Prevenir el disparo en inversors de alta tensió de 6 kV

Els inversors de alta tensió són dispositius crítics per al control de la velocitat dels motors d'inducció i es fan servir ampliament en aplicacions de regulació de la velocitat dels motors d'alta potència i alta tensió en sectors com l'elevació, la metallúrgia, el petroli i la generació d'energia. No obstant això, els inversors de 6kV sovint experimenten faults anormals de desconnexió durant l'operació degut a factors com les fluctuacions de la xarxa i els impactes de càrrega, afectant significativament la seguretat i la fiabilitat dels sistemes de control de la velocitat del motor.

Per assegurar una operació estable dels sistemes de variació de freqüència de alta tensió (VFD), millorar l'eficiència industrial i reduir el consum d'energia, el govern ha introduït una sèrie de polítiques que encoratgen la recerca i l'aplicació de la tecnologia d'inversors de alta tensió. Per tant, l'anàlisi en profunditat de les causes de les faults anormals de desconnexió en els inversors de 6kV i el desenvolupament de mesures preventives efectives són de gran importància per avançar en la tecnologia VFD de alta tensió i mantenir el creixement econòmic industrial.

1 Resum dels Inversors de 6kV de Alta Tensió

Un inversor de 6kV de alta tensió és un dispositiu electrònic de potència de gran potència que utilitza IGBTs com a elements commutadors i empra una topologia multinivell per aconseguir el control de velocitat amb variació de freqüència a 6kV i més. Les seves unitats de potència solen adoptar circuits de tres nivells amb punt neutre clavat (3L-NPC) o cinc nivells amb punt neutre clavat actiu (5L-ANPC), construïts mitjançant la cascada de diversos submòduls. Cada submòdul conté 6-24 IGBTs i diodes de rueda lliure, generant una forma d'ona escalonada amb 9-17 nivells, que aproxima una sinusoide després del filtratge.

La capacitat típica varia entre 3000 i 14.000 kVA, amb nivells de tensió que cobreixen 6kV, 10kV i 35kV. Per a requisits de capacitat i tensió superiors, es pot utilitzar la topologia del convertidor modular multinivell (MMC), on els submòduls empraren estructures de pont mig o pont complet, amb centenars de submòduls apilats per fase, permetent nivells de tensió fins a 220kV i capacitat unitària fins a 400 MVA, adequats per a aplicacions com la integració de l'energia renovable a la xarxa, l'energia eòlica offshore i la transmissió DC flexible. La estratègia de control dels inversors de alta tensió és complexa, implicant tecnologies clau com la modulació amb desplaçament de fase del portador, l'equilibri de corrent, la detecció sense sensor i l'optimització de l'afagilitat del camp.

2 Faults Anormals de Desconnexió en Inversors de 6kV de Alta Tensió

Durant l'operació, els inversors de 6kV de alta tensió sovint es desconnecten per anomalies com sobrecorrent, sobretençó i sobrecalor. Les faults de sobrecorrent solen ocorrer durant l'arrancada o canvis bruscs de càrrega, on la corrent instantània pot superar 2-3 vegades el valor nominal. Si la corrent supera 1600A durant més de 100ms o 2000A durant més de 10ms, l'inversor bloqueja immediatament els IGBTs i desconnecta el contactor de sortida, activant la protecció de hardware.

Les faults de sobretençó solen ser causades per fluctuacions de la xarxa o canvis bruscs de càrrega. Quan la tensió de la barra DC supera 1,2 vegades el valor nominal (1368V), s'activa la protecció de sobretençó de software; si supera 1,35 vegades (1026V), la protecció de hardware desconnecta directament. Les faults de sobrecalor solen ocorrer en entorns de temperatura elevada o durant l'operació prolongada amb sobrecàrrega. Quan la temperatura dels IGBTs supera 90°C o la temperatura del disipador térmic supera 70°C durant més de 5 minuts, el sistema emet un avís de temperatura elevada; si les temperatures arriben a 100°C o 80°C, respectivament, ocorre la desconnexió directa. Una característica comuna d'aquests tres tipus de faults és l'activació del mecanisme de autoprotecció de l'inversor, que talla ràpidament la sortida bloquejant els IGBTs i desconnectant els contactors, resultant en fenòmens com l'aturada d'emergència del motor i els avisos de fault intermitents.

3 Mesures Preventives
3.1 Resistència Limitadora de Corrent

Per atendre les faults de sobrecorrent, es pot connectar una resistència limitadora de corrent en sèrie entre la sortida de l'inversor i el motor. Les mesures de camp mostren que quan un inversor de 6kV/1500kVA arranca un motor de 380kW o superior, la corrent d'arrancada instantània pot arribar a 5-8 vegades la corrent nominal, superant molt la configuració de protecció de sobrecorrent.

