Πρόληψη Τρίπτησης σε Ενεργοποιητές Υψηλής Τάσης 6kV

Οι υψηλής τάσης αντιστροφείς είναι κρίσιμα συστήματα για τον έλεγχο της ταχύτητας των αναλογικών μοτέρων και χρησιμοποιούνται ευρέως σε εφαρμογές ρύθμισης ταχύτητας υψηλής ισχύος και υψηλής τάσης σε βιομηχανίες όπως η επιβάρυνση, η μεταλλουργία, ο πετρελαϊκός κλάδος και η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ωστόσο, οι 6kV υψηλής τάσης αντιστροφείς συχνά αντιμετωπίζουν ανωμαλίες και διακοπές λειτουργίας κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους λόγω παραγόντων όπως οι κυκλώσεις του δικτύου και οι επιβαρύνσεις, που επηρεάζουν σημαντικά την ασφάλεια και την αξιοπιστία των συστημάτων ελέγχου ταχύτητας των μοτέρ.

Για να εξασφαλίσει τη σταθερή λειτουργία των συστημάτων ρύθμισης ταχύτητας με μεταβαλλόμενη συχνότητα (VFD) υψηλής τάσης, να βελτιώσει τη βιομηχανική αποδοτικότητα και να μειώσει την κατανάλωση ενέργειας, η κυβέρνηση έχει εισαγάγει μια σειρά πολιτικών που ενθαρρύνουν την έρευνα και την εφαρμογή της τεχνολογίας των αντιστροφέων υψηλής τάσης. Συνεπώς, μια ενδελεχής ανάλυση των αιτιών των ανωμαλιών και των διακοπών λειτουργίας των 6kV αντιστροφέων υψηλής τάσης και η ανάπτυξη αποτελεσματικών μέτρων πρόληψης έχουν μεγάλη σημασία για την πρόοδο της τεχνολογίας VFD υψηλής τάσης και τη διατήρηση της βιομηχανικής οικονομικής ανάπτυξης.

1 Περιγραφή των 6kV Αντιστροφέων Υψηλής Τάσης

Ένας 6kV αντιστρόφως υψηλής τάσης είναι ένα υψηλής ισχύος ηλεκτρονικό σύστημα που χρησιμοποιεί IGBTs ως στοιχεία κύκλωσης και αξιοποιεί μια πολυεπίπεδη τοπολογία για την επίτευξη ελέγχου ταχύτητας με μεταβαλλόμενη συχνότητα σε 6kV και άνω. Τα μονάδες ισχύος του συνήθως χρησιμοποιούν τριεπίπεδες νευτραλοκατάρτιτες (3L-NPC) ή πενταεπίπεδες ενεργές νευτραλοκατάρτιτες (5L-ANPC) διατάξεις, κατασκευασμένες από την συνδυασμό πολλών υπομονάδων. Κάθε υπομονάδα περιλαμβάνει 6-24 IGBTs και διόδους ελεύθερης τροχιάς, δημιουργώντας μια επίπεδη κύματος με 9-17 επίπεδα, η οποία προσεγγίζει ένα συνημιτόνο κύμα μετά την φίλτραρση.

Η τυπική ικανότητα κυμαίνεται από 3000 έως 14.000 kVA, με επίπεδα τάσης που καλύπτουν 6kV, 10kV και 35kV. Για υψηλότερες απαιτήσεις ισχύος και τάσης, μπορεί να χρησιμοποιηθεί η τοπολογία πολυεπίπεδων μετατροπέων (MMC), όπου οι υπομονάδες χρησιμοποιούν διάταξη μισού γεφυρώματος ή πλήρους γεφυρώματος, με εκατοντάδες υπομονάδες ανά φάση, επιτρέποντας επίπεδα τάσης έως 220kV και μοναδική ικανότητα έως 400 MVA, κατάλληλη για εφαρμογές όπως η ολοκλήρωση σε δίκτυα ανανεώσιμης ενέργειας, η ακτοπλαγική αιολική ενέργεια και η ευέλικτη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας. Η στρατηγική ελέγχου των αντιστροφέων υψηλής τάσης είναι πολύπλοκη, περιλαμβάνοντας κλειδί χρησιμοποιούμενες τεχνολογίες όπως η φάση-μετατροπή με μετατόπιση φάσης, η ισορροπία ρεύματος, η ανίχνευση χωρίς αισθητήρες και η βελτιστοποίηση ελαστικού αδυνάμωσης.

