Mencegah Gangguan pada Inverter Tegangan Tinggi 6kV

Pemangkin tegangan tinggi adalah peralatan penting untuk kawalan kelajuan motor AC dan digunakan secara meluas dalam aplikasi pengaturan kelajuan motor tegangan tinggi dan kuasa tinggi dalam industri seperti pengekalan, metalurgi, minyak, dan penjanaan tenaga. Namun, pemangkin tegangan tinggi 6kV sering mengalami masalah lompatan pemanduan tidak normal semasa operasi disebabkan oleh faktor-faktor seperti fluktuasi grid dan impak beban, yang secara signifikan mempengaruhi keselamatan dan kebolehpercayaan sistem kawalan kelajuan motor.

Untuk memastikan operasi stabil sistem pemangkin frekuensi berubah-ubah (VFD) tegangan tinggi, meningkatkan kecekapan industri, dan mengurangkan penggunaan tenaga, kerajaan telah memperkenalkan siri polisi yang mendorong penyelidikan dan penggunaan teknologi pemangkin tegangan tinggi. Oleh itu, analisis mendalam tentang sebab-sebab lompatan tidak normal dalam pemangkin tegangan tinggi 6kV dan pembangunan langkah-langkah pencegahan yang berkesan sangat penting untuk memajukan teknologi VFD tegangan tinggi dan mengekalkan pertumbuhan ekonomi industri.

1 Gambaran Umum Pemangkin Tegangan Tinggi 6kV

Pemangkin tegangan tinggi 6kV adalah peranti elektronik kuasa tinggi yang menggunakan IGBT sebagai unsur pemintas dan mengamalkan topologi multilevel untuk mencapai kawalan kelajuan frekuensi berubah-ubah pada 6kV dan lebih tinggi. Unit-unit kuasanya biasanya mengambil alih litar tiga tahap titik neutral terkekang (3L-NPC) atau litar lima tahap titik neutral aktif terkekang (5L-ANPC), dibina dengan merangkaikan beberapa submodul. Setiap submodul mengandungi 6-24 IGBT dan dioda bebas, menghasilkan gelombang bertingkat 9-17, yang menghampiri gelombang sinus selepas difilter.

Kapasiti tipikal berkisar dari 3000 hingga 14,000 kVA, dengan tahap voltan merangkumi 6kV, 10kV, dan 35kV. Untuk keperluan kapasiti dan voltan yang lebih tinggi, topologi pemangkin multilevel modul (MMC) boleh digunakan, di mana submodul mengamalkan struktur setengah jambatan atau jambatan penuh, dengan ratusan submodul ditumpuk per fasa, membolehkan tahap voltan sehingga 220kV dan kapasiti unit tunggal sehingga 400 MVA, sesuai untuk aplikasi seperti integrasi grid tenaga berasaskan sumber boleh diperbaharui, tenaga angin luar pantai, dan transmisi DC fleksibel. Strategi kawalan pemangkin tegangan tinggi adalah kompleks, melibatkan teknologi utama seperti modulasi fasa bergeser pembawa, penyeimbangan arus, deteksi tanpa sensor, dan pengoptimuman pelemahan medan.

2 Lompatan Pemanduan Tidak Normal dalam Pemangkin Tegangan Tinggi 6kV

Semasa operasi, pemangkin tegangan tinggi 6kV sering lompat disebabkan oleh anomali seperti arus berlebihan, voltan berlebihan, dan panasan berlebihan. Kesalahan arus berlebihan biasanya berlaku semasa permulaan atau perubahan beban mendadak, di mana arus seketika mungkin melebihi 2-3 kali nilai dinamakan. Jika arus melebihi 1600A selama lebih dari 100ms atau 2000A selama lebih dari 10ms, pemangkin segera memblok IGBT dan memutuskan kontak output, memicu lompatan perlindungan peranti keras.

