Välistame 6kV kõrghariliste inverterite lülitumise

Kõrgpinge inverteerid on olulised seadmed AC-mootori kiirusjuhtimiseks ja neid kasutatakse laialdaselt kõrge võimsusega, kõrgepinge mootorite kiirusreguleerimiseks metallurgias, nafta- ja elektritööstuses. Kuid 6kV kõrgpinge inverteerid sageli kannatavad tavaliste juhtimisvigu tõttu, mis tekivad võrgu lülitumise või koormuse mõjul, millel on oluline mõju mootorikiirusjuhtimissüsteemide ohutusele ja usaldusväärsusele.

Et tagada kõrgpinge muutuvfrekventsüsteemide stabiilne töö, parandada tööstushõõgust ja vähendada energiatarbimist, on valitsus sisse toonud mitmeid meetmeid, et julgustada kõrgpinge inverteerimistehnoloogia uurimist ja rakendamist. Seega on sügav analüüs 6kV kõrgpinge inverteeride ebakindlate juhtimisvigade põhjuste ja tõhusate ennetusmeetmete arendamine oluline kõrgpinge VFD-tehnoloogia edendamiseks ja tööstuse majanduskasvu jätkamiseks.

1 6kV kõrgpinge inverteeride ülevaade

6kV kõrgpinge inverteer on kõrge võimsusega elektrooniline seade, mis kasutab IGBT-d lüliti elementina ja kasutab mitmepinnast topoloogiat, et saavutada muutuvfrekvenstikontroll 6kV-st kõrgemale. Selle võimsusüksused kasutavad tavaliselt kolmepinna neutraalpunktiga (3L-NPC) või viiepinna aktiivse neutraalpunktiga (5L-ANPC) tsirkuite, mis on moodustatud mitme alammoduuli kaskade abil. Iga alammodul sisaldab 6–24 IGBT-d ja vaba jooksuga diode, genereerides astmelise lainekuju, mis läheneb siinuslainele filtratsiooni järel.

Tavaline võimsus ulatub 3000 kuni 14 000 kVA, pingetasemed hõlmavad 6kV, 10kV ja 35kV. Kõrgeimate võimsuse ja pingetaseme nõudmistel saab kasutada modulaarse mitmepinna konverteri (MMC) topoloogiat, kus alammodulid kasutavad poolpuur- või täispuurstruktuure, kus igal faasis on kümned sadjad alammodulid, mis võimaldavad pingetasemeid kuni 220kV ja üheühiku võimsuse kuni 400 MVA, sobivad taastuvenergia võrgu integreerimiseks, mere tuuleenergiaks ja paindliku DC-edasiandmiseks. Kõrgpinge inverteeride juhtimisstrateegia on keeruline, hõlmades olulisi tehnoloogiaid nagu signaalifrekventsi sirgeldamisel, võrku tasakaalustamisel, sensoritu detekteerimisel ja välja nõrgendamisel.

2 6kV kõrgpinge inverteeride ebakindlad juhtimisvigad

6kV kõrgpinge inverteeride töö ajal sageli juhtub juhtimisvigu tõttu, näiteks ülepäras, ülepinge ja ülekülamise tõttu. Ülepärase vigad tavaliselt tekivad käivitamisel või ootamatult koormuse muutumisel, kus hetkepäras võib ületada 2–3 korda niminaalväärtust. Kui päras ületab 1600A rohkem kui 100ms või 2000A üle 10ms, blokeerib inverteer kohe IGBT-d ja lahutab väljundkontaktorit, käivitades kaasa hardveri kaitse.

Ülepinge vigad tavaliselt tekivad võrgu lülitumise või ootamatult koormuse muutumise tõttu. Kui DC-bussi pingeline ületab 1,2 korda niminaalväärtust (1368V), aktiviseeritakse tarkvaraülepinge kaitse; kui see ületab 1,35 korda (1026V), trippitakse otse hardverikaitse. Ülekülamise vigad tavaliselt tekivad kõrgete temperatuuride keskkonnas või pikka aega ülekoormatud töö ajal. Kui IGBT temperatuur ületab 90°C või soojendusplokk temperatuur ületab 70°C rohkem kui 5 minutit, annab süsteem kõrgete temperatuuride hoiatuse; kui temperatuurid jõuavad vastavalt 100°C või 80°C, trippitakse otse. Nende kolme vigatüübi ühine omadus on inverteeri enda kaitse mehhanismi aktiveerimine, mis kiiresti lõpetab väljundi, blokeerides IGBT-d ja lahutades kontaktoreid, mille tulemuseks on motori kiire lävi ja vilkuv vigahäire.

3 Ennetusmeetmed
3.1 Päraspiiraja

Ülepärase vigade lahendamiseks saab inverteeri väljund ja motori vahel sarile panna päraspiiraja. Meeskonna andmed näitavad, et kui 6kV/1500kVA inverteer käivitab 380kW või suurema motori, võib hetkepäras saavutada 5–8 korda niminaalpäras, mis palju ületab ülepärase kaitse seadistust.

