Voorkomen van uitschakeling in 6kV-hoogspanningsinverters

Hoogspanningsinverters zijn cruciale apparaten voor de regeling van de snelheid van wisselstroommotoren en worden breed toegepast in industrieën zoals hijsen, metallurgie, olie en energieopwekking, waar hoge vermogens en hoge spanning nodig zijn voor de regeling van de motorsnelheid. Echter, tijdens het gebruik ervan komen 6kV hoogspanningsinverters vaak te maken met abnormale stuurfouten die leiden tot uitvallen, veroorzaakt door factoren zoals netwerkfluctuaties en belastingsschokken, wat de veiligheid en betrouwbaarheid van de motorsnelheidsregelsystemen aanzienlijk beïnvloedt.

Om een stabiele werking van hoogspanningsvariabele frequentie-aandrijfsystemen (VFD) te garanderen, de industriële efficiëntie te verbeteren en de energieverbruik te verlagen, heeft de overheid een reeks beleid ingevoerd om het onderzoek naar en de toepassing van hoogspanningsinvertertechnologie te stimuleren. Daarom is een grondige analyse van de oorzaken van abnormale uitschakelfouten bij 6kV hoogspanningsinverters en de ontwikkeling van effectieve preventieve maatregelen van groot belang voor de voortgang van VFD-technologie en het behoud van industriële economische groei.

1 Overzicht van 6kV Hoogspanningsinverters

Een 6kV hoogspanningsinverter is een krachtige elektronische schakelaar die IGBT's gebruikt als schakelelementen en een veelvlakkige topologie toepast om variabele-frequentie snelheidsregeling te realiseren op 6kV en hoger. De vermogensmodules gebruiken meestal drie-niveaus neutraalpunt geklampte (3L-NPC) of vijf-niveaus actieve neutraalpunt geklampte (5L-ANPC) circuits, opgebouwd door het koppelen van meerdere submodulen. Elk submodule bevat 6-24 IGBT's en vrije-wiel-diodes, waardoor een gestapeld signaal met 9-17 niveaus wordt gegenereerd, dat na filtering een sinusgolf benadert.

De typische capaciteit varieert van 3000 tot 14.000 kVA, met spanningniveaus die 6kV, 10kV en 35kV omvatten. Voor hogere capaciteiten en spanningseisen kan de modulaire veelvlakkige converter (MMC) topologie worden gebruikt, waarbij submodulen halfbrug- of volledige brugstructuren gebruiken, met honderden submodulen gestapeld per fase, waardoor spanningniveaus tot 220kV en eenheden met een capaciteit tot 400 MVA mogelijk zijn, geschikt voor toepassingen zoals de integratie van hernieuwbare energie in het net, offshore windenergie en flexibele gelijkstroomtransmissie. De besturingstrategie van hoogspanningsinverters is complex en omvat sleuteltechnologieën zoals draaggolf gefaseerde modulatie, stroombalansering, sensorloze detectie en veldverzwakkingsoptimalisatie.

2 Abnormale Stuuruitval Fouten in 6kV Hoogspanningsinverters

Tijdens de werking treden 6kV hoogspanningsinverters vaak uit door abnormale situaties zoals overstroom, overspanning en oververhitting. Overstroom fouten treden doorgaans op tijdens het opstarten of plotselinge belastingsveranderingen, waarbij de momentane stroom 2-3 keer de nominale waarde kan overschrijden. Als de stroom langer dan 100 ms boven 1600 A of meer dan 10 ms boven 2000 A uitkomt, blokkeert de inverter onmiddellijk de IGBT's en schakelt de uitgangscontactor uit, waardoor hardware bescherming activeert.

