Prevenado de Falado en 6kV Alta-Voltaĝa Inverteroj

Alta-voltajaj inverteroj estas gravaj aparatoj por la regado de la ŝtupara rapido de AC-motoroj kaj estas larĝe uzataj en industrioj kiel leviado, metalurgio, nafto kaj elektra energetiko por regado de alta potenco kaj alta voltajo. Tamen, dum operacio, 6kV alta-voltaj inverteroj ofte suferas neordinarajn trippfektojn pro faktoroj kiel retofluktuoj kaj ŝarĝimpaktoj, signife afektante la sekurecon kaj fidindon de la sistemoj de motora ŝtupara regado.

Por assekuri stabilan funkciadon de alta-voltaj variabla frekvenco (VFD) sistemoj, plibonigi industriajn efikecojn kaj malpliigi energokonsumon, la registaro lanĉis serion da politikoj por stimuli esploradon kaj aplikon de alta-voltaj inverterteknologioj. Tial, profunda analizo de la kaŭzoj de neordinaraj trippfektoj en 6kV alta-voltaj inverteroj kaj evoluigo de efikaj preventaj mezuroj havas grandan signifon por progresi en alta-voltaj VFD-teknologioj kaj subteni industriajn ekonomiajn kreskojn.

1 Superrigardo de 6kV Alta-Voltaj Inverteroj

6kV alta-voltaj inverteroj estas alt-potentaj elektronikaj aparatoj kiuj uzas IGBT-erojn kiel komutiloj kaj multnivelan topologion por atingi variablan frekvencon kaj ŝtuparan kontrolojn ĉe 6kV kaj plu. Iliaj potencaj unuoj kutime adoptas trinivele neutralpunktklampitajn (3L-NPC) aŭ kvinnivelajn aktivajn neutralpunktklampitajn (5L-ANPC) cirkvitojn, konstruitajn per kaskadado de multaj submoduloj. Ĉiu submodul enhavas 6–24 IGBT-erojn kaj librajn diodojn, generantajn gradigitan ondon kun 9–17 niveloj, kiu similas sinuson post filtrado.

Tipa kapaciteco varias inter 3000 kaj 14,000 kVA, kun voltaj niveloj inkluzivaj de 6kV, 10kV, kaj 35kV. Por pli alta kapaciteco kaj voltaj bezonoj, modula multnivelkonverta (MMC) topologio povas esti uzata, kie submoduloj uzas duonpontajn aŭ tutpontajn strukturojn, kun centoj da submoduloj stakigitaj por ĉiu fazo, ebliganta voltajn nivelojn ĝis 220kV kaj unuan unuecan kapacitecon ĝis 400 MVA, taugan por aplikoj kiel renovigebla energia reto-integriĝo, mara vetra energio, kaj fleksibla DC-transtemo. La kontrolstrateĝio de alta-voltaj inverteroj estas kompleksa, envolvanta kluc-teknologiojn kiel portofaza ŝovita modulado, koranta balancado, sen-sensora detektiĝo, kaj kamposilanta optimigo.

2 Neordinaraj Trippfektoj en 6kV Alta-Voltaj Inverteroj

Dum operacio, 6kV alta-voltaj inverteroj ofte trippas pro anomalioj kiel superkoranto, supervoltajo, kaj supervarmo. Superkorantaj eraroj kutime okazas dum startado aŭ subitaj ŝarĝŝanĝoj, kie momenta koranto povas superi 2–3 fojojn la nombran valoron. Se la koranto superas 1600A por pli ol 100ms aŭ 2000A por pli ol 10ms, la invertero tuj blokas la IGBT-erojn kaj diskonectas la elput-kontaktoron, trigerecajn hardvara protektajn trippfektojn.

