การป้องกันการทริปในอินเวอร์เตอร์แรงดันสูง 6kV

อินเวอร์เตอร์แรงดันสูงเป็นอุปกรณ์ที่สำคัญสำหรับการควบคุมความเร็วมอเตอร์ไฟฟ้าสลับ และถูกใช้งานอย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรมเช่น การยกของ การกลั่นโลหะ การขุดเจาะน้ำมัน และการผลิตไฟฟ้า โดยเฉพาะในการควบคุมความเร็วมอเตอร์ไฟฟ้าที่มีกำลังและแรงดันสูง อย่างไรก็ตาม อินเวอร์เตอร์แรงดันสูง 6kV มักประสบปัญหาการกระโดดผิดปกติของไดร์ฟเนื่องจากปัจจัยต่างๆ เช่น การเปลี่ยนแปลงของระบบไฟฟ้าและการกระทบของโหลด ซึ่งส่งผลกระทบต่อความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือของระบบควบคุมความเร็วมอเตอร์อย่างมาก

เพื่อให้แน่ใจว่าระบบ VFD แรงดันสูงทำงานอย่างเสถียร ปรับปรุงประสิทธิภาพทางอุตสาหกรรม และลดการใช้พลังงาน รัฐบาลได้นำนโยบายหลายรายการมาใช้เพื่อส่งเสริมการวิจัยและการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีอินเวอร์เตอร์แรงดันสูง ดังนั้น การวิเคราะห์สาเหตุของการกระโดดผิดปกติในอินเวอร์เตอร์แรงดันสูง 6kV และการพัฒนามาตรการป้องกันที่มีประสิทธิภาพมีความสำคัญอย่างยิ่งในการส่งเสริมเทคโนโลยี VFD แรงดันสูงและสนับสนุนการเจริญเติบโตทางเศรษฐกิจอุตสาหกรรม

1 ภาพรวมของอินเวอร์เตอร์แรงดันสูง 6kV

อินเวอร์เตอร์แรงดันสูง 6kV เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูงที่ใช้ IGBTs เป็นอุปกรณ์สวิตชิง และใช้โครงสร้างหลายระดับเพื่อควบคุมความเร็วด้วยความถี่แปรผันที่ 6kV หรือสูงกว่า หน่วยกำลังของมันมักจะใช้วงจรคลุมจุดกลางสามระดับ (3L-NPC) หรือวงจรคลุมจุดกลางแบบแอคทีฟห้าระดับ (5L-ANPC) สร้างขึ้นโดยการเชื่อมโยงโมดูลย่อยหลายโมดูล แต่ละโมดูลประกอบด้วย IGBTs 6-24 ตัวและไดโอดฟรีวีลลิง สร้างคลื่นที่มีระดับ 9-17 ซึ่งใกล้เคียงกับคลื่นไซน์หลังจากการกรอง

กำลังที่เหมาะสมมักอยู่ระหว่าง 3000 ถึง 14,000 kVA พร้อมด้วยระดับแรงดันครอบคลุม 6kV, 10kV, และ 35kV สำหรับความต้องการกำลังและแรงดันที่สูงขึ้น สามารใช้โครงสร้างคอนเวอร์เตอร์แบบโมดูลาร์หลายระดับ (MMC) ได้ ที่โมดูลย่อยใช้โครงสร้างครึ่งสะพานหรือสะพานเต็ม ด้วยการซ้อนโมดูลย่อยหลายร้อยต่อเฟส ทำให้สามารถรองรับแรงดันสูงถึง 220kV และกำลังเดี่ยวสูงถึง 400 MVA ซึ่งเหมาะสมสำหรับการใช้งานเช่น การรวมระบบพลังงานทดแทน การผลิตลมนอกชายฝั่ง และการส่งผ่านกระแสไฟฟ้าแบบยืดหยุ่น DC ส่วนกลยุทธ์การควบคุมของอินเวอร์เตอร์แรงดันสูงมีความซับซ้อน โดยมีเทคโนโลยีสำคัญเช่น การจำลองการเปลี่ยนเฟสของCarrier, การทรงตัวของกระแส, การตรวจจับแบบไม่มีเซ็นเซอร์, และการปรับปรุงการลดสนามแม่เหล็ก

