6kVko batazko inbertsoreetan zapatadura saihesteko

Erregetasun kritikoa dira korronte-aldaketa handi-tentsioak (VFD) motorre elektrikoen abiadura kontrolatzeko, eta industrietan erabili ohi dira, hala nola, elevazioan, metalurgian, petrolien eta energia sortzeko industrietan. Hala ere, 6kVko VFDren orduan, tentsio-osagaien aldentasuna eta kargaaren eragina dela eta, askotan gertatzen dira tripatu anormalak, motorren abiadura kontrol-sistemaren segurtasuna eta fidagarritasuna askoz gehiago eragiten dituztene.

VFD sistema handi-tentsioko funtzionamendu estabilizatzeko, industriaren efizientzia hobetzeko eta energia-konsumo murriztzeko, gobernuak politika batzuk aurkeztu ditu VFD teknologiaren ikerketa eta aplikazioari bultzamendua emateko. Beraz, 6kVko VFDren tripatu anormalen arrazoiak aztertzea eta neurri preventibo efektiboen garapena oso garrantzitsu da VFD teknologiaren aurrerapena eta industriaren ekonomiaren mantentasunarentzat.

1 6kVko VFDen ikuspegi orokorra

6kVko VFDa da potentzia elektroniko handiko gailu bat, IGBTak erabilita osatua, multineko topologia erabiliz 6kV edo gehiagoko tensioan abiadura aldakorra lortzeko. Bere unitate potentziak hainbat submoduluen konbinazioz osatuta daude, tipikoki 3L-NPC edo 5L-ANPC zirkuituetan. Submodulu bakoitzak 6-24 IGBT eta diodo libreak ditu, 9-17 mailako eskalera osatzen duena, filtrokatuta sinusoide bati hurbiltzen zaiona.

Potentzia osoa 3000tik 14000kVA artekoa izaten da, tensio-mailak 6kV, 10kV eta 35kV barne. Potentzia eta tensio eskaeren altuagoetarako, MMC topologia erabil daiteke, submoduluak erdi-puente edo oso-puente egitura dutenak, fase bakoitzeko kanpoan 100tik gorako submodulu dituztenak, 220kVko tensio-maila eta 400 MVAko potentzia bakarrarekin, energiaren berritu berriak sartzea, eolarrak itsasuan eta DC transmisio elastikoak barne. VFDen kontrol estrategia oso konplexua da, portza-desfasatze modulazioa, korronte-balantzea, sensorrik gabeko detektioa eta eremua-husteko optimizazioa barne.

2 6kVko VFDen tripatu anormalak

Funtzionamenduan, 6kVko VFDak askotan tripatzen dira korronte handiak, tentsio handiak eta suharguneak direla. Korronte handiak hasieran edo karga aldaketan gertatzen dira, non korronte momentanea bi hiru aldiz baino gehiago igotzen den balore estimatuan gainditzen duen. Korrontea 1600A baino gehiago badu 100ms baino gehiago edo 2000A baino gehiago 10ms baino gehiago, VFDak IGBTak blokeatzen ditu eta kontaktorea kendu, hardwarearen babes-tripatu aktibatuz.

Tentsio handiak tentsio-osagaien aldentasun edo karga aldaketan gertatzen dira. DC busaren tensioa 1.2 aldiz baino gehiago (1368V) gainditzen denean, softwareko tentsio handiaren babesa aktibatzen da; 1.35 aldiz baino gehiago (1026V) gainditzen denean, hardwarearen babes-tripatu aktibatzen da. Suharguneak suhargune-altu baten edo karga gainean lan egin beharrean gertatzen dira. IGBT-en tenperatura 90°C baino gehiago denean edo disipadorearen tenperatura 70°C baino gehiago 5 minutu baino gehiago, sistema suhargune-altuaren adiskidea ematen du; 100°C edo 80°C iritsitakoan, tripatu zuzenak gertatzen dira. Tripatu mota hauetako bereizgarritasuna VFDaren auto-babes mekanismoaren aktibazioa da, IGBTak blokeatuz eta kontaktorea kenduz, motorren atzeratze agindu eta tripatu-adiskideen iluntasuna ematen dituena.

3 Neurri preventiboak
3.1 Korronte-murrizle resistentea

Korronte handien aurkako neurri gisa, murrizle resistente bat konektatu dezakegu VFDaren irteera eta motorra artean. Medizioetan ikusi da 6kV/1500kVAko VFDak 380kW edo gehiagoko motore bat hasten denean, hastapen-korrontea 5-8 aldiz baino gehiago igotzen dela estimatutako balioan, korronte handiaren babesaren gainditzen duelarik.

