Preventiranje prekinitve v visokonapetostnih inverterjih na 6 kV

Visokonapetostni inverterji so ključni napravi za nadzor hitrosti strojnih motorjev in se široko uporabljajo v industrih, kot so dvigala, kovinska industrija, nafta in proizvodnja električne energije, za regulacijo hitrosti visokomogočnih, visokonapetostnih motorjev. Vendar pa pogosto pride do nepravilnega odpovedovanja gonilnice pri delovanju 6kV visokonapetostnih inverterjev zaradi dejavnikov, kot so nihanja omrežja in obremenitve, kar značilno vpliva na varnost in zanesljivost sistemov za nadzor hitrosti motorjev.

Za zagotavljanje stabilnega delovanja sistemov visokonapetostnih spremenljivih frekvenc (VFD), izboljšanje industrijske učinkovitosti in zmanjševanje porabe energije je vlada uvedla serijo politik, ki spodbujajo raziskave in uporabo tehnologije visokonapetostnih inverterjev. Zato je globlja analiza vzrokov nepravilnega odpovedovanja pri 6kV visokonapetostnih inverterjih in razvoj učinkovitih preventivnih ukrepov veliko pomena za napredek tehnologije VFD in ohranjanje gospodarskega rasti industrije.

1 Pregled 6kV visokonapetostnih inverterjev

6kV visokonapetostni inverter je močna elektronska naprava, ki uporablja IGBT-e kot preklopne elemente in uporablja večstopenjsko topologijo za dosego spremenljive frekvence in nadzora hitrosti pri 6kV in višje. Njegove močne enote tipično uporabljajo tri-nivojsko neutralno točko zaklenjene (3L-NPC) ali pet-nivojsko aktivno neutralno točko zaklenjene (5L-ANPC) obloge, sestavljene z združevanjem več podmodulov. Vsak podmodul vsebuje 6–24 IGBT-je in diode za prosti tok, generirajoče stopnjevan obliko z 9–17 stopnjami, ki po filtriranju približno sledi sinusoidi.

Tipični kapaciteti segajo od 3000 do 14.000 kVA, z napetostnimi ravniloma, ki pokrivajo 6kV, 10kV in 35kV. Za višje kapacitete in napetostne zahteve se lahko uporabi modularna večnivojska pretvorba (MMC) topologija, kjer podmoduli uporabljajo polmost in celmost, z stotkami podmodulov skupaj postavljenih za vsako fazo, omogočajo napetostne ravni do 220kV in enotski kapacitet do 400 MVA, primerne za aplikacije, kot so integracija obnovljive energije v omrežje, pomorska vetrena energija in prilagodljivi prenos jedrske energije. Kontrolna strategija visokonapetostnih inverterjev je kompleksna in vključuje ključne tehnologije, kot so nosilna faza premaknjenega modulacije, uravnoteženje toka, brezčudnikov opazovanje in optimizacija oslabljanja polja.

2 Nepravilno odpovedovanje gonilnice pri 6kV visokonapetostnih inverterjih

Med delovanjem 6kV visokonapetostnih inverterjev pogosto pride do odpovedovanja zaradi nepravilnosti, kot so preveliki tok, previsoka napetost in preseganje temperature. Nepravilnosti prevelikega toka tipično nastanejo med zagonom ali nenadnimi spremembami obremenitve, kjer trenutni tok lahko preseže 2–3-kratno imenovano vrednost. Če tok preseže 1600A za več kot 100ms ali 2000A za več kot 10ms, inverter takoj blokira IGBT-e in odpre kontaktor izhoda, sproži hardware zaščito odpovedovanja.

Nepravilnosti previsoke napetosti so običajno povzročene zaradi nihanja omrežja ali nenadnih sprememb obremenitve. Ko DC bus napetost preseže 1.2-kratno imenovano vrednost (1368V), se aktivira programska zaščita previsoke napetosti; če preseže 1.35-kratno (1026V), neposredno odpoveda hardver zaščite. Nepravilnosti preseganja temperature se pogosto pojavljajo v visoko temperaturnih okoljih ali med dolgotrajnim preobremenjenim delovanjem. Ko temperatura IGBT preseže 90°C ali temperatura hladilnika preseže 70°C za več kot 5 minut, sistem izda opozorilo o visoki temperaturi; neposredno odpoveda, če temperature dosežejo 100°C ali 80°C, ustrezno. Skupna značilnost teh treh vrst nepravilnosti je aktivacija samozavarovalnega mehanizma inverterja, ki hitro prekine izhod z blokiranjem IGBT-jev in odpiranjem kontaktorjev, kar povzroči pojave, kot so nujna ustavitev motorja in mihaljenje opozoril o nepravilnosti.

3 Preventivni ukrepi
3.1 Omejevalnik toka

Za reševanje nepravilnosti prevelikega toka se lahko med izhod inverterja in motor poveže omejevalnik toka. Poljska meritve kažejo, da, ko 6kV/1500kVA inverter zagnane motorje večjih kot 380kW, trenutni tok zagona lahko doseže 5–8-kratno imenovano vrednost, daleč presegajočo postavitev zaščite prevelikega toka.

