Zapobieganie wyłączaniu w odwracaczach napięcia wysokiego napięcia 6kV

Wysokoenergetyczne odwracacze są kluczowymi urządzeniami do sterowania prędkością silników przemiennych i są szeroko stosowane w regulacji prędkości wysokoprężnych, wysokonapięciowych silników w takich gałęziach przemysłu jak podnoszenie, metalurgia, nafta oraz generacja energii. Jednakże, 6kV wysokonapięciowe odwracacze często doświadczają nieprawidłowych awarii napędów podczas pracy z powodu czynników takich jak fluktuacje sieci i wpływy obciążenia, co znacznie wpływa na bezpieczeństwo i niezawodność systemów sterowania prędkością silników.

Aby zapewnić stabilną pracę systemów zmiennoprądowych napędów o zmiennej częstotliwości (VFD), zwiększyć efektywność przemysłową i zmniejszyć zużycie energii, rząd wprowadził szereg polityk zachęcających do badań i zastosowań technologii wysokonapięciowych odwracaczy. Dlatego też, szczegółowa analiza przyczyn nieprawidłowych awarii wyłączania 6kV wysokonapięciowych odwracaczy oraz opracowanie skutecznych środków zapobiegawczych ma duże znaczenie dla rozwoju technologii VFD o wysokim napięciu i utrzymania gospodarczego wzrostu przemysłu.

1 Przegląd 6kV wysokonapięciowych odwracaczy

6kV wysokonapięciowy odwracacz to wysokomocne urządzenie elektroniczne, które używa IGBT jako elementów przełączających i zastosowuje topologię wielopoziomową, aby osiągnąć sterowanie prędkością zmienną częstotliwość przy napięciu 6kV i wyższym. Jego jednostki mocy zwykle wykorzystują obwody trójpoziomowe z punktem neutralnym zablokowanym (3L-NPC) lub pięciopoziomowe aktywne z punktem neutralnym zablokowanym (5L-ANPC), budowane przez kaskadowe połączenie wielu modułów. Każdy moduł zawiera 6–24 IGBT i diody wolnego biegu, generując fale schodkowe o 9–17 poziomach, które po filtrowaniu przybliżają się do fali sinusoidalnej.

Typowe zakresy mocy wahają się od 3000 do 14 000 kVA, z poziomami napięcia obejmującymi 6kV, 10kV i 35kV. Dla wyższych wymagań dotyczących mocy i napięcia można użyć topologii wielopoziomowego konwertera modułowego (MMC), gdzie moduły wykorzystują struktury półmostka lub pełnego mostka, z setkami modułów ułożonych na fazę, umożliwiając napięcia do 220kV i pojedynczą moc jednostki do 400 MVA, odpowiednich dla zastosowań takich jak integracja siatki odnawialnych źródeł energii, energia wiatrowa morska i elastyczna transmisja prądu stałego. Strategia sterowania wysokonapięciowych odwracaczy jest skomplikowana, obejmując kluczowe technologie takie jak modulacja przesunięta fazowo nośnika, bilansowanie prądu, bezsensorowe wykrywanie i optymalizacja osłabienia pola.

2 Nieprawidłowe awarie wyłączania w 6kV wysokonapięciowych odwracaczach

Podczas działania, 6kV wysokonapięciowe odwracacze często wyłączają się z powodu anomalii takich jak nadprąd, nadnapięcie i przegrzewanie. Awarie nadprądowe zazwyczaj występują podczas startu lub nagłych zmian obciążenia, gdzie natężenie prądu może przekroczyć 2–3 razy wartość nominalną. Jeśli prąd przekracza 1600A przez ponad 100ms lub 2000A przez ponad 10ms, odwracacz natychmiast blokuje IGBT i rozłącza kontakt wyjściowy, wyzwalając tryb ochronny sprzętowy.

