Спремање на пад во инвертерите со висок напон од 6кВ

Високонапоените инвертори се критични уреди за контрола на брзината на асинхронните мотори и широко се користат во индустрии како вдигачи, металургија, нафтени и енергетски производство за регулирање на брзината на високомоќни, високонапоени мотори. Меѓутоа, 6кВ високонапоените инвертори често испраќаат грешки при работата поради фактори како флуктуации на мрежата и ударни ефекти од оптерењето, што значително влијае на безопасноста и надежноста на системите за контрола на брзината на моторот.

За да се осигура стабилна работа на системите со променлива фреквенција (VFD) на висока напона, подобрување на индустријската ефикасност и намалување на потрошувачката, владата ја воведува серијата на политики кои го овозможуваат истражувањето и примената на технологијата на високонапоените инвертори. Затоа, дубоката анализа на причините за грешките при ненормалните искачувања на 6кВ високонапоените инвертори и развојот на ефективни мерки за предотвратување имаат големо значење за напредокот на VFD технологијата и одржувањето на индустријската економска растегнување.

1 Преглед на 6кВ високонапоените инвертори

6кВ високонапоениот инвертор е високомочен електронски уред кој користи IGBT-ови како комутаторски елементи и примена на многонивошна топологија за постигнување на променлива фреквенција на брзина на 6кВ и повисоко. Нивните моќни единици типички користат три-нивошни нултодржачки (3L-NPC) или пет-нивошни активни нултодржачки (5L-ANPC) кола, конструирани од каскадираност на повеќе подмодули. Секој подмодул содржи 6-24 IGBT-ови и диоди за циркулација, генерирајќи стапчишта форма со 9-17 нива, која приближно следи синусна волна после филтрирање.

Типични капацитети се од 3000 до 14.000 кVA, со напонски нивоа кои покриваат 6кВ, 10кВ и 35кВ. За повисоки капацитети и напонски барања, може да се користи модуларна многонивошна конвертерска (MMC) топологија, каде што подмодулите користат полупрекинувачки или целосни мостови, со стотици подмодули стакнати по секое фазно, што дозволува напонски нивоа до 220кВ и еден-единичен капацитет до 400 MVA, прифатливи за примените како интеграција на возобновливата енергија во мрежата, офшорна ветроенергетика и флексибилна DC пренос. Контролната стратегија на високонапоените инвертори е комплексна, вклучувајќи клучни технологии како фазно-преместување на носителот, балансирање на струјата, безсензорско детектирање и оптимизација на ослабување на пољето.

2 Ненормални грешки при искачувањето на 6кВ високонапоените инвертори

При работата, 6кВ високонапоените инвертори често искачуваат поради аномалии како прекумерна струја, прекумерен напон и прекумерна температура. Грешките од прекумерна струја обично се случуваат при започнувањето или при изненадни промени на оптерењето, каде што моменталната струја може да надмине 2-3 пати вредноста по правилникот. Ако струјата надмине 1600А за повеќе од 100ms или 2000А за повеќе од 10ms, инверторот одма забранува IGBT-овите и отвора контактот на излезот, активирајќи хардверска заштита против искачување.

Грешките од прекумерен напон обично се случауваат поради флуктуации на мрежата или изненадни промени на оптерењето. Кога напонот на DC автобусот надмине 1,2 пати вредноста по правилникот (1368V), софтверската заштита од прекумерен напон се активира; ако надмине 1,35 пати (1026V), хардверската заштита директно искачува. Грешките од прекумерна температура обично се случуваат во високотемпературни околини или при продолжено преоптерење. Кога температурата на IGBT-овите надмине 90°C или температурата на радијаторот надмине 70°C за повеќе од 5 минути, системот издава предупредување за висока температура; искачувањето се случува директно ако температурите достигнуваат 100°C или 80°C, соодветно. Обична карактеристика на овие три типа грешки е активацијата на самозаштитната механика на инверторот, која брзо го прекинува излезот преку блокирање на IGBT-овите и отворање на контакти, што резултира со феномени како спешна спирка на моторот и треперење на сигналот за грешка.

3 Мерки за предотвратување
3.1 Резистор за ограничување на струјата

За да се справи со грешките од прекумерна струја, резистор за ограничување на струјата може да се поврзе во серија помеѓу излезот на инверторот и моторот. Полеви мерки покажуваат дека кога 6кВ/1500кVA инвертор започнува мотор со мощност од 380кW или повеќе, моменталната стартна струја може да достигне 5-8 пати вредноста по правилникот, далеч над прекумерната заштита против струја.

