Pag-iwas sa Pag-trip ng 6kV High-Voltage Inverters

Ang mga inverter na may mataas na voltaje ay mahahalagang mga aparato para sa kontrol ng bilis ng motor na AC at malawakang ginagamit sa industriya tulad ng pag-angat, metalurhiya, langis, at pagbuo ng kuryente. Gayunpaman, ang mga 6kV high-voltage inverter madalas na nagkakaroon ng abnormal na pagkakasala ng drive habang ito ay nakatakda, dahil sa mga salik tulad ng pagbabago ng grid at epekto ng load, na lubhang nakakaapekto sa seguridad at reliabilidad ng sistema ng kontrol ng bilis ng motor.

Upang tiyakin ang matatag na operasyon ng mga high-voltage variable frequency drive (VFD) system, mapabuti ang efisyensiya ng industriya, at bawasan ang pagkonsumo ng enerhiya, ipinakilala ng pamahalaan ang isang serye ng mga patakaran upang hikayatin ang pag-aaral at paggamit ng teknolohiya ng high-voltage inverter. Kaya, ang malalim na pag-aanalisa ng mga sanhi ng mga abnormal na pagkakasala sa 6kV high-voltage inverter at ang pagbuo ng mabisang mga hakbang ng pag-iwas ay may malaking kahalagahan para sa pag-una ng teknolohiya ng high-voltage VFD at pagpapanatili ng ekonomiko ng industriya.

1 Buod ng 6kV High-Voltage Inverter

Ang 6kV high-voltage inverter ay isang high-power power electronic device na gumagamit ng IGBTs bilang switching elements at gumagamit ng multilevel topology upang makamit ang variable-frequency speed control sa 6kV at iba pa. Ang mga power units nito karaniwang gumagamit ng three-level neutral-point-clamped (3L-NPC) o five-level active neutral-point-clamped (5L-ANPC) circuits, na binubuo ng pag-cascade ng maraming submodule. Bawat submodule ay naglalaman ng 6–24 IGBTs at freewheeling diodes, na nagbibigay ng stepped waveform na may 9–17 levels, na sumusunod sa sine wave pagkatapos ng filtering.

Ang typical capacity ranges mula 3000 hanggang 14,000 kVA, kasama ang voltage levels na 6kV, 10kV, at 35kV. Para sa mas mataas na capacity at voltage requirements, maaaring gamitin ang modular multilevel converter (MMC) topology, kung saan ang mga submodule ay gumagamit ng half-bridge o full-bridge structures, na may daan-daang submodule na naka-stack per phase, na nagbibigay ng voltage levels hanggang 220kV at single-unit capacity hanggang 400 MVA, na angkop para sa mga aplikasyon tulad ng renewable energy grid integration, offshore wind power, at flexible DC transmission. Ang control strategy ng high-voltage inverter ay komplikado, na kasama ang mga pangunahing teknolohiya tulad ng carrier phase-shifted modulation, current balancing, sensorless detection, at field-weakening optimization.

2 Abnormal Drive Tripping Faults sa 6kV High-Voltage Inverters

Sa panahon ng operasyon, ang mga 6kV high-voltage inverter madalas na nagkakasala dahil sa mga abnormalidad tulad ng overcurrent, overvoltage, at overheating. Ang mga overcurrent fault karaniwang nangyayari sa panahon ng pagsisimula o biglaang pagbabago ng load, kung saan ang instantaneous current maaaring lumampas ng 2–3 beses ang rated value. Kung ang current lumampas ng 1600A sa loob ng higit sa 100ms o 2000A sa loob ng higit sa 10ms, ang inverter agad na nakakablock ng IGBTs at nakakainactivate ang output contactor, na nagtrigger ng hardware protection tripping.