2 ความผิดปกติของการกระโดดผิดปกติในอินเวอร์เตอร์แรงดันสูง 6kV

ระหว่างการทำงาน อินเวอร์เตอร์แรงดันสูง 6kV มักจะกระโดดเนื่องจากความผิดปกติเช่น กระแสเกิน, แรงดันเกิน, และความร้อนเกิน ความผิดปกติของกระแสเกินมักเกิดขึ้นระหว่างการเริ่มต้นหรือการเปลี่ยนแปลงโหลดอย่างฉับพลัน ที่กระแสทันทีอาจเกิน 2-3 เท่าของค่ากำหนด หากกระแสเกิน 1600A เป็นเวลาเกิน 100ms หรือ 2000A เป็นเวลาเกิน 10ms อินเวอร์เตอร์จะปิดกั้น IGBTs และตัดคอนแทคเตอร์เอาต์พุตทันที ทำให้เกิดการกระโดดป้องกันฮาร์ดแวร์

ความผิดปกติของแรงดันเกินมักเกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงของระบบไฟฟ้าหรือการเปลี่ยนแปลงโหลดอย่างฉับพลัน เมื่อแรงดันบัส DC เกิน 1.2 เท่าของค่ากำหนด (1368V) โปรแกรมป้องกันแรงดันเกินซอฟต์แวร์จะทำงาน หากเกิน 1.35 เท่า (1026V) ระบบป้องกันฮาร์ดแวร์จะกระโดดทันที ความผิดปกติของความร้อนเกินมักเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงหรือการใช้งานโอเวอร์โหลดเป็นเวลานาน เมื่ออุณหภูมิ IGBT เกิน 90°C หรืออุณหภูมิฮีตซิงค์เกิน 70°C เป็นเวลาเกิน 5 นาที ระบบจะส่งสัญญาณเตือนอุณหภูมิสูง หากอุณหภูมิสูงถึง 100°C หรือ 80°C ตามลำดับ จะเกิดการกระโดดทันที ลักษณะทั่วไปของความผิดปกติทั้งสามประเภทนี้คือการกระตุ้นกลไกป้องกันตนเองของอินเวอร์เตอร์ ซึ่งตัดเอาต์พุตอย่างรวดเร็วด้วยการปิดกั้น IGBTs และตัดคอนแทคเตอร์ ทำให้เกิดปรากฏการณ์เช่น การหยุดฉุกเฉินของมอเตอร์และการแจ้งเตือนความผิดปกติด้วยไฟกระพริบ

3 มาตรการป้องกัน
3.1 ตัวต้านทานจำกัดกระแส

เพื่อแก้ไขปัญหาความผิดปกติของกระแสเกิน ตัวต้านทานจำกัดกระแสสามารถเชื่อมต่อระหว่างเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์กับมอเตอร์ การวัดภาคสนามแสดงว่าเมื่ออินเวอร์เตอร์ 6kV/1500kVA เริ่มมอเตอร์ขนาด 380kW หรือมากกว่า กระแสเริ่มต้นทันทีสามารถสูงถึง 5-8 เท่าของค่ากำหนด ซึ่งสูงกว่าการตั้งค่าป้องกันกระแสเกินอย่างมาก

เพื่อควบคุมกระแสเริ่มต้น สามารถใช้ตัวต้านทานชนิดขดลวดหรือตัวต้านทานแบบไม่เชิงเส้นจากซิงค์ออกไซด์ซิงค์ ที่มีความต้านทาน 1-3Ω และกำลังกำหนด 200-500W ตัวต้านทานชนิดหลังมีความต้านทานในภาวะเย็นเหนือ 100Ω และลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อกระแสเพิ่มขึ้น ทำให้กระแสเริ่มต้นสูงสุดอยู่ที่ 2-3 เท่าของค่ากำหนด หลังจากมอเตอร์เริ่มทำงาน เมื่อความถี่เอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์สูงกว่า 40Hz และกระแสลดลงต่ำกว่าค่ากำหนด แรงดันตกคร่อมตัวต้านทานจะน้อยกว่า 50V

