Förhindring av uttagning i 6kV högspänningsinverter

Högspänningsinverter är viktiga enheter för reglering av snurrhastighet hos växelströmsmotorn och används omfattande i industrier som lyft, metallurgi, olja och elproduktion för reglering av snurrhastighet hos högeffektiva, högspänningsmotorer. Men 6kV högspänningsinverter upplever ofta ovanliga drivfel under drift på grund av faktorer som nätfluktuationer och lastpåverkan, vilket påverkar säkerheten och tillförlitligheten i systemen för reglering av motorernas snurrhastighet betydligt.

För att säkerställa stabilt drift av högspänningsfrekvensomvandlingsdriv (VFD) system, förbättra industriell effektivitet och minska energiförbrukning har regeringen infört en serie politik för att uppmuntra forskning och tillämpning av högspänningsinverterteknik. Därför är djupgående analys av orsakerna till ovanliga trippelsfel i 6kV högspänningsinverter samt utveckling av effektiva förebyggande åtgärder av stor betydelse för att främja högspännings-VFD-teknik och hålla igång den industriella ekonomiska tillväxten.

1 Översikt över 6kV högspänningsinverter

En 6kV högspänningsinverter är en högeffektiv kraftelektronisk enhet som använder IGBT som spänningsstyrelselement och använder en flernivåtopologi för att uppnå frekvensomformad hastighetsreglering vid 6kV och över. Dess kraftenheter använder vanligtvis tre-nivå neutralpunktsspanningsklamra (3L-NPC) eller fem-nivå aktiv neutralpunktsspanningsklamra (5L-ANPC)-kretsar, konstruerade genom att sammanlänka flera moduler. Varje modul innehåller 6-24 IGBT och frihjulsdioder, vilket genererar en trappstegsbild med 9-17 nivåer, vilket efter filtrering liknar en sinusvåg.

Den typiska kapaciteten ligger mellan 3000 och 14 000 kVA, med spänningsnivåer som täcker 6kV, 10kV och 35kV. För högre kapacitets- och spänningskrav kan en modulär flernivåkonverterartopologi (MMC) användas, där undermoduler använder halvbro- eller fullbrostrukturer, med hundratals undermoduler staplade per fas, vilket möjliggör spänningsnivåer upp till 220kV och enskild enhetsk Kapacitet upp till 400 MVA, lämplig för tillämpningar som integrering av förnybar energi i nätet, offshore vindkraft och flexibel DC-transmission. Kontrollstrategin för högspänningsinverter är komplex och involverar nyckeltekniker som bärarfaseskiftad modulering, strömbalansering, sensorlös detektion och fältförsvagningsoptimering.

2 Ovanliga drivfel i 6kV högspänningsinverter

Under drift trippar 6kV högspänningsinverter ofta på grund av avvikande sådana som överströmning, överspänning och överhettning. Överströmning fel inträffar vanligtvis vid start eller plötsliga laständringar, där momentan ström kan överskrida 2-3 gånger den nominella värdet. Om strömmen överskrider 1600A i mer än 100ms eller 2000A i över 10ms blockerar invertergen omedelbart IGBT och kopplar ur utgångskontaktören, vilket utlöser maskinvaruskyddstripp.

Överspänningsfel orsakas vanligtvis av nätfluktuationer eller abrupta laständringar. När DC-bussens spänning överskrider 1,2 gånger det nominella värdet (1368V) aktiveras programvaruöverspänningsskyddet; om den överskrider 1,35 gånger (1026V), triggas maskinvaruskyddet direkt. Överhettningfel inträffar vanligtvis i högtemperaturmiljöer eller under långvarig överbelastning. När IGBT-temperaturen överskrider 90°C eller kylarens temperatur överskrider 70°C i mer än 5 minuter utfärdar systemet en varning för hög temperatur; om temperaturen når 100°C respektive 80°C inträffar trippel direkt. Ett gemensamt drag hos dessa tre feltyper är aktivering av invertergens självskyddsmekanism, vilken snabbt avbryter utmatningen genom att blockera IGBT och koppla ur kontaktorer, vilket leder till fenomen som nödstopp på motorn och blinkande felfrågor.

3 Förebyggande åtgärder
3.1 Ström begränsande resistor

För att hantera överströmningsfel kan en strömbegränsande resistor anslutas i serie mellan inverterutgången och motorn. Fältmätningar visar att när en 6kV/1500kVA-inverter startar en motor på 380kW eller större kan den momentana startströmmen nå 5-8 gånger den nominella strömmen, vilket långt överstiger inställningen för överströmningsbeskyttelse.

