Предотвращение срабатывания в 6кВ высоковольтных инверторах

Высоковольтные инверторы являются важными устройствами для управления скоростью асинхронных двигателей и широко используются в отраслях, таких как подъемные механизмы, металлургия, нефтяная промышленность и энергетика, для регулирования скорости мощных высоковольтных двигателей. Однако 6-киловольтовые высоковольтные инверторы часто сталкиваются с непредвиденными отказами системы управления во время эксплуатации из-за факторов, таких как колебания сети и воздействие нагрузки, что значительно влияет на безопасность и надежность систем управления скоростью двигателей.

Для обеспечения стабильной работы систем высоковольтного частотного регулирования (VFD), повышения производительности промышленности и снижения энергопотребления, правительство ввело ряд мер, стимулирующих исследования и применение технологии высоковольтных инверторов. Поэтому глубокий анализ причин непредвиденных отказов 6-киловольтовых высоковольтных инверторов и разработка эффективных профилактических мер имеют большое значение для продвижения технологий VFD и поддержания экономического роста промышленности.

1 Обзор 6-киловольтовых высоковольтных инверторов

6-киловольтовый высоковольтный инвертор - это мощное силовое электронное устройство, которое использует IGBT в качестве ключевых элементов и применяет многоуровневую топологию для достижения переменно-частотного управления скоростью при напряжении 6 кВ и выше. Его силовые модули обычно используют трехуровневую схему с нулевым потенциалом (3L-NPC) или пятиуровневую активную схему с нулевым потенциалом (5L-ANPC), построенную путем последовательного соединения нескольких подмодулей. Каждый подмодуль содержит 6-24 IGBT и диоды свободного хода, генерируя ступенчатую форму сигнала с 9-17 уровнями, которая после фильтрации приближается к синусоидальной форме.

Типичные значения мощности находятся в диапазоне от 3000 до 14 000 кВА, с уровнями напряжения, охватывающими 6 кВ, 10 кВ и 35 кВ. Для более высоких требований к мощности и напряжению может использоваться топология модульного многоуровневого преобразователя (MMC), где подмодули используют полумостовые или полномостовые структуры, с сотнями подмодулей, собранных на каждую фазу, что позволяет достигать уровней напряжения до 220 кВ и единичной мощности до 400 МВА, подходящей для применения, такого как интеграция возобновляемой энергии в сеть, морская ветроэнергетика и гибкая постоянная передача. Стратегия управления высоковольтными инверторами сложна и включает ключевые технологии, такие как модуляция с фазовым сдвигом несущей, балансировка тока, бесдатчиковое обнаружение и оптимизация ослабления поля.

2 Непредвиденные отказы системы управления 6-киловольтовых высоковольтных инверторов

Во время эксплуатации 6-киловольтовые высоковольтные инверторы часто отключаются из-за аномалий, таких как перегрузка по току, перенапряжение и перегрев. Перегрузки по току обычно происходят при запуске или внезапных изменениях нагрузки, когда мгновенный ток может превышать 2-3 раза номинальное значение. Если ток превышает 1600 А более 100 мс или 2000 А более 10 мс, инвертор немедленно блокирует IGBT и отключает контакт выхода, вызывая аппаратное защитное отключение.

Перенапряжения обычно вызваны колебаниями сети или внезапными изменениями нагрузки. Когда напряжение постоянного шины превышает 1,2 номинального значения (1368 В), активируется программная защита от перенапряжения; если оно превышает 1,35 номинального значения (1026 В), аппаратная защита немедленно отключает систему. Перегревы обычно происходят в условиях высоких температур или при длительной работе с перегрузкой. Когда температура IGBT превышает 90°С или температура радиатора превышает 70°С более 5 минут, система выдает предупреждение о высокой температуре; отключение происходит непосредственно, если температуры достигают 100°С или 80°С соответственно. Общая черта этих трех типов отказов - активация самозащитного механизма инвертора, который быстро отключает выход, блокируя IGBT и отключая контакты, что приводит к аварийному останову двигателя и миганию сигнала тревоги.

3 Профилактические меры
3.1 Резистор ограничения тока

Для решения проблем с перегрузкой по току можно подключить резистор ограничения тока последовательно между выходом инвертора и двигателем. Полевые измерения показывают, что при запуске двигателя мощностью 380 кВт или более 6-киловольтовым/1500-кВА инвертором мгновенный пусковой ток может достигать 5-8 раз номинального значения, значительно превышая настройку защиты от перегрузки по току.