ในขณะนี้ คอนแทคเตอร์บายพาสจะสั้นตัวต้านทานเพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียพลังงานอย่างต่อเนื่อง หากกระแสพุ่งขึ้นระหว่างการเริ่มต้น เมื่อตัวแปลงกระแสตรวจจับค่าที่เกิน 1200A ระบบควบคุมจะส่งสัญญาณเตือน หากกระแสสูงถึง 1500A อินเวอร์เตอร์จะปิดกั้น IGBTs และเปิดคอนแทคเตอร์บายพาส ใส่ตัวต้านทานจำกัดกระแสเพื่อลดกระแสอย่างรวดเร็ว แล้วคอนแทคเตอร์บายพาสจะปิดเพื่อกลับสู่การทำงานปกติ กระบวนการเปลี่ยนแปลงทั้งหมดนี้ใช้เวลาไม่เกิน 0.5 วินาที ทำให้สามารถควบคุมกระแสพุ่งขึ้นได้ ทำให้มอเตอร์เริ่มทำงานอย่างราบรื่น และเพิ่มความน่าเชื่อถือของอินเวอร์เตอร์อย่างมาก

3.2 วงจรจำกัดแรงดัน

เพื่อควบคุมความผิดปกติของแรงดันเกิน วงจรจำกัดแรงดันสามารถเชื่อมต่อขนานกับบัส DC วงจรนี้ประกอบด้วยตัวต้านทานออกไซด์ซิงค์ (MOV), ทรานซิสเตอร์แบบเร็ว (GTO), และวงจรตรวจจับ ข้อมูลภาคสนามแสดงว่าโปรแกรมป้องกันแรงดันเกินซอฟต์แวร์จะทำงานเมื่อแรงดันระบบไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงมากกว่า 15% หรือเมื่อโหลดลดลงทำให้แรงดันบัส DC เกิน 1300V เป็นเวลาเกิน 20ms

เพื่อป้องกันความผิดปกตินี้ สามารถใช้ MOV รุ่น TYN-20/141 ที่มีแรงดันทริกเกอร์ 1420V, กระแสปล่อยสูงสุด 20kA, และความสามารถในการดูดซับพลังงาน 8800J ต่อหน่วย เมื่อแรงดันบัสเกิน 1350V MOV จะเริ่มนำและดูดซับพลังงานส่วนเกิน หากแรงดันสูงถึง 1400V GTO จะทริกเกอร์ ทำให้พลังงานเกินถูกกระจายเข้าสู่ตัวต้านทานเพื่อคืนแรงดันสู่ระดับที่ปลอดภัย วงจรตรวจจับจะตรวจสอบแรงดันบัสอย่างต่อเนื่อง

เมื่อแรงดันลดลงต่ำกว่า 1250V และคงที่เป็นเวลา 50ms สัญญาณปลดล็อกจะถูกส่ง เพื่อปิด GTO และคืนการทำงานปกติของระบบ หากแรงดันบัสคงที่เกิน 1400V เป็นเวลาเกิน 100ms ความผิดปกติแรงดันเกินรุนแรงจะถูกระบุ และอินเวอร์เตอร์จะเข้าสู่สถานะล็อกซอฟต์แวร์ ต้องทำการรีเซ็ตด้วยมือก่อนเริ่มใหม่ ปฏิบัติการแสดงว่าวงจรจำกัดแรงดันนี้ทำให้อินเวอร์เตอร์ 6kV สามารถทนแรงดันเกินทันที 35% และจำกัดแรงดันเกินให้อยู่ที่ 1.05 เท่าของแรงดันกำหนดภายใน 100ms ตอบสนองอย่างรวดเร็วและเชื่อถือได้ ป้องกันการกระโดดของแรงดันเกินอย่างบ่อยครั้งและเพิ่มความต่อเนื่องและความน่าเชื่อถือของระบบอย่างมาก

3.3 การออกแบบแบ่งกระแส

เพื่อแก้ไขปัญหาความร้อนเกิน สามารใช้เทคโนโลยีแบ่งกระแสเพื่อลดการสร้างความร้อนในส่วนประกอบสำคัญเช่น IGBTs และฮีตซิงค์ เพื่อป้องกันการกระโดดเนื่องจากความร้อนเกิน