Päraspiirajana saab kasutada 1–3Ω vastendusvastikut või mittelineaarset sinkoksidi varistorit, mille niminaalvõimsus on 200–500W. Viimane omab külmriigis üle 100Ω vastendusvastikut, mis kiiresti väheneb, kui päras kasvab, piirates algse pärase 2–3 korda niminaalväärtuse piires. Motori käivituse järel, kui inverteeri väljundfrekvents tõuseb 40Hz-i üle ja päras langeb niminaalväärtuse alt, on vastendusvastiku langed 50V alla.

Sellisel juhul lühendab ümbervedeliku kontaktor vastendusvastikut, et vältida jätkuvat energiakulumist. Kui päras kasvab käivitamisel, kui päratelemeter tuvastab väärtuse, mis ületab 1200A, annab juhtimissüsteem hoiatuse; kui see jõuab 1500A, blokeerib inverteer kohe IGBT-d ja avab ümbervedeliku kontaktori, lisades uuesti päraspiiraja, et kiiresti vähendada päras. Seejärel sulgeb ümbervedeliku kontaktor uuesti, et taastada normaalne töö. Terve lülitumisprotsess kestab vähem kui 0,5 sekundit, piirates efektiivselt päraspiket, tagades sileda motori käivitamise ja oluliselt parandades inverteeri usaldusväärsust.

3.2 Pingelangemise tsirkuit

Ülepinge vigade vähendamiseks saab paralleelselt DC-bussiga ühendada pingelangemise tsirkuit. See tsirkuit koosneb peamiselt metalloksidvaristorist (MOV), kiirest thyristorist (GTO) ja detekteerimistsirkuitist. Meeskonna andmed näitavad, et tarkvaraülepinge kaitse aktiveeritakse, kui võrgupingeline lülitub rohkem kui 15% või kui koormuse vähenemine põhjustab DC-bussi pingeline ületama 1300V rohkem kui 20ms.

Selle vigu vältimiseks saab kasutada TYN-20/141 MOV-d, mille käivitamispingeline on 1420V, maksimaalne lahenduspäras 20kA ja ühiku energiaabsorptsioonivõime 8800J. Kui bussi pingeline ületab 1350V, alustab MOV joobimist ja absorbeerib üleliigse energia; kui pingeline tõuseb 1400V-ni, käivitub GTO, kiiresti juhib ülepinge energia vastendusvastiku, et taastada pingeline turvalise tasemeni. Detekteerimistsirkuit jälgib pidevalt bussi pingelinet.

Kui pingeline langeb 1250V alla ja jääb sinna 50ms, saatetakse vabastussignaal, lülitatakse GTO välja ja taastatakse normaalne süsteemi töö. Kui bussi pingeline jääb 1400V üle rohkem kui 100ms, tuvastatakse tõsine ülepinge viga, inverteer läheb tarkvaralukku, mille eeldab manuaalne taaskäivitus. Praktika näitab, et sellise langemistsirkuudiga 6kV inverteer suudab taluda 35% hetkepärase ülepinge ja piirata ülepinge 1,05 korda niminaalpingeni 100ms jooksul. Reageering on kiire ja usaldusväär, tõhusalt vältides sagedaseid ülepinge vigu ja oluliselt parandades süsteemi jätkuvust ja usaldusväärsust.

3.3 Pärasjaotusprojekt

Ülekülamise vigade lahendamiseks saab kasutada pärasjaotustehnoloogiat, et vähendada kriitiliste komponentide, nagu IGBT-d ja soojendusplokid, soojenemist, vältides soojenemisvigu.

Konkreetseid meetmeid hõlmab iga võimsusüksuse positiivse ja negatiivse DC-bussi polümeeride paralleelne ühendamine 1–2 kondensaatoriga. Kondensaatorite kapatsitatsioon peaks olema 1000–2200μF, pingeline ≥1600V ja pidev ripelpäras ≥100A. Kui inverteeri väljundpäras ületab 1,2 korda niminaalväärtust (nt 900A), võivad need paralleelsed kondensaatorid pakkuda 10%–20% pärasjaotust, vähendades tegelikku IGBT-de läbipaistvat päras 720–810A. Arvestades, et IGBT-läbipaistvuse kahjud on proportsionaalsed pärase ruuduga, see meetod vähendab efektiivselt temperatuuri tõusu.

Valemis: PCPC on IGBT-läbipaistvuse kahjud (W); VCEVCE on IGBT-läbipaistvuse pingeline (V), mis on lineaarne seos pärasega ICIC (A); UηUη on IGBT-läbipaistvuse käivituspingeline (V); $K$ on IGBT-läbipaistvuse praamiplikeerimiskordaja.

Näha, et shuntmeetmete võtmisel saab IGBT-läbipaistvuse kahjusid vähendada 19%–36%, ja chipi ühenduspunkti temperatuur väheneb 10°C–25°C, mis oluliselt vähendab inverteeri soojenemisprobleeme.

