6kV उच्च वोल्टेज इनवर्टर में ट्रिपिंग की रोकथाम

उच्च-वोल्टता इन्वर्टर एसी मोटर गति नियंत्रण के लिए महत्वपूर्ण उपकरण हैं और उठान, धातु उद्योग, तेल, और विद्युत उत्पादन जैसे उद्योगों में उच्च-शक्ति, उच्च-वोल्टता मोटर गति नियंत्रण अनुप्रयोगों में व्यापक रूप से प्रयोग किए जाते हैं। हालांकि, 6kV उच्च-वोल्टता इन्वर्टर ऑपरेशन के दौरान ग्रिड उतार-चढ़ाव और लोड प्रभाव जैसे कारकों के कारण असामान्य ड्राइव ट्रिपिंग फ़ॉल्ट अक्सर उत्पन्न होते हैं, जो मोटर गति नियंत्रण प्रणालियों की सुरक्षा और विश्वसनीयता पर बहुत अधिक प्रभाव डालते हैं।

उच्च-वोल्टता वेरिएबल फ्रीक्वेंसी ड्राइव (VFD) प्रणालियों के स्थिर संचालन, औद्योगिक दक्षता में सुधार और ऊर्जा खपत कमी के लिए, सरकार ने उच्च-वोल्टता इन्वर्टर प्रौद्योगिकी के शोध और अनुप्रयोग को प्रोत्साहित करने के लिए एक श्रृंखला में नीतियाँ लागू की हैं। इसलिए, 6kV उच्च-वोल्टता इन्वर्टर में असामान्य ट्रिपिंग फ़ॉल्ट के कारणों का गहन विश्लेषण और प्रभावी रोकथाम उपायों का विकास, उच्च-वोल्टता VFD प्रौद्योगिकी के विकास और औद्योगिक आर्थिक विकास को बनाए रखने के लिए बहुत महत्वपूर्ण है।

1 6kV उच्च-वोल्टता इन्वर्टर का सारांश

एक 6kV उच्च-वोल्टता इन्वर्टर एक उच्च-शक्ति वाला विद्युत उपकरण है जो IGBTs को स्विचिंग तत्व के रूप में उपयोग करता है और बहुस्तरीय टोपोलॉजी का उपयोग करके 6kV और उससे अधिक पर वेरिएबल-फ्रीक्वेंसी गति नियंत्रण प्राप्त करता है। इसकी शक्ति यूनिट आमतौर पर तीन-स्तरीय न्यूट्रल-पॉइंट-क्लैंप्ड (3L-NPC) या पांच-स्तरीय एक्टिव न्यूट्रल-पॉइंट-क्लैंप्ड (5L-ANPC) सर्किट का उपयोग करती हैं, जो अनेक उप-मॉड्यूलों को कैस्केडिंग करके बनाई जाती हैं। प्रत्येक उप-मॉड्यूल में 6-24 IGBTs और फ्रीव्हीलिंग डायोड होते हैं, जो 9-17 स्तरों का एक स्टेप्ड वेवफ़ॉर्म उत्पन्न करते हैं, जो फिल्टरिंग के बाद एक साइन वेव के निकट आता है।

आमतौर पर शक्ति 3000 से 14,000 kVA के बीच होती है, जिसमें वोल्टेज स्तर 6kV, 10kV, और 35kV शामिल हैं। उच्च-शक्ति और वोल्टेज की आवश्यकताओं के लिए, मॉड्यूलर मल्टीलेवल कन्वर्टर (MMC) टोपोलॉजी का उपयोग किया जा सकता है, जहाँ उप-मॉड्यूल हाफ-ब्रिज या फुल-ब्रिज संरचनाओं का उपयोग करते हैं, जिनमें प्रत्येक फेज पर सैकड़ों उप-मॉड्यूल एकत्रित होते हैं, जिससे वोल्टेज स्तर 220kV तक और एकल यूनिट शक्ति 400 MVA तक पहुंच जाती है, जो अक्षय ऊर्जा ग्रिड एकीकरण, द्वीपीय वायु ऊर्जा, और लचीली DC प्रसारण जैसे अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है। उच्च-वोल्टता इन्वर्टर का नियंत्रण रणनीति जटिल है, जिसमें कारियर फेज-शिफ्ट मॉड्यूलेशन, वर्तन वितरण, सेंसरलेस डिटेक्शन, और फील्ड-वीकनिंग ऑप्टिमाइजेशन जैसी महत्वपूर्ण प्रौद्योगिकियाँ शामिल हैं।

