6kV Yüksek Gerilimli İnverterlerde Tıkanmayı Önleme

Yüksek gerilimli inverterler, AC motor hız kontrolü için kritik cihazlardır ve kaldırma, metalurji, petrol, elektrik üretimi gibi endüstrilerde yüksek güç, yüksek gerilimli motor hız düzenleme uygulamalarında yaygın olarak kullanılır. Ancak, ağ dalgalanmaları ve yük etkileri gibi faktörler nedeniyle 6kV yüksek gerilimli inverterler, işletim sırasında sık sık anormal sürüş atlatma hataları yaşar, bu da motor hız kontrol sistemlerinin güvenliği ve güvenilirliğini önemli ölçüde etkiler.

Yüksek gerilimli değişken frekanslı sürüş (VFD) sistemlerinin istikrarlı çalışmasını sağlamak, endüstriyel verimliliği artırmak ve enerji tüketimini azaltmak amacıyla hükümet, yüksek gerilimli inverter teknolojisi üzerindeki araştırmaları ve uygulamaları teşvik eden bir dizi politika çıkardı. Bu nedenle, 6kV yüksek gerilimli inverterlerde meydana gelen anormal atlatma hatalarının nedenlerine derinlemesine analiz yapmak ve etkili önleyici tedbirler geliştirmek, yüksek gerilimli VFD teknolojisini ilerletmek ve endüstriyel ekonomik büyüme sağlamak açısından büyük önem taşımaktadır.

1 6kV Yüksek Gerilimli Inverterler Hakkında Genel Bakış

Bir 6kV yüksek gerilimli inverter, IGBT'leri anahtarlama elemanı olarak kullanan ve çok seviyeli topolojiyi kullanarak 6kV ve üzeri seviyede değişken frekanslı hız kontrolünü gerçekleştiren yüksek güçli bir güç elektronik cihazıdır. Güç birimleri genellikle üç seviyeli nötr nokta kilitli (3L-NPC) veya beş seviyeli aktif nötr nokta kilitli (5L-ANPC) devreleri benimser, bu devreler birden fazla alt modülün kademeli olarak bir araya getirilmesiyle oluşturulur. Her alt modül 6-24 IGBT ve serbest akım diyodları içerir, bu alt modüller 9-17 seviyeli basamaklı bir dalga formu oluşturur, bu dalga formu filtrelenerek sinüzoidal bir dalgaya yakınsar.

Tipik kapasite 3000 ila 14.000 kVA arasındadır, gerilim seviyeleri 6kV, 10kV ve 35kV'yi kapsar. Daha yüksek kapasite ve gerilim gereksinimleri için, alt modüller yarı köprü veya tam köprü yapılarını kullanan modüler çok seviyeli dönüştürücü (MMC) topolojisi kullanılabilir, her faz başına yüzlerce alt modül yığılarak, 220kV'ye kadar olan gerilim seviyelerine ve 400 MVA'ya kadar tek birim kapasitelerine ulaşılabilir, bu yapı yenilenebilir enerji entegrasyonu, deniz üstü rüzgar gücü ve esnek DC iletimi gibi uygulamalar için uygun olur. Yüksek gerilimli inverterlerin kontrol stratejisi karmaşıktır, taşıyıcı faz kaymalı modülasyon, akım dengesi, sensör olmayan algılama ve alan zayıflatıcı optimizasyon gibi ana teknolojileri içerir.

2 6kV Yüksek Gerilimli Inverterlerde Anormal Sürüş Atlatma Hataları

İşlem sırasında, 6kV yüksek gerilimli inverterler aşırı akım, aşırı gerilim ve aşırı ısınma gibi anormallikler nedeniyle sık sık atlatır. Aşırı akım hataları genellikle başlatma sırasında veya ani yük değişimlerinde gerçekleşir, anlık akım belirlenen değerden 2-3 kat daha yüksek olabilir. Eğer akım 1600A'dan fazlaysa 100ms veya 2000A'dan fazlaysa 10ms süresince, inverter IGBT'leri bloke eder ve çıkış kontaktörüne kesinti verir, donanım koruma atlatmasını tetikler.

