Verhinderung von Auslöschungen bei 6kV-Hochspannungswechselrichtern

Hochspannungswechselrichter sind entscheidende Geräte zur Drehzahlregelung von Wechselstrommotoren und werden in Hochleistungs- und Hochspannungsmotordrehzahlregelanwendungen in Branchen wie Hebezeug, Metallurgie, Öl und Energieerzeugung weit verbreitet eingesetzt. Allerdings treten bei 6kV-Hochspannungswechselrichtern während des Betriebs aufgrund von Faktoren wie Netzfluktuationen und Lastwirkungen oft ungewöhnliche Störungen im Antrieb auf, was die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Motordrehzahlregelsysteme erheblich beeinträchtigt.

Um den stabilen Betrieb von Hochspannungs-Frequenzumrichtersystemen (VFD) sicherzustellen, die industrielle Effizienz zu verbessern und den Energieverbrauch zu reduzieren, hat die Regierung eine Reihe von Maßnahmen eingeführt, die die Forschung und Anwendung von Hochspannungswechselrichtertechnologie fördern. Daher ist eine detaillierte Analyse der Ursachen für ungewöhnliche Ausfallstörungen bei 6kV-Hochspannungswechselrichtern und die Entwicklung wirksamer Präventivmaßnahmen von großer Bedeutung für die Weiterentwicklung der Hochspannungs-VFD-Technologie und die Aufrechterhaltung des industriellen Wirtschaftswachstums.

1 Übersicht über 6kV-Hochspannungswechselrichter

Ein 6kV-Hochspannungswechselrichter ist ein hochleistungsfähiges elektronisches Gerät, das IGBTs als Schaltelemente verwendet und eine Mehrstufige Topologie anwendet, um eine Frequenzänderung bei 6kV und darüber hinaus zu erreichen. Seine Leistungseinheiten verwenden in der Regel Dreistufen-Mittelpunktsklammern (3L-NPC) oder Fünfstufen-aktive Mittelpunktsklammern (5L-ANPC), die durch die Kaskadierung mehrerer Submodule gebildet werden. Jedes Submodul enthält 6–24 IGBTs und Freilaufdioden, die eine gestaffelte Spannung mit 9–17 Stufen erzeugen, die nach dem Filtern einer Sinusspannung annähert.

Die typischen Leistungsbereiche liegen zwischen 3000 und 14.000 kVA, mit Spannungsniveaus, die 6kV, 10kV und 35kV abdecken. Für höhere Leistungs- und Spannungsanforderungen kann eine modulare Mehrebenen-Umrichter-Topologie (MMC) verwendet werden, bei der die Submodule Halbbrücken- oder Vollbrückenstrukturen verwenden, wobei pro Phase Hunderte von Submodulen gestapelt werden, um Spannungsniveaus bis zu 220kV und Einheitenleistungen bis zu 400 MVA zu ermöglichen, geeignet für Anwendungen wie die Netzintegration erneuerbarer Energien, Offshore-Windenergie und flexible Gleichstromübertragung. Die Steuerstrategie von Hochspannungswechselrichtern ist komplex und beinhaltet Schlüsseltechnologien wie Trägerphasenverschiebung, Stromausgleich, sensorlose Detektion und Feldschwächer-Optimierung.

2 Ungewöhnliche Ausfallstörungen bei 6kV-Hochspannungswechselrichtern

Während des Betriebs treten 6kV-Hochspannungswechselrichter häufig aufgrund von Unregelmäßigkeiten wie Überstrom, Überspannung und Überhitzung aus. Überstromstörungen treten in der Regel während des Startvorgangs oder bei plötzlichen Laständerungen auf, wo der Momentanstrom bis zu 2–3 Mal den Nennwert überschreiten kann. Wenn der Strom länger als 100ms bei 1600A oder länger als 10ms bei 2000A liegt, blockiert der Wechselrichter sofort die IGBTs und trennt den Ausgangskontaktor, was einen Hardware-Schutzauslöser auslöst.

