6kV高圧インバータでのトリップ防止

高圧インバータはACモータの速度制御に重要な装置であり、リフティング、冶金、石油、発電などの産業で高出力・高電圧モータの速度調整に広く使用されています。しかし、グリッドの変動や負荷の影響により、6kVの高圧インバータは運転中に異常な駆動トリップ障害をしばしば経験し、モータ速度制御システムの安全性と信頼性に大きく影響します。

高圧可変周波数駆動（VFD）システムの安定的な動作を確保し、工業効率を向上させ、エネルギー消費を削減するために、政府は高圧インバータ技術の研究と応用を奨励する一連の政策を導入しています。したがって、6kV高圧インバータにおける異常トリップ障害の原因の詳細な分析と有効な予防措置の開発は、高圧VFD技術の進歩と産業経済成長の持続において非常に重要です。

1 6kV高圧インバータの概要

6kV高圧インバータは、IGBTを使用してスイッチング素子とし、多段構成を採用して6kV以上の可変周波数速度制御を実現する高出力電力電子機器です。そのパワーユニットは通常、3レベルの中性点クランプ（3L-NPC）または5レベルのアクティブ中性点クランプ（5L-ANPC）回路を採用しており、複数のサブモジュールをカスケード接続することで構成されます。各サブモジュールには6〜24個のIGBTとフリーホイールダイオードがあり、9〜17レベルのステップ波形を生成し、フィルタリング後には正弦波に近似します。

典型的な容量範囲は3000〜14,000 kVAで、電圧レベルは6kV、10kV、35kVをカバーしています。より高い容量と電圧要件の場合、モジュラーマルチレベルコンバータ（MMC）トポロジーを使用できます。この場合、サブモジュールはハーフブリッジまたはフルブリッジ構造を採用し、各相につき数百のサブモジュールを積み重ねることで、最大220kVの電圧レベルと最大400 MVAの単位容量を実現し、再生可能エネルギーグリッド接続、洋上風力発電、柔軟な直流送電などの用途に適しています。高圧インバータの制御戦略は複雑で、キャリア位相シフト変調、電流バランス、センサーレス検出、磁場弱化最適化などの主要技術を含みます。

2 6kV高圧インバータの異常駆動トリップ障害

運転中に、6kV高圧インバータは過電流、過電圧、過熱などの異常により頻繁にトリップします。過電流障害は通常、起動時や急激な負荷変動時に発生し、瞬間的な電流が定格値の2〜3倍を超えることがあります。電流が1600Aを超えて100ms以上続くか、または2000Aを超えて10ms以上続くと、インバータは直ちにIGBTをブロックし、出力コンタクタを切断し、ハードウェア保護トリップを引き起こします。

過電圧障害は通常、グリッドの変動や急激な負荷変動により引き起こされます。DCバス電圧が定格値の1.2倍（1368V）を超えるとソフトウェア過電圧保護が作動し、1.35倍（1026V）を超えるとハードウェア保護が直接トリップします。過熱障害は高温環境下や長時間の過負荷運転中に一般的に発生します。IGBT温度が90℃を超えるか、ヒートシンク温度が70℃を超えて5分以上続くと、システムは高温警告を発生させます。それぞれの温度が100℃または80℃に達すると直接トリップします。これらの3つの障害タイプの共通の特徴は、インバータの自己保護メカニズムが作動し、IGBTをブロックしコンタクタを切断することで出力を迅速に遮断し、モータの緊急停止やフラッシング故障警報などの現象を引き起こすことです。

3 予防措置
3.1 電流制限抵抗

過電流障害に対処するため、インバータ出力とモータの間に電流制限抵抗を直列に接続することができます。実測データによると、6kV/1500kVAのインバータが380kW以上のモータを起動する際、瞬間的な起動電流は定格電流の5〜8倍に達し、過電流保護設定を大幅に超えます。