2 6kV उच्च-वोल्टता इन्वर्टर में असामान्य ड्राइव ट्रिपिंग फ़ॉल्ट

ऑपरेशन के दौरान, 6kV उच्च-वोल्टता इन्वर्टर अतिवर्तन, अतिवोल्टता, और अतिताप जैसी असामान्यताओं के कारण अक्सर ट्रिप हो जाते हैं। अतिवर्तन फ़ॉल्ट आमतौर पर स्टार्टअप या अचानक लोड परिवर्तन के दौरान होते हैं, जहाँ स्थानीय वर्तन 2-3 गुना रेटेड मान से अधिक हो सकता है। यदि वर्तन 1600A से अधिक 100ms तक या 2000A से अधिक 10ms तक रहता है, तो इन्वर्टर तुरंत IGBTs को ब्लॉक कर देता है और आउटपुट कन्टैक्टर को डिसकनेक्ट कर देता है, हार्डवेयर सुरक्षा ट्रिप ट्रिगर करता है।

अतिवोल्टता फ़ॉल्ट आमतौर पर ग्रिड उतार-चढ़ाव या अचानक लोड परिवर्तन के कारण होते हैं। जब डीसी बस वोल्टेज रेटेड मान (1368V) से 1.2 गुना से अधिक होता है, तो सॉफ्टवेयर अतिवोल्टता सुरक्षा सक्रिय हो जाती है; यदि वोल्टेज 1.35 गुना (1026V) से अधिक होता है, तो हार्डवेयर सुरक्षा तुरंत ट्रिप हो जाती है। अतिताप फ़ॉल्ट आमतौर पर उच्च-तापमान वाले पर्यावरण या लंबे समय तक ओवरलोड संचालन के दौरान होते हैं। जब IGBT तापमान 90°C से अधिक होता है या हीटसिंक तापमान 70°C से अधिक 5 मिनट तक रहता है, तो प्रणाली एक उच्च-तापमान चेतावनी देती है; यदि तापमान क्रमशः 100°C या 80°C तक पहुंच जाता है, तो ट्रिप तुरंत हो जाता है। इन तीन फ़ॉल्ट प्रकारों का एक सामान्य लक्षण इन्वर्टर के स्व-सुरक्षा मेकेनिज्म की सक्रियता है, जो तेजी से आउटपुट को काट देता है द्वारा IGBTs को ब्लॉक करके और कन्टैक्टर को डिसकनेक्ट करके, जिससे मोटर का आपातकालीन बंद होना और फ्लैशिंग फ़ॉल्ट अलार्म जैसी घटनाएं होती हैं।

3 रोकथाम उपाय
3.1 वर्तन-सीमितक रेझिस्टर

अतिवर्तन फ़ॉल्ट को दूर करने के लिए, इन्वर्टर आउटपुट और मोटर के बीच श्रृंखला में एक वर्तन-सीमितक रेझिस्टर को जोड़ा जा सकता है। क्षेत्रीय मापन दिखाता है कि जब 6kV/1500kVA इन्वर्टर 380kW या उससे बड़े मोटर को शुरू करता है, तो तात्कालिक शुरुआती वर्तन 5-8 गुना रेटेड वर्तन तक पहुंच सकता है, जो अतिवर्तन सुरक्षा सेटिंग से बहुत अधिक होता है।

शुरुआती वर्तन को दबाने के लिए, 1-3Ω रेझिस्टेंस और 200-500W रेटेड पावर के साथ एक वायर-वाउंड रेझिस्टर या गैर-रैखिक जिंक-ऑक्साइड वेरिस्टर का उपयोग किया जा सकता है। यह अंतिम विद्युत शीतकालीन रिजिस्टेंस 100Ω से अधिक होता है और वर्तन बढ़ने के साथ तेजी से कम हो जाता है, जिससे शिखर शुरुआती वर्तन 2-3 गुना रेटेड मान से भी कम हो जाता है। मोटर शुरुआत के बाद, जब इन्वर्टर आउटपुट फ्रीक्वेंसी 40Hz से अधिक हो जाती है और वर्तन रेटेड मान से कम हो जाता है, तो रेझिस्टर पर वोल्टेज ड्रॉप 50V से कम होता है।

इस समय, एक बायपास कन्टैक्टर रेझिस्टर को शॉर्ट करके निरंतर ऊर्जा नुकसान से बचाता है। यदि शुरुआत के दौरान वर्तन बढ़ता है, जब वर्तन ट्रांसफॉर्मर 1200A से अधिक मान देखता है, तो नियंत्रण प्रणाली एक चेतावनी देती है; यदि वर्तन 1500A तक पहुंच जाता है, तो इन्वर्टर तुरंत IGBTs को ब्लॉक कर देता है और बायपास कन्टैक्टर को खोल देता है, वर्तन-सीमितक रेझिस्टर को फिर से जोड़ता है ताकि वर्तन तेजी से कम हो जाए। फिर बायपास कन्टैक्टर फिर से बंद हो जाता है और सामान्य संचालन बहाल हो जाता है। पूरा स्विचिंग प्रक्रिया 0.5s से कम समय लेती है, जो वर्तन चोटी को प्रभावी रूप से दबाती है, मोटर की शुरुआत को निर्विवाद बनाती है, और इन्वर्टर की विश्वसनीयता को बहुत बढ़ाती है।