Überspannungsstörungen werden in der Regel durch Netzfluktuationen oder abrupte Laständerungen verursacht. Wenn die Gleichspannung des DC-Busses 1,2 mal den Nennwert (1368V) überschreitet, aktiviert sich der Software-Überspannungsschutz; wenn sie 1,35 mal (1026V) überschreitet, löst der Hardware-Schutz direkt aus. Überhitzungsstörungen treten häufig in Umgebungen mit hohen Temperaturen oder bei langer Überlastung auf. Wenn die IGBT-Temperatur länger als 5 Minuten bei 90°C oder die Kühlkörper-Temperatur bei 70°C liegt, gibt das System eine Temperaturwarnung aus; es tritt ein direkter Auslöser ein, wenn die Temperaturen 100°C oder 80°C erreichen. Eine gemeinsame Eigenschaft dieser drei Störarten ist die Aktivierung des Selbstschutzmechanismus des Wechselrichters, der den Ausgang schnell abschaltet, indem die IGBTs blockiert und die Kontaktoren getrennt werden, was Phänomene wie Notabschaltung des Motors und Blinken der Fehlerwarnungen zur Folge hat.

3 Präventivmaßnahmen
3.1 Strombegrenzungswiderstand

Um Überstromstörungen zu bewältigen, kann ein Strombegrenzungswiderstand in Serie zwischen dem Ausgang des Wechselrichters und dem Motor geschaltet werden. Feldmessungen zeigen, dass beim Start eines Motors von 380kW oder größer durch einen 6kV/1500kVA-Wechselrichter der momentane Startstrom 5–8 Mal den Nennstrom erreichen kann, was weit über die Überstromschutzeinstellung hinausgeht.

Um den Startstrom zu unterdrücken, kann ein Drahtwiderstand oder ein nichtlinearer Zinkoxidvaristor mit einem Widerstand von 1–3Ω und einer Nennleistung von 200–500W verwendet werden. Letzterer hat einen kalten Zustandswiderstand über 100Ω und nimmt rasch ab, wenn der Strom zunimmt, so dass der Spitzenstartstrom innerhalb von 2–3 Mal dem Nennwert begrenzt wird. Nach dem Motorstart, wenn die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters über 40Hz steigt und der Strom unter den Nennwert fällt, beträgt der Spannungsabfall über dem Widerstand weniger als 50V.

In diesem Punkt schaltet ein Bypass-Kontaktor den Widerstand kurz, um ständige Verluste zu vermeiden. Bei Stromspitzen beim Start, wenn der Stromtransformator einen Wert über 1200A erkennt, gibt das Steuersystem eine Warnung aus; wenn er 1500A erreicht, blockiert der Wechselrichter sofort die IGBTs und öffnet den Bypass-Kontaktor, um den Strombegrenzungswiderstand wieder einzuschalten, um den Strom schnell zu reduzieren. Der Bypass-Kontaktor wird dann wieder geschlossen, um den normalen Betrieb wiederherzustellen. Der gesamte Umschaltvorgang dauert weniger als 0,5s, unterdrückt effektiv Stromspitzen, gewährleistet einen reibungslosen Motorstart und erhöht erheblich die Zuverlässigkeit des Wechselrichters.

3.2 Spannungsklemmkreis

Um Überspannungsschäden zu unterdrücken, kann ein Spannungsklemmkreis parallel zum DC-Bus angeschlossen werden. Dieser Kreis besteht hauptsächlich aus einem Metalloxidvaristor (MOV), einem schnellen Thyristor (GTO) und einem Detektionskreis. Feldmessungen zeigen, dass der Software-Überspannungsschutz aktiviert wird, wenn die Netzspannung mehr als 15% schwankt oder wenn die Lastreduzierung dazu führt, dass die DC-Bus-Spannung länger als 20ms über 1300V liegt.

Um solche Störungen zu verhindern, kann ein TYN-20/141 MOV verwendet werden, mit einem Auslösespannung von 1420V, einer maximalen Entladungsstromstärke von 20kA und einer Energieaufnahme von 8800J pro Einheit. Wenn die Busspannung 1350V übersteigt, beginnt der MOV zu leiten und absorbiert überschüssige Energie; wenn die Spannung auf 1400V ansteigt, löst der GTO aus und leitet die Überspannungssenergie schnell in einen Widerstand, um die Spannung auf ein sicheres Niveau zurückzusetzen. Der Detektionskreis überwacht kontinuierlich die Busspannung.