Для подавления пускового тока можно использовать проволочный резистор или нелинейный оксид цинка с сопротивлением 1-3 Ом и номинальной мощностью 200-500 Вт. Последний имеет холодное сопротивление выше 100 Ом и быстро уменьшается по мере увеличения тока, ограничивая пиковый пусковой ток до 2-3 раз номинального значения. После запуска двигателя, когда частота выхода инвертора превышает 40 Гц и ток падает ниже номинального, падение напряжения на резисторе составляет менее 50 В.

На этом этапе контакт обхода коротко замыкает резистор, чтобы избежать непрерывных потерь мощности. Если при запуске возникают скачки тока, когда трансформатор тока обнаруживает значение, превышающее 1200 А, система управления выдает предупреждение; если значение достигает 1500 А, инвертор немедленно блокирует IGBT и открывает контакт обхода, возвращая резистор ограничения тока, чтобы быстро снизить ток. Затем контакт обхода снова закрывается, восстанавливая нормальную работу. Весь процесс переключения занимает менее 0,5 секунды, эффективно подавляя скачки тока, обеспечивая плавный запуск двигателя и значительно повышая надежность инвертора.

3.2 Цепь ограничения напряжения

Для подавления перенапряжений можно подключить цепь ограничения напряжения параллельно постоянной шине. Эта цепь в основном состоит из металлооксидного варистора (MOV), быстрого тиристора (GTO) и схемы обнаружения. Полевые данные показывают, что программная защита от перенапряжения активируется, когда сетевое напряжение колеблется более чем на 15% или когда снижение нагрузки вызывает превышение напряжения постоянной шины 1300 В более 20 мс.

Для предотвращения таких отказов можно использовать TYN-20/141 MOV, с напряжением срабатывания 1420 В, максимальным разрядным током 20 кА и способностью поглощения энергии 8800 Дж на единицу. Когда напряжение шины превышает 1350 В, MOV начинает проводить и поглощать избыточную энергию; если напряжение возрастает до 1400 В, GTO срабатывает, быстро отводя избыточную энергию в резистор, восстанавливая напряжение до безопасного уровня. Схема обнаружения постоянно мониторит напряжение шины.

Когда напряжение падает ниже 1250 В и остается на этом уровне более 50 мс, отправляется сигнал освобождения, выключающий GTO и восстанавливающий нормальную работу системы. Если напряжение шины остается выше 1400 В более 100 мс, определяется серьезный отказ по перенапряжению, и инвертор переходит в состояние программной блокировки, требуя ручного сброса перед перезапуском. Практика показывает, что с этой цепью ограничения 6-киловольтовый инвертор может выдерживать 35%-ное мгновенное перенапряжение и подавлять перенапряжение до 1,05 номинального напряжения в течение 100 мс. Ответ быстрый и надежный, эффективно предотвращая частые отказы по перенапряжению и значительно повышая непрерывность и надежность системы.

3.3 Конструкция распределения тока

Для решения проблем с перегревом можно использовать технологию распределения тока, чтобы снизить тепловыделение в ключевых компонентах, таких как IGBT и радиаторы, предотвращая термическое отключение.

Конкретные меры включают подключение 1-2 электролитических конденсаторов параллельно положительным и отрицательным выводам постоянной шины каждого силового модуля. Конденсаторы должны иметь емкость 1000-2200 мкФ, рабочее напряжение ≥1600 В и непрерывный рябящий ток ≥100 А. Когда выходной ток инвертора превышает 1,2 номинального значения (например, 900 А), эти параллельные конденсаторы могут обеспечить 10%-20% распределения тока, снижая фактический ток через IGBT до 720-810 А. Учитывая, что потери проводимости IGBT пропорциональны квадрату тока, этот подход эффективно снижает нагрев.

В формуле: PCPC - потери проводимости IGBT (Вт); VCEVCE - насыщенное напряжение IGBT (В), которое имеет линейную зависимость от тока ICIC (А); UηUη - напряжение включения IGBT (В); $K$ - коэффициент усиления тока IGBT.

Можно видеть, что после принятия мер по распределению тока, потери проводимости IGBT могут быть снижены на 19-36%, а температура перехода может уменьшиться на 10-25°С, что значительно облегчает проблему нагрева инвертора.