Supervoltaj eraroj kutime estas kaŭzitaj de retofluktuoj aŭ subitaj ŝarĝŝanĝoj. Kiam la DC-buskonduto superas 1.2 fojojn la nombran valoron (1368V), softvara supervolta protekto aktiviĝas; se ĝi superas 1.35 fojojn (1026V), hardvara protekto tuj trippas. Supervarmaj eraroj kutime okazas en alta-temperaturaj ĉirkaŭaĵoj aŭ dum longdaŭra superegala operacio. Kiam la temperaturo de IGBT superas 90°C aŭ la radiatora temperaturo superas 70°C por pli ol 5 minutoj, la sistemo emitas alta-temperatura averton; trippo okazas tuj se la temperaturoj atingas 100°C aŭ 80°C respektive. Komuna karakterizo de ĉi tiuj tri erartipoj estas la aktiviĝo de la invertera self-protekta mekanismo, kiu rapide tranĉas la elputon per blokado de IGBT-eroj kaj diskonecto de kontaktoroj, rezultigante fenomenojn kiel urĝa stopado de la motoro kaj flamiĝanta erara alarma signalo.

3 Preventaj Mezuroj
3.1 Koranta Limiga Rezistoro

Por solvi superkorantajn erarojn, koranta limiga rezistoro povas esti konektita en serio inter la invertera elputo kaj la motoro. Terena mezurado montras ke kiam 6kV/1500kVA invertero startas motoron de 380kW aŭ pli granda, la momenta starta koranto povas atingi 5–8 fojojn la nombran koranton, multe super la superkoranta protekta agordo.

Por suprestreki la startan koranton, fil-wiksitaj rezistoroj aŭ neliniaj zinc-oksidaj varistoroj kun rezistanco de 1–3Ω kaj nominata potenco de 200–500W povas esti uzitaj. La lasta havas maldunan reziston super 100Ω kaj rapide malpliiĝas kiam la koranto pliiĝas, limigante la pikan startan koranton al ene de 2–3 fojoj la nombran valoron. Post la motorstarto, kiam la invertera elputa frekvenco superrigardas 40Hz kaj la koranto falas sub la nombran valoron, la tensiodiferenco trans la rezistoro estas malpli ol 50V.

Ĉe ĉi tiu punkto, bypass-kontaktoro kortuĉas la rezistoron por eviti daŭran energian perdon. Se koranta surbeto okazas dum startado, kiam la koranta transformilo detektas valoron super 1200A, la kontrolsistema emitas averton; se ĝi atingas 1500A, la invertero tuj blokas la IGBT-erojn kaj malfermas la bypass-kontaktoron, reenmetante la korantan limigan rezistoron por rapide redukti la koranton. La bypass-kontaktoro tiam rekortuĉas por restabili normalan operacion. La tuta ŝaltprocezo prenas malpli ol 0.5s, efektive suprestrekante korantajn pikojn, assekurante glatan motorstarton, kaj signife plibonigante la inverteran fidindecon.

3.2 Tensio-Klampta Cirkvito

Por suprestreki supervoltajn erarojn, tensio-klampta cirkvito povas esti konektita paralele al la DC-buso. Ĉi tiu cirkvito ĉefe konsistas el metala oksida varistoro (MOV), rapidigita tiristro (GTO), kaj detektocirkvito. Terenaj datumoj montras ke softvara supervolta protekto aktiviĝas kiam la rettensio fluktuas pli ol 15% aŭ kiam ŝarĝredukto kaŭzas ke la DC-busa tensio superas 1300V por pli ol 20ms.

Por preveni tiajn erarojn, TYN-20/141 MOV povas esti uzita, kun aktiva tensio de 1420V, maksimuma diskarganta koranto de 20kA, kaj energiasorbada kapablo de 8800J por unuo. Kiam la busa tensio superas 1350V, la MOV komencas konduti kaj absorbas superan energion; se la tensio pligrandigas al 1400V, la GTO aktiviĝas, rapide diversigante la supervoltan energion en rezistoron por restabili la tension al sekura nivelo. La detektocirkvito daŭre monitoras la busan tension.

