Prevence před výpadky u vysokonapěťových inverterů 6 kV

Vysokonapěťové inverter jsou klíčové zařízení pro řízení otáček asynchronních motorů a jsou široce používány v průmyslových odvětvích jako jsou zdvihání materiálu, hutnictví, ropný průmysl a výroba elektrické energie pro regulační aplikace s vysokou výkonovou a napěťovou motory. Nicméně, 6kV vysokonapěťové inverter často při provozu zaznamenávají neočekávané selhání pohonu z důvodu faktorů jako fluktuace síti a dopadu zatížení, což značně ovlivňuje bezpečnost a spolehlivost systémů pro řízení otáček motorů.

Aby bylo zajištěno stabilní fungování systémů vysokonapěťových frekvenčních měničů (VFD), zlepšena průmyslová efektivita a sníženo spotřeba energie, vláda zavedla sérii opatření podporujících výzkum a aplikaci technologie vysokonapěťových inverter. Proto je hluboká analýza příčin neočekávaných selhání pohonu u 6kV vysokonapěťových inverter a vyvinutí efektivních preventivních opatření velmi důležitá pro rozvoj technologie vysokonapěťových VFD a udržení hospodářského růstu v průmyslu.

1 Přehled 6kV vysokonapěťových inverter

6kV vysokonapěťový inverter je vysokovýkonové elektronické zařízení, které používá IGBT jako přepínací prvky a víceúrovňovou topologii k dosažení frekvenčného řízení otáček nad 6kV. Jeho výkonové jednotky obvykle používají tříúrovňovou topologii s neutrálním bodem (3L-NPC) nebo pětiúrovňovou aktivní topologii s neutrálním bodem (5L-ANPC), které jsou postaveny na kaskádování několika modulů. Každý modul obsahuje 6–24 IGBT a volnoběžné diody, generující stupňovitý průběh s 9–17 úrovněmi, který po filtraci aproximuje sinusoidální průběh.

Typické kapacity se pohybují od 3000 do 14 000 kVA, s napěťovými hladinami pokrývajícími 6kV, 10kV a 35kV. Pro vyšší kapacity a napěťové požadavky lze použít topologii modulárního víceúrovňového měniče (MMC), kde moduly používají polomostové nebo plnomostové struktury, s stovkami modulů každé fáze, umožňující napěťové hladiny až 220kV a jednotkovou kapacitu až 400 MVA, vhodné pro aplikace jako integrace obnovitelných zdrojů do sítě, offshore větrné elektrárny a flexibilní stejnosměrné přenosy. Kontrolní strategie vysokonapěťových inverter je komplexní, zahrnující klíčové technologie jako je fázově posunutá modulace, vyvažování proudů, bezsenzorové detekce a optimalizace oslabení pole.

2 Neočekávané selhání pohonu u 6kV vysokonapěťových inverter

Během provozu 6kV vysokonapěťové inverter často dochází k selhání pohonu z důvodu neočekávaných stavů, jako jsou přetížení proudu, přetížení napětí a přehřátí. Přetížení proudu typicky nastává během startu nebo náhlé změny zatížení, kdy okamžitý proud může přesáhnout 2–3 násobek nominální hodnoty. Pokud proud přesáhne 1600A po dobu déle než 100ms nebo 2000A po dobu déle než 10ms, inverter okamžitě blokuje IGBT a odpojí výstupní kontaktor, což aktivuje hardwarovou ochranu proti selhání.

Přetížení napětí je obvykle způsobeno fluktuacemi sítě nebo náhlou změnou zatížení. Když DC sběrnice přesáhne 1,2 násobek nominální hodnoty (1368V), aktivuje se softwarová ochrana proti přetížení napětí; pokud přesáhne 1,35 násobek (1026V), hardwarová ochrana okamžitě aktivuje selhání. Přehřátí často nastává v prostředí s vysokou teplotou nebo během dlouhotrvajícího přetížení. Když teplota IGBT přesáhne 90°C nebo teplota chladiče přesáhne 70°C po dobu déle než 5 minut, systém vydá varování ohledně vysoké teploty; při dosažení 100°C nebo 80°C dojde k okamžitému selhání. Společným rysem těchto tří typů poruch je aktivace samoobrazové ochrany inverter, která rychle odpojuje výstup blokováním IGBT a odpojením kontaktoru, což vede k jevům jako nouzové zastavení motoru a blikající upozornění na poruchu.

3 Preventivní opatření
3.1 Omezovací odpor

Pro řešení přetížení proudu lze mezi výstup inverter a motor připojit omezovací odpor. Terénní měření ukazují, že když 6kV/1500kVA inverter spustí motor o výkonu 380 kW nebo větším, okamžitý startovací proud může dosáhnout 5–8 násobku nominálního proudu, což výrazně přesahuje nastavení ochrany před přetížením proudu.

