Sprečavanje prekidanja u visokonaponskim inverterima od 6kV

Visokonaponski inverteri su ključni uređaji za kontrolu brzine asinhronih motora i široko se koriste u industrijskim primjenama za regulaciju brzine visokosnažnih visokonaponskih motora, kao što su podizanje, metalurgija, nafta i proizvodnja električne energije. Međutim, tijekom rada, 6kV visokonaponski inverteri često iskušaju nepravilnosti u pogonu zbog faktora poput fluktuacija mreže i utjecaja opterećenja, što značajno utječe na sigurnost i pouzdanost sustava kontrole brzine motora.

Za osiguranje stabilnog rada sustava visokonaponskog varijabilnog pogona (VFD), poboljšanje industrijske učinkovitosti i smanjenje potrošnje energije, vlada je unijela niz politika koje potiču istraživanje i primjenu tehnologije visokonaponskih invertera. Stoga, duboka analiza uzroka nepravilnosti u prekidu pogona 6kV visokonaponskih invertera i razvoj učinkovitih preventivnih mjera imaju veliku važnost za napredak tehnologije visokonaponskog VFD-a i održavanje industrialnog ekonomskog rasta.

1 Pregled 6kV visokonaponskih invertera

6kV visokonaponski inverter je visokosnažni elektronički uređaj koji koristi IGBT-e kao prekidače i koristi višeslojnu topologiju kako bi postigao varijabilnu frekvencijsku kontrolu brzine na 6kV i više. Njegove jedinice snage obično koriste trostruku neutralno tačku zategnutu (3L-NPC) ili petoslojnog aktivnog neutralno tačku zategnutu (5L-ANPC) shemu, konstruiranu kaskadnim povezivanjem više podmodula. Svaki podmodul sadrži 6-24 IGBT-a i diode za slobodno strujanje, generirajući stupnjeviti val sa 9-17 razina, koji se nakon filtriranja približava sinusoidi.

Tipične kapacitete kreću od 3000 do 14.000 kVA, s naponima koji pokrivaju 6kV, 10kV i 35kV. Za veće kapacitete i zahtjeve za napon, može se koristiti modularna višeslojna pretvaračka (MMC) topologija, gdje podmoduli koriste poluprečne ili punoprečne strukture, s stotinama podmodula stapanih po fazi, omogućujući naponske razine do 220kV i pojedinačne kapacitete do 400 MVA, prikladne za primjene poput integracije obnovljivih izvora energije, pomorske vjetrovne energije i fleksibilne DC prijenos. Kontrolna strategija visokonaponskih invertera je složena, uključujući ključne tehnologije poput modulacije pomaka nosača, balansiranja struje, bezsenzornog otkrivanja i optimizacije slabačenja polja.

2 Nepravilnosti u prekidu pogona 6kV visokonaponskih invertera

Tijekom rada, 6kV visokonaponski inverteri često prekidaju rad zbog nepravilnosti poput prekomjerne struje, previsokog napona i pregrjevanja. Prekomjerne struje tipično se javljaju tijekom pokretanja ili naglog promjene opterećenja, gdje trenutna struja može premašiti 2-3 puta nominalnu vrijednost. Ako struja premaši 1600A duže od 100ms ili 2000A duže od 10ms, inverter odmah blokira IGBT-e i odspoji kontaktor izlaza, pokrećući hardverski prekid zaštite.

Prekomjerne napone obično uzrokuju fluktuacije mreže ili nagla promjena opterećenja. Kada napon DC busa premaši 1.2 puta nominalnu vrijednost (1368V), aktivira se softverska zaštita od prekomjernog napona; ako premaši 1.35 puta (1026V), hardverska zaštita direktno prekida rad. Nepravilnosti pregrjevanja često se javljaju u visokotemperaturnim okruženjima ili tijekom dugotrajnog preopterećenog rada. Kada temperatura IGBT-a premaši 90°C ili temperatura hladnjaka premaši 70°C duže od 5 minuta, sustav emitira upozorenje o visokoj temperaturi; prekid događa se direktno ako temperature dosegnu 100°C ili 80°C, redom. Zajednička karakteristika ovih tri vrste nepravilnosti je aktivacija samozashtitnog mehanizma invertera, koji brzo prekida izlaz blokiranjem IGBT-a i odspajanjem kontaktora, rezultirajući fenomenima poput hitne zaustavljanja motora i treptanja alarmnih indikatora grešaka.

3 Preventivne mjere
3.1 Strujni ograničavajući otpornik

Kako bi se riješile nepravilnosti prekomjerne struje, može se serijalno spojiti strujni ograničavajući otpornik između izlaza invertera i motora. Poljska mjerenja pokazuju da kada 6kV/1500kVA inverter pokrene motor od 380kW ili veći, trenutna struja pokretanja može dosegnuti 5-8 puta nominalnu struju, daleko premašujući postavku zaštite od prekomjerne struje.

