Prévenir les déclenchements dans les convertisseurs haute tension 6kV

Les convertisseurs de haute tension sont des dispositifs essentiels pour le contrôle de la vitesse des moteurs à courant alternatif et sont largement utilisés dans les applications de régulation de vitesse de moteurs haute puissance et haute tension dans des industries telles que l'élévation, la métallurgie, le pétrole et la production d'électricité. Cependant, les convertisseurs de haute tension 6kV rencontrent souvent des pannes anormales de déclenchement pendant leur fonctionnement en raison de facteurs tels que les fluctuations du réseau et les impacts de charge, affectant considérablement la sécurité et la fiabilité des systèmes de contrôle de vitesse des moteurs.

Pour assurer un fonctionnement stable des systèmes de variateurs de fréquence de haute tension (VFD), améliorer l'efficacité industrielle et réduire la consommation d'énergie, le gouvernement a introduit une série de politiques encourageant la recherche et l'application de la technologie des convertisseurs de haute tension. Par conséquent, une analyse approfondie des causes des pannes anormales de déclenchement des convertisseurs de haute tension 6kV et le développement de mesures préventives efficaces sont d'une grande importance pour faire progresser la technologie VFD de haute tension et soutenir la croissance économique industrielle.

1 Présentation des convertisseurs de haute tension 6kV

Un convertisseur de haute tension 6kV est un dispositif électronique de puissance haute puissance qui utilise des IGBT comme éléments de commutation et emploie une topologie multiniveaux pour réaliser un contrôle de vitesse à fréquence variable à 6kV et au-delà. Ses unités de puissance adoptent généralement des circuits à trois niveaux avec point neutre clamping (3L-NPC) ou des circuits à cinq niveaux avec point neutre clamping actif (5L-ANPC), construits par la cascade de plusieurs sous-modules. Chaque sous-module contient 6 à 24 IGBT et diodes de roue libre, générant une forme d'onde en paliers de 9 à 17 niveaux, qui approxime une onde sinusoïdale après filtrage.

La capacité typique varie de 3000 à 14 000 kVA, avec des niveaux de tension couvrant 6kV, 10kV et 35kV. Pour des exigences de capacité et de tension plus élevées, la topologie de convertisseur modulaire multiniveaux (MMC) peut être utilisée, où les sous-modules emploient des structures à demi-pont ou à pont complet, avec des centaines de sous-modules empilés par phase, permettant des niveaux de tension jusqu'à 220kV et une capacité unitaire jusqu'à 400 MVA, adaptés aux applications telles que l'intégration de l'énergie renouvelable au réseau, l'éolien offshore et la transmission DC flexible. La stratégie de commande des convertisseurs de haute tension est complexe, impliquant des technologies clés telles que la modulation par déphasage de porteuses, l'équilibrage de courant, la détection sans capteur et l'optimisation de l'affaiblissement du champ.

2 Pannes de déclenchement anormales des convertisseurs de haute tension 6kV

Pendant le fonctionnement, les convertisseurs de haute tension 6kV déclenchent fréquemment en raison d'anomalies telles que le surintensité, le surtension et la surchauffe. Les pannes de surintensité se produisent généralement lors du démarrage ou des changements soudains de charge, où le courant instantané peut dépasser 2 à 3 fois la valeur nominale. Si le courant dépasse 1600A pendant plus de 100ms ou 2000A pendant plus de 10ms, le convertisseur bloque immédiatement les IGBT et déconnecte le contacteur de sortie, déclenchant un arrêt de protection matériel.

Les pannes de surtension sont généralement causées par des fluctuations du réseau ou des changements brusques de charge. Lorsque la tension continue du bus dépasse 1,2 fois la valeur nominale (1368V), la protection logicielle contre la surtension s'active ; si elle dépasse 1,35 fois (1026V), la protection matérielle déclenche directement. Les pannes de surchauffe se produisent généralement dans des environnements à haute température ou lors d'un fonctionnement en surcharge prolongée. Lorsque la température des IGBT dépasse 90°C ou que la température du dissipateur dépasse 70°C pendant plus de 5 minutes, le système émet un avertissement de haute température ; le déclenchement se produit directement si les températures atteignent respectivement 100°C ou 80°C. Une caractéristique commune de ces trois types de pannes est l'activation du mécanisme de protection automatique du convertisseur, qui coupe rapidement la sortie en bloquant les IGBT et en déconnectant les contacteurs, entraînant des phénomènes tels qu'un arrêt d'urgence du moteur et des alarmes de panne clignotantes.

3 Mesures préventives
3.1 Résistance limiteuse de courant

Pour résoudre les pannes de surintensité, une résistance limiteuse de courant peut être connectée en série entre la sortie du convertisseur et le moteur. Les mesures sur le terrain montrent que lorsque un convertisseur 6kV/1500kVA démarre un moteur de 380kW ou plus, le courant de démarrage instantané peut atteindre 5 à 8 fois le courant nominal, dépassant largement le réglage de protection contre la surintensité.

