6 kV-es magánhuzamos inverterekben fellépő kiváltások megelőzése

A magasfeszültségi inverterek kritikus eszközök az AC motor sebesség-irányításához és széles körben használódnak a nagy teljesítményű, magasfeszültségi motor sebesség-irányításában olyan iparágakban, mint a felemelés, a metallurgia, a szénkőbányászat, a petrolium és a villamosenergia-termelés. Azonban a 6kV-os magasfeszültségi inverterek gyakran tapasztalnak rendellenes hajtóműveleti hibákat a működés során, amelyeket a hálózat-fluktuációk és a terhelési hatások okoznak, ami jelentősen befolyásolja a motor sebesség-irányítási rendszerek biztonságát és megbízhatóságát.

A magasfeszültségi változófrekvenciás hajtómű (VFD) rendszerek stabil működésének biztosítása, az ipari hatékonyság növelése és az energiafelhasználás csökkentése érdekében a kormány bevezetett egy sor olyan politikát, amely a magasfeszültségi invertertechnológia kutatását és alkalmazását ösztönzi. Ezért a 6kV-os magasfeszültségi inverterek rendellenes hajtóműveleti hibáinak okainak részletes elemzése és a hatékony megelőző intézkedések kifejlesztése nagy jelentőséggel bír a magasfeszültségi VFD technológia előrehaladásában és az ipari gazdasági növekedés fenntartásában.

1 A 6kV-os magasfeszültségi inverterek áttekintése

Egy 6kV-os magasfeszültségi inverter egy nagy teljesítményű elektromos eszköz, amely IGBT-kat használ kapcsolóelemekként és több szintű topológiát alkalmaz, hogy 6kV-nál vagy annál magasabb feszültségen változófrekvenciás sebesség-irányítást valósítson meg. Energetikai egységei tipikusan háromszintű középpont-kötött (3L-NPC) vagy ötszintű aktív középpont-kötött (5L-ANPC) áramköröket alkalmaznak, amelyeket több almodulussal építnek fel. Minden almodul 6-24 IGBT-t és szabadforgalom-diódát tartalmaz, és lépcsős hullámot generál 9-17 szinten, amely szűrés után közelít a szinusz hullámhoz.

Tipikus kapacitása 3000-14 000 kVA között van, a feszültségi szintek pedig 6kV, 10kV és 35kV. Magasabb kapacitású és feszültségű igények esetén moduláris több-szintű konverter (MMC) topológiát lehet használni, ahol az almodulusszakaszok fél-híd vagy teljes híd szerkezeteket alkalmaznak, és százak almodulusszakaszok vannak rakva minden fázisnál, lehetővé téve akár 220kV-ig és 400 MVA-ig terjedő feszültségi szinteket, amelyek alkalmasak a megújuló energia hálózati integrációjára, a tengeri szélerőművekre és a rugalmas DC átvitelre. A magasfeszültségi inverterek irányítási stratégiája összetett, amelyben kulcsfontosságú technológiák, mint a viszkozitás-fázis-eltolásos moduláció, az árammegosztás, a szenzormentes detektálás és a mező-gyenge optimalizálás játszanak szerepet.

2 Rendellenes hajtóműveleti hibák a 6kV-os magasfeszültségi inverterekben

A működés során a 6kV-os magasfeszültségi inverterek gyakran állnak le túlmelegedés, túlmelegedés és túlfeszültség miatt. A túlmelegedési hibák tipikusan a helyzetindítás vagy a váratlan terhelés-változás során fordulnak elő, ahol a pillanatnyi áram 2-3-szerese a nominális értéknél. Ha az áram 1600A-nál nagyobb marad 100ms-nél hosszabb ideig, vagy 2000A-nál nagyobb 10ms-nél hosszabb ideig, az inverter azonnal blokkolja az IGBT-eket, és leválasztja a kimeneti kontaktort, amely hardveres védelmi hajtóműveleti hibát aktivál.

