Prevenire gli scatti nei convertitori ad alta tensione da 6 kV

Gli invertitori ad alta tensione sono dispositivi critici per il controllo della velocità dei motori a corrente alternata e sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni di regolazione della velocità dei motori ad alta potenza e ad alta tensione in settori come sollevamento, metallurgia, petrolio e generazione di energia. Tuttavia, gli invertitori ad alta tensione da 6kV spesso presentano malfunzionamenti anomali durante l'operazione, come guasti di interruzione del drive, dovuti a fattori come fluttuazioni della rete e impatti di carico, influendo significativamente sulla sicurezza e affidabilità dei sistemi di controllo della velocità del motore.

Per garantire un funzionamento stabile dei sistemi VFD (Variable Frequency Drive) ad alta tensione, migliorare l'efficienza industriale e ridurre il consumo energetico, il governo ha introdotto una serie di politiche che incoraggiano la ricerca e l'applicazione della tecnologia degli invertitori ad alta tensione. Pertanto, un'analisi approfondita delle cause dei guasti di interruzione anomali negli invertitori ad alta tensione da 6kV e lo sviluppo di misure preventive efficaci sono di grande importanza per avanzare la tecnologia VFD ad alta tensione e sostenere la crescita economica industriale.

1 Panoramica degli Invertitori ad Alta Tensione da 6kV

Un invertitore ad alta tensione da 6kV è un dispositivo elettronico di potenza ad alta potenza che utilizza IGBT come elementi di commutazione e impiega una topologia a livelli multipli per ottenere un controllo della velocità a frequenza variabile a 6kV e oltre. Le sue unità di potenza tipicamente adottano circuiti a tre livelli con punto neutro bloccato (3L-NPC) o cinque livelli con punto neutro bloccato attivo (5L-ANPC), costruiti concatenando più submodule. Ogni submodule contiene 6-24 IGBT e diodi di raddrizzamento, generando una forma d'onda a gradini con 9-17 livelli, che approssima un'onda sinusoidale dopo il filtraggio.

La capacità tipica varia da 3000 a 14.000 kVA, con livelli di tensione che coprono 6kV, 10kV e 35kV. Per requisiti di capacità e tensione superiori, può essere utilizzata la topologia del convertitore multilivello modulare (MMC), dove i submodule impiegano strutture a mezzo ponte o a pieno ponte, con centinaia di submodule impilati per fase, consentendo livelli di tensione fino a 220kV e capacità unitaria fino a 400 MVA, adatte per applicazioni come l'integrazione nella rete di energia rinnovabile, energia eolica offshore e trasmissione DC flessibile. La strategia di controllo degli invertitori ad alta tensione è complessa, coinvolgendo tecnologie chiave come la modulazione a sfasamento di portante, l'equilibrio della corrente, la rilevazione senza sensori e l'ottimizzazione del debole campo.

2 Guasti di Interruzione Anomali negli Invertitori ad Alta Tensione da 6kV

Durante l'operazione, gli invertitori ad alta tensione da 6kV si interrompono frequentemente a causa di anomalie come sovracorrente, sovratensione e sovrariscaldamento. I guasti di sovracorrente si verificano tipicamente durante l'avvio o cambiamenti improvvisi di carico, dove la corrente istantanea può superare 2-3 volte il valore nominale. Se la corrente supera 1600A per più di 100ms o 2000A per oltre 10ms, l'invertitore blocca immediatamente gli IGBT e disconnette il contattatore di uscita, attivando l'interruzione di protezione hardware.

I guasti di sovratensione sono solitamente causati da fluttuazioni della rete o cambiamenti bruschi di carico. Quando la tensione continua sulla barra di distribuzione supera 1,2 volte il valore nominale (1368V), si attiva la protezione software di sovratensione; se supera 1,35 volte (1026V), la protezione hardware interviene direttamente. I guasti di sovrariscaldamento si verificano comunemente in ambienti ad alta temperatura o durante operazioni prolungate a sovraccarico. Quando la temperatura degli IGBT supera 90°C o la temperatura del dissipatore supera 70°C per più di 5 minuti, il sistema emette un avviso di alta temperatura; l'interruzione si verifica direttamente se le temperature raggiungono rispettivamente 100°C o 80°C. Una caratteristica comune di questi tre tipi di guasto è l'attivazione del meccanismo di autoprotezione dell'invertitore, che interrompe rapidamente l'uscita bloccando gli IGBT e disconnettendo i contattatori, causando fenomeni come l'arresto d'emergenza del motore e l'accensione intermittente di allarmi di guasto.

3 Misure Preventive
3.1 Resistore Limitatore di Corrente

Per affrontare i guasti di sovracorrente, un resistore limitatore di corrente può essere collegato in serie tra l'uscita dell'invertitore e il motore. Le misurazioni sul campo mostrano che quando un invertitore da 6kV/1500kVA avvia un motore di 380kW o superiore, la corrente di avviamento istantanea può raggiungere 5-8 volte la corrente nominale, superando ampiamente l'impostazione di protezione contro la sovracorrente.