Pour supprimer le courant de démarrage, on peut utiliser une résistance en fil de 1 à 3Ω et une puissance nominale de 200 à 500W ou un varistor non linéaire en oxyde de zinc. Ce dernier a une résistance à froid supérieure à 100Ω et diminue rapidement à mesure que le courant augmente, limitant le courant de démarrage maximal à 2 à 3 fois la valeur nominale. Après le démarrage du moteur, lorsque la fréquence de sortie du convertisseur dépasse 40Hz et que le courant descend en dessous de la valeur nominale, la chute de tension sur la résistance est inférieure à 50V.

À ce stade, un contacteur de court-circuit raccourcit la résistance pour éviter une perte de puissance continue. En cas de surintensité pendant le démarrage, lorsque le transformateur de courant détecte une valeur dépassant 1200A, le système de contrôle émet un avertissement ; si elle atteint 1500A, le convertisseur bloque immédiatement les IGBT et ouvre le contacteur de court-circuit, réinsérant la résistance limiteuse de courant pour réduire rapidement le courant. Le contacteur de court-circuit est ensuite recollé pour restaurer le fonctionnement normal. Toute la procédure de commutation prend moins de 0,5s, supprimant efficacement les pics de courant, assurant un démarrage en douceur du moteur et améliorant considérablement la fiabilité du convertisseur.

3.2 Circuit de clamping de tension

Pour supprimer les pannes de surtension, un circuit de clamping de tension peut être connecté en parallèle au bus continu. Ce circuit est principalement composé d'un varistor en oxyde métallique (MOV), d'un thyristor rapide (GTO) et d'un circuit de détection. Les données sur le terrain montrent que la protection logicielle contre la surtension s'active lorsque la tension du réseau fluctue de plus de 15% ou lorsque la réduction de charge fait que la tension du bus continu dépasse 1300V pendant plus de 20ms.

Pour prévenir de telles pannes, un MOV TYN-20/141 peut être utilisé, avec une tension de déclenchement de 1420V, un courant de décharge maximum de 20kA et une capacité d'absorption d'énergie de 8800J par unité. Lorsque la tension du bus dépasse 1350V, le MOV commence à conduire et à absorber l'énergie excédentaire ; si la tension monte à 1400V, le GTO se déclenche, déviant rapidement l'énergie de surtension vers une résistance pour ramener la tension à un niveau sûr. Le circuit de détection surveille continuellement la tension du bus.

Lorsque la tension tombe en dessous de 1250V et reste là pendant 50ms, un signal de libération est envoyé, coupant le GTO et restaurant le fonctionnement normal du système. Si la tension du bus reste au-dessus de 1400V pendant plus de 100ms, une panne grave de surtension est identifiée, et le convertisseur entre dans un état de blocage logiciel, nécessitant une réinitialisation manuelle avant redémarrage. La pratique montre qu'avec ce circuit de clamping, un convertisseur 6kV peut supporter 35% de surtension instantanée et supprimer la surtension à moins de 1,05 fois la tension nominale en moins de 100ms. La réponse est rapide et fiable, empêchant efficacement les déclenchements fréquents de surtension et améliorant considérablement la continuité et la fiabilité du système.

3.3 Conception de partage de courant

Pour résoudre les pannes de surchauffe, la technologie de partage de courant peut être utilisée pour réduire la génération de chaleur dans des composants critiques tels que les IGBT et les dissipateurs thermiques, prévenant ainsi les déclenchements thermiques.

Des mesures spécifiques incluent la connexion de 1 à 2 condensateurs électrolytiques en parallèle entre les bornes positive et négative du bus continu de chaque unité de puissance. Ces condensateurs doivent avoir une capacité de 1000 à 2200μF, une tension nominale ≥1600V et un courant de ripple continu ≥100A. Lorsque le courant de sortie du convertisseur dépasse 1,2 fois la valeur nominale (par exemple, 900A), ces condensateurs parallèles peuvent fournir une capacité de partage de courant de 10% à 20%, réduisant le courant effectif passant par les IGBT à 720 à 810A. Étant donné que les pertes de conduction des IGBT sont proportionnelles au carré du courant, cette approche réduit efficacement l'augmentation de température.

Dans la formule : PCPC est la perte de conduction des IGBT (W) ; VCEVCE est la tension de saturation des IGBT (V), qui a une relation linéaire avec le courant ICIC (A) ; UηUη est la tension de mise en marche des IGBT (V) ; $K$ est le facteur d'amplification de courant des IGBT.

On peut constater que, après avoir pris des mesures de dérivation, la perte de conduction des IGBT peut être réduite de 19% à 36%, et la température de jonction de la puce peut diminuer de 10°C à 25°C, atténuant ainsi considérablement le problème de chauffage du convertisseur.