För att undertrycka startström kan en trådvald resistor eller en icke-linjär zinkoxidvaristor med ett motstånd på 1-3Ω och en nominell effekt på 200-500W användas. Den senare har ett kalltillståndsresistans över 100Ω och minskar snabbt när strömmen ökar, vilket begränsar den maximala startströmmen till inom 2-3 gånger det nominella värdet. Efter motorns start, när inverterutgångsfrekvensen ökar över 40Hz och strömmen sjunker under det nominella värdet, är spänningssänkningen över resistorn mindre än 50V.

I detta läge kortsluts en bypasskontaktor resistorn för att undvika kontinuerlig effektavledning. Om strömstöt inträffar vid start, när strömmätaren upptäcker ett värde som överstiger 1200A, utfärdar kontrollsystemet en varning; om den når 1500A blockerar invertergen omedelbart IGBT och öppnar bypasskontaktorn, vilket återinför strömbegränsande resistorn för att snabbt minska strömmen. Bypasskontaktorn sluts sedan igen för att återställa normal drift. Hela växlingsprocessen tar mindre än 0,5s, vilket effektivt undertrycker strömstötar, säkerställer en smidig motorstart och förbättrar invertergens tillförlitlighet betydligt.

3.2 Spänningsklämd krets

För att undertrycka överspänningsfel kan en spänningsklämd krets anslutas parallellt till DC-bussen. Denna krets består huvudsakligen av en metalloxidvaristor (MOV), en snabb thyristor (GTO) och en mätkrets. Fältdata visar att programvaruöverspänningsbeskyttelsen aktiveras när nätspänningen fluktuerar mer än 15% eller när lastminskning gör att DC-bussens spänning överskrider 1300V i över 20ms.

För att förhindra sådana fel kan en TYN-20/141 MOV användas, med en utlösningsspänning på 1420V, maximal avlägsningsström på 20kA och energiabsorptionskapacitet på 8800J per enhet. När bussspänningen överskrider 1350V börjar MOV ledas och absorbera överflödig energi; om spänningen stiger till 1400V utlöses GTO, vilket snabbt avleder överspänningsenergin till en resistor för att återställa spänningen till ett säkert nivå. Mätkretsen övervakar bussspänningen kontinuerligt.

När spänningen sjunker under 1250V och håller sig där i 50ms skickas en frigörelsesignal, som stänger av GTO och återställer normal systemdrift. Om bussspänningen förblir över 1400V i mer än 100ms identifieras ett allvarligt överspänningsfel, och invertergen går in i ett programvarulås, vilket kräver manuell återställning innan omstart. Praktiken visar att med denna klämdkrets kan en 6kV-inverter tåla 35% momentan överspänning och undertrycka överspänning till inom 1,05 gånger den nominella spänningen inom 100ms. Svarstiden är snabb och pålitlig, vilket effektivt förhindrar frekventa överspänningsfel och förbättrar systemets kontinuitet och tillförlitlighet betydligt.

3.3 Strömfördelningsdesign

För att hantera överhettningfel kan strömfördelningsteknik användas för att minska värmeuppbyggnaden i kritiska komponenter som IGBT och kylare, för att förhindra termisk trippel.

Specifika åtgärder inkluderar att ansluta 1-2 elektrolytkondensatorer parallellt över de positiva och negativa DC-busspolerna för varje kraftenhet. Kondensatorerna ska ha en kapacitans på 1000-2200μF, spänningsklass ≥1600V och kontinuerlig rippelström ≥100A. När inverterutgångsströmmen överskrider 1,2 gånger det nominella värdet (t.ex. 900A) kan dessa parallella kondensatorer erbjuda 10%-20% strömfördelningskapacitet, vilket minskar den faktiska strömmen genom IGBT till 720-810A. Eftersom IGBT-konduktionsförlusterna är proportionella mot kvadraten av strömmen reducerar denna metod effektivt temperaturökningen.

I formeln: PCPC är IGBT-konduktionsförlust (W); VCEVCE är IGBT:s mättnadsspänning (V), vilket har en linjär relation med strömmen ICIC (A); UηUη är IGBT:s inkopplingspaket (V); $K$ är IGBT:s strömförstärkningsfaktor.

Det kan ses att efter att ha tagit delningsåtgärder kan IGBT-konduktionsförlusten minskas med 19% till 36%, och chipjunctionstemperaturen kan minska med 10°C till 25°C, vilket på ett betydande sätt lindrar värmeuppbyggnadsproblemet för invertergen.

