جلوگیری از قطع در وارونهای فشار بالا ۶ کیلوولت

انواعر پرتوان برای کنترل سرعت موتورهای القایی و در صنایع مختلفی مانند بلندکردن، متالورژی، نفت و تولید برق به طور گسترده استفاده می‌شوند. با این حال، انواعر 6kV اغلب در حین عملیات به دلایلی مانند نوسان شبکه و تأثیر بار، با خطاهای غیرعادی قطع راننده مواجه می‌شوند که به طور قابل توجهی ایمنی و قابلیت اطمینان سیستم‌های کنترل سرعت موتور را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

برای تضمین عملکرد پایدار سیستم‌های VFD فشار بالا، بهبود کارایی صنعتی و کاهش مصرف انرژی، دولت سری از سیاست‌ها را برای تشویق تحقیقات و کاربرد فناوری انواعر فشار بالا معرفی کرده است. بنابراین، تحلیل عمیق علل خطاهای غیرعادی قطع راننده در انواعر 6kV و توسعه اقدامات پیشگیرانه موثر برای پیشرفت فناوری VFD فشار بالا و حفظ رشد اقتصادی صنعتی اهمیت زیادی دارد.

1 مروری بر انواعر 6kV فشار بالا

انواعر 6kV فشار بالا یک دستگاه الکترونیکی قدرت بالا است که از IGBT‌ها به عنوان المان‌های کلیدزنی استفاده می‌کند و از توپولوژی چندسطحی برای کنترل سرعت متغیر فرکانس در فشار 6kV و بالاتر استفاده می‌کند. واحد‌های قدرت آن معمولاً از مدارهای سه‌سطحی خنثی (3L-NPC) یا پنج‌سطحی خنثی فعال (5L-ANPC) تشکیل شده‌اند که با پیچیدن زیرمدول‌های متعدد ساخته می‌شوند. هر زیرمدول شامل 6-24 IGBT و دیودهای فری‌ویلینگ است که یک موج پله‌ای با 9-17 سطح ایجاد می‌کند که پس از فیلتر شدن به موج سینوسی تقریب می‌یابد.

ظرفیت معمولی از 3000 تا 14000 kVA متغیر است و سطوح ولتاژ شامل 6kV، 10kV و 35kV است. برای نیازهای ظرفیت و فشار بالاتر، می‌توان از توپولوژی MMC استفاده کرد که زیرمدول‌ها از ساختارهای نیمه‌پل یا پل کامل استفاده می‌کنند و صد‌ها زیرمدول در هر فاز پیچیده می‌شوند، این امکان را فراهم می‌کند که سطح ولتاژ تا 220kV و ظرفیت واحد تا 400 MVA باشد، مناسب برای کاربردهایی مانند یکپارچه‌سازی شبکه انرژی تجدیدپذیر، بادی دریایی و انتقال DC انعطاف‌پذیر. استراتژی کنترل انواعر فشار بالا پیچیده است و شامل فناوری‌های کلیدی مانند مدولاسیون جابجایی فاز حمله، تعادل جریان، تشخیص بدون سنسور و بهینه‌سازی ضعیف‌سازی میدان است.

2 خطاهای غیرعادی قطع راننده در انواعر 6kV فشار بالا

در حین عملیات، انواعر 6kV فشار بالا به دلایلی مانند جریان بیش از حد، ولتاژ بیش از حد و گرم شدن بیش از حد معمولاً قطع می‌شوند. خطاهای جریان بیش از حد معمولاً در حین راه‌اندازی یا تغییر ناگهانی بار رخ می‌دهند که جریان لحظه‌ای ممکن است 2-3 برابر مقدار اسمی شود. اگر جریان بیش از 1600A برای بیش از 100ms یا 2000A برای بیش از 10ms باشد، انواعر فوراً IGBT‌ها را بلاک می‌کند و کنتکتور خروجی را قطع می‌کند و قطع حفاظت سخت‌افزاری را فعال می‌کند.

