Mencegah Pemutusan pada Inverter Tegangan Tinggi 6kV

Inverter tegangan tinggi merupakan perangkat kritis untuk kontrol kecepatan motor AC dan digunakan secara luas dalam aplikasi pengaturan kecepatan motor tegangan tinggi dan daya tinggi di industri seperti pengangkatan, metalurgi, minyak, dan pembangkit listrik. Namun, inverter tegangan tinggi 6kV sering mengalami gangguan trip drive yang abnormal selama operasi karena faktor-faktor seperti fluktuasi jaringan dan dampak beban, yang signifikan mempengaruhi keamanan dan keandalan sistem kontrol kecepatan motor.

Untuk memastikan operasi stabil dari sistem penggerak variabel frekuensi (VFD) tegangan tinggi, meningkatkan efisiensi industri, dan mengurangi konsumsi energi, pemerintah telah mengeluarkan sejumlah kebijakan yang mendorong penelitian dan penerapan teknologi inverter tegangan tinggi. Oleh karena itu, analisis mendalam tentang penyebab gangguan trip abnormal pada inverter tegangan tinggi 6kV dan pengembangan tindakan pencegahan yang efektif sangat penting untuk kemajuan teknologi VFD tegangan tinggi dan pertumbuhan ekonomi industri berkelanjutan.

1 Tinjauan Umum Inverter Tegangan Tinggi 6kV

Inverter tegangan tinggi 6kV adalah perangkat elektronik daya berdaya tinggi yang menggunakan IGBT sebagai elemen beralih dan menerapkan topologi multilevel untuk mencapai kontrol kecepatan variabel frekuensi pada 6kV dan di atasnya. Unit dayanya biasanya mengadopsi sirkuit neutral-point-clamped (3L-NPC) tiga level atau sirkuit active neutral-point-clamped (5L-ANPC) lima level, yang dibangun dengan menghubungkan beberapa submodul. Setiap submodul berisi 6-24 IGBT dan dioda freewheeling, menghasilkan gelombang bertingkat dengan 9-17 level, yang setelah difilter mendekati gelombang sinus.

Kapasitas tipikal berkisar antara 3000 hingga 14.000 kVA, dengan tingkat tegangan mencakup 6kV, 10kV, dan 35kV. Untuk persyaratan kapasitas dan tegangan yang lebih tinggi, topologi modular multilevel converter (MMC) dapat digunakan, di mana submodul menggunakan struktur half-bridge atau full-bridge, dengan ratusan submodul ditumpuk per fase, memungkinkan tingkat tegangan hingga 220kV dan kapasitas unit tunggal hingga 400 MVA, cocok untuk aplikasi seperti integrasi jaringan energi terbarukan, tenaga angin lepas pantai, dan transmisi DC fleksibel. Strategi kontrol inverter tegangan tinggi kompleks, melibatkan teknologi kunci seperti modulasi phase-shifted carrier, penyeimbangan arus, deteksi tanpa sensor, dan optimasi pelemahan medan.

2 Gangguan Trip Drive Abnormal pada Inverter Tegangan Tinggi 6kV

Selama operasi, inverter tegangan tinggi 6kV sering trip karena anomali seperti overcurrent, overvoltage, dan overheating. Gangguan overcurrent biasanya terjadi selama startup atau perubahan beban mendadak, di mana arus instan dapat melebihi 2-3 kali nilai nominal. Jika arus melebihi 1600A selama lebih dari 100ms atau 2000A selama lebih dari 10ms, inverter segera memblokir IGBT dan memutus kontak output, memicu trip perlindungan hardware.

Gangguan overvoltage biasanya disebabkan oleh fluktuasi jaringan atau perubahan beban mendadak. Ketika tegangan bus DC melebihi 1,2 kali nilai nominal (1368V), perlindungan overvoltage software aktif; jika melebihi 1,35 kali (1026V), perlindungan hardware langsung trip. Gangguan overheating umumnya terjadi dalam lingkungan suhu tinggi atau selama operasi overload yang berkepanjangan. Ketika suhu IGBT melebihi 90°C atau suhu heatsink melebihi 70°C selama lebih dari 5 menit, sistem mengeluarkan peringatan suhu tinggi; trip terjadi langsung jika suhu mencapai 100°C atau 80°C, masing-masing. Ciri umum dari tiga jenis gangguan ini adalah aktivasi mekanisme perlindungan diri inverter, yang dengan cepat memutus output dengan memblokir IGBT dan memutus kontak, menghasilkan fenomena seperti stop darurat motor dan alarm gangguan berkedip.

3 Tindakan Pencegahan
3.1 Resistor Pembatas Arus

Untuk mengatasi gangguan overcurrent, resistor pembatas arus dapat dihubungkan seri antara output inverter dan motor. Pengukuran lapangan menunjukkan bahwa ketika inverter 6kV/1500kVA memulai motor 380kW atau lebih besar, arus starting instan dapat mencapai 5-8 kali arus nominal, jauh melebihi pengaturan perlindungan overcurrent.