Aşırı gerilim hataları genellikle ağ dalgalanmaları veya ani yük değişimleri nedeniyledir. DC otobüsü gerilimi belirlenen değerin 1.2 katından (1368V) fazla olduğunda, yazılım aşırı gerilim koruması etkinleşir; 1.35 katından (1026V) fazla olduğunda, donanım koruması doğrudan atlatır. Aşırı ısınma hataları genellikle yüksek sıcaklık ortamlarında veya uzun süreli aşırı yük işlemi sırasında oluşur. IGBT sıcaklığı 90°C'yi aştığında veya soğutucu sıcaklığı 70°C'yi 5 dakikanın üzerinde aştığında, sistem yüksek sıcaklık uyarısı gönderir; sıcaklıklar sırasıyla 100°C veya 80°C'ye ulaştığında doğrudan atlatır. Bu üç hata türünün ortak özelliği, inverterin kendini koruma mekanizmasının etkinleşmesidir, bu mekanizma IGBT'leri bloke ederek ve kontaktörleri kestiğinden dolayı motor acil durdurma ve yanıp sönen hata uyarıları gibi olaylara yol açar.

3 Önleyici Tedbirler
3.1 Akım Sınırlama Direnci

Aşırı akım hatalarına çözüm olarak, inverter çıkış ile motör arasında seri bir akım sınırlandırma direnci bağlanabilir. Alan ölçümleri göstermiştir ki, 6kV/1500kVA inverter 380kW veya daha büyük bir motoru başlatırken, anlık başlangıç akımı belirlenen akımdan 5-8 kat daha yüksek olabilir, bu aşırı akım koruma ayarını çok aşmaktadır.

Başlangıç akımını baskılamak için, 1-3Ω direnç değeri ve 200-500W belirlenen gücü olan sarılı bir direnç veya doğrusal olmayan çinko oksit varistör kullanılabilir. Sonraki, soğuk durumda 100Ω'nin üzerinde bir direnç değeri vardır ve akım arttıkça hızlıca azalır, zirve başlangıç akımını belirlenen değerden 2-3 katı içinde sınırlar. Motor başlangıcı sonrasında, inverter çıkış frekansı 40Hz'yi aşınca ve akım belirlenen değerden düşük olduğunda, direnç üzerinden düşen gerilim 50V'nin altında olur.

Bu noktada, bir geçiş kontaktörü direnç üzerinde kısa devre oluşturarak sürekli güç kaybını önler. Başlangıç sırasında akım ani bir şekilde yükseldiğinde, akım transformatörü 1200A'yı aşan bir değeri tespit ederse, kontrol sistemi bir uyarı gönderir; 1500A'ya ulaştığında, inverter IGBT'leri bloke eder ve geçiş kontaktörünü açar, akım sınırlandırma direncini tekrar dahil ederek akımı hızlıca azaltır. Geçiş kontaktörü daha sonra yeniden kapatılır ve normal işlem geri kazanılır. Tüm geçiş süreci 0.5s'ten az sürer, bu da akım zirvelerini etkili bir şekilde baskılar, motorun düzgün başlamasını sağlar ve inverterin güvenilirliğini önemli ölçüde artırır.

3.2 Gerilim Sınırlama Devresi

Aşırı gerilim hatalarını baskılamak için, DC otobüsüne paralel bir gerilim sınırlama devresi bağlanabilir. Bu devre, bir metalyoksit varistör (MOV), hızlı tiyristor (GTO) ve bir algılama devresinden oluşur. Alan verileri, ağ geriliminin %15'ten fazla dalgalanması veya yük azalması nedeniyle DC otobüsü geriliminin 1300V'yi 20ms'den fazla aşması durumunda yazılım aşırı gerilim korumasının etkinleştiğini gösterir.

Bu hataları önlemek için, tetikleme gerilimi 1420V, maksimum boşaltma akımı 20kA ve birim başına 8800J enerji emme kapasitesine sahip TYN-20/141 MOV kullanılabilir. Otobüs gerilimi 1350V'yi aşınca, MOV başlar ve fazladan enerjiyi emer; gerilim 1400V'ye yükseldiğinde, GTO tetiklenir, aşırı gerilim enerjisini bir direnç üzerinden hızlıca yönlendirerek gerilimi güvenli bir seviyeye geri getirir. Algılama devresi otobüs gerilimini sürekli izler.

