Paghahanda sa Pag-iwas ng Pagkakamali sa 6kV High-Voltage Inverters

Ang mga high-voltage inverters ay mahahalagang aparato para sa pagkontrol ng bilis ng AC motor at malawakang ginagamit sa mga industriya tulad ng pag-angkat, metalurhiya, petrolyo, at paggawa ng kuryente para sa regulasyon ng bilis ng mataas na lakas, mataas na voltageng motor. Gayunpaman, ang mga 6kV high-voltage inverter madalas na nakakaranas ng abnormal na tripping fault sa panahon ng operasyon dahil sa mga factor tulad ng pagbabago ng grid at impacto ng load, na lubhang nakakaapekto sa seguridad at reliabilidad ng sistema ng pagkontrol ng bilis ng motor.

Upang tiyakin ang matatag na operasyon ng high-voltage variable frequency drive (VFD) systems, mapabuti ang industrial na efisyensiya, at bawasan ang paggamit ng enerhiya, ang pamahalaan ay ipinakilala ang serye ng mga patakaran upang hikayatin ang pag-aaral at aplikasyon ng teknolohiya ng high-voltage inverter. Kaya, ang mas malalim na analisis ng mga sanhi ng abnormal na tripping faults sa 6kV high-voltage inverter at ang pagbuo ng epektibong preventive measures ay may malaking kahalagahan para sa pag-unlad ng teknolohiya ng high-voltage VFD at sustento ng pang-industriyang ekonomiko.

1 Buod ng 6kV High-Voltage Inverters

Ang isang 6kV high-voltage inverter ay isang mataas na lakas na electronic device na gumagamit ng IGBTs bilang switching elements at gumagamit ng multilevel topology upang makamit ang variable-frequency speed control sa 6kV at iba pa. Ang mga power unit nito karaniwang gumagamit ng three-level neutral-point-clamped (3L-NPC) o five-level active neutral-point-clamped (5L-ANPC) circuits, na binubuo ng pagcascade ng maraming submodules. Bawat submodule ay naglalaman ng 6-24 IGBTs at freewheeling diodes, na lumilikha ng stepped waveform na may 9-17 levels, na sumusunod sa sine wave pagkatapos ng filtering.

Ang typical capacity ay nasa 3000 hanggang 14,000 kVA, kasama ang voltage levels na 6kV, 10kV, at 35kV. Para sa mas mataas na capacity at voltage requirements, ang modular multilevel converter (MMC) topology ay maaaring gamitin, kung saan ang mga submodule ay gumagamit ng half-bridge o full-bridge structures, na may daan-daang submodule na naka-stack per phase, na nagbibigay ng voltage levels hanggang 220kV at single-unit capacity hanggang 400 MVA, na angkop para sa mga aplikasyon tulad ng renewable energy grid integration, offshore wind power, at flexible DC transmission. Ang kontrol strategy ng high-voltage inverters ay komplikado, na kasama ang key technologies tulad ng carrier phase-shifted modulation, current balancing, sensorless detection, at field-weakening optimization.

2 Abnormal Drive Tripping Faults sa 6kV High-Voltage Inverters

Sa panahon ng operasyon, ang 6kV high-voltage inverters madalas na nakakaranas ng tripping dahil sa mga abnormalidad tulad ng overcurrent, overvoltage, at overheating. Ang mga overcurrent fault karaniwang nangyayari sa panahon ng startup o biglaang pagbabago ng load, kung saan ang instantaneous current maaaring lumampas ng 2-3 beses ang rated value. Kung ang current ay lumampas ng 1600A sa loob ng 100ms o 2000A sa loob ng 10ms, ang inverter agad na nag-block ng IGBTs at nag-disconnect ng output contactor, na nag-trigger ng hardware protection tripping.

