Prevenção de Desligamentos em Inversores de Alta Tensão de 6kV

Inversores de alta tensão são dispositivos críticos para o controle de velocidade de motores AC e são amplamente utilizados em aplicações de regulação de velocidade de motores de alta potência e alta tensão em indústrias como levantamento, metalurgia, petróleo e geração de energia. No entanto, inversores de alta tensão de 6kV frequentemente apresentam falhas anormais de desligamento do acionamento durante a operação devido a fatores como flutuações da rede e impactos de carga, afetando significativamente a segurança e confiabilidade dos sistemas de controle de velocidade de motores.

Para garantir a operação estável dos sistemas de acionamento de frequência variável (VFD) de alta tensão, melhorar a eficiência industrial e reduzir o consumo de energia, o governo introduziu uma série de políticas incentivando a pesquisa e aplicação da tecnologia de inversores de alta tensão. Portanto, a análise aprofundada das causas das falhas anormais de desligamento em inversores de alta tensão de 6kV e o desenvolvimento de medidas preventivas eficazes são de grande importância para avançar a tecnologia VFD de alta tensão e manter o crescimento econômico industrial.

1 Visão Geral dos Inversores de Alta Tensão de 6kV

Um inversor de alta tensão de 6kV é um dispositivo eletrônico de potência de alta potência que utiliza IGBTs como elementos de comutação e emprega uma topologia multinível para alcançar o controle de velocidade variável de frequência em 6kV ou superior. Suas unidades de potência geralmente adotam circuitos de três níveis com ponto neutro clamped (3L-NPC) ou cinco níveis com ponto neutro ativo clamped (5L-ANPC), construídos por meio de cascata de vários submódulos. Cada submódulo contém 6-24 IGBTs e diodos de roda-livre, gerando uma forma de onda escalonada com 9-17 níveis, que se aproxima de uma onda senoidal após filtragem.

A capacidade típica varia de 3000 a 14.000 kVA, com níveis de tensão cobrindo 6kV, 10kV e 35kV. Para requisitos de maior capacidade e tensão, pode-se usar a topologia de conversor modular multinível (MMC), onde os submódulos empregam estruturas de meia-ponte ou ponte completa, com centenas de submódulos empilhados por fase, permitindo níveis de tensão de até 220kV e capacidade unitária de até 400 MVA, adequados para aplicações como integração de energia renovável na rede, energia eólica offshore e transmissão DC flexível. A estratégia de controle dos inversores de alta tensão é complexa, envolvendo tecnologias-chave como modulação de deslocamento de fase de portadora, equilíbrio de corrente, detecção sem sensor e otimização de enfraquecimento de campo.

2 Falhas Anormais de Desligamento em Inversores de Alta Tensão de 6kV

Durante a operação, os inversores de alta tensão de 6kV frequentemente disparam devido a anomalias como sobrecorrente, sobretensão e superaquecimento. As falhas de sobrecorrente ocorrem tipicamente durante a inicialização ou mudanças súbitas de carga, onde a corrente instantânea pode exceder 2-3 vezes o valor nominal. Se a corrente exceder 1600A por mais de 100ms ou 2000A por mais de 10ms, o inversor bloqueia imediatamente os IGBTs e desconecta o contato de saída, acionando o disparo de proteção de hardware.

As falhas de sobretensão são geralmente causadas por flutuações da rede ou mudanças abruptas de carga. Quando a tensão do barramento DC excede 1,2 vezes o valor nominal (1368V), a proteção de sobretensão por software é ativada; se exceder 1,35 vezes (1026V), a proteção de hardware dispara diretamente. As falhas de superaquecimento ocorrem comumente em ambientes de alta temperatura ou durante operação prolongada sob sobrecarga. Quando a temperatura do IGBT excede 90°C ou a temperatura do dissipador de calor excede 70°C por mais de 5 minutos, o sistema emite um alerta de alta temperatura; o disparo ocorre diretamente se as temperaturas atingirem 100°C ou 80°C, respectivamente. Uma característica comum desses três tipos de falha é a ativação do mecanismo de auto-proteção do inversor, que corta rapidamente a saída ao bloquear os IGBTs e desconectar os contatos, resultando em fenômenos como parada de emergência do motor e alarmes de falha intermitentes.

3 Medidas Preventivas
3.1 Resistor Limitador de Corrente

Para abordar as falhas de sobrecorrente, um resistor limitador de corrente pode ser conectado em série entre a saída do inversor e o motor. Medidas de campo mostram que, quando um inversor de 6kV/1500kVA inicia um motor de 380kW ou maior, a corrente de partida instantânea pode atingir 5-8 vezes a corrente nominal, muito além da configuração de proteção contra sobrecorrente.