Gerilim 1250V'nin altında kalıp 50ms boyunca orada kaldığında, bir serbest bırakma sinyali gönderilir, GTO kapatılır ve normal sistem işlemi geri kazanılır. Eğer otobüs gerilimi 1400V'nin üzerinde 100ms'den fazla kalırsa, ciddi bir aşırı gerilim hatası tespit edilir ve inverter yazılım kilitleme haline girer, yeniden başlatılmadan önce manuel reset gerektirir. Uygulamalar göstermiştir ki, bu sınırlama devresi ile 6kV inverter, %35 anlık aşırı gerilimi dayanabilir ve 100ms içinde belirlenen gerilimin 1.05 katı içinde aşırı gerilimi baskılayabilir. Yanıt hızlı ve güvenilirdir, sıklıkla aşırı gerilim atlatmasını etkili bir şekilde önler ve sistemin sürekliliğini ve güvenilirliğini önemli ölçüde artırır.

3.3 Akım Paylaşımı Tasarımı

Aşırı ısınma hatalarını önlemek için, IGBT'ler ve soğutucular gibi kritik bileşenlerde ısı üretimini azaltmak üzere akım paylaşımı teknolojisi kullanılabilir, bu da termal atlatmayı önler.

Belirli önlemler, her güç biriminde pozitif ve negatif DC otobüsü uçları arasında 1-2 elektrolitik kondansatörün paralel bağlanmasıdır. Kondansatörlerin kapasitesi 1000-2200μF, gerilim derecesi ≥1600V ve sürekli dalga akımı ≥100A olmalıdır. Inverter çıkış akımı belirlenen değerden 1.2 katı (örneğin 900A) aşınca, bu paralel kondansatörler 10%-20% akım paylaşım yeteneği sağlayabilir, bu da IGBT'ler aracılığıyla geçen gerçek akımı 720-810A'ya indirir. IGBT iletmeli kayıplarının akımın karesiyle orantılı olduğunu düşünüldüğünde, bu yaklaşım etkili bir şekilde sıcaklık artışını azaltır.

Formülde: PCPC IGBT iletmeli kaybıdır (W); VCEVCE IGBT doygun gerilimidir (V), bu akım ICIC (A) ile doğrusal bir ilişkiye sahiptir; UηUη IGBT'nin açma gerilimidir (V); $K$ IGBT'nin akım amplifikasyon faktörüdür.

Paralel önlemler alındıktan sonra, IGBT'nin iletmeli kaybı %19 ile %36 arasında azalabilir ve çip bağlantı noktası sıcaklığı 10°C ile 25°C arasında düşebilir, bu da inverterin ısı problemini büyük ölçüde hafifletecektir.

Ayrıca, inverter soğutucunun giriş ve çıkışına 1-2 adet, belirlenen havalandırma oranı ≥ 3000 m³/h olan elektrikli fan paralel olarak monte edilebilir, bu soğutucunun soğutma etkisini etkili bir şekilde artırır. Kontrol kabininin içine 6-8 adet sıcaklık sensörü yerleştirilir, bu sensörler çeşitli güç birimlerinin, ana kartın, IGBT sürücü kartının vb. sıcaklıklarını gerçek zamanlı olarak izler. Herhangi bir noktanın sıcaklığı 65°C'yi aşarsa, kontrol sistemi hemen elektrikli fani tam hızda başlatır ve inverter kontrol birimine "yük azaltma uyarısı" sinyali gönderir.

Eğer sıcaklık 75°C'ye kadar yükselir ve 10 dakikadan fazla bu seviyede kalırsa, sistem "aşırı sıcaklık alarmı" sinyali gönderir, inverterin maksimum çıkış akımını belirlenen değerden %50'nin altında sınırlar, sıcaklık 60°C'nin altına düştüğünde "aşırı sıcaklık alarmı" kaldırılır.

Herhangi bir ölçüm noktasının sıcaklığı 85°C'yi aşarsa ve motor akımı belirlenen değerden %30'un altında düşmezse, inverter hemen donanım kilitleme yapılır ve çıkış durdurulur. Soğutma etkisini daha da artırmak için, her güç birimindeki IGBT soğutucularına grafen veya karbon nanotüp gibi nanomalzemeler uygulanabilir, bu malzemelerin ultra yüksek iletkenlik özelliklerinden yararlanarak IGBT çiplerinin ısısal dağılımını hızlandırarak, bağlantı noktasındaki sıcaklığı azaltır.