Ang mga overvoltage fault karaniwang dulot ng mga pagbabago ng grid o biglaang pagbabago ng load. Kapag ang DC bus voltage ay lumampas ng 1.2 beses ang rated value (1368V), ang software overvoltage protection ay aktibo; kung ito ay lumampas ng 1.35 beses (1026V), ang hardware protection ay direkta namumula. Ang mga overheating fault karaniwang nangyayari sa mataas na temperatura o sa panahon ng matagal na overload operation. Kapag ang temperatura ng IGBT ay lumampas ng 90°C o ang heatsink temperature ay lumampas ng 70°C sa loob ng 5 minuto, ang sistema ay nag-issue ng high-temperature warning; ang tripping ay direkta kung ang temperatura ay umabot sa 100°C o 80°C, kung saan. Ang common feature ng tatlong uri ng fault na ito ay ang aktibasyon ng self-protection mechanism ng inverter, na mabilis na nag-cut off ng output sa pamamagitan ng pag-block ng IGBTs at pag-disconnect ng contactors, na nagresulta sa mga phenomena tulad ng emergency stop ng motor at flashing fault alarms.

3 Preventive Measures
3.1 Current-Limiting Resistor

Upang tugunan ang mga overcurrent fault, maaaring ikonekta ang current-limiting resistor sa serye sa pagitan ng output ng inverter at motor. Ang field measurements ay nagpapakita na kapag ang 6kV/1500kVA inverter ay nagsisimula ng motor na 380kW o mas malaki, ang instantaneous starting current maaaring umabot sa 5-8 beses ang rated current, lubhang lumampas sa setting ng overcurrent protection.

Upang suppresyon ang starting current, maaaring gamitin ang wire-wound resistor o nonlinear zinc-oxide varistor na may resistance ng 1-3Ω at rated power ng 200-500W. Ang huli ay may cold-state resistance na mas taas ng 100Ω at mabilis na bumaba habang tumaas ang current, na naglimita ng peak starting current sa loob ng 2-3 beses ang rated value. Pagkatapos ng startup ng motor, kapag ang output frequency ng inverter ay tumaas sa 40Hz at ang current ay bumaba sa ilalim ng rated value, ang voltage drop sa resistor ay mas kaunti sa 50V.

Sa puntong ito, ang bypass contactor ay short ang resistor upang iwasan ang patuloy na pagkawala ng power. Kung ang current ay tumaas sa panahon ng startup, kapag ang current transformer ay nadetect ang halaga na lumampas ng 1200A, ang control system ay nag-issue ng warning; kung ito ay umabot sa 1500A, ang inverter agad na nag-block ng IGBTs at binuksan ang bypass contactor, na reinsert ang current-limiting resistor upang mabilis na bawasan ang current. Ang bypass contactor ay pagkatapos ay reclosed upang mabalik ang normal na operasyon. Ang buong switching process ay nangangailangan ng mas kaunti sa 0.5s, na epektibong nag-suppress ng current spikes, nagtiyak ng smooth motor startup, at lubhang nag-enhance ng reliabilidad ng inverter.

3.2 Voltage Clamping Circuit

Upang suppresyon ang overvoltage faults, maaaring ikonekta ang voltage clamping circuit sa parallel sa DC bus. Ang circuit na ito pangunihin ay binubuo ng metal oxide varistor (MOV), fast thyristor (GTO), at detection circuit. Ang field data ay nagpapakita na ang software overvoltage protection ay aktibo kapag ang grid voltage ay nag-fluctuate ng mas taas ng 15% o kapag ang pagbawas ng load ay nagresulta sa DC bus voltage na lumampas ng 1300V sa loob ng 20ms.

Upang iwasan ang mga fault na ito, maaaring gamitin ang TYN-20/141 MOV, na may triggering voltage ng 1420V, maximum discharge current ng 20kA, at energy absorption capacity ng 8800J per unit. Kapag ang bus voltage ay lumampas ng 1350V, ang MOV ay simula ng mag-conduct at absorb ang excess energy; kung ang voltage ay tumaas sa 1400V, ang GTO ay trigger, mabilis na diverts ang overvoltage energy sa resistor upang ibalik ang voltage sa safe level. Ang detection circuit ay patuloy na nag-monitor ng bus voltage.