A túlfeszültségi hibák általában a hálózat-fluktuációk vagy a váratlan terhelés-változások miatt fordulnak elő. Amikor a DC busz feszültsége 1,2-szerese a nominális értéknél (1368V), a szoftveres túlfeszültségi védelem aktiválódik; ha 1,35-szerese (1026V), a hardveres védelem közvetlenül hajtóműveleti hibát aktivál. A túlmelegedési hibák gyakran előfordulnak magas hőmérsékletű környezetben vagy hosszú ideig tartó túlterhelés esetén. Ha az IGBT hőmérséklete 90°C-nál magasabb, vagy a hűtőtest hőmérséklete 70°C-nál magasabb 5 percig, a rendszer hőmérsékleti figyelmeztetést küld; ha a hőmérséklet 100°C-re, illetve 80°C-ra emelkedik, közvetlenül hajtóműveleti hibát aktivál. Ezek három hiba típusának közös jellemvonása, hogy az inverter saját védelmi mechanizmusa aktiválódik, ami gyorsan leválasztja a kimenetet az IGBT-ek blokkolásával és a kontaktorok leválasztásával, ami motor-emergencia leállítást és villanó hibafigyelmeztetést eredményez.

3 Megelőző intézkedések
3.1 Áramkorlátozó ellenállás

A túlmelegedési hibák kezelésére egy áramkorlátozó ellenállást lehet sorba kapcsolni az inverter kimenete és a motor között. A mezői mérések szerint, amikor egy 6kV/1500kVA inverter indít egy 380kW-os vagy nagyobb motort, a pillanatnyi indítási áram 5-8-szerese a nominális áramnak, ami messze haladja a túlmelegedési védelem beállítását.

Az indítási áram elnyomásához 1-3Ω ellenállású, 200-500W-os hőmérséklet-alapú varisztorral vagy nemlineáris zink-oxid varisztorral lehet dolgozni. Utoljára említett esetben a hideg állapotbeli ellenállás 100Ω-nál nagyobb, és gyorsan csökken, ahogy az áram nő, korlátozva a csúcsindítási áramot 2-3-szeresére a nominális értéknél. A motor indítása után, amikor az inverter kimeneti frekvencia 40Hz-nál magasabb, és az áram a nominális értéknél alacsonyabb, az ellenállás által okozott feszültségvesztés kevesebb, mint 50V.

Ebben az időben egy körülmenő kontaktor rövidíti az ellenállást, hogy elkerülje a folyamatos energia elvesztését. Ha az indítás során áramsúlyozás történik, amikor az árammérő észleli, hogy a mérés 1200A-nál nagyobb, a vezérlőrendszer figyelmeztetést küld; ha 1500A-ra éri, az inverter azonnal blokkolja az IGBT-eket, és nyitja a körülmenő kontaktort, újra behelyezve az áramkorlátozó ellenállást, hogy gyorsan csökkentse az áramot. A körülmenő kontaktor ezután ismét bezárul, hogy visszaállítsa a normális működést. A teljes kapcsolási folyamat kevesebb, mint 0,5 másodpercig tart, hatékonyan elnyomva az áram-csúcsokat, biztosítva a motor sima indítását, és jelentősen javítva az inverter megbízhatóságát.

3.2 Feszültségkötő áramkör

A túlfeszültségi hibák elnyomásához egy feszültségkötő áramkört lehet párhuzamosan a DC buszhoz kapcsolni. Ez az áramkör főleg fémdioxid-varisztor (MOV), gyors thyristor (GTO) és detektáló áramkörből áll. A mezői adatok szerint a szoftveres túlfeszültségi védelem aktiválódik, amikor a hálózat feszültsége 15%-kal fluktuál, vagy a terhelés-csökkentés miatt a DC busz feszültsége 1300V-nál nagyobb marad 20ms-nél hosszabb ideig.

Ezen hibák megelőzéséhez TYN-20/141 MOV-t lehet használni, amelynek a triggerele feszültsége 1420V, a legnagyobb kilövési árama 20kA, és az energiaszívó képessége 8800J egységenként. Amikor a buszfeszültség 1350V-nál nagyobb, a MOV kezd vezetni és elnyeli a túlzott energiát; ha a feszültség 1400V-ra emelkedik, a GTO triggerez, gyorsan átirányítva a túlfeszültségi energiát egy ellenállásba, hogy a feszültséget biztonságos szintre térjen vissza. A detektáló áramkör folyamatosan monitorozza a buszfeszültséget.