K potlačení startovacího proudu lze použít drátový odpor nebo nelineární oxidický varistor s odporovou hodnotou 1–3 Ω a nominálním výkonem 200–500 W. Ten má studený odpor nad 100 Ω a rychle klesá s rostoucím proudem, což omezí vrcholový startovací proud na 2–3 násobek nominální hodnoty. Po spuštění motoru, když frekvence výstupu inverter přesáhne 40 Hz a proud klesne pod nominální hodnotu, padnutí napětí na odporu je menší než 50 V.

V tomto okamžiku paralelní kontaktor přepne odpor, aby se zabránilo trvalému ztrátám energie. Pokud dojde k náhlému nárůstu proudu během startu, kdy transformátor proudu detekuje hodnotu přesahující 1200 A, kontrolní systém vydá varování; pokud dosáhne 1500 A, inverter okamžitě blokuje IGBT a otevře paralelní kontaktor, znovu připojí omezovací odpor k rychlému snížení proudu. Poté se paralelní kontaktor opět zavře, aby se obnovil normální provoz. Celý přepínací proces trvá méně než 0,5 s, což efektivně potlačí výkyvy proudu, zajišťuje hladký start motoru a výrazně zvyšuje spolehlivost inverter.

3.2 Obvod pro clamping napětí

Pro potlačení přetížení napětí lze do paralely s DC sběrnicí připojit obvod pro clamping napětí. Tento obvod se skládá zejména z metaloxidového varistoru (MOV), rychlého thyristoru (GTO) a detekčního obvodu. Terénní data ukazují, že softwarová ochrana proti přetížení napětí aktivuje, když se síťové napětí změní o více než 15 % nebo když snížení zatížení způsobí, že napětí DC sběrnice přesáhne 1300 V po dobu déle než 20 ms.

Pro prevenci těchto poruch lze použít MOV typu TYN-20/141 s zapínacím napětím 1420 V, maximálním vypouštěcím proudem 20 kA a schopností absorpce energie 8800 J na jednotku. Když napětí sběrnice přesáhne 1350 V, MOV začne vodiť a absorbovat přebytečnou energii; pokud napětí stoupne na 1400 V, GTO se zapne a rychle převádí přebytečnou energii do odporníku, aby se napětí vrátilo na bezpečnou úroveň. Detekční obvod neustále monitoruje napětí sběrnice.

Pokud napětí klesne pod 1250 V a zůstane tam po dobu déle než 50 ms, je vysláno signál k uvolnění, který vypne GTO a obnoví normální provoz systému. Pokud napětí sběrnice zůstane nad 1400 V po dobu déle než 100 ms, je identifikována vážná porucha přetížení napětí a inverter přejde do softwarového stavu uzamčení, který vyžaduje ruční resetování před restartem. Praxe ukazuje, že s tímto obvodem pro clamping napětí 6kV inverter může snést 35% okamžité přetížení napětí a potlačit přetížení na 1,05 násobek nominálního napětí do 100 ms. Reakce je rychlá a spolehlivá, což efektivně brání častému selhání z důvodu přetížení napětí a výrazně zlepšuje kontinuitu a spolehlivost systému.

3.3 Návrh sdílení proudu

Pro řešení poruch přehřátí lze použít technologii sdílení proudu k snížení výroby tepla v klíčových komponentách, jako jsou IGBT a chladiče, a zabránit termálnímu selhání.

Konkrétní opatření zahrnují připojení 1–2 elektrolitických kondenzátorů v paralelním spojení mezi pozitivním a negativním terminálem DC sběrnice každé výkonové jednotky. Kondenzátory by měly mít kapacitu 1000–2200 μF, napěťovou třídu ≥1600 V a kontinuální vlnový proud ≥100 A. Když výstupní proud inverter přesáhne 1,2 násobek nominální hodnoty (např. 900 A), tyto paralelní kondenzátory mohou poskytnout schopnost sdílení proudu 10%–20%, což sníží skutečný proud procházející IGBT na 720–810 A. Vzhledem k tomu, že ztráty vedení IGBT jsou proporcionální druhé mocnině proudu, tento přístup efektivně snižuje teplotní vzestup.

Ve formuli: PCPC je ztráta vedení IGBT (W); VCEVCE je saturace napětí IGBT (V), která má lineární vztah s proudem ICIC (A); UηUη je zapínací napětí IGBT (V); $K$ je koeficient zesílení proudu IGBT.

Je vidět, že po použití opatření pro sdílení proudu, ztráta vedení IGBT může být snížena o 19% až 36%, a teplota spoje čipu může klesnout o 10°C až 25°C, což výrazně ulehčuje problémy s ohřevem inverter.