Kapag ang voltage ay bumaba sa ilalim ng 1250V at nanatili doon sa loob ng 50ms, ang release signal ay inilabas, na nag-off ng GTO at nagbalik ng normal na operasyon ng sistema. Kung ang bus voltage ay nanatili sa itaas ng 1400V sa loob ng 100ms, ang severe overvoltage fault ay natuklasan, at ang inverter ay pumapasok sa software lockout state, na nangangailangan ng manual reset bago muling simula. Sa praktika, ang clamping circuit na ito ay nagpapakita na ang 6kV inverter ay maaaring tanggapin ang 35% instantaneous overvoltage at suppresyon ng overvoltage sa loob ng 1.05 beses ang rated voltage sa loob ng 100ms. Ang response ay mabilis at reliable, na epektibong nag-iwasan ang frequent overvoltage tripping at lubhang nag-improve ng continuity at reliabilidad ng sistema.

3.3 Current-Sharing Design

Upang tugunan ang mga overheating fault, maaaring gamitin ang current-sharing technology upang bawasan ang heat generation sa mga critical components tulad ng IGBTs at heatsinks, na nag-iwasan ang thermal tripping.

Ang specific measures ay kasama ang pagkonekta ng 1-2 electrolytic capacitors sa parallel sa positive at negative DC bus terminals ng bawat power unit. Ang mga capacitor ay dapat na may capacitance ng 1000-2200μF, voltage rating ≥1600V, at continuous ripple current ≥100A. Kapag ang output current ng inverter ay lumampas ng 1.2 beses ang rated value (halimbawa, 900A), ang mga parallel capacitor ay maaaring magbigay ng 10%-20% current sharing capability, na nagbabawas ng actual current sa IGBTs sa 720-810A. Dahil ang conduction losses ng IGBT ay proporsyonal sa square ng current, ang approach na ito ay epektibong nagbabawas ng temperature rise.

Sa formula: PCPC ang IGBT conduction loss (W); VCEVCE ang IGBT saturation voltage (V), na may linear relationship sa current ICIC (A); UηUη ang turn-on voltage ng IGBT (V); $K$ ang current amplification factor ng IGBT.

Makikita na pagkatapos ng shunt measures, ang conduction loss ng IGBT ay maaaring bawasan ng 19% hanggang 36%, at ang chip junction temperature ay maaaring bumaba ng 10°C hanggang 25°C, na lubhang nag-iwasan ang heating problem ng inverter.

Karagdagang install 1 hanggang 2 electric fans sa parallel sa inlet at outlet ng inverter heatsink, na may rated air volume ng ≥ 3000 m³/h, na epektibong nag-enhance ng cooling effect ng heatsink. Itatayo ang 6 hanggang 8 temperature sensors sa loob ng control cabinet upang real-time monitoring ng temperatures ng iba't ibang power units, Mother board, IGBT drive board, atbp. Kapag ang anumang point na temperatura ay lumampas ng 65°C, ang control system agad na nagsisimula ng electric fan sa full speed at nag-send ng "load reduction warning" signal sa inverter control unit.

Kung ang temperatura ay patuloy na tumaas sa 75°C at tumagal ng mas taas ng 10 minuto, ang sistema ay nag-issue ng "over-temperature alarm" signal, na nag-limit ng maximum output current ng inverter sa ilalim ng 50% ng rated value hanggang ang temperatura ay bumaba sa ilalim ng 60°C, kung saan ang "over-temperature alarm" ay lifted.

