Estäminen seisovista 6 kV korkeajännitekääntöissä

Korkeajännitekääntäjät ovat tärkeitä laitteita vaihtovirtakoneiden nopeuden säädössä ja niitä käytetään laajasti korkeatehoisten, korkeajännitteisten moottorien nopeuden säätämiseen alusteknologiassa, metalli- ja öljyteollisuudessa sekä sähköntuotannossa. Kuitenkin 6kV:n korkeajännitekääntäjät usein kohdataan epänormaaleja ajuriviksiintymisiä toiminnassa verkon heilahtelujen ja kuorman vaikutusten vuoksi, mikä vaikuttaa huomattavasti moottorinopeuden säädösjärjestelmien turvallisuuteen ja luotettavuuteen.

Korkeajänniteen muuttuvan taajuuden ajurijärjestelmien vakauden varmistamiseksi, teollisen tehokkuuden parantamiseksi ja energiankulutuksen vähentämiseksi hallitus on ottanut käyttöön sarjan toimenpiteitä, jotka kannustavat korkeajännitekääntäjätekniikan tutkimusta ja soveltamista. Siksi 6kV:n korkeajännitekääntäjien epänormaalien ajuriviksiintymisten syiden syvällinen analysointi ja tehokkaiden ennaltaehkäisymeasureiden kehittäminen on erittäin tärkeää korkeajänniteen muuttuvan taajuuden tekniikan edistämiseksi ja teollisen talouskasvun ylläpitämiseksi.

1 6kV:n korkeajännitekääntäjien yleiskatsaus

6kV:n korkeajännitekääntäjä on korkeatehoinen sähkölaite, joka käyttää IGBT-laitteita kytkentäelementteinä ja monitasoisen topologian saavuttaakseen muuttuvan taajuuden nopeuden säädön 6kV:n ja sitä suuremmilla jännitteillä. Sen tehosteet perustuvat tyypillisesti kolmeen tasoon neutraalipisteen sidottuna (3L-NPC) tai viiteen tasoon aktiivisella neutraalipisteen sidonnalla (5L-ANPC) -piireihin, jotka rakennetaan useiden alimoduulien kaskadoinnin avulla. Jokaisessa alimoduulissa on 6–24 IGBT:a ja vapaaajo-diodeja, jotka tuottavat 9–17 tasoa sisältävän porrastetun aallonmuodon, joka lähenee sinimuotoista aallonmuotoa suodatuksen jälkeen.

Typinen kapasiteetti ulottuu 3000:sta 14 000 kVA:han, jänniteluokat kattavat 6kV, 10kV ja 35kV. Korkeamman kapasiteetin ja jännitteen vaatimusten tapauksessa voidaan käyttää modulaarista monitasoista muunninta (MMC), jossa alimoduulit käyttävät puolipuskurirakennetta tai täyspuskurirakennetta, jossa sataja alimoduuleja pilkkautetaan jokaiseen vaiheeseen, mahdollistaen jännitetasot jopa 220kV:hen ja yksikkökapasiteetin jopa 400 MVA:han, mikä sopii sovelluksiin kuten uusiutuvan energian verkkojen integrointi, merituulivoima ja joustava DC-siirto. Korkeajännitekääntäjien ohjausstrategia on monimutkainen, ja se sisältää avainasemassa olevia tekniikoita, kuten kulmakulmafaseerattu modulaatio, virtasummautus, sensorittomat havainnot ja magneettikenttäheikennysoptimointi.

2 6kV:n korkeajännitekääntäjien epänormaalit ajuriviksiintymiset

Toiminnassa 6kV:n korkeajännitekääntäjät usein viksiintyvät poikkeamien, kuten liian suuren virtan, liian suuren jännitteen ja liian korkean lämpötilan vuoksi. Liian suuret virrat tyypillisesti ilmenevät käynnistyksen aikana tai yhtäkkiä kuorman muuttuessa, kun hetkellinen virta voi ylittää 2–3 kertaa nominoidun arvon. Jos virta ylittää 1600A yli 100ms tai 2000A yli 10ms, kääntäjä estää välittömästi IGBT:t ja katkaisee ulosmenon kontaktorin, mikä aiheuttaa laiterakenteen suojausviksiintymisen.

