на IGBT-товете под 87.5°C, значително по-ниска от 100°C границата за прекъсване. Освен това, времето за реакция на всички три предпазни мерки беше в рамките на 100ms, отговаряйки на изискването за бърза защита. По време на експеримента, не се наблюдаваха лъжливи активации, указвайки стабилна и надеждна работа на системата.

5 Заключение

Това проучване систематично анализира причините за аномални прекъсвания в 6кВ високонапреговите инвертори и предлага целеви предпазни мерки. Експерименталните резултати потвърждават, че ограничителят на тока ефективно контролира въвеждащия ток, цепът за клампиране на напрежението значително потушава прекомерното напрежение на DC-шината, а комбинацията от делене на тока с принудително охлаждане значително намалява риска от прекомерно затопляне на IGBT-товете, като това подобрява общата надеждност на системата.