Sprečavanje iskakanja u visokonaponskim inverterima od 6kV

Visokonaponski inverteri su ključni uređaji za kontrolu brzine obrtanja asinhronih motora i široko se koriste u industrijskim primenama poput podizanja, metalurgije, nafte i proizvodnje električne energije, gde je potrebna regulacija brzine obrtanja visokosnaga visokonaponskih motora. Međutim, tokom rada, 6kV visokonaponski invertori često iskušavaju nepravilnosti u pogonu, kao što su prekid usled fluktuacija mreže i uticaja opterećenja, što značajno utiče na sigurnost i pouzdanost sistema kontrole brzine obrtanja motora.

Da bi se osigurala stabilna operacija sistema visokonaponskog promenljivog frekvencijskog pogona (VFD), poboljšana industrijska efikasnost i smanjen potrošnja energije, vlada je unela niz politika koje ohrabruju istraživanje i primenu tehnologije visokonaponskih invertera. Stoga, duboka analiza uzroka nepravilnosti prekida u 6kV visokonaponskim inverterima i razvoj efektivnih preventivnih mera imaju veliki značaj za napredak tehnologije VFD i održavanje ekonomskog rasta industrije.

1 Pregled 6kV visokonaponskih invertera

6kV visokonaponski inverter je visokosnaga elektronski uređaj koji koristi IGBT-e kao prekidni elemente i više nivoa topologiju kako bi dostigao kontrolu brzine obrtanja na promenljivom frekvencijama od 6kV i više. Njegove jedinice snage obično koriste tro-nivoa neutralni tačke zaključani (3L-NPC) ili pet-nivoa aktivni neutralni tačke zaključani (5L-ANPC) krugove, konstruisane kaskadnim povezivanjem više podmodula. Svaki podmodul sadrži 6-24 IGBT-a i diode sa slobodnim tokom, generišući stepenast talas sa 9-17 nivoa, koji se nakon filtriranja približava sinusoidnom talasu.

Tipični kapaciteti se kreću od 3000 do 14.000 kVA, s naponima koji pokrivaju 6kV, 10kV i 35kV. Za veće kapacitete i naponne zahteve, može se koristiti modularna više-nivoa pretvaračka (MMC) topologija, gde podmoduli koriste poluprečnice ili puno mostovske strukture, sa stotinama podmodula stapanih po fazi, omogućujući naponske nivoe do 220kV i kapacitet pojedinačne jedinice do 400 MVA, prikladno za primene kao što su integracija obnovljivih izvora energije u mrežu, offshore vetreni vetrotopli i fleksibilna DC prenos. Kontrolna strategija visokonaponskih invertera je složena i uključuje ključne tehnologije kao što su fazno pomereni modulacioni nosač, balansiranje struja, bezsenzorsko detektovanje i optimizacija oslabljenja magnetskog polja.

2 Nepravilnosti prekida pogona u 6kV visokonaponskim inverterima

Tokom rada, 6kV visokonaponski inverteri često prekidaju usled nepravilnosti poput prekomerne struje, prekomernog napona i pregrejanja. Prekomerna struja najčešće nastaje tokom startovanja ili iznenadnog promene opterećenja, gde trenutna struja može premašiti 2-3 puta nominalnu vrednost. Ako struja premaši 1600A duže od 100ms ili 2000A duže od 10ms, inverter odmah blokira IGBT-e i odspaja kontaktor izlaza, aktivirajući hardverski zaštitni prekid.

Prekomerne napone obično uzrokuju fluktuacije mreže ili iznenadne promene opterećenja. Kada napon DC busa premaši 1.2 puta nominalnu vrednost (1368V), softverska zaštita od prekomernog napona se aktivira; ako premaši 1.35 puta (1026V), hardverska zaštita direktno prekida. Pregrjevanja često nastaju u visokotemperaturnim okruženjima ili tokom dugotrajnog preopterećenog rada. Kada temperatura IGBT-a premaši 90°C ili temperatura hladnjaka premaši 70°C duže od 5 minuta, sistem emituje upozorenje o visokoj temperaturi; prekid se dešava direktno ako temperature dostignu 100°C ili 80°C, redom. Zajednička karakteristika ovih tri tipa grešaka jeste aktivacija samoprotivne mehanizme invertera, koja brzo prekida izlaz blokiranjem IGBT-a i odspajanjem kontaktora, rezultujući fenomenima kao što su hitan zaustavljanje motora i trepereća alarmna svetla grešaka.

3 Preventivne mere
3.1 Ograničavajući otpornik struje

Za rešavanje problema prekomerne struje, ograničavajući otpornik struje može biti spojen serijalno između izlaza invertera i motora. Terenska merenja pokazuju da kada 6kV/1500kVA inverter pokrene motor od 380kW ili veći, trenutna startna struja može dostići 5-8 puta nominalnu struju, daleko premašujući postavku zaštite od prekomerne struje.