Awaryjne nadnapięcia są zwykle spowodowane fluktuacjami sieci lub nagłymi zmianami obciążenia. Gdy napięcie DC bus przekracza 1,2 raza wartość nominalną (1368V), uruchamia się ochrona nadnapięcia oprogramowania; jeśli przekracza 1,35 raza (1026V), ochrona sprzętowa bezpośrednio wyzwalana jest. Awaryjne przegrzewanie zazwyczaj występuje w środowisku o wysokiej temperaturze lub podczas długotrwałej pracy z przeciążeniem. Gdy temperatura IGBT przekracza 90°C lub temperatura chłodzenia przekracza 70°C przez więcej niż 5 minut, system emituje ostrzeżenie o wysokiej temperaturze; wyłączenie następuje bezpośrednio, gdy temperatury osiągną 100°C lub 80°C, odpowiednio. Wspólną cechą tych trzech typów awarii jest aktywacja mechanizmu samoodchrony odwracacza, który szybko odłącza wyjście poprzez blokowanie IGBT i rozłączanie kontaktorów, powodując zjawiska takie jak nagłe zatrzymanie silnika i migające alarmy awaryjne.

3 Środki zapobiegawcze
3.1 Rezystor ograniczający prąd

Aby rozwiązać problemy z nadprądami, można podłączyć rezystor ograniczający prąd szeregowo między wyjście odwracacza a silnikiem. Pomiarów terenowych pokazuje, że podczas startu 6kV/1500kVA odwracacza przez silnik o mocy 380kW lub większej, natężenie prądu startowego może osiągnąć 5–8 razy wartość nominalną, znacznie przekraczając ustawienie ochrony przed nadprądami.

Aby ograniczyć prąd startowy, można użyć drutowego rezystora lub nieliniowej waristoru oksydów cynku o oporności 1–3Ω i mocy znamionowej 200–500W. Ten drugi ma zimną oporność powyżej 100Ω i szybko maleje, gdy prąd rośnie, ograniczając szczytowy prąd startowy do 2–3 razy wartości nominalnej. Po starcie silnika, gdy częstotliwość wyjściowa odwracacza przekracza 40Hz i prąd spada poniżej wartości nominalnej, spadek napięcia na rezystorze jest mniejszy niż 50V.

W tym momencie kontakt pomostowy króci rezystor, aby uniknąć ciągłej straty mocy. Jeśli podczas startu wystąpi gwałtowny wzrost prądu, a transformator prądowy wykryje wartość przekraczającą 1200A, system sterujący emituje ostrzeżenie; jeśli osiągnie 1500A, odwracacz natychmiast blokuje IGBT i otwiera kontakt pomostowy, ponownie wprowadzając rezystor ograniczający prąd, aby szybko zredukować prąd. Kontakt pomostowy jest następnie ponownie zamknięty, przywracając normalną pracę. Cały proces przełączania zajmuje mniej niż 0,5s, skutecznie tłumiąc szczyty prądu, zapewniając płynny start silnika i znacznie zwiększając niezawodność odwracacza.

3.2 Obwód zaciskający napięcie

Aby ograniczyć awaryjne nadnapięcia, można podłączyć obwód zaciskający napięcie równolegle do DC bus. Ten obwód składa się głównie z waristoru oksydów metali (MOV), szybkiego thyristora (GTO) i obwodu detekcyjnego. Dane terenowe pokazują, że ochrona oprogramowania nadnapięcia aktywuje się, gdy napięcie sieci fluktuuje o ponad 15% lub gdy zmniejszenie obciążenia powoduje, że napięcie DC bus przekracza 1300V przez ponad 20ms.

Aby zapobiec tego typu awariom, można użyć TYN-20/141 MOV, z napięciem wyzwalającym 1420V, maksymalnym prądem odprowadzającym 20kA i zdolnością absorpcji energii 8800J na jednostkę. Gdy napięcie bus przekracza 1350V, MOV zaczyna przewodzić i absorbuje nadmiar energii; jeśli napięcie wzrośnie do 1400V, GTO wyzwalany jest, szybko odprowadzając nadmiar energii nadnapięcia do rezystora, przywracając napięcie do bezpiecznego poziomu. Obwód detekcyjny ciągle monitoruje napięcie bus.

