Forebyggelse af udløsning i 6kV højspændingsinvertere

Højspændingsinvertere er vigtige enheder til styring af AC-motorhastighed og anvendes bredt i højeffekt- og højspændingsmotorhastighedsregulering i industrier som hævning, metalurgi, olie og energigenerering. Imidlertid oplever 6kV højspændingsinvertere ofte ualmindelige driftsfejl under drift på grund af faktorer som netfluktuationer og belastningspåvirkninger, hvilket betydeligt påvirker sikkerheden og pålideligheden af motorhastighedsstyringssystemer.

For at sikre stabil drift af højspændingsfrekvensomformer (VFD) systemer, forbedre industrieffektiviteten og reducere energiforbrugget, har regeringen indført en række politikker, der opmuntrer forskning og anvendelse af højspændingsinverterteknologi. Derfor er en dybdegående analyse af årsagerne til ualmindelige trippelsfejl i 6kV højspændingsinvertere og udviklingen af effektive forebyggende foranstaltninger af stor betydning for at fremme højspændings VFD-teknologi og vedligeholde den industrielle økonomiske vækst.

1 Oversigt over 6kV højspændingsinvertere

En 6kV højspændingsinverter er en højeffektelektronisk enhed, der bruger IGBT'er som skiftende elementer og anvender en multilevel topologi for at opnå variabel frekvens hastighedsstyring ved 6kV og over. Dens effektenheder anvender typisk tre-level neutralpunkt-klemmet (3L-NPC) eller fem-level aktiv neutralpunkt-klemmet (5L-ANPC) kredsløb, konstrueret ved at kaskadere flere undermoduler. Hver undermodul indeholder 6-24 IGBT'er og frihjulsdioder, der genererer en trinformed bølgeform med 9-17 niveauer, der efter filtrering nærmer sig en sinusbølge.

Typiske kapacitetsområder ligger mellem 3000 og 14.000 kVA, med spændingsniveauer, der dækker 6kV, 10kV og 35kV. For højere kapacitets- og spændingskrav kan modular multilevel converter (MMC) topologi anvendes, hvor undermoduler anvender halvbro- eller fuldbro-strukturer, med hundredvis af undermoduler staplet per fase, der gør det muligt at opnå spændingsniveauer op til 220kV og enhedskapacitet op til 400 MVA, egnet til anvendelser som integration af fornyelig energi i nettet, havvind og fleksibel DC-transmission. Styringsstrategien for højspændingsinvertere er kompleks og involverer nøglekompetencer som bærerfasemedieret modulering, strømudjævning, sensorløs detektion og feltsvagningsoptimering.

2 Ualmindelige driftsfejl i 6kV højspændingsinvertere

Under drift trippler 6kV højspændingsinvertere ofte pga. anomalier som overspænding, overstrøm og overophedning. Overstrøm fejl forekommer typisk under start eller pludselige belastningsændringer, hvor øjeblikkelig strøm kan overstige 2-3 gange den nominale værdi. Hvis strømmen overstiger 1600A i mere end 100ms eller 2000A i over 10ms, blokerer inverteren umiddelbart IGBT'erne og afbryder outputkontaktoren, hvilket udløser hardwarebeskyttelsesfejl.

Overspændingsfejl skyldes normalt netfluktuationer eller abrupte belastningsændringer. Når DC-bus-spændingen overstiger 1,2 gange den nominale værdi (1368V), aktiveres softwareoverspændingsbeskyttelsen; hvis den overstiger 1,35 gange (1026V), udløser hardwarebeskyttelsen direkte. Overophedningsfejl forekommer ofte i varme miljøer eller under langvarig overbelastningsdrift. Når IGBT-temperaturen overstiger 90°C eller kølerarmaturens temperatur overstiger 70°C i mere end 5 minutter, udsender systemet en højtemperatur-advarsel; udløsning finder sted direkte, hvis temperaturen når 100°C eller 80°C henholdsvis. Et fælles træk for disse tre fejltyper er aktivering af inverterens selvbeskyttelsesmekanisme, der hurtigt afbryder output ved at blokere IGBT'erne og afbryde kontaktorer, hvilket resulterer i fænomener som motors emergency stop og blinkende fejalarm.

3 Forebyggende foranstaltninger
3.1 Strømbegrænsende resistor

For at tackle overstrøm fejl kan en strømbegrænsende resistor forbinder i serie mellem inverterens output og motoren. Feltningsmålinger viser, at når en 6kV/1500kVA inverter starter en motor på 380kW eller større, kan den øjeblikkelige startstrøm nå 5-8 gange den nominale strøm, langt over overstrøm beskyttelsesindstillingen.