Kiam la tensio falas sub 1250V kaj restas tie por 50ms, liberiga signalo estas sendata, fermante la GTO kaj restabligante normalan sistemoperacion. Se la busa tensio restas super 1400V por pli ol 100ms, severa supervolta eraro estas identigita, kaj la invertero eniras softvaran blokadstaton, postulas manuan resetigon antaŭ restartigo. Praktiko montras ke kun ĉi tiu klampta cirkvito, 6kV invertero povas toleri 35%-an momentan supervoltan kaj suprestreki supervoltan al ene de 1.05 fojoj la nombran tension ene de 100ms. La respondo estas rapida kaj fida, efektive prevenante oftan supervoltan trippon kaj signife plibonigante la sisteman kontinuecon kaj fidindecon.

3.3 Koranta Kunhaviga Dizajno

Por solvi supervarmajn erarojn, koranta kunhaviga teknologio povas esti uzata por redukti varmegeneradon en kluc-elementoj kiel IGBT-eroj kaj radiatoj, prevenante termikan trippon.

Specifaj mezuroj inkludas konektadon de 1–2 elektrolitaj kondensoroj paralele tra la pozitiva kaj negativa DC-busaj terminaloj de ĉiu potenca unuo. La kondensoroj devus havi kapaciton de 1000–2200μF, tensio-nominaton ≥1600V, kaj daŭran ripple-koranton ≥100A. Kiam la invertera elputa koranto superas 1.2 fojojn la nombran valoron (ekz. 900A), ĉi tiuj paralelaj kondensoroj povas provizi 10%–20% koranta kunhaviga kapablo, reduktante la efektivan koranton tra la IGBT-eroj al 720–810A. Konsiderante ke la konduka perdo de IGBT-eroj estas proporcia al la kvadrato de la koranto, ĉi tiu metodo efektive reduktas la tempevolvon.

En la formulo: PCPC estas la IGBT-konduka perdo (W); VCEVCE estas la IGBT-satura tensio (V), kiu havas linearan rilaton kun la koranto ICIC (A); UηUη estas la ŝalttensio de la IGBT (V); $K$ estas la koranta amplifikafaktoro de la IGBT.

Oni povas vidi ke post preno de kunhavigaj mezuroj, la konduka perdo de la IGBT povas esti reduktita je 19% al 36%, kaj la ĉip-junkta temperaturo povas malkreski je 10°C al 25°C, do granda solvo al la varmega problemo de la invertero.

Krome, instalu 1 al 2 elektrajn ventilojn paralele je la eniro kaj eliro de la invertera radiato, kun nominata aerflujo de ≥ 3000 m³/h, kio efektive povas plibonigi la refreŝigefikon de la radiato. Instalu 6 al 8 temperaturasensoj internaj en la kontrolkesto por realtempa monitorado de la temperaturoj de diversaj potenc-unuoj, matroplanko, IGBT-dirigila planko, ktp. Kiam iu ajn punkta temperaturo superas 65°C, la kontrolsistema tuj komencos la elektran ventilon je plena rapido kaj sendos "ŝarĝ-reduktan averton" signalon al la invertera kontrolunuo.

Se la temperaturo daŭre pligrandiĝas al 75°C kaj daŭras pli ol 10 minutoj, la sistema sendos "super-varma averto" signalon, limigante la maksimuman elputan koranton de la invertero sub 50% de la nombran valoron ĝis la temperaturo falas sub 60°C, ĉe kiu momento la "super-varma averto" estas forigita.

Se iu ajn mezurpunkta temperaturo superas 85°C kaj la motora koranto ne falas sub 30% de la nombran valoron, la invertero tuj blokos la hardvaron kaj haltos la elputon. Por plibonigi la refreŝigefikon, aplikas nanomaterialojn kiel grafeno aŭ karbonnanotuboje la IGBT-radiatoroj de ĉiu potenca unuo, utiligante ilian ultra-altan varmekondukadon por akceli la varme-dispersadon de la IGBT-ĉipoj, do reduktante la junktan temperaturon.