Za smanjenje startne struje može se koristiti žičani otpornik ili nelinearni cink-oksidni varistor sa otpornosti od 1-3Ω i nominalnom snalom od 200-500W. Poslednji ima otpornost u hladnom stanju iznad 100Ω i brzo pada kako struja raste, ograničavajući vrhunsku startnu struju na unutrašnjost 2-3 puta nominalnu vrednost. Nakon starta motora, kada frekvencija izlaza invertera premaši 40Hz i struja padne ispod nominalne vrednosti, pad napona na otporniku je manji od 50V.

U tom trenutku, prekidač omiljenog puta krati otpornik kako bi se izbeglo neprekidno gubitak snage. Ako struja skoči tokom starta, kada transformator struje detektuje vrednost koja premaši 1200A, kontrolni sistem emituje upozorenje; ako dostigne 1500A, inverter odmah blokira IGBT-e i otvara prekidač omiljenog puta, ponovo ubacujući ograničavajući otpornik struje kako bi brzo smanjio struju. Prekidač omiljenog puta se onda ponovo zatvara kako bi se vratilo normalno funkcionisanje. Celi proces prebacivanja traje manje od 0.5s, efektivno smanjujući vrhunske struje, obezbeđujući gladak start motora i značajno povećavajući pouzdanost invertera.

3.2 Krpa za napon

Za smanjenje problema prekomernog napona, krpa za napon može biti spojena paralelno na DC bus. Ova shema uglavnom sastoji se od metal-oksidskog varistora (MOV), brzog tiristora (GTO) i detekcionog kruga. Poligon podaci pokazuju da se softverska zaštita od prekomernog napona aktivira kada naponske fluktuacije mreže premaši 15% ili kada smanjenje opterećenja dovodi do premašenja napona DC busa od 1300V duže od 20ms.

Za sprečavanje takvih grešaka može se koristiti TYN-20/141 MOV, sa pokretačkim naponom od 1420V, maksimalnom otpornom strujom od 20kA i apsorpcijom energije od 8800J po jedinici. Kada napon busa premaši 1350V, MOV počinje da provodi i apsorbira prekomernu energiju; ako napon poraste na 1400V, GTO se aktivira, brzo preusmeravajući prekomernu energiju u otpornik kako bi se napon vratio na siguran nivo. Detekcioni krug kontinuirano nadgleda napon busa.

Kada napon padne ispod 1250V i ostane tamo duže od 50ms, šalje se signal oslobađanja, isključujući GTO i vraćajući normalno funkcionisanje sistema. Ako napon busa ostane iznad 1400V duže od 100ms, identifikuje se ozbiljna greška prekomernog napona, i inverter ulazi u stanje softverskog zaključavanja, zahtevajući ručno resetovanje pre restartovanja. Praksa pokazuje da sa ovom krpom, 6kV inverter može izdržati 35% trenutnog prekomernog napona i smanjiti prekomerni napon na unutrašnjost 1.05 puta nominalni napon unutar 100ms. Odgovor je brz i pouzdan, efektivno sprečavajući česte prekide prekomernog napona i značajno poboljšavajući kontinuitet i pouzdanost sistema.

3.3 Dizajn deljenja struje

Za rešavanje problema pregrjevanja, tehnologija deljenja struje može se koristiti kako bi se smanjila proizvodnja toplote u ključnim komponentama poput IGBT-a i hladnjaka, sprečavajući termalni prekid.

Konkretna mera uključuje povezivanje 1-2 elektrolitska kondenzatora paralelno na pozitivne i negativne terminala DC busa svake jedinice snage. Kondenzatori treba da imaju kapacitet od 1000-2200μF, nominalni napon ≥1600V i kontinuiran valni struja ≥100A. Kada izlazna struja invertera premaši 1.2 puta nominalnu vrednost (npr. 900A), ovi paralelni kondenzatori mogu pružiti sposobnost deljenja struje od 10%-20%, smanjujući stvarnu struju kroz IGBT-e na 720-810A. Uzimajući u obzir da su gubitci provodnosti IGBT-a proporcionalni kvadratu struje, ovaj pristup efektivno smanjuje porast temperature.

U formuli: PCPC predstavlja gubitke provodnosti IGBT-a (W); VCEVCE predstavlja saturaciju napona IGBT-a (V), koja ima linearnu vezu sa strujom ICIC (A); UηUη predstavlja pokretan napon IGBT-a (V); $K$ predstavlja faktor amplifikacije struje IGBT-a.

Može se videti da nakon primene mera deljenja, gubitci provodnosti IGBT-a mogu biti smanjeni za 19% do 36%, a temperatura čipova može biti smanjena za 10°C do 25°C, time značajno olakšavajući problem zagrevanja invertera.