2 Ανωμαλίες Διακοπής Λειτουργίας σε 6kV Αντιστροφέων Υψηλής Τάσης

Κατά τη λειτουργία, οι 6kV αντιστροφείς υψηλής τάσης συχνά διακόπτονται λόγω ανωμαλιών όπως υπερρεύμα, υπερτάση και υπερθέρμανση. Οι υπερρευματικές ανωμαλίες συνήθως συμβαίνουν κατά την εκκίνηση ή κατά την απότομη αλλαγή φορτίου, όπου το άμεσο ρεύμα μπορεί να υπερβεί 2-3 φορές την ρυθμισμένη τιμή. Εάν το ρεύμα υπερβεί 1600A για περισσότερο από 100ms ή 2000A για πάνω από 10ms, ο αντιστρόφως αμέσως αποσυνδέει τους IGBTs και τον επαφή της έξοδου, ενεργοποιώντας την υπερρευματική προστασία.

Οι υπερτασικές ανωμαλίες συνήθως προκαλούνται από κυκλώσεις του δικτύου ή απότομες αλλαγές φορτίου. Όταν η τάση της DC μπάρας υπερβαίνει 1,2 φορές την ρυθμισμένη τιμή (1368V), ενεργοποιείται η λογισμική υπερτασική προστασία· εάν υπερβεί 1,35 φορές (1026V), η υλική προστασία αμέσως διακόπτει. Οι ανωμαλίες υπερθέρμανσης συνήθως συμβαίνουν σε υψηλές θερμοκρασίες περιβάλλοντος ή κατά την παρατεταμένη λειτουργία με υπερφόρτιση. Όταν η θερμοκρασία των IGBTs υπερβαίνει 90°C ή η θερμοκρασία του διαθερμαντικού υπερβαίνει 70°C για πάνω από 5 λεπτά, το σύστημα εκδίδει προειδοποίηση υψηλής θερμοκρασίας· διακοπή συμβαίνει αμέσως αν οι θερμοκρασίες φθάσουν 100°C ή 80°C, αντίστοιχα. Ένα κοινό χαρακτηριστικό αυτών των τριών τύπων ανωμαλιών είναι η ενεργοποίηση της αυτοπροστασίας του αντιστροφέως, η οποία αμέσως αποσυνδέει την έξοδο με την αποσύνδεση των IGBTs και την επαφή, προκαλώντας φαινόμενα όπως η εκτάραξη του μοτέρ και τα λάμπαντρα προειδοποίησης.

3 Μέτρα Πρόληψης
3.1 Ρευστοδεκτικός Αντίστροφος

Για την αντιμετώπιση των υπερρευματικών ανωμαλιών, ένας ρευστοδεκτικός αντίστροφος μπορεί να συνδεθεί σε σειρά μεταξύ της έξοδου του αντιστροφέως και του μοτέρ. Μετρήσεις στο πεδίο δείχνουν ότι όταν ένας 6kV/1500kVA αντιστρόφως εκκινεί ένα μοτέρ 380kW ή μεγαλύτερο, το άμεσο εκκινητικό ρεύμα μπορεί να φτάσει 5-8 φορές την ρυθμισμένη τιμή, πολύ πέρα από την ρυθμισμένη τιμή υπερρευματικής προστασίας.

Για την περιορισμό του εκκινητικού ρεύματος, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας συλλογικός αντίστροφος ή μη γραμμικός οξειδικός διάφορος με αντίσταση 1-3Ω και ρυθμισμένη ισχύ 200-500W. Ο τελευταίος έχει μια αντίσταση σε ψυχρό κατάστημα πάνω από 100Ω και μειώνεται γρήγορα όταν το ρεύμα αυξάνεται, περιορίζοντας το κορυφαίο εκκινητικό ρεύμα σε 2-3 φορές την ρυθμισμένη τιμή. Μετά την εκκίνηση του μοτέρ, όταν η συχνότητα έξοδου του αντιστροφέως υπερβαίνει 40Hz και το ρεύμα μειώνεται κάτω από την ρυθμισμένη τιμή, η πτώση τάσης στον αντίστροφο είναι λιγότερη από 50V.

Σε αυτό το σημείο, ένας επαφής παρακαμπτήρα συνδέει τον αντίστροφο για να αποφύγει τη συνεχή απώλεια ενέργειας. Εάν υπάρξει σύρσιμο ρεύματος κατά την εκκίνηση, όταν ο αισθητήρας ρεύματος ανιχνεύσει μια τιμή πάνω από 1200A, το σύστημα ελέγχου εκδίδει προειδοποίηση· εάν φτάσει 1500A, ο αντιστρόφως αμέσως αποσυνδέει τους IGBTs και ανοίγει την επαφή παρακαμπτήρα, επανεισάγοντας τον ρευστοδεκτικό αντίστροφο για την γρήγορη μείωση του ρεύματος. Η επαφή παρακαμπτήρα επανασυνδέεται για την επαναφορά της κανονικής λειτουργίας. Ολόκληρη η διαδικασία αλλαγής διαρκεί λιγότερο από 0,5s, αποτελεσματικά περιορίζοντας τα σύρσιμα ρεύματος, εξασφαλίζοντας ομαλή εκκίνηση του μοτέρ και σημαντικά βελτιώνοντας την αξιοπιστία του αντιστροφέως.