3.2 वोल्टेज क्लैंपिंग सर्किट

अतिवोल्टता फ़ॉल्ट को दूर करने के लिए, डीसी बस के समानांतर एक वोल्टेज क्लैंपिंग सर्किट को जोड़ा जा सकता है। यह सर्किट मुख्य रूप से एक धातु ऑक्साइड वेरिस्टर (MOV), एक तेज थाय्रिस्टर (GTO), और एक डिटेक्शन सर्किट से बना होता है। क्षेत्रीय डेटा दिखाता है कि जब ग्रिड वोल्टेज 15% से अधिक उतार-चढ़ाव होता है या लोड कमी के कारण डीसी बस वोल्टेज 20ms से अधिक 1300V से अधिक होता है, तो सॉफ्टवेयर अतिवोल्टता सुरक्षा सक्रिय हो जाती है।

इस तरह के फ़ॉल्ट को रोकने के लिए, एक TYN-20/141 MOV का उपयोग किया जा सकता है, जिसका ट्रिगरिंग वोल्टेज 1420V, अधिकतम डिस्चार्ज वर्तन 20kA, और एकाइक ऊर्जा अवशोषण क्षमता 8800J होती है। जब बस वोल्टेज 1350V से अधिक होता है, तो MOV चालू हो जाता है और अतिरिक्त ऊर्जा को अवशोषित करता है; यदि वोल्टेज 1400V तक बढ़ता है, तो GTO ट्रिगर होता है, जो तेजी से अतिवोल्टता ऊर्जा को एक रेझिस्टर में डायवर्ट करता है ताकि वोल्टेज सुरक्षित स्तर पर वापस आ जाए। डिटेक्शन सर्किट लगातार बस वोल्टेज की निगरानी करता है।

जब वोल्टेज 1250V से कम हो जाता है और 50ms तक रहता है, तो एक रिलीज़ सिग्नल भेजा जाता है, GTO को बंद कर देता है और सामान्य प्रणाली संचालन को बहाल करता है। यदि बस वोल्टेज 1400V से अधिक 100ms से अधिक समय तक रहता है, तो एक गंभीर अतिवोल्टता फ़ॉल्ट पहचाना जाता है, और इन्वर्टर सॉफ्टवेयर लॉकआउट स्थिति में प्रवेश करता है, जिसके लिए रीस्टार्ट से पहले मैन्युअल रीसेट की आवश्यकता होती है। अभ्यास दिखाता है कि इस क्लैंपिंग सर्किट के साथ, 6kV इन्वर्टर 35% तात्कालिक अतिवोल्टता को सहन कर सकता है और 100ms के भीतर अतिवोल्टता को 1.05 गुना रेटेड वोल्टेज से कम कर सकता है। प्रतिक्रिया तेज और विश्वसनीय होती है, जो अक्सर अतिवोल्टता ट्रिपिंग को प्रभावी रूप से रोकती है और प्रणाली की निरंतरता और विश्वसनीयता को बहुत बढ़ाती है।

3.3 वर्तन-शेयरिंग डिजाइन

अतिताप फ़ॉल्ट को दूर करने के लिए, वर्तन-शेयरिंग प्रौद्योगिकी का उपयोग किया जा सकता है ताकि IGBTs और हीटसिंक जैसे महत्वपूर्ण घटकों में ताप उत्पादन को कम किया जा सके, जिससे तापमान ट्रिपिंग से बचा जा सके।

विशिष्ट उपायों में प्रत्येक शक्ति यूनिट के डीसी बस टर्मिनल के सकारात्मक और नकारात्मक टर्मिनलों के बीच 1-2 इलेक्ट्रोलिटिक कैपेसिटर को समानांतर जोड़ा जा सकता है। कैपेसिटर की क्षमता 1000-2200μF, वोल्टेज रेटिंग ≥1600V, और निरंतर रिप्पल वर्तन ≥100A होनी चाहिए। जब इन्वर्टर आउटपुट वर्तन रेटेड मान (जैसे 900A) से 1.2 गुना से अधिक होता है, तो ये समानांतर कैपेसिटर 10%-20% वर्तन-शेयरिंग क्षमता प्रदान कर सकते हैं, IGBTs के माध्यम से वास्तविक वर्तन को 720-810A तक कम करते हैं। दिखाई देता है कि IGBT चालन नुकसान वर्तन के वर्ग के समानुपाती होता है, इस दृष्टिकोण से यह दृष्टिकोण तापमान वृद्धि को प्रभावी रूप से कम करता है।

सूत्र में: PCPC IGBT चालन नुकसान (W); VCE