Ang mga overvoltage fault karaniwan ay dulot ng pagbabago ng grid o biglaang pagbabago ng load. Kapag ang DC bus voltage lumampas ng 1.2 beses ang rated value (1368V), ang software overvoltage protection ay aktibo; kung lumampas ng 1.35 beses (1026V), ang hardware protection ay direkta na nagtrigger. Ang mga overheating fault karaniwan nangyayari sa mataas na temperatura o habang nasa prolonged overload operation. Kapag ang temperatura ng IGBT lumampas ng 90°C o ang heatsink temperature lumampas ng 70°C sa loob ng higit sa 5 minuto, ang sistema ay nagbibigay ng high-temperature warning; kapag ang temperatura umabot sa 100°C o 80°C, ang tripping ay direkta na nangyayari. Ang common feature ng tatlong uri ng fault na ito ay ang pag-trigger ng self-protection mechanism ng inverter, na mabilis na nagcut-off ng output sa pamamagitan ng pag-block ng IGBTs at pag-disconnect ng contactors, na nagresulta sa mga phenomena tulad ng emergency stop ng motor at flashing fault alarms.

3 Preventive Measures
3.1 Current-Limiting Resistor

Upang tugunan ang overcurrent faults, maaaring ikonekta ang isang current-limiting resistor sa pagitan ng output ng inverter at motor. Ang field measurements ay nagpapakita na kapag ang 6kV/1500kVA inverter ay nagsisimula ng isang 380kW o mas malaking motor, ang instantaneous starting current maaaring umabot sa 5–8 beses ang rated current, na lubhang lumalampas sa setting ng overcurrent protection.

Upang supilin ang starting current, maaaring gamitin ang isang wire-wound resistor o nonlinear zinc-oxide varistor na may resistance na 1–3Ω at rated power na 200–500W. Ang huli ay may cold-state resistance na higit sa 100Ω at mabilis na bumababa habang ang current ay tumataas, na limitado ang peak starting current sa loob ng 2–3 beses ang rated value. Pagkatapos ng pagsisimula ng motor, kapag ang output frequency ng inverter ay lumampas sa 40Hz at ang current ay bumaba sa ilalim ng rated value, ang voltage drop sa resistor ay mas mababa sa 50V.

Sa punto na ito, ang bypass contactor ay short circuit ang resistor upang iwasan ang patuloy na pagkawala ng lakas. Kung ang current ay tumaas sa panahon ng pagsisimula, kapag ang current transformer ay nadetect na ang halaga ay lumampas sa 1200A, ang control system ay nagbibigay ng babala; kung ito ay umabot sa 1500A, ang inverter agad na nakakablock ng IGBTs at binuksan ang bypass contactor, na pinapalit ang current-limiting resistor upang mabilis na bawasan ang current. Ang bypass contactor ay pagkatapos ay binuksan muli upang ibalik ang normal na operasyon. Ang buong proseso ng switching ay mas mababa sa 0.5s, na mabisa na nag-suppress ng current spikes, tiyakin ang smooth na pagsisimula ng motor, at lubhang nagpapabuti ng reliabilidad ng inverter.

3.2 Voltage Clamping Circuit

Upang supilin ang overvoltage faults, maaaring ikonekta ang isang voltage clamping circuit sa parallel sa DC bus. Ang circuit na ito karaniwang binubuo ng metal oxide varistor (MOV), fast thyristor (GTO), at detection circuit. Ang field data ay nagpapakita na ang software overvoltage protection ay aktibo kapag ang grid voltage ay nag-fluctuate ng higit sa 15% o kapag ang pagbawas ng load ay nagresulta sa DC bus voltage na lumampas sa 1300V sa loob ng higit sa 20ms.

Upang iwasan ang mga ganitong kaso, maaaring gamitin ang TYN-20/141 MOV, na may triggering voltage na 1420V, maximum discharge current na 20kA, at energy absorption capacity na 8800J per unit. Kapag ang bus voltage lumampas sa 1350V, ang MOV simula na mag-conduct at i-absorb ang excess energy; kung ang voltage tumaas sa 1400V, ang GTO trigger, mabilis na idivert ang overvoltage energy sa resistor upang ibalik ang voltage sa ligtas na antas. Ang detection circuit ay patuloy na monitore ang bus voltage.