Liian suuret jännitteet johtuvat yleensä verkon heilahteluista tai yhtäkkiä kuorman muuttuessa. Kun DC-bussijännite ylittää 1.2 kertaa nominoidun arvon (1368V), ohjelmistoaktivoitunut liian suuri jännitesuojaus aktivoituu; jos se ylittää 1.35 kertaa (1026V), laiterakenteen suojaus aktivoituu välittömästi. Lämpötilavikat ilmenevät yleensä korkeissa lämpötilaympäristöissä tai pitkäkestoisessa ylivuotossa. Kun IGBT:n lämpötila ylittää 90°C tai jäähdytinlämpötila ylittää 70°C yli 5 minuuttia, järjestelmä antaa korkean lämpötilavaroituksen; jos lämpötilat ylittävät 100°C tai 80°C, järjestelmä viksiintyy välittömästi. Nämä kolme vikatyypin yhteinen piirre on kääntäjän itsepuolustusmekanismi, joka katkaisee nopeasti ulostuloa IGBT-estämisellä ja kontaktorin irrottamisella, mikä aiheuttaa ilmiötä, kuten moottorin hätäpysäytys ja vilkkuvat vika-ilmoitukset.

3 Ennaltaehkäisytoimenpiteet
3.1 Virtarajoitusvastus

Liian suuren virran vikojen torjumiseksi virtarajoitusvastusta voidaan yhdistää sarjapätkäksi kääntäjän ulosmenevän ja moottorin välille. Kenttämittaukset osoittavat, että kun 6kV/1500kVA-kääntäjä käynnistää 380kW:n tai suuremman moottorin, hetkellinen käynnistysvirta voi nousta 5–8 kertaa nominoidusta arvosta, joka ylittää huomattavasti liian suuren virran suojausasetuksen.

Käynnistysvirran hillitsemiseksi voidaan käyttää 1–3Ω:n vastusta ja 200–500W:n nominoidun tehon rautakierrosresistoria tai ei-lineaarista sinkiväristä. Jälkimmäinen on yli 100Ω kylmässä tilassa ja sen vastus laskee nopeasti virtasuureen kasvaessa, rajoittaen huippukäynnistysvirtaa 2–3 kertaa nominoidun arvon alle. Moottorin käynnistyksen jälkeen, kun kääntäjän ulostulotaajuus nousee yli 40Hz:een ja virta laskee nominoidun arvon alle, vastuksen päässä oleva jännite on alle 50V.

Tässä vaiheessa ohjauskontaktori lyhytkiertää vastuksen välttääkseen jatkuvan tehon menetyksen. Jos virta noussee käynnistyksen aikana, kun virtasensori havaitsee arvon, joka ylittää 1200A, ohjausjärjestelmä antaa varoituksen; jos se ylittää 1500A, kääntäjä estää välittömästi IGBT:t ja avaakin ohjauskontaktorin, jolloin virtarajoitusvastus palautetaan nopeasti virtan pienentämiseksi. Ohjauskontaktoria suljetaan sitten takaisin normaalin toiminnan palauttamiseksi. Koko siirtymäprosessi kestää alle 0.5s, mikä tehostaa tehokkaasti virtahuippujen hillitsemistä, varmistaa moottorin sileän käynnistyksen ja parantaa huomattavasti kääntäjän luotettavuutta.

3.2 Jännitepito-putki

Liian suuren jännitteen vikojen torjumiseksi voidaan yhdistää jännitepito-putki rinnan DC-bussiin. Tämä putki koostuu pääasiassa metallioksideista varistoreista (MOV), nopeasta thyristorista (GTO) ja havaintojärjestelmästä. Kenttätiedot osoittavat, että ohjelmistoaktivoitunut liian suuri jännitesuojaus aktivoituu, kun verkon jännite heilahtaa yli 15% tai kuorman vähentyessä DC-bussijännite ylittää 1300V yli 20ms.

Tällaisten vikojen ehkäisemiseksi voidaan käyttää TYN-20/141 MOV:ta, jonka aktivointijännite on 1420V, maksimipäästövirta 20kA ja energiaabsorptio 8800J yksikköä kohden. Kun bussijännite ylittää 1350V, MOV alkaa johtaa ja absorboi ylijäämäenergian; jos jännite nousee 1400V:een, GTO aktivoituu nopeasti ohjaen ylijäämäenergian vastuksen, joka palauttaa jännitteen turvalliseen tasoon. Havaintojärjestelmä valvoo jatkuvasti bussijännitettä.