Gdy napięcie spadnie poniżej 1250V i pozostanie na tym poziomie przez 50ms, wysyłany jest sygnał zwalniania, wyłączający GTO i przywracający normalną pracę systemu. Jeśli napięcie bus pozostanie powyżej 1400V przez ponad 100ms, identyfikowana jest poważna awaria nadnapięcia, a odwracacz wchodzi w stan oprogramowania blokady, wymagający manualnego resetu przed ponownym uruchomieniem. Praktyka pokazuje, że dzięki temu obwodowi zaciskającemu, 6kV odwracacz może wytrzymać 35% momentalne nadnapięcie i ograniczyć nadnapięcie do 1,05 razy napięcie nominalne w ciągu 100ms. Odpowiedź jest szybka i niezawodna, skutecznie zapobiegając częstym awariom nadnapięcia i znacząco zwiększając ciągłość i niezawodność systemu.

3.3 Projekt dzielenia prądu

Aby rozwiązać problemy z przegrzewaniem, można zastosować technologię dzielenia prądu, aby zmniejszyć generowanie ciepła w kluczowych komponentach, takich jak IGBT i chłodnice, zapobiegając awariom termicznym.

Konkretnymi środkami są podłączenie 1–2 kondensatorów elektrolitowych równolegle do dodatniego i ujemnego terminalu DC bus każdej jednostki mocy. Kondensatory powinny mieć pojemność 1000–2200μF, napięcie znamionowe ≥1600V i ciągły prąd falowy ≥100A. Gdy prąd wyjściowy odwracacza przekracza 1,2 raza wartość nominalną (np. 900A), te równoległe kondensatory mogą zapewnić zdolność dzielenia prądu o 10%–20%, redukując rzeczywisty prąd przez IGBT do 720–810A. Biorąc pod uwagę, że straty przewodzenia IGBT są proporcjonalne do kwadratu prądu, ten podejście skutecznie redukuje wzrost temperatury.

W formule: PCPC to straty przewodzenia IGBT (W); VCEVCE to napięcie nasycenia IGBT (V), które ma liniową zależność od prądu ICIC (A); UηUη to napięcie włączenia IGBT (V); $K$ to współczynnik wzmocnienia prądu IGBT.

Można zauważyć, że po zastosowaniu środków rozdzielania, straty przewodzenia IGBT mogą być zmniejszone o 19% do 36%, a temperatura strefy cząsteczkowej może spaść o 10°C do 25°C, co znacznie łagodzi problem ogrzewania odwracacza.

Dodatkowo, zainstaluj 1 do 2 wentylatorów elektrycznych równolegle na wejściu i wyjściu chłodnicy odwracacza, z znamionowym przepływem powietrza ≥ 3000 m³/h, co może skutecznie wzmocnić efekt chłodzenia chłodnicy. Ustaw 6 do 8 czujników temperatury wewnątrz szafy kontrolnej, aby monitorować temperatury różnych jednostek mocy, głównej płyty, płyty sterownika IGBT itp. w czasie rzeczywistym. Gdy temperatura w dowolnym punkcie przekroczy 65°C, system sterujący natychmiast uruchamia wentylator na pełną prędkość i wysyła sygnał "ostrzeżenia o zmniejszeniu obciążenia" do jednostki sterującej odwracaczem.

Jeśli temperatura będzie nadal rosła do 75°C i utrzymywała się przez więcej niż 10 minut, system emituje sygnał "alarmu nadmiernego ogrzania", ograniczając maksymalny prąd wyjściowy odwracacza do poniżej 50% wartości nominalnej, dopóki temperatura nie spadnie poniżej 60°C, wtedy "alarm nadmiernego ogrzania" zostaje usunięty.

Jeśli temperatura w dowolnym punkcie pomiarowym przekroczy 85°C, a prąd silnika nie spadnie poniżej 30% wartości nominalnej, odwracacz natychmiast blokuje sprzętowo i zatrzymuje wyjście. Aby dalej poprawić efekt chłodzenia, zastosuj nanomateriały, takie jak grafen lub nanorurki węglowe, na chłodnicach IGBT każdej jednostki mocy, korzystając z ich nadzwyczajnej przewodności ciepła, aby przyspieszyć rozproszenie ciepła z chipów IGBT, tym samym zmniejszając temperaturę strefy cząsteczkowej.