De plus, installez 1 à 2 ventilateurs électriques en parallèle à l'entrée et à la sortie du dissipateur thermique du convertisseur, avec un débit d'air nominal ≥ 3000 m³/h, ce qui peut améliorer efficacement le refroidissement du dissipateur. Installez 6 à 8 capteurs de température à l'intérieur du coffret de commande pour surveiller en temps réel les températures des différentes unités de puissance, de la carte mère, de la carte de pilotage des IGBT, etc. Lorsque la température de tout point dépasse 65°C, le système de contrôle démarre immédiatement les ventilateurs à pleine vitesse et envoie un signal d'« avertissement de réduction de charge » à l'unité de commande du convertisseur.

Si la température continue à monter à 75°C et persiste pendant plus de 10 minutes, le système émet un signal d'« alarme de surtempérature », limitant le courant de sortie maximal du convertisseur à moins de 50% de la valeur nominale jusqu'à ce que la température descende en dessous de 60°C, moment où l'« alarme de surtempérature » est levée.

Si la température de tout point de mesure dépasse 85°C et que le courant du moteur ne descend pas en dessous de 30% de la valeur nominale, le convertisseur bloque immédiatement le matériel et arrête la sortie. Pour améliorer davantage le refroidissement, appliquez des nanomatériaux tels que le graphène ou les nanotubes de carbone sur les dissipateurs thermiques des IGBT de chaque unité de puissance, en utilisant leur conductivité thermique ultra-élevée pour accélérer la dissipation de chaleur des puces IGBT, réduisant ainsi la température de jonction.

4 Efficacité des mesures préventives
4.1 Conception expérimentale

Le convertisseur intelligent ZINVERT-6kV/1500kVA a été utilisé comme objet de test, et une expérience de contrôle groupé a été réalisée pour vérifier l'efficacité des trois mesures préventives proposées. Les expériences ont été menées dans des conditions nominales (tension d'entrée : 6kV±5% ; température ambiante : 25°C±2°C ; humidité relative : 65%±5%). L'expérience a été divisée en quatre groupes : le groupe témoin n'a adopté aucune mesure préventive ; le groupe A a utilisé une résistance limiteuse de courant de 2,2Ω/350W avec un contacteur de court-circuit rapide MSC-500 ; le groupe B a utilisé un circuit de clamping de tension formé par un varistor TYN-20/141 et un IXYS-GTO connectés en parallèle, avec une tension de clamping fixée à 1420V ; le groupe C a utilisé un condensateur électrolytique de 2000μF/1600V (série Hitachi HCG) connecté en parallèle pour le partage de courant, combiné avec un ventilateur à vitesse variable de 3500 m³/h (EBM-W3G450) pour le refroidissement forcé.

Chaque groupe a fonctionné en continu pendant 72 heures, avec des paramètres clés tels que le courant de sortie du convertisseur, la tension du bus continu et la température de jonction des IGBT enregistrés toutes les 6 heures. Les données ont été collectées à l'aide d'un analyseur de qualité de puissance Fluke 435-II et d'un enregistreur de données HIOKI 8847. Pendant l'expérience, trois scénarios de panne typiques ont été simulés : surintensité d'inrush (8 fois le courant nominal / 0,5s), fluctuation de tension du réseau (+20% / 1s) et fonctionnement à pleine charge (température ambiante 35°C / 2h). La configuration expérimentale est présentée à la Figure 1.

4.2 Analyse des résultats

Après 72 heures de fonctionnement continu, les données des quatre groupes ont été collectées et analysées, avec des résultats présentés dans le Tableau 1. Le groupe témoin a connu des déclenchements sous les trois conditions de panne, tandis que les groupes expérimentaux avec des mesures préventives ont démontré une suppression efficace des pannes. Dans le groupe A, le courant de démarrage maximal a été réduit de 7,8 à 2,2 fois la valeur nominale, empêchant efficacement le déclenchement par surintensité.

Dans le groupe B, le circuit de clamping de tension a limité la fluctuation maximale de la tension du bus continu à 1368V, bien en dessous du seuil de protection de 1420V. Dans le groupe C, la combinaison de partage de courant et de refroidissement forcé a maintenu la température maximale de jonction des IGBT en dessous de 87,5°C, nettement inférieure au seuil de déclenchement de 100°C. De plus, le temps de réponse de toutes les trois mesures préventives était inférieur à 100ms, répondant à l'exigence de protection rapide. Aucun déclenchement erroné n'est survenu pendant l'expérience, indiquant une performance système stable et fiable.

5 Conclusion

Cette étude a analysé de manière systématique les causes des déclenchements anormaux des convertisseurs de haute tension 6kV et a proposé des mesures préventives ciblées. Les résultats expérimentaux confirment que la résistance limiteuse de courant contrôle efficacement le courant d'inrush, que le circuit de clamping de tension supprime significativement la surtension du bus continu, et que la combinaison de partage de courant avec le refroidissement forcé réduit considérablement le risque de surchauffe des IGBT, améliorant ainsi la fiabilité globale du système.