Lisaks paigaldatakse 1–2 elektrilist ventilatorit paralleelselt inverteeri soojendusplokki sisse- ja väljalangemiseks, mille niminaalmine ventilatsiooniviis on ≥3000 m³/h, mis efektiivselt tugevdab soojendusplokki jahutamist. Paigaldatakse 6–8 temperatuurisensorit kontrollkabinetis, et reaalajas jälgida erinevate võimsusüksuste, emamustruktuuri, IGBT-läbipaistvuse juhtimisplaatide jne temperatuure. Kui mingi punkti temperatuur ületab 65°C, käivitab juhtimissüsteem kohe täispärasel ventilatori ja saadab "koormuse vähendamise hoiatuse" signaali inverteeri juhtimisüksusele.

Kui temperatuur jätkub tõusvat 75°C-ni ja kestab rohkem kui 10 minutit, annab süsteem "ülekülamise hoiatus" signaali, piirates inverteeri maksimaalset väljundpäras 50% niminaalväärtusest, kuni temperatuur langeb 60°C alla, kusjuures "ülekülamise hoiatus" tühistatakse.

Kui mingi mõõtepunkti temperatuur ületab 85°C ja motori päras ei lange 30% niminaalväärtusest alla, blokeerib inverteer kohe hardveri ja lõpetab väljundi. Jäätuse parandamiseks rakendatakse iga võimsusüksuse IGBT-soojendusplokil nanomaterialeid, nagu graafiit või karbonnanotüübid, kasutades nende ülitäpset termilist läbilaskevõimet, et kiirendada IGBT-chipide soojenemist, vähendades ühenduspunkti temperatuuri.

4 Ennetusmeetmete tõhusus
4.1 Kokejuhend

ZINVERT-6kV/1500kVA intelligenta kõrgpinge inverteerit kasutati katseobjektina ja gruppitud juhtimiskatse viidi läbi, et tõendada kolme eelnimetatud ennetusmeetme tõhusust. Katse viidi läbi niminaalistel töötingimustel (sisendsignaal: 6kV±5%; ümberkond: 25°C±2°C; suhteelline niiskus: 65%±5%). Katse jagati neljaks grupiks: kontrollgrupp ei kasutanud ühtegi ennetusmeetmeid; Grupp A kasutas 2,2Ω/350W päraspiiraja MSC-500 kiire ümbervedeliku kontaktaga; Grupp B kasutas TYN-20/141 varistori ja IXYS-GTO paralleelselt ühendatud pingelangemistsirkuiti, mille pingelangemisväärtus oli seatud 1420V-le; Grupp C kasutas 2000μF/1600V kondensaatorit (Hitachi HCG seriaal) paralleelselt ühendatud pärasjaotuseks, kombinatsiooniga 3500 m³/h muutuvkiiruseline ventilator (EBM-W3G450) jõulist jahutamiseks.

Iga grupp töötas pidevalt 72 tundi, kogudes iga 6 tunni järel olulisi parameetreid, nagu inverteeri väljundpäras, DC-bussi pingeline ja IGBT ühenduspunkti temperatuur. Andmed koguti Fluke 435-II võrgukvaliteedi analüsaatoriga ja HIOKI 8847 andmete logijaga. Katse ajal simulatiivitati kolme tipikoolimat: algpärase ülepärase (8 korda niminaalpäras / 0,5s), võrgupingeline lülitumine (+20% / 1s) ja täiskoormus (ümberkond 35°C / 2h). Katsepaigutus on näidatud Joonis 1.

4.2 Tulemuste analüüs

72 tunni pideva töö järel koguti ja analüüsiti neli gruppi andmeid, mille tulemused esitati tabelis 1. Kontrollgrupp kannatas trippingu all kõigis kolmes vigusituatsioonis, samas kui eksperimentaalsed grupid ennetusmeetmetega näitasid tõhusat vigude kontrollimist. Grupp A vähendas algpärasest 7,8 korda 2,2 korda niminaalväärtuse, tõhusalt vältides ülepärase trippingut.

Grupp B piiras pingelangemistsirkuiti abil maksimaalset DC-bussi pingelinefluktuatsiooni 1368V-ni, mis on palju alla 1420V kaitsepiiri. Grupp C säilitas kombinatsiooniga pärasjaotuse ja jõulist jahutamist IGBT ühenduspunkti temperatuuri alla 87,5°C, oluliselt madalam kui 100°C trippingu piir. Lisaks oli kõigi kolme ennetusmeetme vastuse aeg 100ms jooksul, vastavalt kiire kaitse nõudmisel. Katse ajal ei ilmunud valetrippingut, millest tuleneb stabiilne ja usaldusväärne süsteemi töö.

5 Lõpetus

See uuring analüüsis süstemaatiliselt 6kV kõrgpinge inverteeride ebakindlate trippinguvigade põhjuseid ja pakkus välja sihikindlaid ennetusmeetmeid. Katse tulemused kinnitavad, et päraspiiraja tõhusalt kontrollib algpäras, pingelangemistsirkuit oluliselt vähendab DC-bussi ülepinge ja pärasjaotuse kombinatsioon jõulist jahutamist suurelt vähendab IGBT ülekülamise riski, parandades süsteemi üldist usaldusväärsust.