Úthvarf í 6kV háspennustuðla

Hámarkvæðar umhverfisskerjar eru mikilvægir tækniforrit fyrir hraðastýringu af AC-mótorum og eru víðtæklega notaðar í hægervafarsamfélagi til hraðastýringar á hámarkvæðum mótorum í sveitarfelögum eins og lyftun, málmasmiðja, olíu- og orkugjöf. En 6kV hámarkvæðar umhverfisskerjar komast oft í óvenjulegar villur við keyrslu vegna þingsins brottförum og hlaða áhrifum sem hafa stór áhrif á öryggis- og traustsýni hraðastýringarkerfa fyrir mótor.

Til að tryggja örugga keyrslu á hámarkvæðum breytistigi kerfum (VFD), bæta orkuvinnslu og minnka orkuforðun hefur stjórnskipunin sett fram röð reglur sem bæta rannsóknum og notkun hámarkvæðrar skerjaþechnologíu. Því miður er djúpinleg greining á orsökum óvenjulegra villukeyrsla í 6kV hámarkvæðum skerjum og útvíklingur á virkum varnarmætti af mikilli gildi til að fremja hámarkvæða VFD teknologi og halda áfram vaxtarþróa sveitarfélags.

1 Yfirlit yfir 6kV hámarkvæðar skerjar

6kV hámarkvæð skerja er hægervafarkraftur sem notar IGBT sem skiptingarefni og notar margstigi topologíu til að ná breytistigsýsla á 6kV eða hærri. Krafturinn tekur venjulega fram þrístig tungastigsskylda (3L-NPC) eða fimmstigskynilt tungastigsskylda (5L-ANPC) fræmi, byggt af fluttum undirhlutum. Hver undirhlutur inniheldur 6–24 IGBT og freewheeling dióða, sem mynda stiga skyldu með 9–17 stigum, sem kemur næst sínus formi eftir síðari.

Venjuleg kapasít fylki er frá 3000 til 14,000 kVA, með spenna fylki sem lýkur 6kV, 10kV og 35kV. Fyrir hærri kapasít og spennuskilyrði má nota samsetningu margstiga skerju (MMC) topologíu, þar sem undirhlutar notast við hálfbrigða eða fullbrigða struktúr, með hundraðum undirhluta per fazu, sem leyfir spennu upp í 220kV og einingarkapasít upp í 400 MVA, viðeigandi fyrir notkun eins og endurnýjanlega orku samþætting, sjávarlandsvindorka og fleksibla DC sendi. Stýringarstrategía hámarkvæðra skerja er flókin, sem felur í sér mikilvægar tækni eins og carrier phase-shifted modulation, straum jafnvægi, sensorless detection og field-weakening optimization.

2 Óvenjulegar villukeyrsla í 6kV hámarkvæðum skerjum

Á meðan keyrsla 6kV hámarkvæðar skerjar fer oft í óvenjulegar villukeyrsla vegna óvenjulegra villu eins og ofstraum, ofspenna og ofhiti. Ofstraumavillur koma oft við upphafi eða bráðri hlaðubreytingu, þar sem augnablikstraum getur haft 2–3 sinnum fastasetta gildi. Ef straumurinn fer yfir 1600A fyrir ofangreind 100ms eða 2000A fyrir ofangreind 10ms mun skerjan strax blokkera IGBT og skilja úttakstillika, sem triggir hagnaðarverndar villukeyrsla.

Ofspenna villur eru venjulega valin af þingsins brottförum eða bráðri hlaðubreytingu. Þegar DC bus spenna fer yfir 1.2 sinnum fastasetta gildi (1368V) mun hagnýtur ofspenna vernd virkja; ef hún fer yfir 1.35 sinnum (1026V) mun hagnaðarvernd strax villukeyrsla. Ofhitavillur koma oft fyrir í hágæða umhverfi eða við langvarandi ofhitið keyrsla. Þegar IGBT hiti fer yfir 90°C eða hittill hiti fer yfir 70°C fyrir ofangreind 5 mínútur mun kerfið gefa hágæða varning; villukeyrsla gerist strax ef hitinn fer yfir 100°C eða 80°C, samsvarandi. Almenn eigindi þessara þriggja villutegundanna er að skerjan virkar sjálfverndarvernd, sem hratt skilar úttaki með því að blokkera IGBT og skilja tillika, sem leiðir til atvik eins og möturslyktarlykkju og blinkandi villu varningar.

3 Varnarmætti
3.1 Straumsinskrár

Til að takast á móti ofstraumavillu má tengja straumsinskrára milli skerju úttaks og mótors. Feldi mælingar sýna að þegar 6kV/1500kVA skerja byrjar að keyra mótor af 380kW eða stærri, mun augnablikstrauminn fara upp í 5–8 sinnum fastasetta straum, sem fer löngu yfir ofstraumaverndarstillingu.