Dodatno, instalirajte 1 do 2 ventilatora paralelno na ulaz i izlaz hladnjaka invertera, sa nominalnom protokom vazduha ≥ 3000 m³/h, što značajno poboljšava hlađenje hladnjaka. Postavite 6 do 8 senzora temperature unutar kontrolne kutije kako biste u realnom vremenu pratili temperature različitih jedinica snage, glavne ploče, IGBT pogonske ploče itd. Kada temperatura bilo koje tačke premaši 65°C, kontrolni sistem odmah pokreće ventilatore na maksimalnoj brzini i šalje "upozorenje o smanjenju opterećenja" signal kontrolnoj jedinici invertera.

Ako temperatura nastavi da raste do 75°C i traje duže od 10 minuta, sistem emituje "upozorenje o prekomernoj temperaturi" signal, ograničavajući maksimalnu izlaznu struju invertera ispod 50% nominalne vrednosti dok temperatura ne padne ispod 60°C, kada se "upozorenje o prekomernoj temperaturi" uklanja.

Ako temperatura bilo koje tačke merenja premaši 85°C i struja motora ne padne ispod 30% nominalne vrednosti, inverter odmah zaključava hardver i zaustavlja izlaz. Da bi se dalje poboljšao efekat hlađenja, nanomaterijali kao što su grafen ili ugljeni nanotrubice mogu se primeniti na hladnjake IGBT-a svake jedinice snage, koristeći njihovu izuzetno visoku teploprovodnost za ubrzavanje disipacije toplote čipova IGBT-a, time smanjujući temperaturu čipova.

4 Efikasnost preventivnih mera
4.1 Eksperimentalni dizajn

Kao testni objekat koristio se inteligentni visokonaponski inverter ZINVERT-6kV/1500kVA, i proveden je grupni kontrolni eksperiment kako bi se verifikovala efikasnost tri predložene preventivne mere. Eksperimenti su izvršeni pod nominalnim radnim uslovima (ulazni napon: 6kV±5%; ambijentalna temperatura: 25°C±2°C; relativna vlažnost: 65%±5%). Eksperiment je podeljen u četiri grupe: kontrolna grupa nije koristila nikakve preventivne mere; Grupa A je koristila ograničavajući otpornik struje od 2.2Ω/350W sa brzim prekidačem omiljenog puta MSC-500; Grupa B je koristila krpu za napon formiranu od varistora TYN-20/141 i IXYS-GTO povezanog paralelno, sa naponom krpe postavljenim na 1420V; Grupa C je koristila paralelno povezani elektrolitski kondenzator od 2000μF/1600V (Hitachi HCG serija) za deljenje struje, kombinovan sa promenljivom brzinom ventilatora od 3500 m³/h (EBM-W3G450) za prisilno hlađenje.

Svaka grupa je radila neprekidno 72 sata, sa ključnim parametrima - kao što su izlazna struja invertera, napon DC busa i temperatura čipova IGBT-a - zabeleženih svakih 6 sati. Podaci su prikupljeni korišćenjem Fluke 435-II analizatora kvaliteta struje i HIOKI 8847 logera podataka. Tokom eksperimenta, simulirane su tri tipične scenarije grešaka: trenutni prekomerni tok (8 puta nominalna struja / 0.5s), fluktuacije napona mreže (+20% / 1s) i rad pod punim opterećenjem (ambijentalna temperatura 35°C / 2h). Eksperimentalna postavka je prikazana na Slici 1.

4.2 Analiza rezultata

Nakon 72 sata neprekidnog rada, podaci sa četiri grupe su prikupljeni i analizirani, sa rezultatima prikazanim u Tabeli 1. Kontrolna grupa je iskusila prekid u svim tri scenarijima grešaka, dok su eksperimentalne grupe sa preventivnim merama pokazale efektivno supresiranje grešaka. U Grupi A, vrhunska startna struja je smanjena sa 7.8 na 2.2 puta nominalnu vrednost, efektivno sprečavajući prekid prekomerne struje.

U Grupi B, krpa za napon je ograničila maksimalnu fluktuaciju napona DC busa na 1368V, znatno ispod pragove zaštite od 1420V. U Grupi C, kombinacija deljenja struje i prisilnog hlađenja je održala maksimalnu temperaturu čipova IGBT-a ispod 87.5°C, znatno niže od praga prekida od 100°C. Nadalje, vreme odziva sve tri preventivne mere bilo je unutar 100ms, ispunjavajući zahtev za brzom zaštitom. Tijekom eksperimenta nije došlo do lažnih aktivacija, ukazivajući na stabilno i pouzdano performanse sistema.

5 Zaključak

Ova studija sistematski je analizirala uzroke nepravilnosti prekida u 6kV visokonaponskim inverterima i predložila ciljane preventivne mere. Eksperimentalni rezultati potvrđuju da ograničavajući otpornik struje efektivno kontrolise trenutnu prekomernu struju, krpa za napon značajno smanjuje prekomerne napone DC busa, a kombinacija deljenja struje sa prisilnim hlađenjem značajno smanjuje rizik od pregrejanja IGBT-a, time poboljšavajući opštu pouzdanost sistema.