Hastapen-korrontea murrizteko, 1-3Ωko resistenta eta 200-500Wko indar-espezifikoa duen hilo-eginda resistentea edo ohitza-zinkaren varistore linealezina erabil dezakegu. Azken horrek egoeran frioan 100Ω baino gehiago duen resistenta dauka, korrontea igotzen doanean azkar gutxitzen da, hastapen-korrontea 2-3 aldiz baino gehiago mugatuz. Motorraren hastapen ondoren, VFDaren irteerako maiztasuna 40Hz baino gehiago igotzen denean eta korrontea estimatutako balioan behera doanean, resistentearen tensio-erdikatzea 50V baino txikiagoa da.

Momentu honetan, kontaktore bidez resistentea kortatzen dugu kontinuoki indar galera saihesteko. Hastapenean korronte handia gertatzen denean, korronte-transformatorak 1200A baino gehiago detektatzen badu, kontrol-sistema adiskidea ematen du; 1500A iritsitakoan, VFDak IGBTak blokeatzen ditu eta kontaktore bidez resistentea berriro sartzen du korrontea azkar gutxitzeko. Ondoren, kontaktore berriro itxi eta funtzionamendu normalera itzultzeko. Aldaketa guztia 0.5s baino azkarago egiten da, korronte pikenak saihesteko, motorraren hastapena leunatzeko eta VFDaren fidagarritasuna oso handituz.

3.2 Tentsio-estaltze zirkuitua

Tentsio handiak saihesteko, tentsio-estaltze zirkuitu bat konektatu dezakegu DC busaren parelelan. Zirkuitu honek metal oksidoaren varistore bat (MOV), GTO biristor azkar bat eta detektio zirkuitua ditu. Medizioetan ikusi da softwareko tentsio handiaren babesa aktibatzen dela tentsio-osagaien aldentasuna 15% baino gehiago edo karga gutxitzeak DC busaren tensioa 1300V baino gehiago gehitzen duenean 20ms baino gehiago.

Faltese hauek saihesteko, TYN-20/141 MOV erabil dezakegu, 1420Vko aktibazio-tentsioa, 20kAko max. desgaste-korrontea eta 8800Jko energia-onartzailea dituena. DC busaren tensioa 1350V baino gehiago denean, MOV hasi daitezen energia gaindarra onartzen du; 1400V iritsitakoan, GTO aktibatzen da, tentsio handiaren energia biristor bidez erraz gutxituz. Detektio zirkuituak DC busaren tensioa jarraitu detektatzen du.

Tentsioa 1250V baino behera jaitsitakoan eta 50ms baino gehiago mantentzen denean, liburpen-seinala bidali daiteke, GTO itzaltzen eta sistema normalerantz itzultzeko. DC busaren tentsioa 1400V baino gehiago mantentzen badu 100ms baino gehiago, tentsio handi serioa identifikatzen da, eta VFD softwareko blokeo egoerara pasatzen da, berrabiaraztea eskatzen duela. Praktikan ikusi da zirkuitu hau 6kVko VFDek tentsio handi momentaneo 35% baino gehiago onartzen dituztela, 100ms barruan tentsioa 1.05 aldiz baino gehiago ez duela gainditzen. Erantzun azkar eta fiablea da, tentsio handi tripatu askotan saihesteko eta sistema jarraitasuna eta fidagarritasuna oso handituz.

3.3 Korronte-elkarbanatze diseinua

Suhargune falteseak saihesteko, korronte-elkarbanatze teknologia erabil dezakegu IGBT eta disipadore nagusiak kaltegabetasuna murrizteko, suhargune tripatuak saihesteko.

Neurrizko neurriak inkludez dute 1-2 elektrikotasun kapazitatzailea paraleloan konektatuta positiboko eta negatiboko DC bus terminalen artean. Kapazitatzaileak 1000-2200μF kapazitatea, ≥1600V tensio maila eta ≥100A jarraitu ripple korrontea izan beharko ditu. VFDaren irteerako korrontea 1.2 aldiz baino gehiago (adibidez, 900A) igotzen denean, kapazitatzaile paraleloak 10%-20% korronte elkarbanatze egin dezakete, IGBT-ren korrontea 720-810Ara murriztuz. IGBT-ren kondutasio-pertsondoa korrontearen karratuarekiko proportzionala delarik, met hau tenperaturaren igotzea oso murriz dezake.

Formula honetan: PCPC IGBT-ren kondutasio-pertsondoa (W); VCEVCE IGBT-ren saturazio-tentsioa (V), korrontearekin (A) erlazio lineala duena; ICIC; UηUη IGBT-ren aktibazio-tentsioa (V); $K$ IGBT-ren korronte-amplifikazio faktorea.

Ikus dezakegu elkarbanatze neurrien ondorioz, IGBT-ren kondutasio-pertsondoa 19%tik 36%ra gutxitzeko ahalmena dago, eta chiparen elkarketa-tenperatura 10°Ctik 25°Cra gutxitzen da, horrela inverterren suhargune problema handia murriztuz.