Navíc, nainstalujte 1 až 2 elektrické ventilátory v paralelním spojení na vstupu a výstupu chladiče inverter, s nominálním objemovým průtokem ≥ 3000 m³/h, což efektivně zlepší chlazení chladiče. Nastavte 6 až 8 teplotních senzorů uvnitř ovládací skříně pro sledování teplot různých výkonových jednotek, materní desky, řídící desky IGBT atd. v reálném čase. Pokud jakákoli teplota přesáhne 65°C, kontrolní systém okamžitě spustí elektrický ventilátor na plnou rychlost a odešle "varování o snížení zatížení" do řídící jednotky inverter.

Pokud teplota dále stoupne na 75°C a trvá déle než 10 minut, systém vydá "varování o přehřátí", omezí maximální výstupní proud inverter na méně než 50% nominální hodnoty, dokud teplota klesne pod 60°C, v té době bude "varování o přehřátí" zrušeno.

Pokud jakákoli měřená teplota přesáhne 85°C a proud motoru nepoklesne pod 30% nominální hodnoty, inverter okamžitě zapne hardwarové uzamčení a zastaví výstup. Pro další zlepšení chlazení aplikujte nanomateriály, jako je grafen nebo uhlíkové nanotrubičky, na chladiče IGBT každé výkonové jednotky, využijte jejich extrémně vysokou tepelnou vodivost k urychlení odvodu tepla z čipů IGBT, což sníží teplotu spoje.

4 Efektivita preventivních opatření
4.1 Experimentální návrh

Byl použit inteligentní vysokonapěťový inverter ZINVERT-6kV/1500kVA jako testovací objekt a proveden skupinový kontrolní experiment k ověření efektivity tří navržených preventivních opatření. Experimenty byly provedeny za nominálních pracovních podmínek (vstupní napětí: 6kV±5%; okolní teplota: 25°C±2°C; relativní vlhkost: 65%±5%). Experiment byl rozdělen do čtyř skupin: kontrolní skupina nepoužila žádná preventivní opatření; Skupina A použila 2,2Ω/350W omezovací odpor s rychlým paralelním kontaktorem MSC-500; Skupina B použila obvod pro clamping napětí složený z varistoru TYN-20/141 a IXYS-GTO zapojeného v paralelním spojení, s nastavením clamping napětí na 1420 V; Skupina C použila 2000μF/1600V elektrolitický kondenzátor (Hitachi HCG série) zapojený v paralelním spojení pro sdílení proudu, kombinovaný s proměnně rychlým ventilátorem (EBM-W3G450) o objemovém průtoku 3500 m³/h pro nucené chlazení.

Každá skupina pracovala nepřetržitě po 72 hodin, s klíčovými parametry, jako jsou výstupní proud inverter, napětí DC sběrnice a teplota spoje IGBT, zaznamenanými každých 6 hodin. Data byla shromážděna pomocí analyzátoru kvality elektrické energie Fluke 435-II a datového logeru HIOKI 8847. Během experimentu byly simulovány tři typické situace poruch: náhlý přetížení proudu (8 násobek nominálního proudu / 0,5 s), fluktuace síťového napětí (+20% / 1 s) a plně zatížený provoz (okolní teplota 35°C / 2 h). Experimentální nastavení je znázorněno na obrázku 1.

4.2 Analýza výsledků

Po 72 hodinách nepřetržitého provozu byla shromážděna a analyzována data ze čtyř skupin, s výsledky prezentovanými v tabulce 1. Kontrolní skupina zaznamenala selhání všechny tři situace poruch, zatímco experimentální skupiny s preventivními opatřeními demonstrovaly efektivní potlačení poruch. V Skupině A byl vrcholový startovací proud snížen z 7,8 na 2,2 násobek nominální hodnoty, což efektivně zabránilo selhání z důvodu přetížení proudu.

V Skupině B obvod pro clamping napětí omezil maximální fluktuaci napětí DC sběrnice na 1368 V, což je mnohem nižší než ochranný limit 1420 V. V Skupině C kombinace sdílení proudu a nuceného chlazení udržela maximální teplotu spoje IGBT pod 87,5°C, což je výrazně nižší než limit selhání 100°C. Navíc, doba odezvy všech tří preventivních opatření byla v rámci 100 ms, splňující požadavek na rychlou ochranu. Během experimentu nedošlo k žádnému nesprávnému spuštění, což naznačuje stabilní a spolehlivé výkony systému.

5 Závěr

Tato studie systematicky analyzovala příčiny neočekávaného selhání u 6kV vysokonapěťových inverter a navrhla cílená preventivní opatření. Experimentální výsledky potvrdily, že omezovací odpor efektivně kontroloval náhlé přetížení proudu, obvod pro clamping napětí výrazně potlačil přetížení napětí DC sběrnice a kombinace sdílení proudu s nuceným chlazením výrazně snížila riziko přehřátí IGBT, což vedlo ke zvýšení celkové spolehlivosti systému.