Za zmanjšanje toka zagona se lahko uporabi držalka z naviti odpornostjo 1–3Ω in imenovano močjo 200–500W ali nelinearni cinka oksid varistor. Ta zadnji ima studeno odpornost nad 100Ω in se hitro zmanjša s povečanjem toka, omejuje vrhunski tok zagona na znotraj 2–3-kratne imenovane vrednosti. Po zagonu motorja, ko frekvenca izhoda inverterja preseže 40Hz in tok pada pod imenovano vrednost, padec napetosti na odporniku ni več kot 50V.

V tem trenutku kratični kontaktor kratice odpornik, da se izogne stalnemu izgubljanju moči. Če tok naraste med zagonom, ko transformator toka zazna vrednost, ki presega 1200A, kontrolni sistem izda opozorilo; če doseže 1500A, inverter takoj blokira IGBT-e in odpre kratični kontaktor, ponovno vnese omejevalnik toka, da hitro zmanjša tok. Kratični kontaktor je potem znova zaprt, da se obnovi normalno delovanje. Celoten proces preklopa traja manj kot 0.5s, učinkovito zmanjša vrhunske toke, zagotavlja gladko zagon motorja in bistveno izboljša zanesljivost inverterja.

3.2 Območje napetosti

Za zmanjšanje nepravilnosti previsoke napetosti se lahko na DC bus vzporedno poveže območje napetosti. To območje predvsem sestavlja metal oksid varistor (MOV), hitri tiristor (GTO) in detektorsko območje. Poljski podatki kažejo, da se programska zaščita previsoke napetosti aktivira, ko se omrežna napetost spreminja več kot 15% ali ko zmanjšanje obremenitve povzroči, da DC bus napetost preseže 1300V za več kot 20ms.

Za preprečevanje takšnih nepravilnosti se lahko uporabi TYN-20/141 MOV, s sprožitveno napetostjo 1420V, največjim izpustnim tokom 20kA in sposobnostjo absorpcije energije 8800J na enoto. Ko DC bus napetost preseže 1350V, MOV začne prevajati in absorbirati presežno energijo; če napetost naraste do 1400V, GTO sproži, hitro usmerja previsoko napetostsko energijo v odpornik, da se napetost obnovi na varno raven. Detektorsko območje neprekinjeno spremlja napetost busa.

Ko napetost pada pod 1250V in tam ostane za 50ms, se pošlje signal za sprostitev, ki izklopi GTO in obnovi normalno delovanje sistema. Če napetost busa ostane nad 1400V za več kot 100ms, se identificira resna nepravilnost previsoke napetosti, inverter pa vstopi v programsko zaklenjeno stanje, za katerega je potrebno ročno ponastavitev pred ponovnim zagonom. Praksa kaže, da z uporabo tega območja napetosti 6kV inverter lahko pretrpi 35% trenutne previsoke napetosti in zmanjša previsoko napetost na notranjo 1.05-kratno imenovano vrednost v 100ms. Odziv je hitër in zanesljiv, učinkovito preprečuje pogosto odpovedovanje zaradi previsoke napetosti in bistveno izboljša zveznost in zanesljivost sistema.

3.3 Delitev toka

Za reševanje nepravilnosti preseganja temperature se lahko uporabi tehnologija delitve toka, da se zmanjša segrevanje ključnih komponent, kot so IGBT-ji in hladilniki, in prepreči termalno odpovedovanje.

Specifični ukrepi vključujejo združevanje 1–2 elektrolitskih kondenzatorjev vzporedno na pozitivni in negativni DC bus terminalih vsake močne enote. Kondenzatorji bi morali imeti kapacitivnost 1000–2200μF, napetostno oceno ≥1600V in kontinuirani valovni tok ≥100A. Ko tok izhoda inverterja preseže 1.2-kratno imenovano vrednost (npr. 900A), ti vzporedni kondenzatorji lahko zagotovijo 10%–20% sposobnosti delitve toka, zmanjšajo dejanski tok skozi IGBT-je na 720–810A. Ker so strmni izgubi IGBT-jev sorazmerni s kvadratom toka, ta pristop učinkovito zmanjša segrevanje.

V formuli: PCPC je strmni izgubi IGBT-jev (W); VCEVCE je nasitna napetost IGBT (V), ki ima linearno vez s tokom ICIC (A); UηUη je vklopna napetost IGBT (V); $K$ je faktor pospeševanja toka IGBT.

Je videti, da po uporabi shunt ukrepov se lahko strmni izgubi IGBT zmanjšajo za 19% do 36%, in temperatura čipla IGBT se zmanjša za 10°C do 25°C, tako da se bistveno olajša problem segrevanja inverterja.