Кроме того, установите 1-2 электровентилятора параллельно на входе и выходе радиатора инвертора, с номинальным расходом воздуха ≥ 3000 м³/ч, что эффективно улучшит охлаждающий эффект радиатора. Установите 6-8 датчиков температуры внутри контрольного шкафа для мониторинга температур различных силовых модулей, материнской платы, платы управления IGBT и т.д. в реальном времени. Когда температура любой точки превышает 65°С, система управления немедленно включает электровентилятор на полную скорость и отправляет сигнал "предупреждение о снижении нагрузки" в контрольный модуль инвертора.

Если температура продолжает расти до 75°С и сохраняется более 10 минут, система отправляет сигнал "предупреждение о перегреве", ограничивая максимальный выходной ток инвертора до 50% номинального значения, пока температура не упадет ниже 60°С, после чего "предупреждение о перегреве" снимается.

Если температура любой точки превышает 85°С, а ток двигателя не падает ниже 30% номинального значения, инвертор немедленно блокируется аппаратно и прекращает выход. Для дальнейшего улучшения охлаждения нанесите наноматериалы, такие как графен или углеродные нанотрубки, на радиаторы IGBT каждого силового модуля, используя их сверхвысокую теплопроводность для ускорения рассеивания тепла чипов IGBT, что снижает температуру перехода.

4 Эффективность профилактических мер
4.1 Экспериментальное проектирование

Интеллектуальный высоковольтный инвертор ZINVERT-6kV/1500kVA был использован в качестве объекта тестирования, и было проведено групповое контролируемое экспериментальное исследование для проверки эффективности трех предложенных профилактических мер. Эксперименты проводились в номинальных условиях работы (входное напряжение: 6 кВ ±5%; окружающая температура: 25°С ±2°С; относительная влажность: 65% ±5%). Эксперимент был разделен на четыре группы: контрольная группа не использовала профилактические меры; группа A использовала резистор ограничения тока 2,2 Ом/350 Вт с быстрым обходным выключателем MSC-500; группа B использовала цепь ограничения напряжения, состоящую из варистора TYN-20/141 и GTO IXYS, подключенных параллельно, с порогом ограничения напряжения 1420 В; группа C использовала электролитический конденсатор 2000 мкФ/1600 В (серия Hitachi HCG) для распределения тока, комбинированный с вентилятором переменной скорости 3500 м³/ч (EBM-W3G450) для принудительного охлаждения.

Каждая группа работала непрерывно в течение 72 часов, с записью ключевых параметров, таких как выходной ток инвертора, напряжение постоянной шины и температура перехода IGBT, каждые 6 часов. Данные собирались с помощью анализатора качества электроэнергии Fluke 435-II и регистратора данных HIOKI 8847. В ходе эксперимента были смоделированы три типичных сценария отказа: импульсный перегрузочный ток (8 раз номинальный ток / 0,5 с), колебания сетевого напряжения (+20% / 1 с) и работа на полную нагрузку (температура окружающей среды 35°С / 2 ч). Экспериментальная установка показана на рисунке 1.

4.2 Анализ результатов

После 72 часов непрерывной работы данные всех четырех групп были собраны и проанализированы, с результатами, представленными в таблице 1. Контрольная группа испытала отключение при всех трех сценариях отказа, тогда как экспериментальные группы с профилактическими мерами продемонстрировали эффективное подавление отказов. В группе A пиковый пусковой ток был снижен с 7,8 до 2,2 раз номинального значения, что эффективно предотвратило отключение по перегрузке тока.

В группе B цепь ограничения напряжения ограничила максимальные колебания напряжения постоянной шины до 1368 В, что значительно ниже порога защиты 1420 В. В группе C комбинация распределения тока и принудительного охлаждения поддерживала максимальную температуру перехода IGBT ниже 87,5°С, что значительно ниже порога отключения 100°С. Кроме того, время реакции всех трех профилактических мер было в пределах 100 мс, что соответствует требованиям быстрой защиты. Во время эксперимента не было случаев ложного срабатывания, что указывает на стабильную и надежную работу системы.

5 Заключение

В этом исследовании систематически анализировались причины непредвиденных отказов 6-киловольтовых высоковольтных инверторов, и были предложены целевые профилактические меры. Экспериментальные результаты подтверждают, что резистор ограничения тока эффективно контролирует импульсный ток, цепь ограничения напряжения значительно подавляет перенапряжение постоянной шины, а комбинация распределения тока с принудительным охлаждением значительно снижает риск перегрева IGBT, тем самым повышая общую надежность системы.