Para suprimir a corrente de partida, pode-se usar um resistor enrolado ou varistor de óxido de zinco não linear com resistência de 1-3Ω e potência nominal de 200-500W. O último tem uma resistência em estado frio acima de 100Ω e diminui rapidamente à medida que a corrente aumenta, limitando a corrente de pico de partida a 2-3 vezes o valor nominal. Após a inicialização do motor, quando a frequência de saída do inversor ultrapassa 40Hz e a corrente cai abaixo do valor nominal, a queda de tensão no resistor é inferior a 50V.

Neste ponto, um contato de bypass curta o resistor para evitar perdas de energia contínuas. Se houver surtos de corrente durante a inicialização, quando o transformador de corrente detecta um valor superior a 1200A, o sistema de controle emite um alerta; se atingir 1500A, o inversor bloqueia imediatamente os IGBTs e abre o contato de bypass, reinsertindo o resistor limitador de corrente para reduzir rapidamente a corrente. O contato de bypass é então recolocado para restaurar a operação normal. Todo o processo de comutação leva menos de 0,5s, suprimindo efetivamente picos de corrente, garantindo a inicialização suave do motor e aumentando significativamente a confiabilidade do inversor.

3.2 Circuito de Clamping de Tensão

Para suprimir as falhas de sobretensão, um circuito de clamping de tensão pode ser conectado em paralelo ao barramento DC. Este circuito consiste principalmente de um varistor de óxido metálico (MOV), um tiristor rápido (GTO) e um circuito de detecção. Dados de campo mostram que a proteção de sobretensão por software é ativada quando a tensão da rede flutua mais de 15% ou quando a redução de carga faz com que a tensão do barramento DC exceda 1300V por mais de 20ms.

Para prevenir tais falhas, pode-se usar um MOV TYN-20/141, com tensão de disparo de 1420V, corrente de descarga máxima de 20kA e capacidade de absorção de energia de 8800J por unidade. Quando a tensão do barramento excede 1350V, o MOV começa a conduzir e absorver a energia excessiva; se a tensão subir para 1400V, o GTO dispara, desviando rapidamente a energia de sobretensão para um resistor, restaurando a tensão a um nível seguro. O circuito de detecção monitora continuamente a tensão do barramento.

Quando a tensão cai abaixo de 1250V e permanece lá por 50ms, um sinal de liberação é enviado, desligando o GTO e restaurando a operação normal do sistema. Se a tensão do barramento permanecer acima de 1400V por mais de 100ms, uma falha grave de sobretensão é identificada, e o inversor entra em um estado de bloqueio de software, exigindo reinicialização manual antes de reiniciar. A prática mostra que, com este circuito de clamping, um inversor de 6kV pode suportar 35% de sobretensão instantânea e suprimir a sobretensão a 1,05 vezes a tensão nominal em 100ms. A resposta é rápida e confiável, prevenindo efetivamente o disparo frequente de sobretensão e melhorando significativamente a continuidade e confiabilidade do sistema.

3.3 Design de Compartilhamento de Corrente

Para abordar as falhas de superaquecimento, a tecnologia de compartilhamento de corrente pode ser usada para reduzir a geração de calor em componentes críticos, como IGBTs e dissipadores de calor, prevenindo o disparo térmico.

Medidas específicas incluem conectar 1-2 capacitores eletrolíticos em paralelo entre os terminais positivo e negativo do barramento DC de cada unidade de potência. Os capacitores devem ter capacitância de 1000-2200μF, classificação de tensão ≥1600V e corrente de ondulação contínua ≥100A. Quando a corrente de saída do inversor excede 1,2 vezes o valor nominal (por exemplo, 900A), esses capacitores paralelos podem fornecer 10%-20% de capacidade de compartilhamento de corrente, reduzindo a corrente real através dos IGBTs para 720-810A. Considerando que as perdas de condução dos IGBTs são proporcionais ao quadrado da corrente, essa abordagem reduz efetivamente o aumento de temperatura.

Na fórmula: PCPC é a perda de condução do IGBT (W); VCEVCE é a tensão de saturação do IGBT (V), que tem uma relação linear com a corrente ICIC (A); UηUη é a tensão de ligação do IGBT (V); $K$ é o fator de amplificação de corrente do IGBT.

Pode-se ver que, após a adoção de medidas de derivação, a perda de condução do IGBT pode ser reduzida em 19% a 36%, e a temperatura de junção do chip pode diminuir de 10°C a 25°C, aliviando assim significativamente o problema de aquecimento do inversor.