Kesalahan voltan berlebihan biasanya disebabkan oleh fluktuasi grid atau perubahan beban mendadak. Apabila voltan bus DC melebihi 1.2 kali nilai dinamakan (1368V), perlindungan voltan berlebihan perisian diaktifkan; jika melebihi 1.35 kali (1026V), perlindungan peranti keras secara langsung melompat. Kesalahan panasan berlebihan biasanya berlaku dalam persekitaran suhu tinggi atau semasa operasi beban berlebihan yang panjang. Apabila suhu IGBT melebihi 90°C atau suhu heatsink melebihi 70°C selama lebih dari 5 minit, sistem mengeluarkan amaran suhu tinggi; lompatan terjadi secara langsung jika suhu mencapai 100°C atau 80°C, masing-masing. Ciri umum ketiga-tiga jenis kesalahan ini adalah pengaktifan mekanisme pelindungan sendiri pemangkin, yang dengan cepat memutuskan output dengan memblok IGBT dan memutuskan kontak, mengakibatkan fenomena seperti penghentian darurat motor dan isyarat kesalahan berkedip.

3 Langkah-langkah Pencegahan
3.1 Rintangan Pembatas Arus

Untuk mengatasi kesalahan arus berlebihan, rintangan pembatas arus boleh dipasang secara bersiri antara output pemangkin dan motor. Pengukuran lapangan menunjukkan bahawa apabila pemangkin 6kV/1500kVA memulakan motor 380kW atau lebih besar, arus permulaan seketika boleh mencapai 5-8 kali arus dinamakan, jauh melebihi set perlindungan arus berlebihan.

Untuk menekan arus permulaan, rintangan kawat-wound atau varistor seng oksida bukan linear dengan rintangan 1-3Ω dan daya dinamakan 200-500W boleh digunakan. Yang kedua mempunyai rintangan keadaan sejuk di atas 100Ω dan menurun dengan cepat seiring dengan peningkatan arus, membatasi arus permulaan puncak kepada dalam 2-3 kali nilai dinamakan. Selepas permulaan motor, apabila frekuensi output pemangkin naik di atas 40Hz dan arus turun di bawah nilai dinamakan, jatuh voltan di seberang rintangan kurang dari 50V.

Pada titik ini, kontak bypass memendekkan rintangan untuk mengelakkan kehilangan kuasa berterusan. Jika arus melonjak semasa permulaan, apabila transformator arus mendeteksi nilai yang melebihi 1200A, sistem kawalan mengeluarkan amaran; jika mencapai 1500A, pemangkin segera memblok IGBT dan membuka kontak bypass, memasukkan semula rintangan pembatas arus untuk mengurangkan arus dengan cepat. Kontak bypass kemudian ditutup semula untuk memulihkan operasi normal. Proses beralih keseluruhan mengambil masa kurang dari 0.5s, menekan lonjakan arus dengan efektif, memastikan permulaan motor yang lancar, dan meningkatkan kebolehpercayaan pemangkin secara signifikan.

3.2 Litar Kekangan Voltan

Untuk menekan kesalahan voltan berlebihan, litar kekangan voltan boleh dipasang secara paralel ke bus DC. Litar ini terutamanya terdiri daripada varistor oksida logam (MOV), thyristor pantas (GTO), dan litar deteksi. Data lapangan menunjukkan bahawa perlindungan voltan berlebihan perisian diaktifkan apabila voltan grid berfluktuasi lebih dari 15% atau apabila pengurangan beban menyebabkan voltan bus DC melebihi 1300V selama lebih dari 20ms.

Untuk mencegah kesalahan tersebut, MOV TYN-20/141 boleh digunakan, dengan voltan pencetus 1420V, arus pelepasan maksimum 20kA, dan kapasiti penyerapan tenaga 8800J per unit. Apabila voltan bus melebihi 1350V, MOV bermula untuk mengalir dan menyerap tenaga berlebihan; jika voltan meningkat ke 1400V, GTO dipicu, dengan cepat mengalihkan tenaga voltan berlebihan ke rintangan untuk memulihkan voltan ke tahap selamat. Litar deteksi terus-menerus memantau voltan bus.