Utöver detta kan 1-2 elektriska fläktar installeras parallellt vid in- och utloppet för invertergens kylare, med en nominell luftflöde på ≥3000 m³/h, vilket effektivt förbättrar kylarnas kylverkan. Installera 6-8 temperatursensorer inuti kontrollskåpet för att övervaka temperaturerna för olika kraftenheter, moderkort, IGBT-drivrutor etc., i realtid. När någon punkts temperatur överskrider 65°C startar kontrollsystemet omedelbart fläkten på full hastighet och skickar en "lastreduktionsvarning"-signal till invertergens styrenhet.

Om temperaturen fortsätter att stiga till 75°C och håller i sig i mer än 10 minuter utfärdar systemet en "övertemperaturvarning"-signal, vilket begränsar invertergens maximala utgångsström till under 50% av det nominella värdet tills temperaturen sjunker under 60°C, då "övertemperaturvarningen" hävs.

Om någon mätningpunkts temperatur överskrider 85°C och motorns ström inte sjunker under 30% av det nominella värdet blockerar invertergen omedelbart maskinvaran och stoppar utmatningen. För att ytterligare förbättra kylverkan kan nanomaterial som grafen eller kolnanotruber appliceras på IGBT-kylarna för varje kraftenhet, vilket utnyttjar deras extremt höga termisk ledning för att förhasta IGBT-chipens värmeavledning, vilket minskar junctionstemperaturen.

4 Effektiviteten av förebyggande åtgärder
4.1 Experimentell design

ZINVERT-6kV/1500kVA intelligenta högspänningsinverter användes som testobjekt, och en grupperad kontrollförsök genomfördes för att verifiera effektiviteten av de tre föreslagna förebyggande åtgärderna. Försöken genomfördes under nominella driftvillkor (ingångsspänning: 6kV±5%; ambianttemperatur: 25°C±2°C; relativ fuktighet: 65%±5%). Försöket delades in i fyra grupper: kontrollgruppen antog inga förebyggande åtgärder; Grupp A använde en 2,2Ω/350W strömbegränsande resistor med en MSC-500 snabb bypasskontaktor; Grupp B använde en spänningsklämd krets bildad av en TYN-20/141 varistor och en IXYS-GTO ansluten parallellt, med klämdspänningen inställd på 1420V; Grupp C använde en 2000μF/1600V elektrolytkondensator (Hitachi HCG-serie) ansluten parallellt för strömfördelning, kombinerad med en variabelhastighetsfläkt (EBM-W3G450) på 3500 m³/h för tvångskylning.

Varje grupp opererade kontinuerligt i 72 timmar, med viktiga parametrar - som inverterutgångsström, DC-bussens spänning och IGBT-junctionstemperatur - registrerade var sjätte timme. Data samlades in med en Fluke 435-II strömkvalitetsanalysator och en HIOKI 8847 datalogger. Under försöket simulerades tre typiska feletsituationer: inrush överströmning (8 gånger nominell ström / 0,5s), nätspänningssvängningar (+20% / 1s) och full belastning (ambianttemperatur 35°C / 2h). Försöksuppsättningen visas i figur 1.

4.2 Resultatanalys

Efter 72 timmars kontinuerlig drift samlades data från de fyra grupperna och analyserades, med resultat presenterade i tabell 1. Kontrollgruppen upplevde trippel under alla tre feletsituationer, medan de experimentella grupperna med förebyggande åtgärder visade effektiv felundertryckning. I Grupp A minskades den maximala startströmmen från 7,8 till 2,2 gånger det nominella värdet, vilket effektivt förhindrade överströmningsfel.

I Grupp B begränsade spänningsklämdkretsen den maximala DC-bussens spänningsfluktuation till 1368V, vilket ligger långt under skyddströskeln på 1420V. I Grupp C behöll kombinationen av strömfördelning och tvångskylning den maximala IGBT-junctionstemperaturen under 87,5°C, vilket är betydligt lägre än den 100°C-trippeltröskeln. Vidare var svarstiden för alla tre förebyggande åtgärder inom 100ms, vilket uppfyller kravet på snabbt skydd. Inga falska utlösningar inträffade under försöket, vilket indikerar stabila och tillförlitliga systemprestanda.

5 Slutsats

Denna studie analyserade systematiskt orsakerna till ovanliga trippelfel i 6kV högspänningsinverter och föreslog målinriktade förebyggande åtgärder. Experimentsresultaten bekräftar att strömbegränsande resistor effektivt kontrollerar inrush-ström, spänningsklämdkretsen undertrycker signifikant DC-buss överspänning, och kombinationen av strömfördelning med tvångskylning minskar betydligt risken för IGBT överhettning, vilket förbättrar systemets totala tillförlitlighet.