4 Efikeco de Preventaj Mezuroj
4.1 Eksperimenta Dizajno

La ZINVERT-6kV/1500kVA inteligenta alta-voltaj invertero estis uzata kiel testobjekto, kaj grupa kontrola eksperimento estis farita por pruvi la efikecon de la proponitaj tri preventaj mezuroj. La eksperimentoj estis faritaj sub nominataj operaciaj kondiĉoj (enputa tensio: 6kV±5%; ĉirkaŭa temperaturo: 25°C±2°C; relativa humideco: 65%±5%). La eksperimento estis dividad en kvar grupojn: la kontrolgrupo ne uzis preventajn mezurojn; Grupa A uzis 2.2Ω/350W koranta limiga rezistoro kun MSC-500 rapida bypass-switch; Grupa B uzis tensio-klampan cirkvito formitan de TYN-20/141 varistoro kaj IXYS-GTO konektita paralele, kun la klampa tensio agordita al 1420V; Grupa C uzis 2000μF/1600V elektrolitan kondensoron (Hitachi HCG-serio) konektita paralele por koranta kunhavigo, kombinita kun 3500 m³/h variabla ventilo (EBM-W3G450) por forta refreŝigo.

Ĉiu grupo operacias kontinue dum 72 horoj, kun klucparametroj—kiel invertera elputa koranto, DC-busa tensio, kaj IGBT-junkta temperaturo—registritaj ĉiu 6 horoj. Datumoj estis kolektitaj uzante Fluke 435-II energia-kvalit-analizilo kaj HIOKI 8847 dataloger. Dum la eksperimento, tri tipaj erarscenarioj estis simulitaj: impet-a superkoranto (8 fojojn la nombran koranton / 0.5s), rettensio-fluktuado (+20% / 1s), kaj plena ŝarĝo (ĉirkaŭa temperaturo 35°C / 2h). La eksperimenta aranĝo estas montrita en Figuro 1.

4.2 Analizo de Resultoj

Post 72 horoj de kontinua operacio, datumoj de la kvar grupoj estis kolektitaj kaj analizitaj, kun rezultoj prezentitaj en Tablo 1. La kontrolgrupo spertis trippon sub ĉiuj tri erarscenarioj, dum la eksperimentaj grupoj kun preventaj mezuroj montris efikan erar-suprestrekon. En Grupa A, la pika starta koranto estis reduktita de 7.8 al 2.2 fojojn la nombran valoron, efektive prevenante superkorantan trippon.

En Grupa B, la tensio-klampta cirkvito limigis la maksimuman DC-busan tensioviceton al 1368V, bone sub la 1420V protektlimo. En Grupa C, la kombino de koranta kunhavigo kaj forta refreŝigo tenis la maksimuman IGBT-junktan temperaturon sub 87.5°C, signife pli malalta ol la 100°C tripp-limo. Plue, la respondata tempo de ĉiuj tri preventaj mezuroj estis ene de 100ms, kontentigante la postulon pri rapida protekto. Neniu falsa aktiviĝo okazis dum la eksperimento, indikante stabilan kaj fidindan sisteman performon.

5 Konkludo

Ĉi tiu studo sisteme analizis la kaŭzojn de neordinaraj trippfektoj en 6kV alta-voltaj inverteroj kaj proponis celorientitajn preventajn mezurojn. Eksperimentaj rezultoj konfirmas ke la koranta limiga rezistoro efike kontrolas impetan koranton, la tensio-klampta cirkvito signife suprestreke DC-busan supervoltan, kaj la kombino de koranta kunhavigo kun forta refreŝigo grandegre reduktas la riskon de IGBT-supervarmon, do plibonigante la tutan fidindecon de la sistemo.