4 Skuteczność środków zapobiegawczych
4.1 Projekt eksperymentalny

Do testu użyto inteligentnego wysokonapięciowego odwracacza ZINVERT-6kV/1500kVA, a przeprowadzono grupowy eksperyment kontrolny, aby zweryfikować skuteczność trzech proponowanych środków zapobiegawczych. Eksperymenty przeprowadzono w warunkach nominalnych (napięcie wejściowe: 6kV±5%; temperatura otoczenia: 25°C±2°C; wilgotność względna: 65%±5%). Eksperyment podzielono na cztery grupy: grupa kontrolna nie zastosowała żadnych środków zapobiegawczych; Grupa A zastosowała rezystor ograniczający prąd o 2,2Ω/350W z szybkim przełącznikiem pomostowym MSC-500; Grupa B użyła obwodu zaciskającego napięcie zbudowanego z waristoru TYN-20/141 i IXYS-GTO podłączonym równolegle, z napięciem zaciskającym ustawionym na 1420V; Grupa C zastosowała kondensator elektrolitowy o pojemności 2000μF/1600V (seria Hitachi HCG) podłączony równolegle do dzielenia prądu, połączony z wentylatorem o zmiennych obrotach (EBM-W3G450) o przepływie 3500 m³/h do wymuszonego chłodzenia.

Każda grupa działała nieprzerwanie przez 72 godziny, z kluczowymi parametrami, takimi jak prąd wyjściowy odwracacza, napięcie DC bus i temperatura strefy cząsteczkowej IGBT, rejestrowanymi co 6 godzin. Dane zbierano za pomocą analizatora jakości energii Fluke 435-II i rejestratora danych HIOKI 8847. Podczas eksperymentu zasymulowano trzy typowe scenariusze awaryjne: impuls nadprądowy (8 razy prąd nominalny / 0,5s), fluktuacje napięcia sieci (+20% / 1s) i działanie z pełnym obciążeniem (temperatura otoczenia 35°C / 2h). Układ eksperymentalny przedstawiono na Rysunku 1.

4.2 Analiza wyników

Po 72 godzinach nieprzerwanej pracy zebrane i przeanalizowane dane z czterech grup przedstawione są w Tabeli 1. Grupa kontrolna doświadczyła awarii we wszystkich trzech warunkach awaryjnych, podczas gdy grupy eksperymentalne z środkami zapobiegawczymi wykazały skuteczne tłumienie awarii. W Grupie A, szczytowy prąd startowy został zmniejszony z 7,8 do 2,2 razy wartości nominalnej, skutecznie zapobiegając awariom nadprądowym.

W Grupie B, obwód zaciskający napięcie ograniczył maksymalną fluktuację napięcia DC bus do 1368V, znacznie poniżej progu ochronnego 1420V. W Grupie C, kombinacja dzielenia prądu i wymuszonego chłodzenia utrzymała maksymalną temperaturę strefy cząsteczkowej IGBT poniżej 87,5°C, znacznie niższą niż próg wyzwalania 100°C. Ponadto, czas reakcji wszystkich trzech środków zapobiegawczych był poniżej 100ms, spełniając wymóg szybkiej ochrony. Podczas eksperymentu nie wystąpiło fałszywych wyzwalania, co wskazuje na stabilne i niezawodne działanie systemu.

5 Wnioski

Niniejsze badanie systematycznie przeanalizowało przyczyny nieprawidłowych awarii w 6kV wysokonapięciowych odwracaczach i zaproponowało skierowane środki zapobiegawcze. Wyniki eksperymentów potwierdzają, że rezystor ograniczający prąd skutecznie kontroluje impuls prądu, obwód zaciskający napięcie znacznie tłumi nadnapięcia DC bus, a kombinacja dzielenia prądu z wymuszonym chłodzeniem znacznie zmniejsza ryzyko przegrzewania IGBT, zwiększając ogólną niezawodność systemu.