มาตรการเฉพาะเจาะจงรวมถึงการเชื่อมต่อคอนเดนเซอร์อิเล็กโทรไลต์ 1-2 ตัวขนานระหว่างเทอร์มินัลบัส DC บวกและลบของแต่ละหน่วยกำลัง คอนเดนเซอร์ควรมีความจุ 1000-2200μF, แรงดันกำหนด ≥1600V, และกระแสริปลต่อเนื่อง ≥100A เมื่อกระแสเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์เกิน 1.2 เท่าของค่ากำหนด (เช่น 900A) คอนเดนเซอร์ขนานเหล่านี้สามารถให้ความสามารถในการแบ่งกระแส 10%-20% ทำให้กระแสผ่าน IGBTs ลดลงเหลือ 720-810A เนื่องจากความสูญเสียจากการนำของ IGBTs สมดุลกับกำลังสองของกระแส วิธีนี้ทำให้สามารถลดการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ในสูตร: PCPC เป็นความสูญเสียจากการนำของ IGBT (W); VCEVCE เป็นแรงดันอิ่มตัวของ IGBT (V) ซึ่งมีความสัมพันธ์เชิงเส้นกับกระแส ICIC (A); UηUη เป็นแรงดันเปิดของ IGBT (V); $K$ เป็นปัจจัยขยายกระแสของ IGBT

สามารถเห็นได้ว่าหลังจากใช้มาตรการแบ่งกระแส ความสูญเสียจากการนำของ IGBT สามารถลดลง 19% ถึง 36% และอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อของชิปสามารถลดลง 10°C ถึง 25°C ทำให้ปัญหาความร้อนของอินเวอร์เตอร์ลดลงอย่างมาก

นอกจากนี้ ติดตั้งพัดลมไฟฟ้า 1 ถึง 2 ตัวขนานที่ทางเข้าและทางออกของฮีตซิงค์ของอินเวอร์เตอร์ ด้วยปริมาณอากาศที่กำหนด ≥ 3000 m³/h ซึ่งสามารถเพิ่มประสิทธิภาพในการทำความเย็นของฮีตซิงค์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ติดตั้งเซ็นเซอร์อุณหภูมิ 6 ถึง 8 ตัวภายในตู้ควบคุม เพื่อตรวจสอบอุณหภูมิของหน่วยกำลังต่างๆ, แผงแม่บ้าน, แผงขับ IGBT, ฯลฯ แบบเรียลไทม์ เมื่ออุณหภูมิจุดใดจุดหนึ่งเกิน 65°C ระบบควบคุมจะเริ่มพัดลมไฟฟ้าด้วยความเร็วสูงสุดและส่งสัญญาณ "คำเตือนลดโหลด" ไปยังหน่วยควบคุมอินเวอร์เตอร์

หากอุณหภูมิยังคงเพิ่มขึ้นถึง 75°C และอยู่นานเกิน 10 นาที ระบบจะส่งสัญญาณ "คำเตือนอุณหภูมิเกิน" จำกัดกระแสเอาต์พุตสูงสุดของอินเวอร์เตอร์ให้ต่ำกว่า 50% ของค่ากำหนด จนกว่าอุณหภูมิจะลดลงต่ำกว่า 60°C ที่จุดนี้ "คำเตือนอุณหภูมิเกิน" จะถูกยกเลิก

หากอุณหภูมิจุดวัดใดจุดหนึ่งเกิน 85°C และกระแสมอเตอร์ไม่ลดลงต่ำกว่า 30% ของค่ากำหนด อินเวอร์เตอร์จะล็อกฮาร์ดแวร์ทันทีและหยุดการทำงาน เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการทำความเย็น ใช้วัสดุนาโนเช่น กราฟีนหรือท่อคาร์บอนนาโนเคลือบบนฮีตซิงค์ของ IGBT ของแต่ละหน่วยกำลัง ใช้คุณสมบัติการนำความร้อนที่สูงมากเพื่อเร่งการระบายความร้อนของชิป IGBT ทำให้อุณหภูมิจุดเชื่อมต่อลดลง