За да се супресира стартната струја, може да се користи витков резистор или нелинеарен цинк-оксиден варијатор со отпор од 1-3Ω и номинална моќ од 200-500W. Последниот има холодна состојба од 100Ω и брзо се намалува како што струјата се зголемува, ограничувајќи врвната стартна струја до 2-3 пати вредноста по правилникот. Потоа кога моторот започнува, кога фреквенцијата на излезот на инверторот се зголемува над 40Hz и струјата се намалува под вредноста по правилникот, падот на напонот на резисторот е под 50V.

Во овој момент, контактот на паралелен пат го скратува резисторот за да се избегне непрекинато губење на моќ. Ако струјата се зголеми при започнувањето, кога трансформаторот за струја детектира вредност над 1200A, контролниот систем издава предупредување; ако достигне 1500A, инверторот одма забранува IGBT-овите и отвора контактот на паралелен пат, повторно вметнувајќи го резисторот за ограничување на струјата за брзо намалување на струјата. Контактот на паралелен пат се затвора повторно за да се врати нормалната работа. Целиот процес на пребарување трае помалку од 0,5s, ефективно супреширувајќи врвните струји, осигурувајќи гладко започнување на моторот и значително го подобрува надежнивоста на инверторот.

3.2 Кружница за клипинг на напонот

За да се супрешируваат грешките од прекумерен напон, кружница за клипинг на напонот може да се поврзе во паралела со DC автобусот. Оваа кружница главно се состои од варијатор од метален оксид (MOV), брз тиристор (GTO) и детекторска кружница. Полеви податоци покажуваат дека софтверската заштита од прекумерен напон се активира кога напонот на мрежата се флуктуира повеќе од 15% или кога намалувањето на оптерењето доведе до тоа што напонот на DC автобусот надмине 1300V за повеќе од 20ms.

За да се спречат такви грешки, може да се користи TYN-20/141 MOV, со активационен напон од 1420V, максимална дејствена струја од 20kA и капацитет за абсорбирање на енергија од 8800J по единица. Кога напонот на автобусот надмине 1350V, MOV почнува да проводи и да абсорбира излишна енергија; ако напонот се зголеми до 1400V, GTO се активира, брзо преведувајќи го излишокот на напон во резистор за да се врати напонот до сигурна вредност. Детекторската кружница непрекинато го мониторира напонот на автобусот.

Кога напонот се намали под 1250V и остане таму за 50ms, се испраќа сигнал за откажување, изключувајќи GTO и враќајќи системот во нормална работа. Ако напонот на автобусот остане над 1400V за повеќе од 100ms, се идентификува тешка грешка од прекумерен напон, и инверторот влегува во софтверска застопничка состојба, потребна за рачно рестартирање пред повторното започнување. Практиката покажува дека со оваа кружница за клипинг, 6кВ инвертор може да издржи 35% моментален прекумерен напон и да го суприми прекумерниот напон до 1,05 пати вредноста по правилникот во рамки на 100ms. Одговорот е брз и надежен, ефективно спречувајќи често искачување од прекумерен напон и значително подобрувајќи континуитета и надежнивоста на системот.

3.3 Дизајн за споделување на струјата

За да се справи со грешките од прекумерна температура, технологијата за споделување на струјата може да се користи за намалување на генерирањето на топлина во критични компоненти како IGBT-ови и радијатори, спречувајќи ги термичките искачувања.

Специфични мерки вклучуваат поврзување на 1-2 електролитни кондензатори во паралела помеѓу положителните и негативните DC автобусни терминали на секој моќен единица. Кондензаторите треба да имаат капацитет од 1000-2200μF, напонска класа ≥1600V и непрекината риплинг струја ≥100A. Кога излезната струја на инверторот надмине 1,2 пати вредноста по правилникот (на пример, 900A), овие паралелни кондензатори можат да дадат способност за споделување на струјата од 10% до 20%, намалувајќи ја актуелната струја през IGBT-овите до 720-810A. Затоа што загубите на проводливоста на IGBT-овите се пропорционални со квадратот на струјата, овој пристап ефективно ги намалува температурните нагреви.

Во формулата: PCPC е загубата на проводливост на IGBT-овите (W); VCEVCE е насытен напон на IGBT-овите (V), кој има линеарна врска со струјата ICIC (A); UηUη е напонот за активација на IGBT-овите (V); $K$ е факторот за увеќење на струјата на IGBT-овите.

Може да се види дека со примената на мерки за споделување, загубата на проводливост на IGBT-овите може да се намали за 19% до 36%, а температурата на чипот може да се намали за 10°C до 25°C, значително го намалува проблемот со нагревањето на инверторот.