Amikor a feszültség 1250V alá esik, és 50ms-nél hosszabb ideig ott marad, egy szabadság jelzést küld, amely kiállítja a GTO-t, és visszaállítja a rendszer normális működését. Ha a buszfeszültség 1400V fölötti marad 100ms-nél hosszabb ideig, komoly túlfeszültségi hiba van, és az inverter szoftveres zároló állapotba kerül, amely manuális resetelést igényel a restart előtt. A gyakorlatban ezzel a kötő áramkörrel egy 6kV inverter képes 35%-os pillanatnyi túlfeszültséget elnyelni, és a túlfeszültséget 100ms alatt a nominális feszültség 1,05-szeresére korlátozni. A válasz gyors és megbízható, hatékonyan megelőzi a gyakori túlfeszültségi hajtóműveleti hibákat, jelentősen javítva a rendszer folytonosságát és megbízhatóságát.

3.3 Árammegosztó tervezés

A túlmelegedési hibák kezelésére árammegosztó technológiát lehet alkalmazni, hogy csökkentse a kritikus komponensek, például az IGBT-ek és a hűtőtestek hőtermelését, megelőzve a hőhajtóműveleti hibákat.

Konkrét intézkedések közé tartozik 1-2 elektrolitikus kondenzátor párhuzamos kapcsolása minden energetikai egység pozitív és negatív DC busz termináljai között. A kondenzátorok kapacitása 1000-2200μF, a feszültségere 1600V-nál nagyobbnak kell lennie, és a folyamatos rippl-áram legalább 100A-nak. Amikor az inverter kimeneti árama 1,2-szerese a nominális értéknél (például 900A), ezek a párhuzamos kondenzátorok 10%-20% árammegosztó képességet biztosítanak, csökkentve az IGBT-eken átmenő valós áramot 720-810A-ra. Mivel az IGBT vezetési vesztesége arányos az áram négyzetével, ez a módszer hatékonyan csökkenti a hőemelkedést.

A képletben: PCPC az IGBT vezetési vesztesége (W); VCEVCE az IGBT szätturációs feszültsége (V), amely lineáris kapcsolatban áll az árral ICIC (A); UηUη az IGBT bekapcsolási feszültsége (V); $K$ az IGBT áramerősítési tényezője.

Látható, hogy a párhuzamos intézkedések bevezetése után az IGBT vezetési vesztesége 19%-36%-kal csökken, és a chip csatlakozási hőmérséklete 10-25°C-kal csökken, így jelentősen enyhítve az inverter hőtérkép-problémáját.

Ezenkívül telepítse 1-2 elektrikus ventilátort párhuzamosan az inverter hűtőtest be- és kifolyásához, amelyek nominális levegőmennyisége ≥ 3000 m³/h, amely hatékonyan növeli a hűtőtest hűtési hatékonyságát. Telepítse 6-8 hőmérséklet-szenzort a vezérlődoboz belsejébe, hogy valós időben figyelje a különböző energetikai egységek, a főlap, az IGBT-vezérlőlap stb. hőmérsékletét. Ha bármely pont hőmérséklete 65°C-nál magasabb, a vezérlőrendszer azonnal teljes sebességre indítja a ventilátort, és "terhelés-csökkentési figyelmeztetési" jelzést küld az inverter vezérlőegységének.

Ha a hőmérséklet továbbra is 75°C-re emelkedik, és 10 percnél hosszabb ideig tart, a rendszer "túlmelegedési riasztás" jelzést küld, korlátozva az inverter maximális kimeneti áramát a nominális érték 50%-ánál alacsonyabbra, amíg a hőmérséklet 60°C alá nem esik, ekkor a "túlmelegedési riasztás" feloldódik.

Ha bármely mérési pont hőmérséklete 85°C fölé emelkedik, és a motoráram nem esik 30%-nál alacsonyabbra a nominális értéknél, az inverter azonnal hardveres zárolást alkalmaz, és a kimenetet leállítja. A hűtési hatékonyság további javítása érdekében nanomanyagokat, mint a grafen vagy a szénnanotubusokat, alkalmazzon az IGBT hűtőtestekre, amelyek ultra-magasan hővezető tulajdonságaik révén gyorsítják az IGBT chip hőledését, így csökkentve a csatlakozási hőmérsékletet.