Kung ang anumang measurement point na temperatura ay lumampas ng 85°C at ang motor current ay hindi bumaba sa ilalim ng 30% ng rated value, ang inverter agad na nag-lock out ng hardware at nag-stop ng output. Upang lalo pang i-improve ang cooling effect, ilapat ang nanomaterials tulad ng graphene o carbon nanotubes sa IGBT heatsinks ng bawat power unit, na gumagamit ng kanilang ultra-high thermal conductivity upang mapabilis ang heat dissipation ng IGBT chips, na nagresulta sa pagbawas ng junction temperature.

4 Effectiveness ng Preventive Measures
4.1 Experimental Design

Ang ZINVERT-6kV/1500kVA intelligent high-voltage inverter ay ginamit bilang test object, at isinagawa ang grouped control experiment upang i-verify ang effectiveness ng tatlong proposed preventive measures. Ang mga eksperimento ay isinagawa sa ilalim ng rated operating conditions (input voltage: 6kV±5%; ambient temperature: 25°C±2°C; relative humidity: 65%±5%). Ang eksperimento ay nahati sa apat na grupo: ang control group ay walang preventive measures; Group A ay gumamit ng 2.2Ω/350W current-limiting resistor kasama ang MSC-500 fast bypass switch; Group B ay gumamit ng voltage clamping circuit na binubuo ng TYN-20/141 varistor at IXYS-GTO na naka-parallel, na may clamping voltage na set sa 1420V; Group C ay gumamit ng 2000μF/1600V electrolytic capacitor (Hitachi HCG series) na naka-parallel para sa current sharing, kasama ang 3500 m³/h variable-speed fan (EBM-W3G450) para sa forced cooling.

Bawat grupo ay nag-operate nang patuloy sa loob ng 72 oras, na may key parameters—tulad ng inverter output current, DC bus voltage, at IGBT junction temperature—na inirecord sa bawat 6 oras. Ang data ay in-collect gamit ang Fluke 435-II power quality analyzer at HIOKI 8847 data logger. Sa panahon ng eksperimento, tatlong typical fault scenarios ang isinasalin: inrush overcurrent (8 beses ang rated current / 0.5s), grid voltage fluctuation (+20% / 1s), at full-load operation (ambient temperature 35°C / 2h). Ang experimental setup ay ipinakita sa Figure 1.

4.2 Result Analysis

Pagkatapos ng 72 oras ng patuloy na operasyon, ang data mula sa apat na grupo ay in-collect at in-analyze, na may resulta na ipinakita sa Table 1. Ang control group ay nakaranas ng tripping sa ilalim ng tatlong fault condition, samantalang ang mga experimental groups na may preventive measures ay nagpakita ng epektibong fault suppression. Sa Group A, ang peak starting current ay binalaan mula sa 7.8 hanggang 2.2 beses ang rated value, na epektibong nag-iwasan ang overcurrent tripping.

Sa Group B, ang voltage clamping circuit ay limitado ang maximum DC bus voltage fluctuation sa 1368V, na mas kaunti sa 1420V protection threshold. Sa Group C, ang combination ng current sharing at forced cooling ay pinanatili ang maximum IGBT junction temperature sa ilalim ng 87.5°C, na mas kaunti sa 100°C tripping threshold. Karagdagan pa, ang response time ng tatlong preventive measures ay nasa loob ng 100ms, na sumasabay sa requirement para sa mabilis na protection. Walang false triggering ang nangyari sa panahon ng eksperimento, na nagpapakita ng stable at reliable system performance.

5 Conclusion

Ang pag-aaral na ito ay sistematikong analisa ang mga sanhi ng abnormal tripping sa 6kV high-voltage inverters at inipinropon ang mga targeted preventive measures. Ang mga resulta ng eksperimento ay nagpatunay na ang current-limiting resistor ay epektibong nag-control ng inrush current, ang voltage clamping circuit ay lubhang nag-suppress ng DC bus overvoltage, at ang combination ng current sharing at forced cooling ay lubhang nagbawas ng risk ng IGBT overheating, na nag-enhance ng overall reliability ng sistema.