For at undertrykke startstrøm kan en tråd-wound resistor eller ikke-lineær zinkoksid varistor med et modstand på 1-3Ω og en nominel effekt på 200-500W bruges. Den sidste har en koldtilstandsmodstand over 100Ω og falder hurtigt, når strømmen stiger, og begrænser den maksimale startstrøm til inden for 2-3 gange den nominale værdi. Efter motorstart, når inverterens outputfrekvens stiger over 40Hz og strømmen falder under den nominale værdi, er spændingsfaldet over resistoren mindre end 50V.

På dette tidspunkt kortslutter en bypass kontaktor resistoren for at undgå fortsat effekttab. Hvis strøm stiger under start, når strømtransformatorer registrerer en værdi, der overstiger 1200A, udsender kontrolsystemet en advarsel; hvis den når 1500A, blokerer inverteren umiddelbart IGBT'erne og åbner bypass kontaktoren, genindfører strømbegrænsende resistoren for at hurtigt reducere strømmen. Bypass kontaktoren lukkes derefter igen for at genskabe normal drift. Hele skiftprocessen tager mindre end 0,5 sekunder, undertrykker effektivt strømspids, sikrer en jævn motorstart og forbedrer betydeligt inverterens pålidelighed.

3.2 Spændingsklampe kredsløb

For at undertrykke overspændingsfejl kan et spændingsklampekredsløb forbinder parallelt til DC-bussen. Dette kredsløb består hovedsageligt af en metallisk oksideret varistor (MOV), en hurtig thyristor (GTO) og en detektionskredsløb. Feltningsdata viser, at softwareoverspændingsbeskyttelsen aktiveres, når netspændingen fluktuere mere end 15% eller når belastningsreduktion fører til, at DC-bussespændingen overstiger 1300V i over 20ms.

For at forhindre sådanne fejl kan en TYN-20/141 MOV anvendes, med en udløsevoltage på 1420V, en maksimal afladningsstrøm på 20kA og en energiabsorptionsevne på 8800J pr. enhed. Når bus-spændingen overstiger 1350V, begynder MOV'en at lede og absorbere overskydende energi; hvis spændingen stiger til 1400V, udløser GTO'en, og ledet overvoltage energi hurtigt ind i en resistor for at genskabe en sikker spænding. Detektionskredsløbet overvåger kontinuert bus-spændingen.

Når spændingen falder under 1250V og forbliver der i 50ms, sendes en frigivelsesignal, slukker GTO'en og genskaber normal systemdrift. Hvis bus-spændingen forbliver over 1400V i mere end 100ms, identificeres en alvorlig overspændingsfejl, og inverteren går i en software-låst tilstand, der kræver manuel nulstilling før genstart. Praksis viser, at med dette klampekredsløb kan en 6kV inverter modstå 35% øjeblikkelig overspænding og undertrykke overspænding inden for 1,05 gange den nominale spænding inden for 100ms. Responsen er hurtig og pålidelig, der effektivt forhindrer hyppige overspændingsfejl og betydeligt forbedrer systemets kontinuitet og pålidelighed.

3.3 Strømdeling design

For at tacke overophedningsfejl kan strømdelingsteknologi anvendes for at reducere varmegenerering i vigtige komponenter som IGBT'er og kølerarmaturer, for at forhindre termisk udløsning.

Specifikke foranstaltninger inkluderer at forbinde 1-2 elektrolytkondensatorer parallel over positive og negative DC-bus-terminaler for hver effektenhed. Kondensatorerne skal have en kapacitance på 1000-2200μF, en spændingsklassifikation ≥1600V, og en kontinuerlig ripplestrøm ≥100A. Når inverterens outputstrøm overstiger 1,2 gange den nominale værdi (fx 900A), kan disse parallelle kondensatorer give 10%-20% strømdelingsevne, der reducerer den faktiske strøm gennem IGBT'er til 720-810A. Da IGBT-ledningsforskydning er proportional med kvadratet af strømmen, reducerer denne tilgang effektivt temperaturstigning.

I formlen: PCPC er IGBT-ledningsforskydning (W); VCEVCE er IGBT-sætningsspænding (V), som har en lineær forhold til strømmen ICIC (A); UηUη er tændespændingen for IGBT (V); $K$ er strømforklargningsfaktoren for IGBT.

Det kan ses, at efter at have taget shunt-foranstaltninger, kan IGBT-ledningsforskydningen reduceres med 19% til 36%, og chip junction temperaturen kan falde med 10°C til 25°C, hvilket betydeligt letter opvarmningsproblemet med inverteren.