خطاهای ولتاژ بیش از حد معمولاً به دلایلی مانند نوسان شبکه یا تغییر ناگهانی بار ایجاد می‌شوند. وقتی ولتاژ باند مستقیم بیش از 1.2 برابر مقدار اسمی (1368V) شود، حفاظت نرم‌افزاری ولتاژ بیش از حد فعال می‌شود؛ اگر بیش از 1.35 برابر (1026V) شود، حفاظت سخت‌افزاری فوراً قطع می‌کند. خطاهای گرم شدن بیش از حد معمولاً در محیط‌های دمای بالا یا در حین عملیات بار بیش از حد طولانی مدت رخ می‌دهند. وقتی دما IGBT بیش از 90 درجه سانتیگراد یا دمای کولر بیش از 70 درجه سانتیگراد برای بیش از 5 دقیقه باشد، سیستم هشدار دمای بالا را صادر می‌کند؛ اگر دما به 100 درجه سانتیگراد یا 80 درجه سانتیگراد برسد، قطع فوری رخ می‌دهد. ویژگی مشترک این سه نوع خطا فعال شدن مکانیسم خودمحافظت انواعر است که با بلاک کردن IGBT‌ها و قطع کنتکتورهای خروجی، خروجی را به سرعت قطع می‌کند که باعث پدیده‌هایی مانند توقف اضطراری موتور و نوسان هشدار خطا می‌شود.

3 اقدامات پیشگیرانه
3.1 مقاومت محدودکننده جریان

برای مقابله با خطاهای جریان بیش از حد، می‌توان یک مقاومت محدودکننده جریان را به صورت سری بین خروجی انواعر و موتور اتصال داد. اندازه‌گیری‌های میدانی نشان می‌دهند که وقتی یک انواعر 6kV/1500kVA یک موتور 380kW یا بزرگتر را راه‌اندازی می‌کند، جریان لحظه‌ای شروع می‌تواند 5-8 برابر جریان اسمی باشد، که بسیار بیش از تنظیم حفاظت جریان بیش از حد است.

برای سرکوب جریان شروع، می‌توان از یک مقاومت سیم‌پیچ یا واریستور غیرخطی اکسید روی با مقاومت 1-3Ω و توان اسمی 200-500W استفاده کرد. دومی دارای مقاومت سرد بالای 100Ω است و با افزایش جریان به سرعت کاهش می‌یابد و جریان شروع را به 2-3 برابر جریان اسمی محدود می‌کند. پس از راه‌اندازی موتور، وقتی فرکانس خروجی انواعر بیش از 40Hz و جریان کمتر از جریان اسمی باشد، کاهش ولتاژ روی مقاومت کمتر از 50V است.

در این مرحله، یک کنتکتور جابجایی کوتاه مداری مقاومت را به منظور جلوگیری از از دست دادن توان مداوم اتصال می‌کند. اگر جریان در حین راه‌اندازی افزایش یابد، وقتی ترانسفورماتور جریان مقداری بیش از 1200A را تشخیص دهد، سیستم کنترل هشدار صادر می‌کند؛ اگر به 1500A برسد، انواعر فوراً IGBT‌ها را بلاک می‌کند و کنتکتور جابجایی را باز می‌کند و مقاومت محدودکننده جریان را دوباره وارد می‌کند تا جریان را به سرعت کاهش دهد. سپس کنتکتور جابجایی دوباره بسته می‌شود تا عملیات عادی بازگردد. کل فرآیند جابجایی کمتر از 0.5 ثانیه طول می‌کشد و به طور مؤثر جریان شروع را سرکوب می‌کند، اطمینان از راه‌اندازی صاف موتور را فراهم می‌کند و قابلیت اطمینان انواعر را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد.

3.2 مدار کلیدزنی ولتاژ

برای سرکوب خطاهای ولتاژ بیش از حد، می‌توان یک مدار کلیدزنی ولتاژ را به صورت موازی با باند مستقیم اتصال داد. این مدار عمدتاً از یک واریستور اکسید فلزی (MOV)، یک تریستور سریع (GTO) و یک مدار تشخیصی تشکیل شده است. داده‌های میدانی نشان می‌دهند که حفاظت نرم‌افزاری ولتاژ بیش از حد وقتی شبکه ولتاژ بیش از 15٪ نوسان کند یا کاهش بار باعث شود که ولتاژ باند مستقیم بیش از 1300V برای بیش از 20ms شود، فعال می‌شود.

برای جلوگیری از چنین خطاها، می‌توان از یک TYN-20/141 MOV استفاده کرد که ولتاژ تحریک آن 1420V، جریان دفعی ماکسیمم 20kA و ظرفیت جذب انرژی 8800J بر واحد است. وقتی ولتاژ باند بیش از 1350V شود، MOV شروع به رسانایی و جذب انرژی اضافی می‌کند؛ اگر ولتاژ به 1400V برسد، GTO فعال می‌شود و به سرعت انرژی ولتاژ بیش از حد را به یک مقاومت منتقل می‌کند تا ولتاژ به سطح ایمن بازگردد. مدار تشخیصی به طور مداوم ولتاژ باند را می‌سنجد.