Til að dæma niður upphafsstraum má nota wire-wound resistor eða ólínrænt zinkokside varistor með motstandi 1–3Ω og fastasettu orku 200–500W. Seinni hefur kalttilstandsmotstand yfir 100Ω og fer hratt niður eftir því sem straumurinn fer upp, sem dæmir niður toppstrauminn á innan 2–3 sinnum fastasetta gildi. Eftir upphaf mótsins, þegar skerju úttakshæð fer yfir 40Hz og straumurinn fer niður undir fastasetta gildi, mun spennumun yfir inskráran vera minni en 50V.

Á þessum tímapunkti mun bypass tillika skapa short-circuit á inskráran til að forðast beint orkutap. Ef straumurinn fer upp við upphaf, þegar straumartransfurmari finnur gildi yfir 1200A, mun stýringarkerfi gefa varning; ef hann fer yfir 1500A mun skerjan strax blokkera IGBT og opna bypass tillika, setja aftur inskráran til að hratt draga niður straum. Bypass tillikan er síðan lokad aftur til að endurheimta normala keyrslu. Allur skiptimabil fer undir 0.5 sek, sem dæmir niður straumtoppar, tryggir sömu upphaf mótsins og aukar mjög skerju traustsýni.

3.2 Spennuþrýstingarkaflar

Til að dæma niður ofspenna villu má tengja spennuþrýstingarkafla parallelt við DC bus. Þessi kafla bestur af metal oxide varistor (MOV), hröðu thyristori (GTO) og mælingakerfi. Feldi gögn sýna að hagnýtur ofspenna vernd virkjar þegar þingsins spenna fer upp um 15% eða þegar lágmarkar hlaða fer yfir DC bus spenna yfir 1300V fyrir ofangreind 20ms.

Til að forðast slíkar villur má nota TYN-20/141 MOV, með virkja spenna 1420V, hæsta lausnstraum 20kA og orkuaðgerð 8800J per hluti. Þegar bus spenna fer yfir 1350V byrjar MOV að leita og dæma niður yfirleitt orku; ef spennan fer upp í 1400V mun GTO virkja, sem hratt dreifir yfirspenna orku í resistor til að endurheimta spennu á öruggu stigi. Mælingakerfið fer áfram að mæla bus spenna.

Þegar spennan fer niður undir 1250V og heldur það fyrir 50ms mun release signal senda, lokar GTO og endurheimti normala kerfis keyrslu. Ef bus spenna heldur yfir 1400V fyrir ofangreind 100ms mun alvarleg ofspenna villa finnst, og skerjan fer í hagnýtt lockout stigi, sem krefst handvirku endurstillingar áður en endurstillt. Prófi sýna að með þessum þrýstingarkafla, getur 6kV skerja staðið 35% augnabliksofspenna og dæmt niður ofspenna á innan 1.05 sinnum fastasetta spenna innan 100ms. Svar er hratt og öruggt, sem dæmir niður algengar ofspenna villukeyrsla og aukar mjög kerfis samruna og traustsýni.

3.3 Straumdeilingarhönnun

Til að takast á móti ofhitavillu má nota straumdeilingartækni til að draga niður hitun í mikilvægum hlutum eins og IGBT og hittill, sem forðast hita villukeyrsla.

Sérstök aðgerðir innihalda að tengja 1–2 elektrólít capacitor parallelt yfir jákvæð og neikvæð DC bus tengingar á hverri kraftunite. Capacitorinn skal hafa fjöldahlut 1000–2200μF, spennu fastast 1600V, og samruna ripple straum 100A. Þegar skerju úttakshæð fer yfir 1.2 sinnum fastasetta gildi (t.d. 900A) geta þessir parallel capacitor gert 10%–20% straum deilinga virkni, sem draga niður raunverulegan straum í gegnum IGBT til 720–810A. Gefið að IGBT conduction losses séu í hlutfalli við ferning straums, þetta aðferð dæmir niður hita stíg.

Í formúlu: PCPC er IGBT conduction loss (W); VCEVCE er IGBT saturation voltage (V), sem hefur línulegt samband við straum ICIC (A); UηUη er turn-on voltage of the IGBT (V); $K$ er current amplification factor of the IGBT.

Það er sýnt að eftir að taka straumdeilingar, IGBT conduction loss getur verið dæmd niður um 19% til 36%, og chip junction temperature getur falinn um 10°C til 25°C, sem aukar mjög hita vandamál skerju.