Overspanningsfouten worden meestal veroorzaakt door netwerkfluctuaties of abrupte belastingsveranderingen. Wanneer de gelijkstroombusspanning 1,2 keer de nominale waarde (1368 V) overschrijdt, wordt softwareoverspanningsbescherming geactiveerd; als deze 1,35 keer (1026 V) overschrijdt, treedt direct hardware bescherming in. Oververhittingsfouten komen vaak voor in hoge temperatuur omgevingen of tijdens langdurige overbelasting. Wanneer de IGBT-temperatuur 90°C of de koeler-temperatuur 70°C voor meer dan 5 minuten overschrijdt, geeft het systeem een hoge temperatuurwaarschuwing; als de temperaturen respectievelijk 100°C of 80°C bereiken, treedt direct uitschakeling in. Een gemeenschappelijk kenmerk van deze drie fouttypes is de activatie van de zelfbeschermingsmechanisme van de inverter, die snel de uitgang afsnijdt door de IGBT's te blokkeren en contactors te ontkoppelen, wat resulteert in verschijnselen zoals noodstop van de motor en knipperende foutmeldingen.

3 Preventieve Maatregelen
3.1 Stromerem Resistor

Om overstroomfouten aan te pakken, kan een stromerem resistor in serie worden aangesloten tussen de inverteruitgang en de motor. Veldmetingen tonen aan dat bij het starten van een motor van 380 kW of groter met een 6kV/1500kVA inverter, de momentane startstroom 5-8 keer de nominale stroom kan bereiken, ver boven de overstroombeschermingsinstelling.

Om de startstroom te beperken, kan een gewonden resistor of een niet-lineaire zinkoxide-varistor met een weerstand van 1-3Ω en een nominale vermogen van 200-500W worden gebruikt. Laatstgenoemde heeft een koude-staat-weerstand boven 100Ω en daalt snel af als de stroom toeneemt, waardoor de piekstartstroom binnen 2-3 keer de nominale waarde wordt beperkt. Na het opstarten van de motor, wanneer de inverteruitgangsfrequentie boven 40 Hz stijgt en de stroom onder de nominale waarde komt, is het spanningsverval over de resistor minder dan 50V.

Op dit moment kortsluit een bypass-contacteur de resistor om continu vermogensverlies te voorkomen. Als er een stroomsprong optreedt tijdens het opstarten, en de stroomtransformatie een waarde boven 1200A detecteert, geeft het besturingssysteem een waarschuwing; als deze 1500A bereikt, blokkeert de inverter onmiddellijk de IGBT's en opent de bypass-contacteur, waardoor de stromerem resistor opnieuw wordt ingevoegd om de stroom snel te verlagen. De bypass-contacteur wordt vervolgens heropengesteld om de normale werking te herstellen. Het hele schakelproces duurt minder dan 0,5 seconden, waardoor stroomsprongen effectief worden onderdrukt, een soepele start van de motor wordt gegarandeerd en de betrouwbaarheid van de inverter aanzienlijk wordt verbeterd.

3.2 Spanningsbegrenzingscircuit

Om overspanningsfouten te onderdrukken, kan een spanningsbegrenzingscircuit parallel aan de gelijkstroombus worden aangesloten. Dit circuit bestaat voornamelijk uit een metaaloxide-varistor (MOV), een snelle thyristor (GTO) en een detectiecircuit. Veldgegevens tonen aan dat softwareoverspanningsbescherming actief wordt wanneer het netwerkspanning fluctueert met meer dan 15% of wanneer de belastingvermindering de gelijkstroombusspanning boven 1300V laat stijgen gedurende meer dan 20ms.

Om dergelijke fouten te voorkomen, kan een TYN-20/141 MOV worden gebruikt, met een trigger-spanning van 1420V, een maximale afvoerstroom van 20kA en een energie-absorptiecapaciteit van 8800J per eenheid. Wanneer de busspanning 1350V overschrijdt, begint de MOV te geleiden en overtollige energie op te nemen; als de spanning stijgt tot 1400V, wordt de GTO getriggerd, waardoor de overspanningsenergie snel via een resistor wordt afgevoerd om de spanning terug te brengen naar een veilig niveau. Het detectiecircuit monitort voortdurend de busspanning.