Além disso, instale 1 a 2 ventiladores elétricos em paralelo na entrada e saída do dissipador de calor do inversor, com volume de ar nominal ≥ 3000 m³/h, o que pode melhorar efetivamente a capacidade de resfriamento do dissipador de calor. Instale 6 a 8 sensores de temperatura dentro do gabinete de controle para monitorar as temperaturas de várias unidades de potência, placa-mãe, placa de acionamento de IGBT, etc., em tempo real. Quando a temperatura de qualquer ponto exceder 65°C, o sistema de controle inicia imediatamente o ventilador elétrico em velocidade total e envia um sinal de "aviso de redução de carga" para a unidade de controle do inversor.

Se a temperatura continuar a subir para 75°C e durar mais de 10 minutos, o sistema emite um sinal de "alarme de superaquecimento", limitando a corrente de saída máxima do inversor a menos de 50% do valor nominal até que a temperatura caia abaixo de 60°C, momento em que o "alarme de superaquecimento" é desativado.

Se a temperatura de qualquer ponto de medição exceder 85°C e a corrente do motor não cair abaixo de 30% do valor nominal, o inversor bloqueia imediatamente o hardware e interrompe a saída. Para melhorar ainda mais a capacidade de resfriamento, aplique nanomateriais como grafeno ou nanotubos de carbono nos dissipadores de calor de IGBT de cada unidade de potência, utilizando sua condutividade térmica ultra-alta para acelerar a dissipação de calor dos chips de IGBT, reduzindo assim a temperatura de junção.

4 Eficácia das Medidas Preventivas
4.1 Design Experimental

O inversor inteligente de alta tensão ZINVERT-6kV/1500kVA foi usado como objeto de teste, e um experimento de controle agrupado foi realizado para verificar a eficácia das três medidas preventivas propostas. Os experimentos foram realizados sob condições de operação nominais (tensão de entrada: 6kV±5%; temperatura ambiente: 25°C±2°C; umidade relativa: 65%±5%). O experimento foi dividido em quatro grupos: o grupo de controle não adotou medidas preventivas; o Grupo A empregou um resistor limitador de corrente de 2,2Ω/350W com um interruptor de bypass rápido MSC-500; o Grupo B usou um circuito de clamping de tensão formado por um varistor TYN-20/141 e um GTO IXYS conectados em paralelo, com a tensão de clamping definida em 1420V; o Grupo C utilizou um capacitor eletrolítico de 2000μF/1600V (série Hitachi HCG) conectado em paralelo para compartilhamento de corrente, combinado com um ventilador de velocidade variável de 3500 m³/h (EBM-W3G450) para resfriamento forçado.

Cada grupo operou continuamente por 72 horas, com parâmetros-chave - como corrente de saída do inversor, tensão do barramento DC e temperatura de junção do IGBT - registrados a cada 6 horas. Os dados foram coletados usando um analisador de qualidade de energia Fluke 435-II e um registrador de dados HIOKI 8847. Durante o experimento, três cenários típicos de falha foram simulados: sobrecorrente de arranque (8 vezes a corrente nominal / 0,5s), flutuação de tensão da rede (+20% / 1s) e operação em carga total (temperatura ambiente 35°C / 2h). A configuração experimental é mostrada na Figura 1.

4.2 Análise de Resultados

Após 72 horas de operação contínua, os dados dos quatro grupos foram coletados e analisados, com resultados apresentados na Tabela 1. O grupo de controle sofreu disparos em todas as três condições de falha, enquanto os grupos experimentais com medidas preventivas demonstraram supressão eficaz de falhas. No Grupo A, a corrente de partida máxima foi reduzida de 7,8 para 2,2 vezes o valor nominal, prevenindo efetivamente o disparo por sobrecorrente.

No Grupo B, o circuito de clamping de tensão limitou a flutuação máxima de tensão do barramento DC a 1368V, bem abaixo do limite de proteção de 1420V. No Grupo C, a combinação de compartilhamento de corrente e resfriamento forçado manteve a temperatura máxima de junção do IGBT abaixo de 87,5°C, significativamente menor que o limite de disparo de 100°C. Além disso, o tempo de resposta de todas as três medidas preventivas foi inferior a 100ms, atendendo ao requisito de proteção rápida. Não ocorreram disparos falsos durante o experimento, indicando desempenho do sistema estável e confiável.

5 Conclusão

Este estudo analisou sistematicamente as causas dos disparos anormais em inversores de alta tensão de 6kV e propôs medidas preventivas direcionadas. Os resultados experimentais confirmam que o resistor limitador de corrente controla efetivamente a sobrecorrente de arranque, o circuito de clamping de tensão suprime significativamente a sobretensão do barramento DC e a combinação de compartilhamento de corrente com resfriamento forçado reduz grandemente o risco de superaquecimento do IGBT, melhorando a confiabilidade geral do sistema.