Wenn die Spannung unter 1250V fällt und dort länger als 50ms bleibt, wird ein Freigabesignal gesendet, das den GTO ausschaltet und den normalen Systembetrieb wiederherstellt. Wenn die Busspannung länger als 100ms über 1400V liegt, wird ein schwerer Überspannungsschaden identifiziert, und der Wechselrichter geht in einen Software-Sperrezustand, der manuell zurückgesetzt werden muss, bevor ein Neustart möglich ist. Praxis zeigt, dass mit diesem Klemmkreis ein 6kV-Wechselrichter 35% momentane Überspannung aushalten und die Überspannung innerhalb von 100ms auf 1,05 mal die Nennspannung beschränken kann. Die Reaktion ist schnell und zuverlässig, verhindert effektiv häufige Überspannungsausfälle und verbessert erheblich die Kontinuität und Zuverlässigkeit des Systems.

3.3 Stromausgleichsdesign

Um Überhitzungsstörungen zu bewältigen, kann die Stromausgleichtechnologie verwendet werden, um die Wärmeerzeugung in kritischen Komponenten wie IGBTs und Kühlkörpern zu reduzieren und thermische Ausfälle zu vermeiden.

Konkrete Maßnahmen beinhalten das Parallelschalten von 1–2 Elektrolytkondensatoren an den positiven und negativen DC-Bus-Polen jedes Leistungsteils. Die Kondensatoren sollten eine Kapazität von 1000–2200μF, eine Spannungsfestigkeit ≥1600V und eine kontinuierliche Rippelstromstärke ≥100A haben. Wenn der Ausgangsstrom des Wechselrichters 1,2 mal den Nennwert (z.B. 900A) überschreitet, können diese parallelen Kondensatoren 10%–20% der Stromausgleichfähigkeit bieten, was den tatsächlichen Strom durch die IGBTs auf 720–810A reduziert. Da die Leitverluste der IGBTs proportional zum Quadrat des Stroms sind, verringert dieser Ansatz effektiv die Temperaturerhöhung.

In der Formel: PCPC ist der IGBT-Leitverlust (W); VCEVCE ist die Sättigungsspannung des IGBTs (V), die eine lineare Beziehung zum Strom ICIC (A) hat; UηUη ist die Einschaltspannung des IGBTs (V); $K$ ist der Stromverstärkungsfaktor des IGBTs.

Es kann gesehen werden, dass nach der Durchführung von Shunt-Maßnahmen der Leitverlust des IGBTs um 19% bis 36% reduziert und die Chip-Junction-Temperatur um 10°C bis 25°C gesenkt werden kann, was das Erhitungsproblem des Wechselrichters erheblich lindert.

Darüber hinaus sollten 1 bis 2 Elektrolüfter parallel am Ein- und Auslass des Kühlkörpers des Wechselrichters installiert werden, mit einer Nennluftmenge von ≥ 3000 m³/h, was die Kühlleistung des Kühlkörpers effektiv verbessert. In der Steuereinheit sollten 6 bis 8 Temperatursensoren installiert werden, um die Temperaturen der verschiedenen Leistungsteile, der Hauptplatine, der IGBT-Ansteuerplatine usw. in Echtzeit zu überwachen. Wenn die Temperatur an irgendeinem Punkt 65°C überschreitet, startet das Steuersystem sofort den Elektrolüfter auf Volldrehzahl und sendet ein "Lastreduzierungs-Warnsignal" an die Steuereinheit des Wechselrichters.

Wenn die Temperatur weiterhin auf 75°C ansteigt und länger als 10 Minuten anhält, gibt das System ein "Überhitzungsalarm"-Signal aus, das den maximalen Ausgangsstrom des Wechselrichters auf unter 50% des Nennwerts begrenzt, bis die Temperatur unter 60°C fällt, woraufhin der "Überhitzungsalarm" aufgehoben wird.

Wenn die Temperatur an irgendeinem Messpunkt 85°C überschreitet und der Motorstrom nicht unter 30% des Nennwerts fällt, sperrt der Wechselrichter sofort die Hardware und stoppt den Ausgang. Um die Kühlleistung weiter zu verbessern, sollten Nanomaterialien wie Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren auf den Kühlkörpern der IGBTs jedes Leistungsteils aufgetragen werden, um ihre extrem hohe Wärmeleitfähigkeit zu nutzen, um die Wärmeableitung der IGBT-Chips zu beschleunigen und somit die Junctionstemperatur zu senken.