Auk þess, settu upp 1 til 2 eldvifur í parallel við inngang og útgang skerju hittill, með fastasettu loftmagn ≥ 3000 m³/h, sem dæmir niður hita vandamál skerju. Settu upp 6 til 8 hita sensor inni í stýringarkerfi til að mæla hita á mismunandi kraftunite, Mother board, IGBT drive board, o.fl., í rauntíma. Þegar hita á einhverri punkti fer yfir 65°C mun stýringarkerfi strax byrja eldvifa á fulla hraða og senda "load reduction warning" signal til skerju stýringarkerfi.

Ef hitinn heldur áfram að stíga upp í 75°C og heldur það fyrir ofangreind 10 mínútur, mun kerfið senda "over-temperature alarm" signal, sem dæmir niður hámarks úttakshæð skerju undir 50% af fastasetta gildi þar til hitinn fer niður undir 60°C, þegar "over-temperature alarm" er hætt.

Ef hiti á einhverri punkti fer yfir 85°C og mótor straumurinn fer ekki niður undir 30% af fastasetta gildi, mun skerjan strax blokkera hagnaðarvernd og stoppa úttak. Til að auka hita dæmingu, notaðu nanomaterial eins og graphene eða carbon nanotubes á IGBT hittill á hverri kraftunite, sem notar þeirra ofháva hita gengi til að auka hita dæmingu IGBT chips, sem draga niður junction temperature.

4 Virkni varnarmætta
4.1 Prófanir

ZINVERT-6kV/1500kVA intelligent high-voltage inverter var notað sem prófanefni, og grúpuefnis prófanir voru framkvæmd til að staðfesta virkni þriggja varnarmætta. Prófanirnar voru framkvæmdar undir fastasetta stöðu (inntaksspenna: 6kV±5%; umhverfis hiti: 25°C±2°C; relatív fugl: 65%±5%). Prófanirnar voru skiptar í fjórar hópa: stýringargruppinn tók ekki nein varnarmætti; Grupp A notaði 2.2Ω/350W straumsinskrára með MSC-500 hröða bypass switch; Grupp B notaði spennaþrýstingarkafla sem var mynduð af TYN-20/141 varistor og IXYS-GTO tengd í parallel, með þrýstingar spenna stillt á 1420V; Grupp C notaði 2000μF/1600V electrolytic capacitor (Hitachi HCG series) tengdur í parallel fyrir straumdeilingu, samanbundið við 3500 m³/h breytabanda eldvifa (EBM-W3G450) fyrir óbundið hita dæmingu.

Hver hópur keyrði samruna fyrir 72 klukkustundir, með mikilvægum parametrar – eins og skerju úttakshæð, DC bus spenna, og IGBT junction temperature – tekin hvert 6 klukkustundir. Gögn voru safnð með Fluke 435-II power quality analyzer og HIOKI 8847 data logger. Á meðan prófanirnar, voru þrjár típíku villur simulaðar: inrush overcurrent (8 sinnum fastasetta hæð / 0.5s), þingsins spenna brottför (+20% / 1s), og full-hlaða keyrsla (umhverfis hiti 35°C / 2kl). Prófanirnar eru sýndar í Mynd 1.

4.2 Niðurstöður

Eftir 72 klukkustundir samruna, voru gögn fyrir fjórar hópa safnð og greind, með niðurstöðum birt í Tafla 1. Stýringargruppinn fékk villukeyrsla undir allar þrjár villu, en prufuhópar með varnarmætti sýndu virkan villudæmingu. Í Grupp A, var topp upphafsstrauminn dæmd niður frá 7.8 til 2.2 sinnum fastasetta gildi, sem dæmdi niður ofstraumavillukeyrsla.

Í Grupp B, spennaþrýstingarkaflarinn dæmdi niður hámarks DC bus spenna brottför yfir 1368V, sem er vel undir 1420V verndar mark. Í Grupp C, samansæi straumdeilingu og óbundið hita dæmingu höldu IGBT junction temperature undir 87.5°C, sem er mjög lágt en 100°C villukeyrsla mark. Auk þess, svar tími allra þriggja varnarmætta var innan 100ms, sem uppfyllir kröfu fyrir hratt vernd. Engin villu virkja komu fyrir á meðan prófanirnar, sem sýnir örugg og staðfesta kerfis virkni.

5 Ályktun

Þessi rannsókn greinir systemically orsök óvenjulegra villukeyrsla í 6kV hámarkvæðum skerjum og sett fram álit varnarmætti. Prófanir sýna að straumsinskrár efstu að dæma niður inrush straum, spennaþrýstingarkaflar dæmi niður DC bus ofspenna, og samansæi straumdeilingu og óbundið hita dæmingu draga niður IGBT ofhiti, sem aukar samruna traustsýni kerfisins.