Dodatno namestitev 1 do 2 električnih ventilatorjev vzporedno pri vhodu in izhodu hladilnika inverterja, z imenovano protokom ≥ 3000 m³/h, lahko učinkovito izboljša hladilni učinek hladilnika. Namestitev 6 do 8 senzorjev temperature znotraj nadzorne skrinje za realno časovno spremljanje temperatur različnih močnih enot, matične plošče, pogona IGBT itd. Ko temperatura kateregakoli točke preseže 65°C, kontrolni sistem takoj začne električni ventilator na popolno hitrost in pošlje "opozorilo o zmanjšanju obremenitve" signal kontrolne enoti inverterja.

Če temperatura nadaljuje s povečevanjem na 75°C in trajanje nad 10 minut, sistem izda "opozorilo o previsoki temperaturi" signal, omejuje maksimalni izhodni tok inverterja na manj kot 50% imenovane vrednosti, dokler temperatura ne pada pod 60°C, ko se "opozorilo o previsoki temperaturi" onemogoči.

Če temperatura kateregakoli merilne točke preseže 85°C in tok motorja ne pada pod 30% imenovane vrednosti, inverter takoj zaklene hardver in ustavi izhod. Za nadaljnje izboljšanje hladilnega učinka nanomateriali, kot so grafen ali ogljikovi nanocvetki, lahko uporabimo na hladilnikih IGBT-jev vsake močne enote, ki s svojo ultra visoko vodnostjo toplote pospešujejo disipacijo toplote čipla IGBT, tako da zmanjšajo temperaturo čipla.

4 Učinkovitost preventivnih ukrepov
4.1 Eksperimentalni dizajn

ZINVERT-6kV/1500kVA pametni visokonapetostni inverter je bil uporabljen kot testni objekt, in je bil izveden skupni kontrolni poskus, da bi se preverila učinkovitost predlaganih treh preventivnih ukrepov. Poskusi so bili izvedeni v imenovanih delovnih pogoji (vhodna napetost: 6kV±5%; okoljska temperatura: 25°C±2°C; relativna vlažnost: 65%±5%). Poskus je bil razdeljen na štiri skupine: kontrolna skupina ni uporabila nobenih preventivnih ukrepov; skupina A je uporabila 2.2Ω/350W omejevalnik toka z hitrim obhodnim preklopnikom MSC-500; skupina B je uporabila območje napetosti, sestavljeno iz varistorja TYN-20/141 in IXYS-GTO, povezanega vzporedno, z območjem napetosti nastavljenim na 1420V; skupina C je uporabila 2000μF/1600V elektrolitski kondenzator (Hitachi HCG serija) povezan vzporedno za delitev toka, kombiniran z variabilnim ventilatorjem (EBM-W3G450) za prisilno hlajenje s protokom 3500 m³/h.

Vsaka skupina je delovala zvezno 72 ur, z glavnimi parametri, kot so izhodni tok inverterja, DC bus napetost in temperatura čipla IGBT, zapisana vsakih 6 ur. Podatki so bili zbrani z Fluke 435-II analizatorjem kakovosti struje in HIOKI 8847 zapisovalnikom podatkov. Med poskusom so bile simulirane tri tipične situacije nepravilnosti: vrhunski preveliki tok (8-kratna imenovana vrednost / 0.5s), nihanje omrežne napetosti (+20% / 1s) in delovanje pri polni obremenitvi (okoljska temperatura 35°C / 2h). Poskusna postavitev je prikazana na Sliki 1.

4.2 Analiza rezultatov

Po 72 urah zveznega delovanja so bili zbrani in analizirani podatki iz štirih skupin, rezultati so prikazani v Tabeli 1. Kontrolna skupina je izkušala odpovedovanje v vseh treh situacijah nepravilnosti, medtem ko so eksperimentalne skupine z preventivnimi ukrepi demonstrirale učinkovito zadrževanje nepravilnosti. V skupini A je vrhunski tok zagona zmanjšan s 7.8 na 2.2-kratno imenovano vrednost, učinkovito preprečevanje odpovedovanja zaradi prevelikega toka.

V skupini B je območje napetosti omejilo maksimalno nihanje napetosti DC busa na 1368V, daleč pod 1420V zaščitno prag. V skupini C je kombinacija delitve toka in prisilnega hlajenja ohranila maksimalno temperaturo čipla IGBT pod 87.5°C, bistveno nižjo od 100°C praga odpovedovanja. Dodatno, čas odziva vseh treh preventivnih ukrepov je bil znotraj 100ms, kar je ustreza zahtevam za hitro zaščito. Med poskusom ni bilo nobenega lažnega sprožitve, kar kaže na stabilno in zanesljivo delovanje sistema.

5 Zaključek

Ta študija je sistematično analizirala vzroke nepravilnega odpovedovanja pri 6kV visokonapetostnih inverterjih in predlagala ciljne preventivne ukrepe. Eksperimentalni rezultati potrjujejo, da omejevalnik toka učinkovito nadzira vrhunski tok, območje napetosti bistveno zmanjša previsoko napetost DC busa, in kombinacija delitve toka z prisilnim hlajenjem bistveno zmanjša tveganje preseganja temperature IGBT, s tem izboljša skupno zanesljivost sistema.