Kapag ang voltage bumaba sa ilalim ng 1250V at nanatili doon sa loob ng 50ms, ang release signal ay inilabas, na inoff ang GTO at ibinalik ang normal na operasyon ng sistema. Kung ang bus voltage nanatili sa itaas ng 1400V sa loob ng higit sa 100ms, ang severe overvoltage fault ay natuklasan, at ang inverter ay pumunta sa software lockout state, na nangangailangan ng manual reset bago maulit. Ang praktika ay nagpapakita na sa pamamagitan ng clamping circuit na ito, ang 6kV inverter ay maaaring tanggapin ang 35% instantaneous overvoltage at supilin ang overvoltage sa loob ng 1.05 beses ang rated voltage sa loob ng 100ms. Ang response ay mabilis at maasahan, na mabisa na nagpre-prevent ng madalas na overvoltage tripping at lubhang nagpapabuti ng continuity at reliabilidad ng sistema.

3.3 Current-Sharing Design

Upang tugunan ang overheating faults, maaaring gamitin ang current-sharing technology upang bawasan ang heat generation sa mga critical components tulad ng IGBTs at heatsinks, na nagpapahinto sa thermal tripping.

Ang mga specific measures ay kasama ang pagkonekta ng 1–2 electrolytic capacitors sa parallel sa positive at negative DC bus terminals ng bawat power unit. Ang mga capacitor ay dapat na may capacitance na 1000–2200μF, voltage rating ≥1600V, at continuous ripple current ≥100A. Kapag ang output current ng inverter lumampas sa 1.2 beses ang rated value (halimbawa, 900A), ang mga parallel capacitors ay maaaring magbigay ng 10%–20% current sharing capability, na binawasan ang aktwal na current sa pamamagitan ng IGBTs sa 720–810A. Dahil ang IGBT conduction losses ay proporsyonal sa kwadrado ng current, ang approach na ito ay mabisa na binawasan ang temperature rise.

Sa formula: PCPC ay ang IGBT conduction loss (W); VCEVCE ay ang IGBT saturation voltage (V), na may linear relationship sa current ICIC (A); UηUη ay ang turn-on voltage ng IGBT (V); $K$ ay ang current amplification factor ng IGBT.

Makikita na pagkatapos ng shunt measures, ang conduction loss ng IGBT ay maaaring mabawasan ng 19% hanggang 36%, at ang chip junction temperature ay maaaring bumaba ng 10°C hanggang 25°C, na lubhang nag-alleviate ng heating problem ng inverter.

Karagdagang install 1 hanggang 2 electric fans sa parallel sa inlet at outlet ng inverter heatsink, na may rated air volume na ≥ 3000 m³/h, na maaaring mabisa na mapalakas ang cooling effect ng heatsink. Mag-install ng 6 hanggang 8 temperature sensors sa loob ng control cabinet upang real-time monitoring ng temperatures ng iba't ibang power units, Mother board, IGBT drive board, atbp. Kapag ang anumang point na temperatura ay lumampas sa 65°C, ang control system agad na nagsisimula ng electric fan sa full speed at nagpapadala ng "load reduction warning" signal sa inverter control unit.

Kapag ang temperatura patuloy na tumaas sa 75°C at nanatili sa loob ng higit sa 10 minuto, ang sistema ay nagpapadala ng "over-temperature alarm" signal, na naglimita ng maximum output current ng inverter sa ilalim ng 50% ng rated value hanggang ang temperatura ay bumaba sa ilalim ng 60°C, kung saan ang "over-temperature alarm" ay ini-lift.