وقتی ولتاژ کمتر از 1250V شود و برای 50ms در آن سطح باقی بماند، سیگنال رها شدن ارسال می‌شود، GTO خاموش می‌شود و عملیات سیستم به حالت عادی بازمی‌گردد. اگر ولتاژ باند بیش از 1400V برای بیش از 100ms باقی بماند، یک خطا شدید ولتاژ بیش از حد تشخیص داده می‌شود و انواعر وارد حالت قفل نرم‌افزاری می‌شود و نیاز به ریست شدن دستی قبل از شروع مجدد دارد. تجربه نشان می‌دهد که با این مدار کلیدزنی، یک انواعر 6kV می‌تواند 35٪ ولتاژ بیش از حد لحظه‌ای را تحمل کند و ولتاژ بیش از حد را در 100ms به کمتر از 1.05 برابر ولتاژ اسمی سرکوب کند. پاسخ سریع و قابل اعتماد است و به طور مؤثر از قطع مکرر ولتاژ بیش از حد جلوگیری می‌کند و به طور قابل توجهی پیوستگی و قابلیت اطمینان سیستم را افزایش می‌دهد.

3.3 طراحی تقسیم جریان

برای مقابله با خطاهای گرم شدن بیش از حد، می‌توان از فناوری تقسیم جریان برای کاهش تولید گرما در المان‌های مهم مانند IGBT‌ها و کولرهای گرمایی استفاده کرد تا قطع حرارتی را جلوگیری کند.

اقدامات خاص شامل اتصال 1-2 کندانسور الکترولیتی به صورت موازی در انتهای مثبت و منفی باند مستقیم هر واحد قدرت است. کندانسورها باید دارای ظرفیت 1000-2200μF، ولتاژ اسمی ≥1600V و جریان موج پیوسته ≥100A باشند. وقتی جریان خروجی انواعر بیش از 1.2 برابر جریان اسمی (مثلاً 900A) شود، این کندانسورهای موازی می‌توانند 10٪-20٪ توان تقسیم جریان را فراهم کنند و جریان واقعی از طریق IGBT‌ها را به 720-810A کاهش دهند. با توجه به اینکه تلفات رسانایی IGBT متناسب با مجذور جریان است، این روش به طور مؤثر تولید گرما را کاهش می‌دهد.

در فرمول: PCPC تلفات رسانایی IGBT (W) است؛ VCEVCE ولتاژ اشباع IGBT (V) است که یک رابطه خطی با جریان ICIC (A) دارد؛ UηUη ولتاژ روشن شدن IGBT (V) است؛ $K$ عامل تقویت جریان IGBT است.

می‌توان دید که پس از اتخاذ اقدامات تقسیم جریان، تلفات رسانایی IGBT می‌تواند 19٪ تا 36٪ کاهش یابد و دمای گره تراشه 10 درجه سانتیگراد تا 25 درجه سانتیگراد کاهش یابد، بنابراین مشکل گرم شدن انواعر به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد.

به علاوه، 1 تا 2 موتور بادی را به صورت موازی در ورودی و خروجی کولر گرمایی انواعر نصب کنید، با حجم هوا مورد نظر ≥ 3000 متر مکعب/ساعت، که می‌تواند به طور مؤثر کارایی خنک‌سازی کولر را افزایش دهد. 6 تا 8 سنسور دما را در داخل کابین کنترل نصب کنید تا دمای هر واحد قدرت، مادر بورد، بورد راننده IGBT و غیره را به طور واقعی مراقبت کنید. وقتی دمای هر نقطه بیش از 65 درجه سانتیگراد شود، سیستم کنترل فوراً موتور بادی را با سرعت کامل شروع می‌کند و سیگنال "هشدار کاهش بار" را به واحد کنترل انواعر ارسال می‌کند.

اگر دما به 75 درجه سانتیگراد برسد و بیش از 10 دقیقه بماند، سیستم سیگنال "هشدار دمای بیش از حد" را صادر می‌کند و جریان خروجی ماکسیمم انواعر را به کمتر از 50٪ جریان اسمی محدود می‌کند تا زمانی که دما به کمتر از 60 درجه سانتیگراد برسد و "هشدار دمای بیش از حد" رفع شود.