Wanneer de spanning onder 1250V valt en daar 50ms blijft, wordt een vrijgeefsignaal verzonden, waardoor de GTO wordt uitgeschakeld en de normale systeemoperatie wordt hersteld. Als de busspanning langer dan 100ms boven 1400V blijft, wordt een ernstige overspanningsfout geïdentificeerd, en gaat de inverter in een software-lockoutstatus, waarna handmatige reset vereist is voordat de start kan worden hervat. Praktijkresultaten tonen aan dat met dit begrenzingscircuit, een 6kV inverter 35% instantane overspanning kan doorstaan en overspanningen binnen 1,05 keer de nominale spanning kan onderdrukken binnen 100ms. De respons is snel en betrouwbaar, wat effectief voorkomt dat er vaak overspanningsuitval plaatsvindt en de systemcontinuïteit en -betrouwbaarheid aanzienlijk verbetert.

3.3 Stromedeelend Ontwerp

Om oververhittingsfouten aan te pakken, kan stromedeelende technologie worden gebruikt om warmte-ontwikkeling in essentiële componenten zoals IGBT's en koellichamen te verminderen, waardoor thermische uitschakeling wordt voorkomen.

Specifieke maatregelen omvatten het aansluiten van 1-2 elektrolytische condensatoren parallel aan de positieve en negatieve gelijkstroombuspunten van elke vermogensmodule. De condensatoren moeten een capaciteit hebben van 1000-2200µF, een spanningrating ≥1600V en een continue ripplestroom ≥100A. Wanneer de inverteruitgangsstroom 1,2 keer de nominale waarde (bijvoorbeeld 900A) overschrijdt, kunnen deze parallelle condensatoren 10%-20% stroomdeelingscapaciteit bieden, waardoor de werkelijke stroom door de IGBT's tot 720-810A wordt verlaagd. Aangezien de geleidingverliezen van IGBT's evenredig zijn aan het kwadraat van de stroom, reduceert deze benadering effectief de temperatuurstijging.

In de formule: PCPC is de IGBT geleidingverliezen (W); VCEVCE is de IGBT-verzadigingsspanning (V), die een lineair verband heeft met de stroom ICIC (A); UηUη is de inschakelspanning van de IGBT (V); $K$ is de stroomversterkingsfactor van de IGBT.

Het kan worden gezien dat na het nemen van stroomdeelende maatregelen, de geleidingverliezen van de IGBT met 19% tot 36% kunnen worden verlaagd, en de chipverbindingstemperatuur met 10°C tot 25°C kan dalen, waardoor het verhittingsprobleem van de inverter aanzienlijk wordt verlicht.

Daarnaast, installeer 1 tot 2 elektrische ventilatoren parallel aan de in- en uitlaat van de inverterkoeler, met een nominale luchtstroom van ≥ 3000 m³/h, wat de koelingswerking van de koeler effectief kan versterken. Installeer 6 tot 8 temperatuursensoren binnen de bedieningskast om de temperaturen van verschillende vermogensmodules, moederplaat, IGBT-stuurplaat, etc., in real-time te monitoren. Wanneer de temperatuur van welk punt dan ook boven 65°C stijgt, start het besturingssysteem onmiddellijk de elektrische ventilator op volle snelheid en stuurt een "belastingsvermindering waarschuwing" signaal naar de invertercontrole-eenheid.

Als de temperatuur blijft stijgen tot 75°C en langer dan 10 minuten duurt, geeft het systeem een "over-temperatuur alarm" signaal, waardoor de maximale uitgangsstroom van de inverter onder 50% van de nominale waarde wordt beperkt totdat de temperatuur onder 60°C daalt, waarna het "over-temperatuur alarm" wordt opgeheven.