4 ประสิทธิภาพของมาตรการป้องกัน
4.1 การออกแบบทดลอง

ใช้อินเวอร์เตอร์แรงดันสูง ZINVERT-6kV/1500kVA เป็นวัตถุทดสอบ และทำการทดลองควบคุมแบบกลุ่มเพื่อยืนยันประสิทธิภาพของมาตรการป้องกันที่เสนอไว้ ทดลองภายใต้เงื่อนไขการทำงานที่กำหนด (แรงดันขาเข้า: 6kV±5%; อุณหภูมิแวดล้อม: 25°C±2°C; ความชื้นสัมพัทธ์: 65%±5%) ทดลองแบ่งเป็น 4 กลุ่ม: กลุ่มควบคุมไม่ใช้มาตรการป้องกัน; กลุ่ม A ใช้ตัวต้านทานจำกัดกระแส 2.2Ω/350W พร้อมสวิตช์บายพาส MSC-500 ที่รวดเร็ว; กลุ่ม B ใช้วงจรจำกัดแรงดันที่สร้างขึ้นจากตัวต้านทานแบบไม่เชิงเส้น TYN-20/141 และ IXYS-GTO ที่เชื่อมต่อขนาน ด้วยแรงดันจำกัดที่ตั้งไว้ที่ 1420V; กลุ่ม C ใช้คอนเดนเซอร์อิเล็กโทรไลต์ 2000μF/1600V (Hitachi HCG series) ที่เชื่อมต่อขนานสำหรับแบ่งกระแส พร้อมพัดลมปรับความเร็ว 3500 m³/h (EBM-W3G450) สำหรับการทำความเย็นแบบบังคับ

แต่ละกลุ่มทำงานต่อเนื่องเป็นเวลา 72 ชั่วโมง บันทึกพารามิเตอร์สำคัญ เช่น กระแสเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์, แรงดันบัส DC, และอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อของ IGBT ทุก 6 ชั่วโมง รวบรวมข้อมูลโดยใช้เครื่องวิเคราะห์คุณภาพไฟฟ้า Fluke 435-II และเครื่องบันทึกข้อมูล HIOKI 8847 ในระหว่างการทดลอง จำลองสถานการณ์ความผิดปกติ 3 แบบ: กระแสเริ่มต้นเกิน (8 เท่าของค่ากำหนด / 0.5 วินาที), การเปลี่ยนแปลงแรงดันระบบ (+20% / 1 วินาที), และการทำงานที่โหลดเต็ม (อุณหภูมิแวดล้อม 35°C / 2 ชั่วโมง) แผนการทดลองแสดงในรูปที่ 1

4.2 การวิเคราะห์ผล

หลังจากทำงานต่อเนื่องเป็นเวลา 72 ชั่วโมง รวบรวมและวิเคราะห์ข้อมูลจาก 4 กลุ่ม ผลปรากฏในตาราง 1 กลุ่มควบคุมประสบปัญหาการกระโดดในทุกสถานการณ์ความผิดปกติ ในขณะที่กลุ่มทดลองที่ใช้มาตรการป้องกันแสดงผลในการยับยั้งความผิดปกติอย่างมีประสิทธิภาพ ในกลุ่ม A กระแสเริ่มต้นสูงสุดลดลงจาก 7.8 เท่าของค่ากำหนดเหลือ 2.2 เท่า ทำให้สามารถป้องกันการกระโดดเนื่องจากกระแสเกินได้

ในกลุ่ม B วงจรจำกัดแรงดันจำกัดการเปลี่ยนแปลงแรงดันบัส DC สูงสุดที่ 1368V ซึ่งต่ำกว่าค่าป้องกันที่ตั้งไว้ที่ 1420V อย่างมาก ในกลุ่ม C การผสมผสานระหว่างการแบ่งกระแสและการทำความเย็นแบบบังคับทำให้อุณหภูมิจุดเชื่อมต่อของ IGBT อยู่ต่ำกว่า 87.5°C ซึ่งต่ำกว่าค่ากระโดดที่ 100°C อย่างมาก นอกจากนี้ เวลารับสัญญาณของมาตรการป้องกันทั้งสามอยู่ภายใน 100ms ตรงตามความต้องการในการป้องกันอย่างรวดเร็ว ไม่มีการกระโดดผิดพลาดเกิดขึ้นระหว่างการทดลอง แสดงถึงประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของระบบ

5 สรุป

การศึกษาครั้งนี้วิเคราะห์สาเหตุของการกระโดดผิดปกติในอินเวอร์เตอร์แรงดันสูง 6kV อย่างเป็นระบบ และเสนอมาตรการป้องกันที่มีเป้าหมาย ผลการทดลองยืนยันว่าตัวต้านทานจำกัดกระแสสามารถควบคุมกระแสเริ่มต้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ, วงจรจำกัดแรงดันสามารถยับยั้งแรงดันเกินของบัส DC อย่างมีประสิทธิภาพ, และการผสมผสานระหว่างการแบ่งกระแสและการทำความเย็นแบบบังคับสามารถลดความเสี่ยงของความร้อนเกินของ IGBT อย่างมาก ทำให้เพิ่มความน่าเชื่อถือของระบบโดยรวม