4 Önleyici Tedbirlerin Etkinliği
4.1 Deneysel Tasarım

ZINVERT-6kV/1500kVA akıllı yüksek gerilimli inverter deneysel çalışma objesi olarak kullanıldı ve önerilen üç önleyici tedbirin etkinliğinin doğrulanması için gruplanmış kontrol deneyi yürütüldü. Deneyler belirlenen çalışma koşullarında (giriş gerilimi: 6kV±5%; çevre sıcaklığı: 25°C±2°C; nispi nem: 65%±5%) gerçekleştirildi. Deney dört gruba ayrıldı: kontrol grubu hiçbir önleyici tedbir kullanmadı; Grup A 2.2Ω/350W akım sınırlandırma direnci ve MSC-500 hızlı geçiş anahtarı kullandı; Grup B TYN-20/141 varistör ve IXYS-GTO paralel bağlı bir gerilim sınırlama devresi kullandı, sınırlama gerilimi 1420V olarak ayarlandı; Grup C 2000μF/1600V elektrolitik kondansatör (Hitachi HCG serisi) paralel bağlantısı ile akım paylaşımı ve 3500 m³/h değişken hızlı fan (EBM-W3G450) ile zorlu soğutma kombinasyonunu kullandı.

Her grup 72 saat boyunca sürekli çalıştı, inverter çıkış akımı, DC otobüsü gerilimi ve IGBT bağlantı noktası sıcaklığı gibi ana parametreler her 6 saatte bir kaydedildi. Veriler Fluke 435-II güç kalitesi analizörü ve HIOKI 8847 veri kaydedicisi ile toplandı. Deney sırasında, üç tipik hata senaryosu simüle edildi: başlangıç aşırı akımı (belirlenen akımdan 8 kat / 0.5s), ağ gerilim dalgalanması (+20% / 1s) ve tam yük işlemi (çevre sıcaklığı 35°C / 2s). Deneysel kurulum Şekil 1'de gösterilmiştir.

4.2 Sonuç Analizi

72 saatlik sürekli işlem sonrası, dört grubun verileri toplandı ve analiz edildi, sonuçlar Tablo 1'de sunulmuştur. Kontrol grubu üç hata koşulunda atlatma yaşadı, önleyici tedbirlerle donatılmış deneysel gruplar ise etkili hata baskılaması gösterdi. Grup A'da, zirve başlangıç akımı belirlenen değerden 7.8 katından 2.2 katına düşürüldü, aşırı akım atlatmasını etkili bir şekilde önledi.

Grup B'de, gerilim sınırlama devresi maksimum DC otobüsü gerilim dalgalanmasını 1368V'ye sınırladı, bu 1420V koruma eşiğinin oldukça altında. Grup C'de, akım paylaşımı ve zorlu soğutmanın kombinasyonu, maksimum IGBT bağlantı noktası sıcaklığını 87.5°C'nin altında tuttu, bu 100°C atlatma eşiğinin oldukça altında. Ayrıca, üç önleyici tedbirin yanıtlama süresi 100ms'in altında, hızlı koruma talebine uygun oldu. Deney sırasında yanlış tetikleme yaşanmadı, bu da sistemin istikrarlı ve güvenilir performansını gösterir.

5 Sonuç

Bu çalışma, 6kV yüksek gerilimli inverterlerde meydana gelen anormal atlatma hatalarının nedenlerini sistematik olarak analiz etti ve hedefli önleyici tedbirler önerdi. Deneysel sonuçlar, akım sınırlandırma direncinin başlangıç akımını etkili bir şekilde kontrol ettiğini, gerilim sınırlama devresinin DC otobüsü aşırı gerilimini önemli ölçüde baskıladığını ve akım paylaşımı ile zorlu soğutmanın kombinasyonunun IGBT aşırı ısınma riskini büyük ölçüde azalttığını, bu da sistemin genel güvenilirliğini artırdığını onayladı.