Za smanjenje struje pokretanja, može se koristiti žičani otpornik ili nelinearni cink-oksidni varistor s otpornostiom od 1-3Ω i nominalnom snaga od 200-500W. Ovaj posljednji ima otpornost u hladnom stanju iznad 100Ω i brzo opada s porastom struje, ograničavajući vrhunsku struju pokretanja na 2-3 puta nominalnu vrijednost. Nakon pokretanja motora, kada frekvencija izlaza invertera premaši 40Hz i struja padne ispod nominalne vrijednosti, pad napona na otporniku je manji od 50V.

U tom trenutku, omotač kontaktor krati otpornik kako bi se izbjegla kontinuirana gubitak snage. Ako se tokom pokretanja pojavi strujni val, kada transformator struje detektira vrijednost veću od 1200A, kontrolni sustav emitira upozorenje; ako dosegnute 1500A, inverter odmah blokira IGBT-e i otvori omotač kontaktor, ponovno umetajući strujni ograničavajući otpornik kako bi se brzo smanjila struja. Omotač kontaktor se zatim zatvara kako bi se vratilo normalno funkcioniranje. Cijeli proces prebacivanja traje manje od 0.5s, efektivno smanjujući strujne valove, osiguravajući glatko pokretanje motora i značajno poboljšavajući pouzdanost invertera.

3.2 Shema za ograničavanje napona

Kako bi se smanjile nepravilnosti prekomjernog napona, može se paralelno spojiti shema za ograničavanje napona na DC bus. Ova shema se uglavnom sastoji od metal-oksidskog varistora (MOV), brzog tiristora (GTO) i detekcijske sheme. Poljska podatci pokazuju da se softverska zaštita od prekomjernog napona aktivira kada se napon mreže fluktuira više od 15% ili kada smanjenje opterećenja uzrokuje da napon DC busa premaši 1300V duže od 20ms.

Za sprečavanje takvih nepravilnosti, može se koristiti TYN-20/141 MOV, s pokretačkim naponom od 1420V, maksimalnom strujom otpuska od 20kA i sposobnošću apsorpcije energije od 8800J po jedinici. Kada napon busa premaši 1350V, MOV počinje provoditi i apsorbirati prekomjernu energiju; ako napon naraste na 1400V, GTO se pokrene, brzo usmjeravajući prekomjernu energiju u otpornik kako bi se napon vratio na sigurnu razinu. Detekcijska shema neprekidno nadgleda napon busa.

Kada napon padne ispod 1250V i ostane tamo duže od 50ms, emitira se signal za oslobađanje, isključujući GTO i vraćajući normalno funkcioniranje sustava. Ako napon busa ostane iznad 1400V duže od 100ms, identificira se teška nepravilnost prekomjernog napona, i inverter ulazi u stanje softverskog zaključavanja, zahtijevajući ručno resetiranje prije ponovnog pokretanja. Praksa pokazuje da s ovom shemom za ograničavanje, 6kV inverter može izdržati 35% trenutne prekomjerne napona i smanjiti prekomjerne napone na 1.05 puta nominalni napon unutar 100ms. Odgovor je brz i pouzdan, efektivno sprečavajući česte prekide prekomjernog napona i značajno poboljšavajući kontinuitet i pouzdanost sustava.

3.3 Dizajn za dijeljenje struje

Kako bi se riješile nepravilnosti pregrjevanja, može se koristiti tehnologija dijeljenja struje kako bi se smanjilo topljenje ključnih komponenti poput IGBT-a i hladnjaka, sprečavajući prekid zbog pregrjevanja.

Konkretna mjere uključuju paralelni spoj 1-2 elektrolitskih kondenzatora na pozitivnim i negativnim terminalima DC busa svake jedinice snage. Kondenzatori trebaju imati kapacitet od 1000-2200μF, nominalni napon ≥1600V i kontinuiran oscilirajući struja ≥100A. Kada izlazna struja invertera premaši 1.2 puta nominalnu vrijednost (npr. 900A), ovi paralelni kondenzatori mogu pružiti 10%-20% sposobnosti dijeljenja struje, smanjujući stvarnu struju kroz IGBT-e na 720-810A. Uzimajući u obzir da su gubitci provodnosti IGBT-a proporcionalni kvadratu struje, ovaj pristup efektivno smanjuje porast temperature.

U formuli: PCPC su gubitci provodnosti IGBT-a (W); VCEVCE je napon zasićenja IGBT-a (V), koji ima linearnu vezu s strujom ICIC (A); UηUη je napon otvaranja IGBT-a (V); $K$ je faktor amplifikacije struje IGBT-a.

Može se vidjeti da nakon provedbe mjera dijeljenja, gubitci provodnosti IGBT-a mogu biti smanjeni za 19% do 36%, a temperatura spojeva čipa može pasti za 10°C do 25°C, time značajno olakšavajući problem topljenja invertera.