Kapag ang anumang measurement point na temperatura ay lumampas sa 85°C at ang motor current ay hindi bumaba sa ilalim ng 30% ng rated value, ang inverter agad na nag-lock out ng hardware at naghinto ng output. Upang palakasin ang cooling effect, i-apply ang nanomaterials tulad ng graphene o carbon nanotubes sa IGBT heatsinks ng bawat power unit, na gumagamit ng kanilang ultra-high thermal conductivity upang mapabilis ang pag-dissipate ng heat ng IGBT chips, na nagreresulta sa pagbawas ng junction temperature.

4 Effectiveness ng Preventive Measures
4.1 Experimental Design

Ang ZINVERT-6kV/1500kVA intelligent high-voltage inverter ay ginamit bilang test object, at isinagawa ang grouped control experiment upang patunayan ang effectiveness ng tatlong proposed preventive measures. Ang mga eksperimento ay isinagawa sa ilalim ng rated operating conditions (input voltage: 6kV±5%; ambient temperature: 25°C±2°C; relative humidity: 65%±5%). Ang eksperimento ay nahati sa apat na grupo: ang control group ay walang preventive measures; Group A ay gumamit ng 2.2Ω/350W current-limiting resistor na may MSC-500 fast bypass switch; Group B ay gumamit ng voltage clamping circuit na binubuo ng TYN-20/141 varistor at IXYS-GTO na connected in parallel, na may clamping voltage na set sa 1420V; Group C ay gumamit ng 2000μF/1600V electrolytic capacitor (Hitachi HCG series) na connected in parallel para sa current sharing, na kombinado ng 3500 m³/h variable-speed fan (EBM-W3G450) para sa forced cooling.

Bawat grupo ay nag-operate nang patuloy sa loob ng 72 oras, na key parameters—tulad ng inverter output current, DC bus voltage, at IGBT junction temperature—na na-record bawat 6 oras. Ang data ay kinolekta gamit ang Fluke 435-II power quality analyzer at HIOKI 8847 data logger. Sa panahon ng eksperimento, tatlo ang typical fault scenarios na sinimulate: inrush overcurrent (8 beses ang rated current / 0.5s), grid voltage fluctuation (+20% / 1s), at full-load operation (ambient temperature 35°C / 2h). Ang experimental setup ay ipinakita sa Figure 1.

4.2 Result Analysis

Pagkatapos ng 72 oras ng patuloy na operasyon, ang data mula sa apat na grupo ay kinolekta at inanalisa, na may resulta na ipinakita sa Table 1. Ang control group ay nagkaroon ng tripping sa lahat ng tatlong fault conditions, samantalang ang mga experimental groups na may preventive measures ay nagpakita ng mabisang pag-suppress ng fault. Sa Group A, ang peak starting current ay binalanse mula 7.8 hanggang 2.2 beses ang rated value, na mabisa na nagpre-prevent ng overcurrent tripping.

Sa Group B, ang voltage clamping circuit ay limitado ang maximum DC bus voltage fluctuation sa 1368V, na mas mababa sa 1420V protection threshold. Sa Group C, ang combination ng current sharing at forced cooling ay napatayo ang maximum IGBT junction temperature sa ilalim ng 87.5°C, na mas mababa sa 100°C tripping threshold. Karagdagang ang response time ng lahat ng tatlong preventive measures ay nasa loob ng 100ms, na sumasang-ayon sa requirement para sa mabilis na protection. Walang false triggering na nangyari sa panahon ng eksperimento, na nagpapakita ng matatag at maasahang performance ng sistema.

5 Conclusion

Ang pag-aaral na ito ay sistemang inanalisa ang mga sanhi ng abnormal tripping sa 6kV high-voltage inverter at ipinropuso ang mga targeted preventive measures. Ang mga resulta ng eksperimento ay nagpatunay na ang current-limiting resistor ay mabisa na nagkontrol ng inrush current, ang voltage clamping circuit ay mabisa na nagsuppress ng DC bus overvoltage, at ang combination ng current sharing at forced cooling ay mabisa na nabinawasan ang risk ng IGBT overheating, na nagpapabuti ng overall reliability ng sistema.