Освен тоа, инсталирајте 1 до 2 електрични вентилатори во паралела на входот и излезот на радијаторот на инверторот, со номинална волумена на воздухот ≥ 3000 m³/h, што може ефективно да го подобри охладувањето на радијаторот. Инсталирајте 6 до 8 температурски сензори внатрешно во контролниот кабинет за реално време мониторирање на температурите на различните моќни единици, матерна плоча, IGBT управувачка плоча, итн. Кога температурата на било која точка надмине 65°C, контролниот систем одма започнува електричниот вентилатор на целосна брзина и испраќа сигнал "предупредување за намалување на оптерењето" до контролниот единиц на инверторот.

Ако температурата продолжи да се зголемува до 75°C и трае повеќе од 10 минути, системот испраќа сигнал "предупредување за прекумерна температура", ограничувајќи го максималниот излезен струјен проток на инверторот под 50% од вредноста по правилникот сѐ додека температурата не се намали под 60°C, кога "предупредувањето за прекумерна температура" се откажува.

Ако температурата на било која мерна точка надмине 85°C и струјата на моторот не се намали под 30% од вредноста по правилникот, инверторот одма го замрзува хардверот и спира излезот. За да се подобри охладувањето, применете наноматериал како графен или карбонови нанотрубки на радијаторите на IGBT-овите на секој моќен единица, користејќи нивната ултра-висока теплопроводност за брзо охладување на чиповите на IGBT-овите, што го намалува температурата на чипот.

4 Ефективност на мерките за предотвратување
4.1 Експериментален дизајн

ZINVERT-6kV/1500kVA интелигентниот високонапоени инвертор се користи како тест објект, и се провела группна контролна експериментална студија за да се верификува ефективноста на предложените три мерки за предотвратување. Експериментите се изведени под услови на номинална работа (влезен напон: 6кВ±5%; околна температура: 25°C±2°C; релативна влажност: 65%±5%). Експериментот беше поделен на четири групи: контролната група не користеше никакви мерки за предотвратување; Група A користеше резистор за ограничување на струјата од 2,2Ω/350W со брз паралелен превклучувач MSC-500; Група B користеше кружница за клипинг на напонот формирана од TYN-20/141 варијатор и IXYS-GTO поврзани во паралела, со клипинг напон поставен на 1420V; Група C користеше електролитен кондензатор од 2000μF/1600V (Hitachi HCG серија) поврзан во паралела за споделување на струјата, комбиниран со променлива скорост на вентилаторот од 3500 m³/h (EBM-W3G450) за силно охладување.

Секоја група работеше непрекинато за 72 часа, со записување на клучни параметри - како што се излезната струја на инверторот, напонот на DC автобусот и температурата на јункцијата на IGBT-овите - секои 6 часа. Податоците беа собрани со користење на Fluke 435-II анализатор на качеството на електричната енергија и HIOKI 8847 регистратор на податоци. Токму во експериментот, се симулирани три типични сценарија за грешки: паметна прекумерна струја (8 пати вредноста по правилникот / 0,5s), флуктуации на напонот на мрежата (+20% / 1s) и работа на полна капацитет (околна температура 35°C / 2h). Експерименталната постава е прикажана на Слика 1.

4.2 Анализа на резултатите

После 72 часа непрекината работа, податоците од четирите групи беа собрани и анализирани, со резултати прикажани во Табела 1. Контролната група искачува под сите три услови за грешка, додека експерименталните групи со мерки за предотвратување демонстрираа ефективно супримување на грешките. Во Група A, врвната стартна струја се намали од 7,8 до 2,2 пати вредноста по правилникот, ефективно спречувајќи грешките од прекумерна струја.

Во Група B, кружницата за клипинг на напонот ограничи максималната флуктуација на напонот на DC автобусот до 1368V, далеч под границата на заштита од 1420V. Во Група C, комбинацијата на споделување на струјата и силно охладување одржа максималната температура на јункцијата на IGBT-овите под 87,5°C, значително подолгу од границата на искачување од 100°C. Повеќе од тоа, временската реакција на сите три мерки за предотвратување беше во рамки на 100ms, задоволствувајќи барањето за брза заштита. Не се појавија лажни активации во текот на експериментот, што покажува стабилна и надежна перформанса на системот.

5 Заклучок

Оваа студија систематски ја анализира причината за ненормалните искачувања на 6кВ високонапоените инвертори и предложи цилене мерки за предотвратување. Експерименталните резултати го потврдуваат тоа што резисторот за ограничување на струјата ефективно контролира паметната струја, кружницата за клипинг на напонот значително го супримува прекумерниот напон на DC автобусот, а комбинацијата на споделување на струјата со силно охладување значително го намалува