Apabila voltan turun di bawah 1250V dan kekal selama 50ms, isyarat pelepasan dihantar, mematikan GTO dan memulihkan operasi sistem normal. Jika voltan bus kekal di atas 1400V selama lebih dari 100ms, kesalahan voltan berlebihan yang serius dikenali, dan pemangkin memasuki keadaan pengunci perisian, memerlukan reset manual sebelum dimulakan semula. Praktek menunjukkan bahawa dengan litar kekangan ini, pemangkin 6kV boleh menahan 35% voltan berlebihan seketika dan menekan voltan berlebihan kepada dalam 1.05 kali voltan dinamakan dalam 100ms. Tanggapan cepat dan dapat dipercayai, mencegah lompatan voltan berlebihan yang sering dan meningkatkan keberlanjutan dan kebolehpercayaan sistem secara signifikan.

3.3 Reka Bentuk Perkongsian Arus

Untuk mengatasi kesalahan panasan berlebihan, teknologi perkongsian arus boleh digunakan untuk mengurangkan penghasilan haba dalam komponen-komponen penting seperti IGBT dan heatsink, mencegah lompatan termal.

Langkah-langkah tertentu termasuk menyambung 1-2 kapasitor elektrolit secara paralel di antara terminal positif dan negatif bus DC setiap unit kuasa. Kapasitor harus mempunyai kapasitansi 1000-2200μF, penarafan voltan ≥1600V, dan arus riak berterusan ≥100A. Apabila arus output pemangkin melebihi 1.2 kali nilai dinamakan (contohnya, 900A), kapasitor paralel ini boleh memberikan kapabilitas perkongsian arus 10%-20%, mengurangkan arus sebenar melalui IGBT kepada 720-810A. Mengingat bahawa kerugian konduksi IGBT berkadar dengan kuasa dua arus, pendekatan ini dengan efektif mengurangkan kenaikan suhu.

Dalam formula: PCPC adalah kerugian konduksi IGBT (W); VCEVCE adalah voltan jemu IGBT (V), yang mempunyai hubungan linear dengan arus ICIC (A); UηUη adalah voltan hidup IGBT (V); $K$ adalah faktor penguat arus IGBT.

Dapat dilihat bahawa selepas mengambil langkah-langkah pembagian, kerugian konduksi IGBT boleh dikurangkan sebanyak 19% hingga 36%, dan suhu jun chip boleh berkurang 10°C hingga 25°C, dengan demikian mengurangi masalah pemanasan pemangkin secara signifikan.

Selain itu, pasang 1 hingga 2 kipas elektrik secara paralel di inlet dan outlet heatsink pemangkin, dengan daya udara dinamakan ≥ 3000 m³/h, yang dapat meningkatkan keberkesanan pendinginan heatsink secara efektif. Pasang 6 hingga 8 sensor suhu di dalam kabinet kawalan untuk memantau suhu pelbagai unit kuasa, motherboard, papan pemandu IGBT, dll., secara real-time. Apabila suhu mana-mana titik melebihi 65°C, sistem kawalan segera memulakan kipas elektrik pada kelajuan penuh dan menghantar isyarat "peringatan pengurangan beban" ke unit kawalan pemangkin.

Jika suhu terus meningkat ke 75°C dan berlangsung lebih dari 10 minit, sistem mengeluarkan isyarat "peringatan suhu berlebihan", membatasi arus output maksimum pemangkin di bawah 50% nilai dinamakan sehingga suhu turun di bawah 60°C, pada titik itu "peringatan suhu berlebihan" dicabut.

Jika suhu mana-mana titik pengukuran melebihi 85°C dan arus motor tidak turun di bawah 30% nilai dinamakan, pemangkin segera mengunci peranti keras dan menghentikan output. Untuk lebih meningkatkan keberkesanan pendinginan, terapkan bahan nanoscale seperti graphene atau nanotube karbon pada heatsink IGBT setiap unit kuasa, menggunakan konduktiviti haba ultra-tinggi mereka untuk mempercepatkan pelepasan haba chip IGBT, dengan demikian mengurangi suhu jun.