3.2 Διατάξη Κλείδωσης Τάσης

Για την περιορισμό των υπερτασικών ανωμαλιών, μια διάταξη κλείδωσης τάσης μπορεί να συνδεθεί παράλληλα στην DC μπάρα. Αυτή η διάταξη αποτελείται κυρίως από έναν μεταλλικό οξειδικό διάφορο (MOV), έναν γρήγορο thyristor (GTO) και ένα σύστημα ανίχνευσης. Τα δεδομένα στο πεδίο δείχνουν ότι η λογισμική υπερτασική προστασία ενεργοποιείται όταν η τάση του δικτύου κυμαίνεται πάνω από 15% ή όταν η μείωση φορτίου προκαλεί την τάση της DC μπάρας να υπερβαίνει 1300V για πάνω από 20ms.

Για την πρόληψη τέτοιων ανωμαλιών, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας TYN-20/141 MOV, με τάση ενεργοποίησης 1420V, μέγιστη διάρροια ρεύματος 20kA και ικανότητα απορρόφησης ενέργειας 8800J ανά μονάδα. Όταν η τάση της μπάρας υπερβαίνει 1350V, ο MOV αρχίζει να διαχειρίζεται και να απορροφά την υπερβολική ενέργεια· εάν η τάση αυξηθεί σε 1400V, ο GTO ενεργοποιείται, αποσυρόμενος γρήγορα ο υπερβολικός ρύπος τάσης σε έναν αντίστροφο για την επαναφορά της τάσης σε ασφαλές επίπεδο. Το σύστημα ανίχνευσης συνεχίζει να παρακολουθεί την τάση της μπάρας.

Όταν η τάση μειώνεται κάτω από 1250V και παραμένει εκεί για 50ms, αποστέλλεται ένα σήμα αποσυνδέσεως, απενεργοποιώντας τον GTO και επαναφέροντας την κανονική λειτουργία του συστήματος. Εάν η τάση της μπάρας παραμένει πάνω από 1400V για πάνω από 100ms, αναγνωρίζεται μια σοβαρή υπερτασική ανωμαλία και ο αντιστρόφως εισέρχεται σε κατάσταση λογισμικής κλείδωσης, απαιτούμενης μανουαλικής επανενεργοποίησης πριν την επανεκκίνηση. Οι πρακτικές δείχνουν ότι με αυτή τη διάταξη κλείδωσης, ένας 6kV αντιστρόφως μπορεί να αντέξει 35% αμέση υπερτάση και να περιορίσει την υπερτάση σε 1,05 φορές την ρυθμισμένη τιμή μέσα σε 100ms. Η απόκριση είναι γρήγορη και αξιόπιστη, αποτελεσματικά προλαμβάνοντας συχνές υπερτασικές διακοπές και βελτιώνοντας σημαντικά τη συνέχεια και την αξιοπιστία του συστήματος.

3.3 Σχεδιασμός Κατανομής Ρεύματος

Για την αντιμετώπιση των ανωμαλιών υπερθέρμανσης, μπορεί να χρησιμοποιηθεί η τεχνολογία κατανομής ρεύματος για τη μείωση της θερμοπαραγωγής σε κρίσιμα συστατικά όπως τους IGBTs και τους διαθερμαντικούς, προλαμβάνοντας την θερμική διακοπή.

Συγκεκριμένα μέτρα περιλαμβάνουν τη σύνδεση 1-2 ηλεκτρολυτικών καταναλωτών παράλληλα με τα θετικά και τα αρνητικά σημεία της DC μπάρας κάθε μονάδας ισχύος. Οι καταναλωτές πρέπει να έχουν ικανότητα 1000-2200μF, ρυθμισμένη τάση ≥1600V και συνεχή ρυθμισμένη ροπή ρεύματος ≥100A. Όταν το ρεύμα έξοδου του αντιστροφέως υπερβαίνει 1,2 φορές την ρυθμισμένη τιμή (π.χ. 900A), αυτοί οι παράλληλοι καταναλωτές μπορούν να παρέχουν 10%-20% κατανομή ρεύματος, μειώνοντας το πραγματικό ρεύμα μέσω των IGBTs σε 720-810A. Εφόσον οι απώλειες συνεισφοράς των IGBTs εί