Per limitare la corrente di avviamento, può essere utilizzato un resistore a filo avvolto o un varistore di ossido di zinco non lineare con una resistenza di 1-3Ω e una potenza nominale di 200-500W. Quest'ultimo ha una resistenza a freddo superiore a 100Ω e diminuisce rapidamente con l'aumento della corrente, limitando la corrente di picco di avviamento entro 2-3 volte il valore nominale. Dopo l'avviamento del motore, quando la frequenza di uscita dell'invertitore supera i 40Hz e la corrente scende al di sotto del valore nominale, la caduta di tensione sul resistore è inferiore a 50V.

In questo momento, un contattatore di bypass cortocircuita il resistore per evitare una perdita di potenza continua. Se si verifica un aumento repentino di corrente durante l'avviamento, quando il trasformatore di corrente rileva un valore superiore a 1200A, il sistema di controllo emette un avviso; se raggiunge 1500A, l'invertitore blocca immediatamente gli IGBT e apre il contattatore di bypass, reinserendo il resistore limitatore di corrente per ridurre rapidamente la corrente. Il contattatore di bypass viene poi ricollegato per ripristinare il funzionamento normale. L'intero processo di commutazione richiede meno di 0,5 secondi, limitando efficacemente i picchi di corrente, assicurando un avviamento del motore fluido e aumentando significativamente l'affidabilità dell'invertitore.

3.2 Circuito di Blocco di Tensione

Per limitare i guasti di sovratensione, un circuito di blocco di tensione può essere collegato in parallelo alla barra continua. Questo circuito è costituito principalmente da un varistore di ossido metallico (MOV), un tiristoro veloce (GTO) e un circuito di rilevamento. I dati sul campo mostrano che la protezione software di sovratensione si attiva quando la tensione della rete fluttua oltre il 15% o quando la riduzione del carico causa la tensione sulla barra continua a superare 1300V per oltre 20ms.

Per prevenire tali guasti, può essere utilizzato un MOV TYN-20/141, con una tensione di accensione di 1420V, una corrente di scarica massima di 20kA e una capacità di assorbimento di energia di 8800J per unità. Quando la tensione della barra supera 1350V, il MOV inizia a condurre e assorbe l'eccesso di energia; se la tensione sale a 1400V, il GTO si attiva, deviando rapidamente l'energia di sovratensione in un resistore per ripristinare la tensione a un livello sicuro. Il circuito di rilevamento monitora continuamente la tensione della barra.

Quando la tensione scende al di sotto di 1250V e rimane lì per 50ms, viene inviato un segnale di rilascio, spegnendo il GTO e ripristinando il funzionamento normale del sistema. Se la tensione della barra rimane sopra 1400V per più di 100ms, viene identificato un guasto di sovratensione grave e l'invertitore entra in uno stato di blocco software, richiedendo un reset manuale prima del riavvio. La pratica dimostra che con questo circuito di blocco, un invertitore da 6kV può sopportare un sovraccarico istantaneo del 35% e limitare la sovratensione entro 1,05 volte la tensione nominale entro 100ms. La risposta è rapida e affidabile, prevenendo efficacemente l'interruzione frequente per sovratensione e migliorando significativamente la continuità e l'affidabilità del sistema.

3.3 Progettazione di Condivisione di Corrente

Per affrontare i guasti di sovrariscaldamento, la tecnologia di condivisione di corrente può essere utilizzata per ridurre la generazione di calore nei componenti critici come gli IGBT e i dissipatori, prevenendo l'interruzione termica.

Misure specifiche includono la connessione in parallelo di 1-2 condensatori elettrolitici tra i terminali positivi e negativi della barra continua di ogni unità di potenza. I condensatori dovrebbero avere una capacità di 1000-2200μF, una tensione nominale ≥1600V e una corrente ondosa continua ≥100A. Quando la corrente di uscita dell'invertitore supera 1,2 volte il valore nominale (ad esempio 900A), questi condensatori paralleli possono fornire una capacità di condivisione di corrente del 10%-20%, riducendo la corrente effettiva attraverso gli IGBT a 720-810A. Poiché le perdite di conduzione degli IGBT sono proporzionali al quadrato della corrente, questo approccio riduce efficacemente l'aumento di temperatura.

Nella formula: PCPC è la perdita di conduzione degli IGBT (W); VCEVCE è la tensione di saturazione degli IGBT (V), che ha una relazione lineare con la corrente ICIC (A); UηUη è la tensione di accensione degli IGBT (V); $K$ è il fattore di amplificazione di corrente degli IGBT.

Si può vedere che, dopo aver adottato misure di shunt, la perdita di conduzione degli IGBT può essere ridotta del 19% al 36%, e la temperatura giunzione del chip può diminuire di 10°C a 25°C, alleviando notevolmente il problema di riscaldamento dell'invertitore.

