Kuzuia Kupungua kwenye Inverters ya Mwendo Mkakati wa 6kV

Inverta ya kiwango kikuu ni vifaa muhimu kwa kudhibiti mrefu wa mota AC na zinatumika sana katika usimamizi wa mrefu wa mota za kiwango cha juu na nguvu kubwa katika nyanja kama uchukuzi, utaratibu, mafuta, na kutengeneza nguvu. Lakini, mara nyingi, inverta ya 6kV huwa huna matatizo ya kukata kawaida wakati ya kazi kutokana na sababu kama mabadiliko ya mtandao na maathiri ya mizigo, ambayo huathiri msingi na ulimwengu wa mfumo wa kudhibiti mrefu wa mota.

Kuhakikisha kazi yenye upatikanaji wa VFD (Variable Frequency Drive) za kiwango kikuu, kuongeza ufanisi wa sekta ya kiwango na kupunguza matumizi ya nishati, serikali imeleta saraka za kidereva yanayohimiza utafiti na matumizi ya teknolojia ya inverta ya kiwango kikuu. Kwa hivyo, tahlil kamili ya sababu za matatizo ya kukata kawaida ya inverta ya 6kV na kujenga hatua za kuzuia zinazofanikiwa ni muhimu sana kwa kuboresha teknolojia ya VFD ya kiwango kikuu na kudumu kwa ukuaji wa kiwango cha uchumi.

1 Muhtasari wa Inverta ya 6kV

Inverta ya 6kV ni kifaa cha nishati cha kiwango kikuu kinachotumia IGBTs kama vitufe na kutumia topologia ya viwango vingine kufanya kudhibiti mrefu wa kiwango cha 6kV au zaidi. Viwango vyake vilivyotumiwa vinapendekeza mkato wa viwango vitatu (3L-NPC) au vitano (5L-ANPC), vilivyoundwa kwa kupeleka majina mengi. Mjeni moja unajumuisha 6-24 IGBTs na diodya za kufungua, inayotengeneza mwamba wa viwango 9-17, ambayo inaweza kusambaa kwenye mwamba wa sine baada ya kutekeleza.

Uwezo wa kawaida unaenda kutoka 3000 hadi 14,000 kVA, na kiwango cha umeme kinaelekea 6kV, 10kV, na 35kV. Kwa maombi ya kiwango kikuu na kiwango cha umeme, topologia ya converta ya viwango vingine (MMC) inaweza kutumika, ambako majina yameundwa kwa miundombinu ya half-bridge au full-bridge, na midhara milionsi makubwa kwa haraka, inayoweza kusambaza kiwango cha umeme hadi 220kV na uwezo wa mjeni moja hadi 400 MVA, inayofaa kwa maombi kama integreisheni ya grid ya nishati ya maridhiano, umeme wa upepo wa pembeni, na usafirishaji wa DC wa urahisi. Mbinu ya kudhibiti ya inverta ya kiwango kikuu ni ngumu, inayohusisha teknolojia muhimu kama modulation ya phase-shifted carrier, kutoa balance ya current, detection bila sensor, na optimization ya field-weakening.

2 Matatizo ya Kukata Kawaaida ya Inverta ya 6kV

Wakati wa kazi, inverta ya 6kV ya kiwango kikuu huwa huna matatizo ya kukata kutokana na mabadiliko kama overcurrent, overvoltage, na overheating. Matatizo ya overcurrent mara nyingi huonekana wakati wa kuanza au mabadiliko ya mizigo, ambapo current ya kisasa inaweza kusurika zaidi ya mara mbili au tatu ya thamani iliyotakribishwa. Ikiwa current isurike zaidi ya 1600A kwa muda wa zaidi ya 100ms au 2000A kwa zaidi ya 10ms, inverta huhifadhi IGBTs na kugusa kontakta ya tofauti, kukuza hardware protection tripping.

Matatizo ya overvoltage huonekana kwa kawaida kutokana na mabadiliko ya mtandao au mabadiliko ya mizigo. Ikiwa kiwango cha DC bus chenye umeme kisurike zaidi ya mara 1.2 ya thamani iliyotakribishwa (1368V), software overvoltage protection huunda; ikiwa isurike zaidi ya mara 1.35 (1026V), hardware protection humfanyia tripping moja kwa moja. Matatizo ya overheating huonekana kwa kawaida katika mazingira ya joto au wakati wa kazi ya overload. Ikiwa joto la IGBT likasurika zaidi ya 90°C au heatsink temperature ikasurika zaidi ya 70°C kwa muda wa zaidi ya dakika 5, mfumo hunipa taarifa ya joto kisichopatikana; tripping huonekana moja kwa moja ikiwa majukumu hayo yakasurika zaidi ya 100°C au 80°C, kwa kibonye. Kitufe cha matatizo haya tatu ni kukuza self-protection mechanism ya inverta, ambayo hutumia kusurika output kwa kuhifadhi IGBTs na kugusa kontakta, kusababisha maelezo kama kuanza kwa moto wa haraka na alarm za fault zenye flash.