Untuk menekan arus starting, resistor lilitan atau varistor oksida seng nonlinier dengan resistansi 1-3Ω dan daya nominal 200-500W dapat digunakan. Yang terakhir memiliki resistansi dingin di atas 100Ω dan menurun dengan cepat saat arus meningkat, membatasi arus starting puncak hingga dalam 2-3 kali nilai nominal. Setelah motor dimulai, ketika frekuensi output inverter naik di atas 40Hz dan arus turun di bawah nilai nominal, penurunan tegangan di seberang resistor kurang dari 50V.

Pada titik ini, kontak bypass memendekkan resistor untuk menghindari hilangnya daya terus-menerus. Jika ada lonjakan arus selama startup, ketika transformator arus mendeteksi nilai yang melebihi 1200A, sistem kontrol mengeluarkan peringatan; jika mencapai 1500A, inverter segera memblokir IGBT dan membuka kontak bypass, memasukkan kembali resistor pembatas arus untuk mengurangi arus dengan cepat. Kontak bypass kemudian ditutup kembali untuk memulihkan operasi normal. Seluruh proses switching berlangsung kurang dari 0,5s, efektif menekan lonjakan arus, memastikan startup motor yang lancar, dan secara signifikan meningkatkan keandalan inverter.

3.2 Sirkuit Pemagaran Tegangan

Untuk menekan gangguan overvoltage, sirkuit pemagaran tegangan dapat dihubungkan paralel ke bus DC. Sirkuit ini terutama terdiri dari varistor oksida logam (MOV), thyristor cepat (GTO), dan sirkuit deteksi. Data lapangan menunjukkan bahwa perlindungan overvoltage software aktif ketika tegangan jaringan bergejolak lebih dari 15% atau ketika reduksi beban menyebabkan tegangan bus DC melebihi 1300V selama lebih dari 20ms.

Untuk mencegah gangguan tersebut, MOV TYN-20/141 dapat digunakan, dengan tegangan trigger 1420V, arus discharge maksimum 20kA, dan kapasitas penyerapan energi 8800J per unit. Ketika tegangan bus melebihi 1350V, MOV mulai menghantarkan dan menyerap energi berlebih; jika tegangan naik hingga 1400V, GTO terpicu, dengan cepat mengalihkan energi overvoltage ke resistor untuk mengembalikan tegangan ke tingkat aman. Sirkuit deteksi terus memantau tegangan bus.

Ketika tegangan turun di bawah 1250V dan tetap selama 50ms, sinyal pelepasan dikirim, mematikan GTO dan memulihkan operasi sistem normal. Jika tegangan bus tetap di atas 1400V selama lebih dari 100ms, dikenali sebagai gangguan overvoltage parah, dan inverter masuk ke dalam keadaan lockout software, memerlukan reset manual sebelum restart. Praktek menunjukkan bahwa dengan sirkuit pemagaran ini, inverter 6kV dapat menahan 35% overvoltage instan dan menekan overvoltage hingga 1,05 kali tegangan nominal dalam 100ms. Responsnya cepat dan andal, efektif mencegah trip overvoltage yang sering dan secara signifikan meningkatkan kontinuitas dan keandalan sistem.

3.3 Desain Berbagi Arus

Untuk mengatasi gangguan overheating, teknologi berbagi arus dapat digunakan untuk mengurangi pembangkitan panas pada komponen kritis seperti IGBT dan heatsink, mencegah trip thermal.

Tindakan spesifik termasuk menghubungkan 1-2 kapasitor elektrolit paralel di antara terminal bus DC positif dan negatif setiap unit daya. Kapasitor harus memiliki kapasitansi 1000-2200μF, rating tegangan ≥1600V, dan arus ripple terus-menerus ≥100A. Ketika arus output inverter melebihi 1,2 kali nilai nominal (misalnya 900A), kapasitor paralel ini dapat memberikan kemampuan berbagi arus 10%-20%, mengurangi arus aktual melalui IGBT menjadi 720-810A. Mengingat kerugian konduksi IGBT proporsional dengan kuadrat arus, pendekatan ini efektif mengurangi kenaikan suhu.

Dalam rumus: PCPC adalah kerugian konduksi IGBT (W); VCEVCE adalah tegangan saturasi IGBT (V), yang memiliki hubungan linear dengan arus ICIC (A); UηUη adalah tegangan on IGBT (V); $K$ adalah faktor amplifikasi arus IGBT.

Dapat dilihat bahwa setelah mengambil tindakan shunt, kerugian konduksi IGBT dapat dikurangi sebesar 19% hingga 36%, dan suhu junction chip dapat berkurang 10°C hingga 25°C, sehingga sangat mengurangi masalah pemanasan inverter.