Inoltre, installare 1 o 2 ventilatori elettrici in parallelo all'ingresso e all'uscita del dissipatore di calore dell'invertitore, con un volume d'aria nominale ≥ 3000 m³/h, che possono migliorare efficacemente l'effetto di raffreddamento del dissipatore. Installare 6-8 sensori di temperatura all'interno del pannello di controllo per monitorare in tempo reale le temperature di varie unità di potenza, scheda madre, scheda di pilotaggio IGBT, ecc. Quando qualsiasi punto supera 65°C, il sistema di controllo avvia immediatamente il ventilatore a piena velocità e invia un segnale di "avviso di riduzione del carico" all'unità di controllo dell'invertitore.

Se la temperatura continua a salire a 75°C e persiste per più di 10 minuti, il sistema emette un segnale di "allarme di sovratemperatura", limitando la corrente di uscita massima dell'invertitore al di sotto del 50% del valore nominale fino a quando la temperatura scende al di sotto di 60°C, a quel punto l'"allarme di sovratemperatura" viene annullato.

Se la temperatura di qualsiasi punto di misura supera 85°C e la corrente del motore non scende al di sotto del 30% del valore nominale, l'invertitore blocca immediatamente l'hardware e interrompe l'uscita. Per ulteriormente migliorare l'effetto di raffreddamento, applicare materiali nanometrici come grafene o nanotubi di carbonio sui dissipatori di calore IGBT di ciascuna unità di potenza, sfruttandone la conducibilità termica ultra-elevata per accelerare la dissipazione di calore dei chip IGBT, riducendo così la temperatura giunzione.

4 Efficacia delle Misure Preventive
4.1 Progettazione Sperimentale

È stato utilizzato l'invertitore ad alta tensione intelligente ZINVERT-6kV/1500kVA come oggetto di test, ed è stato condotto un esperimento di controllo a gruppi per verificare l'efficacia delle tre misure preventive proposte. Gli esperimenti sono stati condotti in condizioni operative nominali (tensione di ingresso: 6kV±5%; temperatura ambiente: 25°C±2°C; umidità relativa: 65%±5%). L'esperimento è stato diviso in quattro gruppi: il gruppo di controllo non ha adottato misure preventive; il Gruppo A ha utilizzato un resistore limitatore di corrente da 2,2Ω/350W con un interruttore di bypass rapido MSC-500; il Gruppo B ha utilizzato un circuito di blocco di tensione formato da un varistore TYN-20/141 e un IXYS-GTO connessi in parallelo, con la tensione di blocco impostata a 1420V; il Gruppo C ha utilizzato un condensatore elettrolitico da 2000μF/1600V (serie Hitachi HCG) connesso in parallelo per la condivisione di corrente, combinato con un ventilatore a velocità variabile da 3500 m³/h (EBM-W3G450) per il raffreddamento forzato.

Ogni gruppo ha operato in modo continuo per 72 ore, con i parametri chiave come la corrente di uscita dell'invertitore, la tensione della barra continua e la temperatura giunzione degli IGBT registrati ogni 6 ore. I dati sono stati raccolti utilizzando un analizzatore di qualità dell'energia Fluke 435-II e un registratore di dati HIOKI 8847. Durante l'esperimento, sono state simulate tre situazioni di guasto tipiche: sovracorrente di innesco (8 volte la corrente nominale / 0,5s), fluttuazione della tensione della rete (+20% / 1s) e operazione a pieno carico (temperatura ambiente 35°C / 2h). L'impostazione sperimentale è mostrata nella Figura 1.

4.2 Analisi dei Risultati

Dopo 72 ore di operazione continua, i dati dei quattro gruppi sono stati raccolti e analizzati, con risultati presentati nella Tabella 1. Il gruppo di controllo ha subito interruzioni in tutte e tre le condizioni di guasto, mentre i gruppi sperimentali con misure preventive hanno dimostrato una limitazione efficace dei guasti. Nel Gruppo A, la corrente di picco di avviamento è stata ridotta da 7,8 a 2,2 volte il valore nominale, prevenendo efficacemente l'interruzione per sovracorrente.

Nel Gruppo B, il circuito di blocco di tensione ha limitato la massima fluttuazione della tensione della barra continua a 1368V, ben al di sotto della soglia di protezione di 1420V. Nel Gruppo C, la combinazione di condivisione di corrente e raffreddamento forzato ha mantenuto la massima temperatura giunzione degli IGBT al di sotto di 87,5°C, significativamente inferiore alla soglia di interruzione di 100°C. Inoltre, il tempo di risposta di tutte e tre le misure preventive è stato entro 100ms, soddisfacendo il requisito di protezione rapida. Non si sono verificati falsi innescamenti durante l'esperimento, indicando un funzionamento del sistema stabile e affidabile.

5 Conclusione

Questo studio ha analizzato in modo sistematico le cause dell'interruzione anomala negli invertitori ad alta tensione da 6kV e ha proposto misure preventive mirate. I risultati sperimentali confermano che il resistore limitatore di corrente controlla efficacemente la corrente di innesco, il circuito di blocco di tensione limita significativamente la sovratensione della barra continua e la combinazione di condivisione di corrente con raffreddamento forzato riduce notevolmente il rischio di sovrariscaldamento degli IGBT, migliorando l'affidabilità complessiva del sistema.