اگر دمای هر نقطه اندازه‌گیری بیش از 85 درجه سانتیگراد شود و جریان موتور به کمتر از 30٪ جریان اسمی نرسد، انواعر فوراً قفل سخت‌افزاری می‌شود و خروجی را متوقف می‌کند. برای بهبود بیشتر کارایی خنک‌سازی، مواد نانویی مانند گرافن یا نانولوله‌های کربنی را بر روی کولرهای گرمایی IGBT هر واحد قدرت اعمال کنید، با استفاده از هدایت حرارتی فوق‌العاده آنها برای تسریع در خنک‌سازی تراشه‌های IGBT، بنابراین دمای گره را کاهش می‌دهد.

4 اثربخشی اقدامات پیشگیرانه
4.1 طراحی آزمایشی

انواعر هوشمند ZINVERT-6kV/1500kVA به عنوان شیء آزمایشی استفاده شد و یک آزمایش کنترل گروهی انجام شد تا اثربخشی سه اقدام پیشگیرانه پیشنهادی را تأیید کند. آزمایش‌ها در شرایط عملیاتی اسمی (ولتاژ ورودی: 6kV±5٪؛ دمای محیط: 25 درجه سانتیگراد±2 درجه سانتیگراد؛ رطوبت نسبی: 65٪±5٪) انجام شد. آزمایش به چهار گروه تقسیم شد: گروه کنترل از هیچ اقدام پیشگیرانه‌ای استفاده نکرد؛ گروه A از یک مقاومت محدودکننده جریان 2.2Ω/350W با یک کلید جابجایی سریع MSC-500 استفاده کرد؛ گروه B از یک مدار کلیدزنی ولتاژ تشکیل شده از یک واریستور TYN-20/141 و یک IXYS-GTO به صورت موازی استفاده کرد، با ولتاژ کلیدزنی تنظیم شده در 1420V؛ گروه C از یک کندانسور الکترولیتی 2000μF/1600V (سری HCG هیتاشی) به صورت موازی برای تقسیم جریان و یک موتور بادی متغیر سرعت 3500 متر مکعب/ساعت (EBM-W3G450) برای خنک‌سازی اجباری استفاده کرد.

هر گروه به طور مداوم برای 72 ساعت عملیاتی بود و پارامترهای کلیدی مانند جریان خروجی انواعر، ولتاژ باند مستقیم و دمای گره IGBT هر 6 ساعت یک بار ثبت شد. داده‌ها با استفاده از تحلیل‌گر کیفیت توان Fluke 435-II و رکوردر داده HIOKI 8847 جمع‌آوری شدند. در طول آزمایش، سه سناریوی خطا معمولی شبیه‌سازی شد: جریان بیش از حد شروع (8 برابر جریان اسمی / 0.5 ثانیه)، نوسان ولتاژ شبکه (+20٪ / 1 ثانیه) و عملیات بار کامل (دمای محیط 35 درجه سانتیگراد / 2 ساعت). تنظیم آزمایشی در شکل 1 نشان داده شده است.

4.2 تحلیل نتایج

پس از 72 ساعت عملیاتی مداوم، داده‌های چهار گروه جمع‌آوری و تحلیل شدند و نتایج در جدول 1 ارائه شدند. گروه کنترل در تمام سه شرایط خطا قطع شد، در حالی که گروه‌های آزمایشی با اقدامات پیشگیرانه به طور مؤثر خطا را سرکوب کردند. در گروه A، جریان شروع از 7.8 به 2.2 برابر جریان اسمی کاهش یافت و به طور مؤثر از قطع جریان بیش از حد جلوگیری کرد.

در گروه B، مدار کلیدزنی ولتاژ نوسان ولتاژ باند مستقیم را به 1368V محدود کرد که به طور قابل توجهی کمتر از آستانه حفاظت 1420V بود. در گروه C، ترکیب تقسیم جریان و خنک‌سازی اجباری دمای گره IGBT را به کمتر از 87.5 درجه سانتیگراد نگه داشت، به طور قابل توجهی کمتر از آستانه قطع 100 درجه سانتیگراد بود. علاوه بر این، زمان پاسخ تمام سه اقدام پیشگیرانه کمتر از 100 میلی‌ثانیه بود و مطابق با نیاز به حفاظت سریع بود. در طول آزمایش هیچ تحریک نادرستی رخ نداد و عملکرد سیستم پایدار و قابل اعتماد بود.