4 Keberkesanan Langkah-langkah Pencegahan
4.1 Reka Bentuk Eksperimen

Pemangkin tegangan tinggi pintar ZINVERT-6kV/1500kVA digunakan sebagai objek ujian, dan eksperimen kawalan berkelompok dilakukan untuk mengesahkan keberkesanan tiga langkah-langkah pencegahan yang dicadangkan. Eksperimen dilakukan di bawah syarat operasi dinamakan (voltan input: 6kV±5%; suhu ambien: 25°C±2°C; kelembaban relatif: 65%±5%). Eksperimen dibahagikan kepada empat kumpulan: kumpulan kawalan tidak mengambil langkah-langkah pencegahan; Kumpulan A menggunakan rintangan pembatas arus 2.2Ω/350W dengan switch bypass pantas MSC-500; Kumpulan B menggunakan litar kekangan voltan yang dibentuk oleh varistor TYN-20/141 dan IXYS-GTO yang disambung secara paralel, dengan voltan kekangan ditetapkan pada 1420V; Kumpulan C menggunakan kapasitor elektrolit 2000μF/1600V (siri Hitachi HCG) yang disambung secara paralel untuk perkongsian arus, digabungkan dengan kipas kelajuan berubah-ubah 3500 m³/h (EBM-W3G450) untuk pendinginan paksa.

Setiap kumpulan beroperasi secara berterusan selama 72 jam, dengan parameter utama - seperti arus output pemangkin, voltan bus DC, dan suhu jun IGBT - direkod setiap 6 jam. Data dikumpulkan menggunakan analisis kualiti kuasa Fluke 435-II dan logger data HIOKI 8847. Semasa eksperimen, tiga skenario kesalahan tipikal disimulasikan: arus inrush (8 kali arus dinamakan / 0.5s), fluktuasi voltan grid (+20% / 1s), dan operasi beban penuh (suhu ambien 35°C / 2h). Susunan eksperimen ditunjukkan dalam Rajah 1.

4.2 Analisis Hasil

Selepas 72 jam operasi berterusan, data dari empat kumpulan dikumpulkan dan dianalisis, dengan hasil dipaparkan dalam Jadual 1. Kumpulan kawalan mengalami lompatan di bawah semua tiga keadaan kesalahan, manakala kumpulan eksperimen dengan langkah-langkah pencegahan menunjukkan penekanan kesalahan yang berkesan. Dalam Kumpulan A, arus permulaan puncak dikurangkan dari 7.8 menjadi 2.2 kali nilai dinamakan, mencegah lompatan arus berlebihan dengan efektif.

Dalam Kumpulan B, litar kekangan voltan membatasi fluktuasi voltan bus DC maksimum kepada 1368V, jauh di bawah ambang pengesanan 1420V. Dalam Kumpulan C, kombinasi perkongsian arus dan pendinginan paksa mengekalkan suhu jun IGBT maksimum di bawah 87.5°C, secara signifikan lebih rendah daripada ambang lompatan 100°C. Selain itu, masa tanggapan semua tiga langkah-langkah pencegahan berada dalam 100ms, memenuhi keperluan perlindungan pantas. Tiada pemicuan palsu berlaku semasa eksperimen, menunjukkan prestasi sistem yang stabil dan boleh dipercayai.

5 Kesimpulan

Penelitian ini menganalisis sistematik sebab-sebab lompatan tidak normal dalam pemangkin tegangan tinggi 6kV dan mencadangkan langkah-langkah pencegahan yang ditarget. Hasil eksperimen mengesahkan bahawa rintangan pembatas arus mengawal arus inrush dengan efektif, litar kekangan voltan menekan voltan berlebihan bus DC secara signifikan, dan kombinasi perkongsian arus dengan pendinginan paksa mengurangkan risiko panasan berlebihan IGBT secara signifikan, dengan demikian meningkatkan kebolehpercayaan sistem secara keseluruhan.