Desuden installér 1 til 2 elektriske ventilatorer parallel i inngang og utgang til inverterens kølerarmatur, med en nominel luftmængde ≥ 3000 m³/h, hvilket effektivt forbedrer kølerarmaturens køleevne. Sæt op 6 til 8 temperatursensorer indeni kontrolkabinet for at overvåge temperaturen på forskellige effektenheder, moderkort, IGBT-driverkort osv., i realtid. Når ethvert punkts temperatur overstiger 65°C, starter kontrolsystemet straks elektriske ventilatorer på fuld hastighed og sender et "belastningsreduktionsadvarsels" signal til inverterens kontrolenhed.

Hvis temperaturen fortsætter med at stige til 75°C og vare mere end 10 minutter, udsender systemet et "overtemperaturalarm" signal, der begrænser inverterens maksimale outputstrøm til under 50% af den nominale værdi, indtil temperaturen falder under 60°C, hvorefter "overtemperaturalarmen" ophæves.

Hvis ethvert målepunkts temperatur overstiger 85°C og motoren strøm ikke falder under 30% af den nominale værdi, blokerer inverteren umiddelbart hardware og stopper output. For yderligere at forbedre køleevnen, anvend nanomaterialer som grafen eller karbonnanorør på IGBT kølerarmaturer for hver effektenhed, der benytter deres ultra-høje termiskledning til at accelerere IGBT-chippenes varmespredning, hvilket reducerer junction temperaturen.

4 Effektivitet af forebyggende foranstaltninger
4.1 Eksperimentelt design

ZINVERT-6kV/1500kVA intelligent højspændingsinverter blev brugt som testobjekt, og en gruppekontrolleret eksperiment blev udført for at verificere effektiviteten af de tre foreslåede forebyggende foranstaltninger. Eksperimenterne blev udført under nominelle driftsbetingelser (inputspænding: 6kV±5%; omgivende temperatur: 25°C±2°C; relativ fugtighed: 65%±5%). Eksperimentet blev delt ind i fire grupper: kontrolgruppen anvendte ingen forebyggende foranstaltninger; Gruppe A anvendte en 2,2Ω/350W strømbegrænsende resistor med en MSC-500 hurtig bypass switch; Gruppe B brugte et spændingsklampekredsløb dannet af en TYN-20/141 varistor og en IXYS-GTO forbundet parallel, med klampevoltage sat til 1420V; Gruppe C anvendte en 2000μF/1600V elektrolytkondensator (Hitachi HCG serie) forbundet parallel for strømdeling, kombineret med en 3500 m³/h variable hastighed ventilator (EBM-W3G450) for tvungen køling.

Hver gruppe kørte kontinuerligt i 72 timer, med nøgleparametre - som inverterens outputstrøm, DC-bus-voltage og IGBT-junctionstemperatur - registrerede hvert 6. time. Data blev indsamlet ved hjælp af en Fluke 435-II strømkvalitetsanalyser og en HIOKI 8847 datalogger. Under eksperimentet blev tre typiske fejlscenarier simuleret: inrush overstrøm (8 gange nominel strøm / 0,5s), netvoltagefluktuering (+20% / 1s) og fuld belastningsdrift (omgivende temperatur 35°C / 2h). Eksperimentopsætningen er vist i figur 1.

4.2 Resultatanalyse

Efter 72 timers kontinuerlig drift blev data fra de fire grupper indsamlet og analyseret, med resultater præsenteret i tabel 1. Kontrolgruppen oplevede trippelsfejl under alle tre fejltilstande, mens eksperimentgrupperne med forebyggende foranstaltninger demonstrerede effektiv fejlundertrykkelse. I Gruppe A blev startstrømmen nedbragt fra 7,8 til 2,2 gange den nominale værdi, der effektivt forhindrede overstrøm fejl.

I Gruppe B begrænsede spændingsklampekredsløbet den maksimale DC-bus-spændingsfluktuering til 1368V, langt under den 1420V beskyttelsestærskel. I Gruppe C vedligeholdt kombinationen af strømdeling og tvungen køling den maksimale IGBT-junctionstemperatur under 87,5°C, betydeligt lavere end den 100°C udløsningsgrænse. Desuden var respons tiden for alle tre forebyggende foranstaltninger inden for 100ms, der opfylder kravet om hurtig beskyttelse. Der opstod ingen falsk udløsning under eksperimentet, hvilket indikerer stabil og pålidelig systemperformance.

5 Konklusion

Denne undersøgelse analyserede systematisk årsagerne til ualmindelige trippelsfejl i 6kV højspændingsinvertere og foreslog målrettede forebyggende foranstaltninger. Eksperimentelle resultater bekræfter, at strømbegrænsende resistor effektivt kontrollerer inrush strøm, spændingsklampekredsløb betydeligt undertrykker DC-bus overspænding, og kombinationen af strømdeling med tvungen køling betydeligt reducerer risikoen for IGBT-overophedning, der forbedrer systemets samlede pålidelighed.