起動電流を抑制するため、1〜3Ωの抵抗値と200〜500Wの定格電力を持つワイヤーワウンド抵抗または非線形酸化亜鉛バリスタを使用することができます。後者は冷間時の抵抗値が100Ω以上で、電流が増加すると急速に減少し、ピーク起動電流を定格値の2〜3倍以内に制限します。モータ起動後、インバータ出力周波数が40Hzを超え、電流が定格値以下になると、抵抗の電圧降下は50V未満になります。

この時点でバイパスコンタクタが抵抗をショートし、継続的な電力損失を避けることができます。起動時に電流が急上昇した場合、電流変換器が1200Aを超える値を検出したとき、制御システムは警告を発生させます。1500Aに達すると、インバータは直ちにIGBTをブロックし、バイパスコンタクタを開き、電流制限抵抗を再び挿入して電流を急速に減少させます。その後、バイパスコンタクタは再び閉じて正常な動作に戻ります。全体の切り替えプロセスは0.5秒未満で行われ、電流の急激な上昇を効果的に抑制し、モータの滑らかな起動を確保し、インバータの信頼性を大幅に向上させます。

3.2 電圧クリッピング回路

過電圧障害を抑制するため、DCバスに並列に電圧クリッピング回路を接続することができます。この回路は主に金属酸化物バリスタ（MOV）、高速サイリスタ（GTO）、および検出回路で構成されています。実測データによると、ソフトウェア過電圧保護が作動するのは、グリッド電圧が15%以上変動した場合や、負荷減少によりDCバス電圧が1300Vを超えて20ms以上続く場合です。

このような障害を防ぐために、TYN-20/141 MOVを使用することができます。これはトリガ電圧が1420V、最大放電電流が20kA、単位あたりのエネルギー吸収能力が8800Jです。バス電圧が1350Vを超えると、MOVは導通し余剰エネルギーを吸収し始めます。電圧が1400Vに達すると、GTOがトリガーされ、過電圧エネルギーを抵抗に急速に逃がして電圧を安全なレベルに復元します。検出回路は常にバス電圧を監視します。

電圧が1250V以下になり50ms以上続くと、リリース信号が送られ、GTOがオフになりシステムが正常な動作に戻ります。バス電圧が1400Vを超えて100ms以上続く場合、深刻な過電圧障害と判断され、インバータはソフトウェアロックアウト状態に入り、再起動前に手動リセットが必要となります。実践では、このクリッピング回路を使用することにより、6kVインバータは35%の瞬間過電圧を耐え、100ms以内に定格電圧の1.05倍以内に過電圧を抑制することができます。レスポンスは速く確実で、頻繁な過電圧トリップを効果的に防止し、システムの連続性と信頼性を大幅に向上させます。

3.3 電流共有設計

過熱障害に対処するため、電流共有技術を使用してIGBTやヒートシンクなどの重要な部品の発熱を減らし、熱によるトリップを防ぐことができます。

具体的な措置としては、各パワーユニットの正負DCバス端子間に1〜2個の電解コンデンサーを並列に接続します。コンデンサーは1000〜2200μFの容量、1600V以上の電圧レーティング、そして100A以上の連続リップル電流を持つ必要があります。インバータ出力電流が定格値の1.2倍（例えば900A）を超えると、これらの並列コンデンサーは10%〜20%の電流共有機能を提供し、IGBTを通る実際の電流を720〜810Aに減少させます。IGBTの導通損失は電流の2乗に比例するため、この方法は効果的に温度上昇を抑制します。

式において：PCPCはIGBTの導通損失（W）；VCEVCEはIGBTの飽和電圧（V）で、電流ICIC（A）と線形関係があります；UηUηはIGBTのオン電圧（V）；$K$はIGBTの電流増幅係数です。

シャント措置を講じた後、IGBTの導通損失は19％〜36％減少し、チップ接合温度は10℃〜25℃低下します。これにより、インバータの発熱問題が大幅に緩和されます。