4 A megelőző intézkedések hatékonysága
4.1 Kísérleti tervezés

A ZINVERT-6kV/1500kVA intelligens magasfeszültségi invertert használták a vizsgálat tárgyként, és csoportos ellenőrzési kísérletet végeztek a három megelőző intézkedés hatékonyságának ellenőrzésére. A kísérleteket a nominális működési feltételek mellett (bemeneti feszültség: 6kV±5%; környezeti hőmérséklet: 25°C±2°C; relatív páratartalom: 65%±5%) végezték. A kísérletet négy csoportba osztották: a kontrollcsoport nem alkalmazott megelőző intézkedéseket; a Csoport A egy 2,2Ω/350W áramkorlátozó ellenállást használt MSC-500 gyors körülmenő kapcsolóval; a Csoport B egy TYN-20/141 varisztor és egy IXYS-GTO párhuzamosan kapcsolt feszültségkötő áramkört használt, ahol a kötő feszültség 1420V volt; a Csoport C egy 2000μF/1600V elektrolitkondenzátort (Hitachi HCG sorozat) párhuzamosan kapcsolta árammegosztásra, kombinálva egy 3500 m³/h változósebességű ventilátorral (EBM-W3G450) kényszerített hűtésre.

Minden csoport 72 órát működött folyamatosan, és minden 6 óránként rögzítette a kulcsfontosságú paramétereket, mint például az inverter kimeneti áramát, a DC busz feszültségét és az IGBT csatlakozási hőmérsékletét. Az adatokat Fluke 435-II villamosenergia-minőség analizátor és HIOKI 8847 adatnaplóval gyűjtötték. A kísérlet során három tipikus hibahelyzetet szimuláltak: indítási túlmelegedés (8-szeres nominális áram / 0,5s), hálózat feszültség-fluktuáció (+20% / 1s), és teljes terhelésű működés (környezeti hőmérséklet 35°C / 2h). A kísérleti beállítását mutatja az 1. ábra.

4.2 Eredmények elemzése

A 72 órás folyamatos működés után a négy csoport adatokat gyűjtött és elemzett, amelyeket a 1. táblázatban jelenítettünk meg. A kontrollcsoport minden három hibahelyzetben hajtóműveleti hibát tapasztalt, míg a megelőző intézkedéseket alkalmazó kísérleti csoportok hatékonyan elnyomták a hibákat. A Csoport A-ban a csúcsindítási áram 7,8-ról 2,2-szeresére csökkent, hatékonyan megelőzve a túlmelegedési hajtóműveleti hibát.

A Csoport B-ben a feszültségkötő áramkör korlátozta a DC busz feszültség-fluktuációt 1368V-ra, ami jelentősen alacsonyabb, mint a 1420V védelmi küszöb. A Csoport C-ban az árammegosztás és a kényszerített hűtés kombinációja fenntartotta az IGBT csatlakozási hőmérsékletet 87,5°C alatt, jelentősen alacsonyabb, mint a 100°C hajtóműveleti hibaküszöb. Továbbá, a három megelőző intézkedés válaszideje 100ms-nél rövidebb volt, megfelelő a gyors védelemre. A kísérlet során nem történt hamis triggerezés, ami stabilitást és megbízhatóságot jelent a rendszer teljesítményére vonatkozóan.

5 Következtetés

Ez a tanulmány rendszerezett módon elemezte a 6kV-os magasfeszültségi inverterek rendellenes hajtóműveleti hibáinak okait, és célszerű megelőző intézkedéseket javasolt. A kísérleti eredmények alátámasztják, hogy az áramkorlátozó ellenállás hatékonyan ellenzi az indítási áramot, a feszültségkötő áramkör jelentősen csökkenti a DC busz túlfeszültségét, és az árammegosztás és a kényszerített hűtés kombinációja jelentősen csökkenti az IGBT túlmelegedési kockázatát, így növelve a rendszer teljes megbízhatóságát.