6kV کے بلند وولٹیج انورٹرز میں ٹرپنگ کو روکنا

ہائی وولٹ جنریٹرز اے سی موتروں کی رفتار کو کنٹرول کرنے کے لئے بنیادی دستیابات ہیں اور ان کا وسیع طور پر ہیٹنگ، متالجی، تیل، اور برق تولید کے صنعتی شعبوں میں بڑی طاقت والے، ہائی وولٹ موتروں کی رفتار کو کنٹرول کرنے کے لئے استعمال کیا جاتا ہے۔ تاہم، 6kV ہائی وولٹ جنریٹرز کا آپریشن میں گرڈ کی ناپائیداریوں اور لاڈ کے اثرات کے باعث کئی بار غیرمعمولی ڈراپ فاؤلٹ کا سامنا کرنا پڑتا ہے، جس سے موتروں کی رفتار کنٹرول سسٹم کی سلامتی اور قابلِ اعتمادگی کو خراب کر دیا جاتا ہے۔

ہائی وولٹ ویریبل فریکوئنسی ڈرایو (VFD) سسٹم کے مستحکم آپریشن کو ضمانت دینے، صنعتی کارکردگی کو بہتر بنانے، اور توانائی کی صرف کو کم کرنے کے لئے حکومت نے ہائی وولٹ جنریٹر ٹیکنالوجی کے تحقیق اور استعمال کو حوصلہ افزائی کرنے کے لئے ایک سیریز کے پالیسیاں منظور کی ہیں۔ اس لئے، 6kV ہائی وولٹ جنریٹرز میں غیرمعمولی ڈراپ فاؤلٹ کی وجہوں کا عمقی تجزیہ اور موثر پیشگی کی ترقی کرنا ہائی وولٹ VFD ٹیکنالوجی کو آگے بڑھانے اور صنعتی معاشی ترقی کو برقرار رکھنے کے لئے بہت اہم ہے۔

1 6kV ہائی وولٹ جنریٹرز کا خلاصہ

6kV ہائی وولٹ جنریٹر ایک بڑی طاقت والی برقی دستیابت ہے جس میں IGBTs کو سوچنے کے عنصر کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے اور ملٹی لیول ٹاپولوجی کا استعمال کرتے ہوئے 6kV یا اس سے زائد پر متغیر فریکوئنسی رفتار کنٹرول حاصل کیا جاتا ہے۔ اس کے طاقت کے یونٹ عام طور پر تین لیول نیچرل پوائنٹ کلیپڈ (3L-NPC) یا پانچ لیول ایکٹو نیچرل پوائنٹ کلیپڈ (5L-ANPC) سرکٹ کا استعمال کرتے ہیں، جن کو کئی ذیلی ماڈیولوں کو کیسنکنگ کرتے ہوئے بنایا جاتا ہے۔ ہر ذیلی ماڈیول میں 6-24 IGBTs اور فری ویلنگ ڈائودز شامل ہوتے ہیں، جو 9-17 لیول کی ایک سٹیپڈ ویو فارم جنرات کرتے ہیں، جس کو فلٹرنگ کے بعد سائن ویو کے قریب لاتا ہے۔

معمولی طاقت کی حد 3000 سے 14,000 kVA تک ہوتی ہے، جس میں 6kV، 10kV، اور 35kV کے وولٹیج لیول شامل ہوتے ہیں۔ اگر بڑی طاقت اور وولٹیج کی ضرورت ہو تو ملٹی لیول کنورٹر (MMC) ٹاپولوجی کا استعمال کیا جا سکتا ہے، جہاں ذیلی ماڈیولوں میں نصف پلیٹ فاول یا پورا پلیٹ فاول کا استعمال کیا جاتا ہے، ہر فیز میں سوں کے ذیلی ماڈیول کو سٹیک کیا جاتا ہے، جس سے 220kV تک کا وولٹیج لیول اور 400 MVA تک کی واحد یونٹ کی طاقت حاصل کی جا سکتی ہے، جو ری نیویبل انرجی گرڈ انٹیگریشن، آف شور ونڈ پاور، اور فلکسیبل ڈی سی ٹرانسمیشن جیسے استعمال کے لئے موزوں ہے۔ ہائی وولٹ جنریٹرز کا کنٹرول سٹریٹیجی میں کیریئر فیز شفٹ میڈیشن، کرنٹ بالانس، سینسرلیس ڈیٹیکشن، اور فیلڈ ویکننگ آپٹیمائزیشن جیسی بنیادی ٹیکنالوجیاں شامل ہوتی ہیں۔