さらに、インバータヒートシンクの出入り口に1〜2個の電気ファンを並列に設置し、定格風量が≧3000 m³/hとなるようにします。これによりヒートシンクの冷却効果が効果的に強化されます。制御盤内に6〜8個の温度センサーを設置し、各パワーユニット、マザーボード、IGBTドライブボードなどの温度をリアルタイムで監視します。任意の点の温度が65℃を超えると、制御システムは直ちに電気ファンを全速で起動し、インバータ制御ユニットに「負荷削減警告」信号を送信します。

温度が75℃まで上昇し、10分以上続くと、システムは「過熱警報」信号を発生させ、インバータの最大出力電流を定格値の50％以下に制限します。温度が60℃以下になると、「過熱警報」は解除されます。

任意の測定点の温度が85℃を超えてモータ電流が定格値の30％以下にならない場合、インバータは直ちにハードウェアロックアウトを行い出力を停止します。さらに冷却効果を向上させるため、各パワーユニットのIGBTヒートシンクにグラフェンやカーボンナノチューブなどのナノ材料を塗布し、それらの超高的な熱伝導性を利用してIGBTチップの熱放出を加速し、接合温度を低減します。

4 予防措置の効果
4.1 実験設計

ZINVERT-6kV/1500kVAスマート高圧インバータを使用してテスト対象とし、提案された3つの予防措置の効果を検証するためのグループ制御実験を行いました。実験は定格運転条件（入力電圧：6kV±5%；周囲温度：25℃±2℃；相対湿度：65%±5%）で行われました。実験は4つのグループに分けられました：コントロールグループは予防措置を採用せず；グループAは2.2Ω/350Wの電流制限抵抗とMSC-500高速バイパススイッチを使用しました；グループBはTYN-20/141バリスタとIXYS-GTOを並列に接続して形成された電圧クリッピング回路を使用し、クリッピング電圧を1420Vに設定しました；グループCは2000μF/1600Vの電解コンデンサー（日立HCGシリーズ）を並列に接続して電流共有を行い、EBM-W3G450の可変速ファン（3500 m³/h）を組み合わせて強制冷却を行いました。

各グループは72時間連続運転を行い、インバータ出力電流、DCバス電圧、IGBT接合温度などの主要パラメータを6時間ごとに記録しました。データ収集にはFluke 435-II電力品質アナライザーとHIOKI 8847データロガーを使用しました。実験中には、突入過電流（定格電流の8倍/0.5秒）、グリッド電圧変動（+20%/1秒）、全負荷運転（周囲温度35℃/2時間）という3つの典型的な障害シナリオをシミュレーションしました。実験装置は図1に示されています。

4.2 結果分析

72時間の連続運転後、4つのグループからデータを収集し分析しました。結果は表1に示されています。コントロールグループは3つの障害条件下でトリップしましたが、予防措置を採用した実験グループは効果的に障害を抑制しました。グループAでは、ピーク起動電流が定格値の7.8倍から2.2倍に減少し、過電流トリップを効果的に防ぎました。

グループBでは、電圧クリッピング回路により最大DCバス電圧の変動が1368Vに制限され、1420Vの保護閾値を大幅に下回りました。グループCでは、電流共有と強制冷却の組み合わせにより、最大IGBT接合温度が87.5℃以下に保たれ、100℃のトリップ閾値を大幅に下回りました。さらに、3つの予防措置のすべてのレスポンスタイムは100ミリ秒以内でした。実験中、誤トリガーは発生せず、システムの安定性と信頼性が確認されました。

5 結論

本研究では、6kV高圧インバータにおける異常トリップの原因を体系的に分析し、対象的な予防措置を提案しました。実験結果は、電流制限抵抗が突入電流を効果的に制御し、電圧クリッピング回路がDCバスの過電圧を大幅に抑制し、電流共有と強制冷却の組み合わせがIGBTの過熱リスクを大幅に低減し、システム全体の信頼性を向上させることを確認しました。