Selain itu, pasang 1 hingga 2 kipas listrik paralel di inlet dan outlet heatsink inverter, dengan volume udara nominal ≥ 3000 m³/h, yang dapat secara efektif meningkatkan efek pendinginan heatsink. Pasang 6 hingga 8 sensor suhu di dalam lemari kontrol untuk memantau suhu berbagai unit daya, motherboard, papan drive IGBT, dll., secara real-time. Ketika suhu titik manapun melebihi 65°C, sistem kontrol segera memulai kipas listrik dengan kecepatan penuh dan mengirim sinyal "peringatan reduksi beban" ke unit kontrol inverter.

Jika suhu terus naik hingga 75°C dan berlangsung lebih dari 10 menit, sistem mengeluarkan sinyal "alarm suhu tinggi", membatasi arus output maksimum inverter di bawah 50% dari nilai nominal hingga suhu turun di bawah 60°C, pada titik tersebut "alarm suhu tinggi" dicabut.

Jika suhu titik pengukuran manapun melebihi 85°C dan arus motor tidak turun di bawah 30% dari nilai nominal, inverter segera melakukan lockout hardware dan menghentikan output. Untuk lebih meningkatkan efek pendinginan, terapkan bahan nano seperti grafena atau nanotube karbon pada heatsink IGBT setiap unit daya, memanfaatkan konduktivitas termal ultra-tinggi mereka untuk mempercepat pembuangan panas chip IGBT, sehingga mengurangi suhu junction.

4 Efektivitas Tindakan Pencegahan
4.1 Desain Eksperimen

Inverter tegangan tinggi cerdas ZINVERT-6kV/1500kVA digunakan sebagai objek uji, dan eksperimen kontrol berkelompok dilakukan untuk memverifikasi efektivitas tiga tindakan pencegahan yang diajukan. Eksperimen dilakukan dalam kondisi operasi nominal (tegangan input: 6kV±5%; suhu lingkungan: 25°C±2°C; kelembaban relatif: 65%±5%). Eksperimen dibagi menjadi empat kelompok: kelompok kontrol tidak menggunakan tindakan pencegahan; Kelompok A menggunakan resistor pembatas arus 2,2Ω/350W dengan switch bypass MSC-500; Kelompok B menggunakan sirkuit pemagaran tegangan yang terbentuk dari varistor TYN-20/141 dan IXYS-GTO yang dihubungkan paralel, dengan tegangan pemagaran diatur pada 1420V; Kelompok C menggunakan kapasitor elektrolit 2000μF/1600V (seri Hitachi HCG) yang dihubungkan paralel untuk berbagi arus, dikombinasikan dengan kipas variabel 3500 m³/h (EBM-W3G450) untuk pendinginan paksa.

Setiap kelompok beroperasi secara terus-menerus selama 72 jam, dengan parameter kunci seperti arus output inverter, tegangan bus DC, dan suhu junction IGBT direkam setiap 6 jam. Data dikumpulkan menggunakan analisis kualitas daya Fluke 435-II dan logger data HIOKI 8847. Selama eksperimen, tiga skenario gangguan tipikal disimulasikan: overcurrent inrush (8 kali arus nominal / 0,5s), fluktuasi tegangan jaringan (+20% / 1s), dan operasi beban penuh (suhu lingkungan 35°C / 2jam). Penataan eksperimental ditunjukkan dalam Gambar 1.

4.2 Analisis Hasil

Setelah 72 jam operasi terus-menerus, data dari empat kelompok dikumpulkan dan dianalisis, dengan hasil disajikan dalam Tabel 1. Kelompok kontrol mengalami trip di bawah semua tiga kondisi gangguan, sementara kelompok eksperimental dengan tindakan pencegahan menunjukkan penekanan gangguan yang efektif. Di Kelompok A, arus starting puncak dikurangi dari 7,8 menjadi 2,2 kali nilai nominal, secara efektif mencegah trip overcurrent.

Di Kelompok B, sirkuit pemagaran tegangan membatasi fluktuasi maksimum tegangan bus DC hingga 1368V, jauh di bawah ambang batas perlindungan 1420V. Di Kelompok C, kombinasi berbagi arus dan pendinginan paksa menjaga suhu junction IGBT maksimum di bawah 87,5°C, jauh lebih rendah dari ambang batas trip 100°C. Selain itu, waktu respons dari ketiga tindakan pencegahan ini berada dalam 100ms, memenuhi persyaratan perlindungan cepat. Tidak ada pemicuan palsu selama eksperimen, menunjukkan kinerja sistem yang stabil dan andal.

5 Kesimpulan

Studi ini menganalisis secara sistematis penyebab trip abnormal pada inverter tegangan tinggi 6kV dan mengusulkan tindakan pencegahan yang ditargetkan. Hasil eksperimen mengonfirmasi bahwa resistor pembatas arus efektif mengontrol arus inrush, sirkuit pemagaran tegangan secara signifikan menekan overvoltage bus DC, dan kombinasi berbagi arus dengan pendinginan paksa sangat mengurangi risiko overheating IGBT, sehingga meningkatkan keandalan keseluruhan sistem.