Per suprimir la corrent d'arrancada, es pot utilitzar una resistència de fil trenzat o un varistor de òxid de zinc no lineal amb una resistència de 1-3Ω i una potència nominal de 200-500W. Aquest darrer té una resistència a l'estat fred superior a 100Ω i disminueix ràpidament a mesura que augmenta la corrent, limitant la corrent d'arrancada pico a dins de 2-3 vegades el valor nominal. Després de l'arrancada del motor, quan la freqüència de sortida de l'inversor supera els 40Hz i la corrent baixa per sota del valor nominal, la caiguda de tensió a través de la resistència és inferior a 50V.

En aquest moment, un contactor de bypass curta la resistència per evitar la pèrdua de potència contínua. Si hi ha un pic de corrent durant l'arrancada, quan el transformador de corrent detecta un valor superior a 1200A, el sistema de control emet un avís; si arriba a 1500A, l'inversor bloqueja immediatament els IGBTs i obre el contactor de bypass, reintroduint la resistència limitadora de corrent per reduir ràpidament la corrent. El contactor de bypass es tanca llavors per restablir l'operació normal. Tot el procés de commutació pren menys de 0,5s, suprimint eficientment els pics de corrent, assegurant una arrancada suau del motor i millorant significativament la fiabilitat de l'inversor.

3.2 Circuit de Clavat de Tensió

Per suprimir les faults de sobretençó, es pot connectar un circuit de clavat de tensió en paral·lel a la barra DC. Aquest circuit consta principalment d'un varistor d'òxid metàl·lic (MOV), un tiristor ràpid (GTO) i un circuit de detecció. Les dades de camp mostren que la protecció de sobretençó de software s'activa quan la tensió de la xarxa fluctua més del 15% o quan la reducció de càrrega fa que la tensió de la barra DC superi 1300V durant més de 20ms.

Per prevenir aquestes faults, es pot utilitzar un MOV TYN-20/141, amb una tensió de disparació de 1420V, una corrent de descàrrega màxima de 20kA i una capacitat d'absorció d'energia de 8800J per unitat. Quan la tensió de la barra supera 1350V, el MOV comença a conduir i absorir l'energia excedent; si la tensió augmenta a 1400V, el GTO s'activa, desviant ràpidament l'energia de sobretençó cap a una resistència per restaurar la tensió a un nivell segur. El circuit de detecció monitoritza continuament la tensió de la barra.

Quan la tensió baixa per sota de 1250V i es manté així durant 50ms, es envia un senyal de liberació, apagant el GTO i restablint l'operació normal del sistema. Si la tensió de la barra roman per sobre de 1400V durant més de 100ms, s'identifica una fault de sobretençó severa, i l'inversor entra en un estat de bloqueig de software, requerint un reinici manual abans de tornar a iniciar. La pràctica mostra que amb aquest circuit de clavat, un inversor de 6kV pot resistir un 35% de sobretençó instantània i suprimir la sobretençó a dins de 1,05 vegades la tensió nominal en menys de 100ms. La resposta és ràpida i fiable, prevenint eficientment les desconnexions freqüents de sobretençó i millorant significativament la continuitat i fiabilitat del sistema.

3.3 Disseny de Compartiment de Corrent

Per atendre les faults de sobrecalor, es pot utilitzar la tecnologia de compartiment de corrent per reduir la generació de calor en components crítics com els IGBTs i els disipadors tèrmics, prevenint la desconnexió per calor.

Les mesures específiques inclouen la connexió de 1-2 condensadors electrolítics en paral·lel entre els terminals positius i negatius de la barra DC de cada unitat de potència. Els condensadors haurien de tenir una capacitance de 1000-2200μF, una tensió nominal ≥1600V i una corrent de riple contínua ≥100A. Quan la corrent de sortida de l'inversor supera 1,2 vegades el valor nominal (per exemple, 900A), aquests condensadors en paral·lel poden proporcionar una capacitat de compartiment de corrent del 10%-20%, reduint la corrent real a través dels IGBTs a 720-810A. Atès que les pèrdues de conducció dels IGBTs són proporcionals al quadrat de la corrent, aquest enfocament redueix eficientment l'augment de temperatura.

En la fórmula: PCPC són les pèrdues de conducció dels IGBTs (W); VCEVCE és la tensió de saturació dels IGBTs (V), que té una relació lineal amb la corrent ICIC (A); UηUη és la tensió d'encendiment dels IGBTs (V); $K$ és el factor d'amplificació de corrent dels IGBTs.

Es pot veure que després de prendre mesures de compartiment, les pèrdues de conducció dels IGBTs es poden reduir entre un 19% i un 36%, i la temperatura de la junta del chip es pot reduir entre 10°C i 25°C, alliberant així gairebé totalment el problema de calor de l'inversor.