3 Hatua za Kuzuia
3.1 Resistor wa Kuzuia Current

Kusaidia matatizo ya overcurrent, resistor wa kuzuia current unaweza kukatanishwa kati ya output ya inverta na motor. Mipangilio ya kijiji huchukua kwamba ikiwa inverter ya 6kV/1500kVA anza motor wa 380kW au zaidi, current ya kuanza inaweza kusurika mara 5-8 ya thamani iliyotakribishwa, kusurika sana kwa setting ya overcurrent protection.

Kusurika current ya kuanza, resistor wa wire-wound au varistor wa zinc-oxide nonlinear wenye resistance wa 1-3Ω na rated power wa 200-500W unaweza kutumika. Hii la mwisho lina resistance ya joto chafu zaidi ya 100Ω na linasurika haraka kama current inasurika, kusurika peak starting current kwenye mara 2-3 ya thamani iliyotakribishwa. Baada ya kuanza motor, ikiwa frequency ya output ya inverta isurika zaidi ya 40Hz na current ikasurika chini ya thamani iliyotakribishwa, voltage drop across the resistor ni chache kuliko 50V.

Wakati huo, bypass contactor anashorta resistor kusikia power loss inayendelea. Ikiwa current inasurika wakati wa kuanza, ikiwa current transformer anatambua thamani isurika zaidi ya 1200A, mfumo wa kudhibiti anatuma taarifa; ikiwa itasurika zaidi ya 1500A, inverta hutumia kuhifadhi IGBTs na kufulia bypass contactor, kurudi resistor wa kuzuia current kusurika current haraka. Bypass contactor anajihifadhi kurejesha kazi ya kawaida. Mchakato wote unafanyika chache kuliko 0.5s, kusaidia kusurika current spikes, kuhakikisha kuanza moto rahisi, na kuboresha ukweli wa inverta.

3.2 Mzunguko wa Kupiga Voltage

Kusaidia matatizo ya overvoltage, mzunguko wa kupiga voltage unaweza kukatanishwa kwa parallel na DC bus. Mzunguko huu unajumuisha metal oxide varistor (MOV), fast thyristor (GTO), na mzunguko wa kutambua. Data ya kijiji huchukua kwamba software overvoltage protection hutumika ikiwa voltage ya grid inasurika zaidi ya 15% au ikiwa uzalishaji wa mizigo unapatikana kusurika DC bus voltage zaidi ya 1300V kwa zaidi ya 20ms.

Kusaidia matatizo haya, TYN-20/141 MOV unaweza kutumika, na triggering voltage ya 1420V, maximum discharge current ya 20kA, na energy absorption capacity ya 8800J per unit. Ikiwa bus voltage isurika zaidi ya 1350V, MOV anastart kufanya kazi na kutambua nishati zaidi; ikiwa voltage isurika zaidi ya 1400V, GTO anastart, kusurika overvoltage energy kwa resistor kurejesha voltage kwenye kiwango cha salama. Mzunguko wa kutambua unatambua bus voltage.

Ikiwa voltage ikasurika chini ya 1250V na ikasurika hivi kwa dakika 50, signal ya release inatuma, kuhifadhi GTO na kurejesha kazi ya kawaida. Ikiwa bus voltage ikasurika zaidi ya 1400V kwa zaidi ya 100ms, matatizo makubwa ya overvoltage yanatambuliwa, na inverta hukubali state ya software lockout, inahitaji reset ya kielimu kabla ya kuanza tena. Ushindi unatambua kwamba na mzunguko huu wa kupiga, inverta ya 6kV inaweza kusurika 35% instantaneous overvoltage na kusurika overvoltage chini ya 1.05 times ya thamani iliyotakribishwa kwenye second 100. Response ni haraka na imara, kusaidia kusurika overvoltage tripping na kuboresha continuity na ukweli wa mfumo.

3.3 Mbinu ya Sharing Current

Kusaidia matatizo ya overheating, teknolojia ya sharing current inaweza kutumika kusurika heat generation katika components muhimu kama IGBTs na heatsinks, kusaidia kusurika thermal tripping.

Hatua zinazotakribishwa zinajumuisha kutanisha 1-2 electrolytic capacitors kwa parallel kati ya positive na negative DC bus terminals ya kila power unit. Capacitors zinapaswa kuwa na capacitance ya 1000-2200μF, voltage rating ≥1600V, na continuous ripple current ≥100A. Ikiwa current ya output ya inverta isurika zaidi ya 1.2 times ya thamani iliyotakribishwa (mfano, 900A), capacitors hizi zinaweza kutumika kusurika 10%-20% ya sharing current, kusurika actual current through the IGBTs kwenye 720-810A. Kutokana na IGBT conduction losses zinaweza kutumika kusurika square ya current, mbinu hii inaweza kusurika temperature rise.