4 Wirksamkeit der Präventivmaßnahmen
4.1 Versuchsaufbau

Der ZINVERT-6kV/1500kVA intelligente Hochspannungswechselrichter wurde als Testobjekt verwendet, und eine gruppierte Steuerexperiment wurde durchgeführt, um die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Präventivmaßnahmen zu überprüfen. Die Experimente wurden unter Nennbedingungen (Eingangsspannung: 6kV±5%; Umgebungstemperatur: 25°C±2°C; relative Luftfeuchtigkeit: 65%±5%) durchgeführt. Das Experiment wurde in vier Gruppen aufgeteilt: die Kontrollgruppe verwendete keine Präventivmaßnahmen; Gruppe A verwendete einen 2,2Ω/350W-Strombegrenzungswiderstand mit einem MSC-500 schnellen Bypass-Schalter; Gruppe B verwendete einen Spannungsklemmkreis, der aus einem TYN-20/141-Varistor und einem IXYS-GTO in Parallel geschaltet war, mit einem Klemmspannung von 1420V; Gruppe C nutzte einen 2000μF/1600V-Elektrolytkondensator (Hitachi HCG-Reihe) in Parallel für den Stromausgleich, kombiniert mit einem 3500 m³/h variablen Lüfter (EBM-W3G450) für gezwungene Kühlung.

Jede Gruppe betrieb kontinuierlich für 72 Stunden, wobei alle 6 Stunden wichtige Parameter – wie der Ausgangsstrom des Wechselrichters, die DC-Bus-Spannung und die IGBT-Junctionstemperatur – aufgezeichnet wurden. Daten wurden mit einem Fluke 435-II Stromqualitätsanalyser und einem HIOKI 8847 Datenspeicher aufgezeichnet. Während des Experiments wurden drei typische Fehlerfälle simuliert: Einlaufüberstrom (8 Mal Nennstrom / 0,5s), Netzspannungsschwankung (+20% / 1s) und vollständiger Betrieb (Umgebungstemperatur 35°C / 2h). Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 1 dargestellt.

4.2 Ergebnisanalyse

Nach 72 Stunden kontinuierlichen Betriebs wurden Daten der vier Gruppen gesammelt und analysiert, mit Ergebnissen, die in Tabelle 1 dargestellt sind. Die Kontrollgruppe trat unter allen drei Fehlerbedingungen aus, während die experimentellen Gruppen mit Präventivmaßnahmen eine effektive Fehlerunterdrückung zeigten. In Gruppe A wurde der Spitzenstartstrom von 7,8 auf 2,2 Mal den Nennwert reduziert, was effektiv die Überstromausfälle verhinderte.

In Gruppe B begrenzte der Spannungsklemmkreis die maximale DC-Bus-Spannungsschwankung auf 1368V, deutlich unter der 1420V-Schutzgrenze. In Gruppe C hielt die Kombination aus Stromausgleich und gezwungener Kühlung die maximale IGBT-Junctionstemperatur unter 87,5°C, signifikant unter der 100°C-Auslösegrenze. Darüber hinaus lag die Reaktionszeit aller drei Präventivmaßnahmen innerhalb von 100ms, was die Anforderung an schnellen Schutz erfüllt. Es traten während des Experiments keine falschen Auslösungen auf, was stabile und zuverlässige Systemleistung anzeigt.

5 Schlussfolgerung

Diese Studie analysierte systematisch die Ursachen für ungewöhnliche Ausfälle bei 6kV-Hochspannungswechselrichtern und schlug gezielte Präventivmaßnahmen vor. Die experimentellen Ergebnisse bestätigen, dass der Strombegrenzungswiderstand den Einlaufstrom effektiv kontrolliert, der Spannungsklemmkreis die Überspannung des DC-Busses signifikant unterdrückt und die Kombination aus Stromausgleich und gezwungener Kühlung das Risiko einer Überhitzung der IGBTs erheblich reduziert, was die Gesamtzuverlässigkeit des Systems verbessert.