A més, instal·lar 1 a 2 ventiladors elèctrics en paral·lel a l'entrada i la sortida del disipador tèrmic de l'inversor, amb un volum d'aire nominal ≥ 3000 m³/h, pot millorar eficientment l'efecte de refredament del disipador tèrmic. Establir 6 a 8 sensors de temperatura dins del quadre de control per monitoritzar en temps real les temperatures de diverses unitats de potència, placa mare, placa de conducció dels IGBTs, etc. Quan la temperatura de qualsevol punt supera 65°C, el sistema de control inicia immediatament el ventilador a velocitat màxima i envia un senyal d'avís de "reducció de càrrega" a la unitat de control de l'inversor.

Si la temperatura continua augmentant fins a 75°C i dura més de 10 minuts, el sistema emet un senyal d'"alarma de sobrecalor", limitant la corrent de sortida màxima de l'inversor a menys del 50% del valor nominal fins que la temperatura baixi per sota de 60°C, moment en què s'allibera l'"alarma de sobrecalor".

Si la temperatura de qualsevol punt de mesura supera 85°C i la corrent del motor no baixa per sota del 30% del valor nominal, l'inversor bloqueja immediatament el hardware i atura la sortida. Per millorar encara més l'efecte de refredament, aplicar materials nanomètrics com el grafè o les nanotubes de carboni als disipadors tèrmics dels IGBTs de cada unitat de potència, utilitzant la seva ultra-alta conductivitat tèrmica per accelerar la dissipació de calor dels chips IGBT, reduint així la temperatura de la junta.

4 Efectivitat de les Mesures Preventives
4.1 Disseny Experimental

S'utilitzà l'inversor intel·ligent de alta tensió ZINVERT-6kV/1500kVA com a objecte de prova, i es va realitzar un experiment de control agrupat per verificar l'efectivitat de les tres mesures preventives proposades. Els experiments es van realitzar en condicions nominals d'operació (tensió d'entrada: 6kV±5%; temperatura ambiental: 25°C±2°C; humitat relativa: 65%±5%). L'experiment es va dividir en quatre grups: el grup de control no utilitzà mesures preventives; el Grup A utilitzà una resistència limitadora de corrent de 2,2Ω/350W amb un interruptor de bypass ràpid MSC-500; el Grup B utilitzà un circuit de clavat de tensió format per un varistor TYN-20/141 i un IXYS-GTO connectats en paral·lel, amb la tensió de clavat fixada a 1420V; el Grup C utilitzà un condensador electrolític de 2000μF/1600V (sèrie Hitachi HCG) connectat en paral·lel per compartiment de corrent, combinat amb un ventilador de velocitat variable de 3500 m³/h (EBM-W3G450) per refredament forçat.

Cada grup va operar de manera contínua durant 72 hores, amb els paràmetres clau, com la corrent de sortida de l'inversor, la tensió de la barra DC i la temperatura de la junta dels IGBTs, registrats cada 6 hores. Les dades es van recollir utilitzant un analitzador de qualitat de potència Fluke 435-II i un registrador de dades HIOKI 8847. Durant l'experiment, es van simular tres escenaris de fault típics: sobrecorrent d'arrancada (8 vegades la corrent nominal / 0,5s), fluctuació de la tensió de la xarxa (+20% / 1s) i operació a ple càrrega (temperatura ambiental 35°C / 2h). La configuració experimental es mostra a la Figura 1.

4.2 Anàlisi dels Resultats

Després de 72 hores d'operació contínua, es van recollir i analitzar les dades dels quatre grups, amb resultats presentats a la Taula 1. El grup de control experimentà desconnexions en tots tres escenaris de fault, mentre que els grups experimentals amb mesures preventives demostraren una supressió eficient de les faults. En el Grup A, la corrent d'arrancada pico es va reduir de 7,8 a 2,2 vegades el valor nominal, prevenint eficientment les desconnexions per sobrecorrent.

En el Grup B, el circuit de clavat de tensió limità la fluctuació màxima de la tensió de la barra DC a 1368V, ben per sota del límit de protecció de 1420V. En el Grup C, la combinació de compartiment de corrent i refredament forçat mantingué la temperatura màxima de la junta dels IGBTs per sota de 87,5°C, significativament més baixa que el límit de desconnexió de 100°C. A més, el temps de resposta de totes tres mesures preventives fou dins de 100ms, complint el requisit de protecció ràpida. No es produïren disparacions falses durant l'experiment, indicant un rendiment del sistema estable i fiable.

5 Conclusió

Aquest estudi va analitzar de manera sistemàtica les causes de les desconnexions anòmals en els inversors de 6kV de alta tensió i va proposar mesures preventives orientades. Els resultats experimentals confirmen que la resistència limitadora de corrent controla eficientment la corrent d'arrancada, el circuit de clavat de tensió suprimeix significativament la sobretençó de la barra DC, i la combinació de compartiment de corrent amb refredament forçat redueix enormement el risc de sobrecalor dels IGBTs, augmentant així la fiabilitat general del sistema.