Kun jännite laskee 1250V:aan ja pysyy siinä 50ms, vapautussignaali lähetetään, mikä sammuttaa GTO:n ja palauttaa normaalin järjestelmän toiminnan. Jos bussijännite pysyy yli 1400V:na yli 100ms, tunnistetaan vakava liian suuri jännitevika, ja kääntäjä siirtyy ohjelmistolukitun tilan, joka vaatii manuaalista nollausen ennen uudelleenkäynnistystä. Käytännön kokemukset osoittavat, että tämän pistoputken avulla 6kV-kääntäjä voi kestää 35% hetkellisen liian suuren jännitteen ja hillitä jännitteen 1.05 kertaa nominoidun arvon alle 100ms sisällä. Vastaus on nopea ja luotettava, mikä estää tehokkaasti yleisiä liian suuria jännitteitä ja parantaa huomattavasti järjestelmän jatkuvuutta ja luotettavuutta.

3.3 Virtajaottaminen

Ylikuumenemisvikioiden torjumiseksi virtajaottamistechnologiaa voidaan käyttää vähentääksemme kriittisten komponenttien, kuten IGBT:n ja jäähdyttimen lämpögeneraatiota, estääksemme lämpöväkiviksiintymistä.

Erityisiä toimenpiteitä ovat positiivisen ja negatiivisen DC-bussiterminalien välille yhdistetty 1–2 elektroniikkakondensaattoria. Kondensaattorit tulisi olla 1000–2200μF kapasiteettia, jännitearvo ≥1600V ja jatkuva rippletaso ≥100A. Kun kääntäjän ulostulovirta ylittää 1.2 kertaa nominoidun arvon (esimerkiksi 900A), nämä rinnakkaiset kondensaattorit voivat tarjota 10%–20% virtajaottamiskykyä, vähentäen todellista virtaa IGBT:n kautta 720–810A:han. Koska IGBT:n johtamispäivitys on verrannollinen virtasuureen neliöön, tämä lähestymistapa vähentää tehokkaasti lämpötilan nousua.

Kaavassa: PCPC on IGBT:n johtamispäivitys (W); VCEVCE on IGBT:n satuuraatiojännite (V), jolla on lineaarinen suhde virtaan ICIC (A); UηUη on IGBT:n kytkentäjännite (V); $K$ on IGBT:n virtakerroin.

Nähdään, että virtajaottamistoimenpiteiden jälkeen IGBT:n johtamispäivitys voidaan vähentää 19%–36%, ja piirijunctionin lämpötila voi laskea 10°C–25°C, mikä helpottaa huomattavasti kääntäjän lämpöongelmaa.

Lisäksi asennetaan 1–2 sähköventtiiliä rinnaksi kääntäjän jäähdyttimen sisään- ja ulospääsyyn, joiden nominoidtu ilmavirta on ≥3000 m³/h, mikä vahvistaa tehokkaasti jäähdyttimen jäätytystä. Asennetaan 6–8 lämpötilasensoria ohjauskaapin sisälle reaaliaikaisesti seuratakseen eri tehosteiden, äidilaudan, IGBT-ohjauslaudan jne. lämpötiloja. Kun mikään pisteen lämpötila ylittää 65°C, ohjausjärjestelmä käynnistää välittömästi sähköventtiilin täysiin pyörähtelynopeuteen ja lähettää "kuormituksen vähentämisvaroituksen" signaalin kääntäjän ohjausyksikköön.

Jos lämpötila jatkaa nousua 75°C:ään ja kestää yli 10 minuuttia, järjestelmä lähettää "ylikuumenemisvaroituksen" signaalin, rajoittamalla kääntäjän maksimiulostulovirtaa alle 50% nominoidusta arvosta, kunnes lämpötila laskee 60°C:aan, jolloin "ylikuumenemisvaroitus" kumotaan.

Jos mikään mittauspisteen lämpötila ylittää 85°C ja moottorin virta ei laske 30%:n nominoidusta arvosta, kääntäjä lukitsee välittömästi laiterakenteen ja lopettaa ulostulon. Tehokkaamman jäätytystehon parantamiseksi voidaan levittää nanomateriaaleja, kuten grafeenia tai hiilinanoputkia, jokaisen tehosteen IGBT-jäähdyttimiin, hyödyntäen niiden erittäin korkeaa lämpöjohtavuutta nopeuttaaksemme IGBT-piirien lämpövuontia, mikä vähentää junctionin lämpötilaa.