Dodatno, instalirajte 1 do 2 električna ventilatora paralelno na ulazu i izlazu hladnjaka invertera, s nominalnom protokom zraka ≥ 3000 m³/h, što značajno poboljšava hlađenje hladnjaka. Postavite 6 do 8 senzora temperature unutar kontrolne skrinje kako biste u stvarnom vremenu nadgledali temperature različitih jedinica snage, glavne ploče, ploče pogona IGBT-a itd. Kada temperatura bilo koje točke premaši 65°C, kontrolni sustav odmah pokreće električni ventilator na punoj brzini i šalje "upozorenje o smanjenju opterećenja" signal kontrolnoj jedinici invertera.

Ako temperatura nastavi rasti do 75°C i trajati duže od 10 minuta, sustav emitira "alarm o previsokoj temperaturi" signal, ograničavajući maksimalnu izlaznu struju invertera ispod 50% nominalne vrijednosti dok temperatura ne pasti ispod 60°C, kada se "alarm o previsokoj temperaturi" uklanja.

Ako temperatura bilo koje točke merenja premaši 85°C i struja motora ne pada ispod 30% nominalne vrijednosti, inverter odmah zaključava hardver i zaustavlja izlaz. Za daljnje poboljšanje hlađenja, nanomaterijale poput grafena ili ugljikovih nanotrubaca primijenite na hladnjacima IGBT-a svake jedinice snage, koristeći njihovu izuzetno visoku toplinsku provodljivost kako bi ubrzali toplinsko disipiranje čipova IGBT-a, time smanjujući temperaturu spojeva.

4 Efikasnost preventivnih mjera
4.1 Eksperimentalni dizajn

Kao predmet testiranja koristio se inteligentni visokonaponski inverter ZINVERT-6kV/1500kVA, a provedeno je grupno kontrolno eksperimentiranje kako bi se provjerila učinkovitost tri predložene preventivne mjere. Eksperimenti su provedeni pod nominalnim uvjetima rada (ulazni napon: 6kV±5%; okružna temperatura: 25°C±2°C; relativna vlažnost: 65%±5%). Eksperiment je podijeljen u četiri grupe: kontrolna grupa nije koristila nikakve preventivne mjere; Grupa A koristila je 2.2Ω/350W strujni ograničavajući otpornik s brzim omotačnim prekidačem MSC-500; Grupa B koristila je shemu za ograničavanje napona sastavljenu od varistora TYN-20/141 i IXYS-GTO spojenih paralelno, s ograničavajućim naponom postavljenim na 1420V; Grupa C koristila je 2000μF/1600V elektrolitski kondenzator (Hitachi HCG serija) spojen paralelno za dijeljenje struje, kombinirano s promjenjivobriznim ventilatorom (EBM-W3G450) s protokom zraka od 3500 m³/h za prisilno hlađenje.

Svaka grupa je neprekidno radila 72 sata, s ključnim parametrima - poput izlazne struje invertera, napona DC busa i temperature spoja IGBT-a - zabilježenih svakih 6 sati. Podaci su prikupljeni pomoću Fluke 435-II analizatora kvalitete napajanja i HIOKI 8847 zapisača podataka. Tijekom eksperimenta, simulirane su tri tipične scenarije nepravilnosti: prekomjerna struja pokretanja (8 puta nominalna struja / 0.5s), fluktuacije napona mreže (+20% / 1s) i rad pod punim opterećenjem (okružna temperatura 35°C / 2h). Eksperimentalna postavka prikazana je na Slici 1.

4.2 Analiza rezultata

Nakon 72 sata neprekidnog rada, podaci su prikupljeni i analizirani iz četiri grupe, s rezultatima prikazanim u Tablici 1. Kontrolna grupa doživjela je prekid u svim tri scenarijima nepravilnosti, dok su eksperimentalne grupe s preventivnim mjerama demonstrirale učinkovito smanjenje nepravilnosti. U Grupi A, vrhunska struja pokretanja smanjena je s 7.8 na 2.2 puta nominalnu vrijednost, efektivno sprečavajući prekid zbog prekomjerne struje.

U Grupi B, shema za ograničavanje napona ograničila je maksimalnu fluktuaciju napona DC busa na 1368V, daleko ispod pragove zaštite od 1420V. U Grupi C, kombinacija dijeljenja struje i prisilnog hlađenja održala je maksimalnu temperaturu spoja IGBT-a ispod 87.5°C, značajno niže od pragove prekida od 100°C. Nadalje, vrijeme reagiranja sve tri preventivne mjere bilo je unutar 100ms, zadovoljavajući zahtjeve za brzom zaštitom. Tijekom eksperimenta nisu se dogodili lažni pokreti, što ukazuje na stabilno i pouzdano funkcioniranje sustava.

5 Zaključak

Ova studija sistematski analizirala je uzroke nepravilnosti u prekidu 6kV visokonaponskih invertera i predložila ciljane preventivne mjere. Eksperimentalni rezultati potvrđuju da strujni ograničavajući otpornik efektivno kontrolira prekomjernu struju pokretanja, shema za ograničavanje napona značajno smanjuje prekomjerne napone DC busa, a kombinacija dijeljenja struje s prisilnim hlađenjem značajno smanjuje rizik od pregrjevanja IGBT-a, time poboljšavajući opću pouzdanost sustava.