Katika formula: PCPC ni IGBT conduction loss (W); VCEVCE ni IGBT saturation voltage (V), ambayo ina relationship linear na current ICIC (A); UηUη ni turn-on voltage ya IGBT (V); $K$ ni current amplification factor ya IGBT.

Inaweza kutambuliwa kwamba baada ya kusurika shunt measures, IGBT conduction loss inaweza kusurika chini ya 19% hadi 36%, na chip junction temperature inaweza kusurika chini ya 10°C hadi 25°C, kusaidia kusurika heating problem ya inverta.

Zaidi ya hii, install 1 hadi 2 electric fans kwa parallel kwenye inlet na outlet ya inverter heatsink, na rated air volume ≥ 3000 m³/h, ambayo inaweza kusurika cooling effect ya heatsink. Set up 6 hadi 8 temperature sensors ndani ya control cabinet kusurika temperatures ya various power units, Mother board, IGBT drive board, na kadhalika, kwa muda. Ikiwa temperature yoyote ikasurika zaidi ya 65°C, mfumo wa kudhibiti anastart electric fan kwa mwisho na kutuma "load reduction warning" signal kwa inverter control unit.

Ikiwa temperature ikasurika zaidi ya 75°C na ikasurika hivi kwa dakika 10, mfumo hutuma "over-temperature alarm" signal, kusurika maximum output current ya inverta chini ya 50% ya thamani iliyotakribishwa hadi temperature ikasurika chini ya 60°C, wakati huo "over-temperature alarm" hutolewa.

Ikiwa temperature yoyote ikasurika zaidi ya 85°C na motor current hakisurika chini ya 30% ya thamani iliyotakribishwa, inverta hutumia kuhifadhi hardware na kusurika output. Kusurika cooling effect, tumia nanomaterials kama graphene au carbon nanotubes kwenye IGBT heatsinks ya kila power unit, kutumia ultra-high thermal conductivity yao kusurika heat dissipation ya IGBT chips, kusurika junction temperature.

4 Ufanisi wa Hatua za Kuzuia
4.1 Experimental Design

ZINVERT-6kV/1500kVA intelligent high-voltage inverter zilitumika kama test object, na grouped control experiment ilifanyika kusurika ufanisi wa hatua tatu za kuzuia. Experiments zilifanyika kwenye operating conditions zilizotakribishwa (input voltage: 6kV±5%; ambient temperature: 25°C±2°C; relative humidity: 65%±5%). Experiment ilikuwa na four groups: control group alitumia hatua za kuzuia; Group A alitumia 2.2Ω/350W current-limiting resistor na MSC-500 fast bypass switch; Group B alitumia voltage clamping circuit formed by TYN-20/141 varistor na IXYS-GTO connected in parallel, na clamping voltage set at 1420V; Group C alitumia 2000μF/1600V electrolytic capacitor (Hitachi HCG series) connected in parallel for current sharing, combined with 3500 m³/h variable-speed fan (EBM-W3G450) for forced cooling.

Kila group ilikuwa na kazi ya kusurika 72 hours, na key parameters kama inverter output current, DC bus voltage, na IGBT junction temperature zilirecord kila 6 hours. Data zilipata kutumika Fluke 435-II power quality analyzer na HIOKI 8847 data logger. Wakati wa experiment, three typical fault scenarios zilipata kutumika: inrush overcurrent (8 times rated current / 0.5s), grid voltage fluctuation (+20% / 1s), na full-load operation (ambient temperature 35°C / 2h). Experimental setup ni inapatikana kwenye Figure 1.

4.2 Result Analysis

Baada ya 72 hours ya kazi ya kusurika, data kutoka kwa four groups zilipata kutumika na kutambua, na results zinapatikana kwenye Table 1. Control group alipata tripping kwenye all three fault conditions, lakini experimental groups na hatua za kuzuia zilitumika kusurika matatizo. Katika Group A, peak starting current ilisurika chini kutoka 7.8 hadi 2.2 times ya thamani iliyotakribishwa, kusurika overcurrent tripping.

Katika Group B, voltage clamping circuit ilisurika maximum DC bus voltage fluctuation chini ya 1368V, chini sana ya 1420V protection threshold. Katika Group C, combination ya current sharing na forced cooling ilisurika maximum IGBT junction temperature chini ya 87.5°C, chini sana ya 100°C tripping threshold. Zaidi ya hii, response time ya hatua tatu za kuzuia ilikuwa chini ya 100ms, inapatikana requirement ya fast protection. Hakukuwa na false triggering wakati wa experiment, inapatikana system performance ni stable na imara.

5 Conclusion

Utambulisho huu umetambua sababu za matatizo ya kukata kawaida ya inverta ya 6kV na kutumia hatua za kuzuia. Results za experiments zinapatikana kwamba current-limiting resistor unaweza kusurika inrush current, voltage clamping circuit unaweza kusurika DC bus overvoltage, na combination ya current sharing na forced cooling unaweza kusurika risk ya IGBT overheating, kusurika ukweli wa mfumo.