4 Ennaltaehkäisytoimenpiteiden tehokkuus
4.1 Kokeellinen suunnittelu

ZINVERT-6kV/1500kVA-älykorkeajännitekääntäjää käytettiin testiesineenä, ja ryhmäohjattu kokeellinen suunnitelma toteutettiin vahvistaaksemme kolmen ehdotetun ennaltaehkäisytoimenpiteen tehokkuutta. Kokeet suoritettiin nominoiduissa toimintaolosissa (sisäänpääsijännite: 6kV±5%; ympäristölämpötila: 25°C±2°C; suhteellinen kosteus: 65%±5%). Koe jaettiin neljään ryhmään: kontrolliryhmä ei käyttänyt mitään ennaltaehkäisytoimenpiteitä; Ryhmä A käytti 2.2Ω/350W virtarajoitusvastusta MSC-500 pikakierroskontaktorin kanssa; Ryhmä B käytti TYN-20/141-varistorin ja IXYS-GTO:n rinnakkain yhdistämän jännitepito-putken, jossa pitojännite oli asetettu 1420V:ksi; Ryhmä C käytti 2000μF/1600V elektroniikkakondensaattoria (Hitachi HCG-sarja) rinnakkaistettuna virtajaottamiseen, yhdistettynä 3500 m³/h muuttuvan nopeuden sähköventtiiliin (EBM-W3G450) pakotettuun jäätytyskäyttöön.

Jokainen ryhmä toimi jatkuvasti 72 tuntia, ja keskeiset parametrit, kuten kääntäjän ulostulovirta, DC-bussijännite ja IGBT-junctionin lämpötila, kirjattiin joka 6 tuntia. Tiedot kerättiin Fluke 435-II:n sähkölaadun analysointilaitteella ja HIOKI 8847:n dataloggerilla. Kokeen aikana simuloitiin kolme typistä vikaoloa: inrush-overcurrent (8 kertaa nominoidun arvon / 0.5s), verkon jännitefluktuointi (+20% / 1s) ja täysi kuormitus (ympäristölämpötila 35°C / 2h). Kokeellinen asetus näkyy kuvassa 1.

4.2 Tulosten analyysi

72 tunnin jatkuvan toiminnan jälkeen kaikki neljä ryhmän tiedot kerättiin ja analysoitiin, tulokset esiteltiin taulukossa 1. Kontrolliryhmä kohdasi viksiintymisen kaikissa kolmessa vikaolossa, kun taas ennaltaehkäisytoimenpiteillä varustetut kokeelliset ryhmät osoittivat tehokasta vikatorjuntaa. Ryhmässä A alkuvirta vähentyi 7.8 kertaa nominoidusta arvosta 2.2 kertaa nominoidusta arvosta, mikä tehokkaasti esti liian suuren virran viksiintymisen.

Ryhmässä B jännitepito-putki rajoitti DC-bussijännitteen maksimifluktuoinnin 1368V:aan, joka oli selvästi alle 1420V:n suojausrajaksi. Ryhmässä C virtajaottamisen ja pakotetun jäätytyskäytön yhdistelmä säilytti IGBT-junctionin lämpötilan alle 87.5°C, mikä oli huomattavasti alhaisempi kuin 100°C:n viksiintymisrajaksi. Lisäksi kaikkien kolmen ennaltaehkäisytoimenpiteen vastausaika oli alle 100ms, joka täytti nopean suojauksen vaatimukset. Kokeen aikana ei tapahtunut vääräksi päätettyjä viksiintymiä, mikä osoitti järjestelmän vakauden ja luotettavuuden.

5 Johtopäätös

Tämä tutkimus analysoi systemaattisesti 6kV:n korkeajännitekääntäjien epänormaalien viksiintymisten syitä ja ehdotti kohdennettuja ennaltaehkäisytoimenpiteitä. Kokeelliset tulokset vahvistavat, että virtarajoitusvastus hallitsee tehokkaasti inrush-virtaa, jännitepito-putki vähentää merkittävästi DC-bussin liian suurta jännitettä, ja virtajaottaminen pakotetun jäätytyskäytön kanssa vähentää huomattavasti IGBT:n ylikuumenemisriskiä, mikä parantaa järjestelmän kokonaisturvallisuutta.