Als de temperatuur van welk meetpunt dan ook boven 85°C stijgt en de motorstroom niet onder 30% van de nominale waarde daalt, blokkeert de inverter onmiddellijk de hardware en stopt de uitvoer. Om de koelingswerking verder te verbeteren, pas nanomaterialen zoals grafiet of koolstofnanobuisjes aan op de IGBT-koellichamen van elke vermogensmodule, gebruikmakend van hun ultra-hoge warmtegeleidingscapaciteit om de warmteafvoer van de IGBT-chips te versnellen, waardoor de verbindingstemperatuur wordt verlaagd.

4 Effectiviteit van Preventieve Maatregelen
4.1 Experimenteel Ontwerp

De ZINVERT-6kV/1500kVA intelligente hoogspanningsinverter werd gebruikt als testobject, en een gegroepeerde controle-experiment werd uitgevoerd om de effectiviteit van de drie voorgestelde preventieve maatregelen te verifiëren. De experimenten werden uitgevoerd onder nominale werkcondities (ingangsspanning: 6kV±5%; omgevingstemperatuur: 25°C±2°C; relatieve luchtvochtigheid: 65%±5%). Het experiment werd verdeeld in vier groepen: de controlegroep nam geen preventieve maatregelen; Groep A gebruikte een 2,2Ω/350W stromerem resistor met een MSC-500 snelle bypassschakelaar; Groep B gebruikte een spanningsbegrenzingscircuit gevormd door een TYN-20/141 varistor en een IXYS-GTO parallel verbonden, met de begrenzingsspanning ingesteld op 1420V; Groep C gebruikte een 2000µF/1600V elektrolytische condensator (Hitachi HCG-serie) parallel aangesloten voor stroomdeling, gecombineerd met een 3500 m³/h variabele snelheid ventilator (EBM-W3G450) voor gedwongen koeling.

Elke groep werkte continu 72 uur, met belangrijke parameters, zoals inverteruitgangsstroom, gelijkstroombusspanning en IGBT-verbindingstemperatuur, elke 6 uur vastgelegd. Gegevens werden verzameld met behulp van een Fluke 435-II kwaliteit analyzer en een HIOKI 8847 datalogger. Tijdens het experiment werden drie typische foutscenario's gesimuleerd: inrush-overstroom (8 keer nominale stroom / 0,5s), netwerkspanningsfluctuaties (+20% / 1s) en full-load-operatie (omgevingstemperatuur 35°C / 2u). De experimentele opzet is weergegeven in Figuur 1.

4.2 Resultaat Analyse

Na 72 uur continu werken, werden de gegevens van de vier groepen verzameld en geanalyseerd, met resultaten gepresenteerd in Tabel 1. De controlegroep ervoer uitschakeling onder alle drie de foutcondities, terwijl de experimentele groepen met preventieve maatregelen effectieve foutonderdrukking demonstreerden. In Groep A werd de piekstartstroom van 7,8 tot 2,2 keer de nominale waarde verlaagd, waardoor overstroomuitschakeling effectief werd voorkomen.

In Groep B beperkte het spanningsbegrenzingscircuit de maximale fluctuatie van de gelijkstroombusspanning tot 1368V, ver onder de beschermingsdrempel van 1420V. In Groep C bleef de maximale IGBT-verbindingstemperatuur onder 87,5°C, aanzienlijk lager dan de uitschakeldrempel van 100°C. Bovendien was de responstijd van alle drie de preventieve maatregelen binnen 100ms, voldoende aan de eis voor snelle bescherming. Er trad geen vals triggersignaal op tijdens het experiment, wat wijst op stabiele en betrouwbare systeemprestaties.

5 Conclusie

Dit onderzoek analyseerde systematisch de oorzaken van abnormale uitschakelingen bij 6kV hoogspanningsinverters en stelde gerichte preventieve maatregelen voor. De experimentele resultaten bevestigen dat de stromerem resistor effectief de inrushstroom controleert, het spanningsbegrenzingscircuit de DC-busoverspanning aanzienlijk onderdrukt, en de combinatie van stroomdeling met gedwongen koeling het risico op IGBT-oververhitting aanzienlijk vermindert, waardoor de algehele betrouwbaarheid van het systeem wordt verbeterd.