Gainera, inverteren disipadorearen sarrera eta irteera puntuetan 1 edo 2 elektrikotasun-zureta paraleloan instalatu dezakegu, ≥3000 m³/h indar-espezifikoa dituztenak, disipadorearen hautsimen-efektua oso handituz. Kontrol-kaxan 6-8 tenperatura-sensor instalatu dezakegu, unitate potentzioko, motherboard, IGBT drive board, etab. tenperaturak jarraitu detektatzeko. Puntu baterik 65°C baino gehiago jartzen denean, kontrol-sistema zureta elektrikotasun-garraiak hasi eta "karga gutxitze adiskidea" inverter kontrol-unitatera bidali.

Tenperatura 75°Cra iritsitakoan eta 10 minutu baino gehiago mantentzen denean, sistema "suhargune altu adiskidea" bidali, inverteren irteerako korrontea estimatutako balioaren 50% baino behera murriztuz, tenperatura 60°C baino behera jaitsita denean "suhargune altu adiskidea" kenduz.

Medizio puntu baterik 85°C baino gehiago jartzen denean eta motorren korrontea estimatutako balioaren 30% baino behera ez bada, inverterak hardware blokeo egiten du eta irteera gelditzen du. Hautsimen-efektua gehiago hobetzeko, grafeno edo nanotubo karbonoko material nanoak aplikatu dezakegu IGBT disipadoreen, haien ultra-ondorentasun termikoa erabiliz IGBT chip-en tenperaturaren gutxitzea azeleratuz, elkarketa-tenperatura murriztuz.

4 Neurri preventiboen efektivitatea
4.1 Esperimentuaren diseinua

ZINVERT-6kV/1500kVA intelektual handi-tentsio invertera erabili da esperimentu objektu gisa, eta talde kontrol esperimentu bat egin da proposatutako hiru neurri preventiboen efektivitatea frogatzeko. Esperimentuak estimatutako funtzionamendu-egoeretan egin dira (sarrera-tentsioa: 6kV±5%; inguruko tenperatura: 25°C±2°C; humedaderelazioa: 65%±5%). Esperimentua lau taldeetan banatuta: kontrol taldea neurri preventiborik ez; Taldea A 2.2Ω/350W korronte-murrizle resistente bat MSC-500 biribil zaharrak erabiliz; Taldea B TYN-20/141 varistore eta IXYS-GTO biristor paraleloan konektatuta osatutako tentsio-estaltze zirkuitua, estaltze-tentsioa 1420V bezala ezarrita; Taldea C 2000μF/1600V elektrikotasun kapazitatzaile (Hitachi HCG seriea) paraleloan konektatuta korronte elkarbanatzea, 3500 m³/h aldakorreko zureta elektrikotasun (EBM-W3G450) hautsimen forzatzeko.

Talde bakoitzak 72 orduz jarraitu funtzionatzen, inverteren irteerako korrontea, DC busaren tentsioa eta IGBT elkarketa-tenperatura datu garrantzitsuak 6 orduko tarteetan bildu. Datuak Fluke 435-II indar-kalitate analisigile eta HIOKI 8847 datu-registratzaile bidez bildu dira. Esperimentuan, hiru faltese kasu tipiko simulatu dira: hastapen-korronte handia (8 aldiz estimatutako balioa / 0.5s), tentsio-osagaien aldentasuna (+20% / 1s), eta karga osoa (inguruko tenperatura 35°C / 2h). Esperimentuaren diseinua Irudia 1-n ageri da.

4.2 Emaitzak aztertzea

72 orduz jarraitu funtzionatze ondoren, lau talderen datuak bildu eta aztertu dira, emaitzak Taula 1-n ageri dira. Kontrol taldeak hiru faltese egoeretan tripatu gertatu dira, baina neurri preventiboei esker esperimentu taldeak falteseak oso saihestu dituzte. Taldea A-ko hastapen-korronte pikea 7.8etik 2.2ra murriztu da, korronte handi tripatu saihesteko.

Taldea B-ko tentsio-estaltze zirkuituak DC busaren tentsio-alderantziketa gehiena 1368Vra murriztu da, 1420V babes-muga baino askoz urrun. Taldea C-ko korronte elkarbanatze eta hautsimen forzatzeko konbinazioak IGBT elkarketa-tenperatura gehiena 87.5°C baino behera mantendu da, 100°C tripatu-mugaren baino askoz urrun. Gainera, hiru neurri preventiboen erantzun-denbora 100ms baino azkaragoa izan da, babes azkarreko eskarretan betetzen. Ez da esperimentuan aktibazio okerra gertatu, sistema estabilizatua eta fidagarria baita.

5 Iraultza

Lan hau 6kVko VFDen tripatu anormalen arrazoien azterketa sistematikoa egin du eta neurri preventibo zuzenak proposatu ditu. Esperimentuaren emaitzak konfirmatzen dute korronte-murrizleak korronte handiak kontrolatzeko, tentsio-estaltze zirkuituak DC busaren tentsio handiak saihesteko, eta korronte elkarbanatzea eta hautsimen forzatzeko konbinazioak IGBT-ren suhargunearen arriskua oso gutxitzen dituela, sistema osoaren fidagarritasuna handituz.