2 6kV ہائی وولٹ جنریٹرز میں غیرمعمولی ڈراپ فاؤلٹ

آپریشن کے دوران، 6kV ہائی وولٹ جنریٹرز کئی بار اوورکرنٹ، اوور وولٹیج، اور اوور ہیٹنگ جیسی غیرمعمولیات کی وجہ سے ڈراپ ہوتے ہیں۔ اوورکرنٹ فاؤلٹ عام طور پر شروعات یا ناگہانی لاڈ کے تبدیلیوں کے دوران ہوتی ہیں، جہاں فی الحال کرنٹ ریٹڈ قدر کے 2-3 گنا سے زائد ہو سکتا ہے۔ اگر کرنٹ 1600A سے زائد 100ms تک یا 2000A سے زائد 10ms تک ہو تو جنریٹر فوراً IGBTs کو بلاک کرتا ہے اور آؤٹ پٹ کنٹیکٹر کو ڈسکنیکٹ کرتا ہے، ہارڈوئیر کی پروٹیکشن کی وجہ سے ڈراپ ہوتا ہے۔

اوور وولٹیج فاؤلٹ عام طور پر گرڈ کی ناپائیداریوں یا ناگہانی لاڈ کے تبدیلیوں کی وجہ سے ہوتی ہیں۔ جب ڈی سی باس وولٹیج ریٹڈ قدر (1368V) کے 1.2 گنا سے زائد ہو تو سافٹ وئیر اوور وولٹیج پروٹیکشن کام کرتی ہے؛ اگر یہ 1.35 گنا (1026V) سے زائد ہو تو ہارڈوئیر پروٹیکشن فوراً ڈراپ ہوتا ہے۔ اوور ہیٹنگ فاؤلٹ عام طور پر گرم ماحول یا لمبے عرصے تک اوور لوڈ آپریشن کے دوران ہوتی ہیں۔ جب IGBT کا درجہ حرارت 90°C سے زائد ہو یا ہیٹ سنک کا درجہ حرارت 70°C سے زائد 5 منٹ تک ہو تو سسٹم ایک ہائی ٹیمپریچر وارننگ جاری کرتا ہے؛ اگر درجہ حرارت 100°C یا 80°C تک پہنچ جائے تو فوراً ڈراپ ہوتا ہے۔ ان تینوں فاؤلٹ کی مشترکہ خصوصیت یہ ہے کہ جنریٹر کی خود کی پروٹیکشن مکانیک کو فعال کرتا ہے، جس سے فوراً آؤٹ پٹ کو کٹ دیا جاتا ہے IGBTs کو بلاک کرتے ہوئے اور کنٹیکٹر کو ڈسکنیکٹ کرتے ہوئے، جس کے نتیجے میں موتروں کی ایمرجنسی سٹاپ اور فلیشنگ فاؤلٹ الارمز کی طرح کی پیشیاں ظاہر ہوتی ہیں۔

3 پیشگی کی تدابیر
3.1 کرنٹ لیمنٹنگ ریزسٹر

اوورکرنٹ فاؤلٹ کو حل کرنے کے لئے جنریٹر کے آؤٹ پٹ اور موتر کے درمیان ایک کرنٹ لیمنٹنگ ریزسٹر کو سیریز میں جوڑا جا سکتا ہے۔ میدانی پیمائشیں ظاہر کرتی ہیں کہ جب ایک 6kV/1500kVA جنریٹر 380kW یا اس سے بڑا موتر شروع کرتا ہے تو فی الحال شروعاتی کرنٹ ریٹڈ کرنٹ کے 5-8 گنا تک پہنچ سکتا ہے، جو اوورکرنٹ پروٹیکشن کی سیٹنگ سے بہت زیادہ ہوتا ہے۔

شروعاتی کرنٹ کو روکنے کے لئے 1-3Ω کی ریزسٹنس اور 200-500W کی ریٹڈ طاقت کے ساتھ ایک وائر ونڈ ریزسٹر یا غیر لکیری زنک آکسائڈ ویریسٹر کا استعمال کیا جا سکتا ہے۔ آخر الذکر کی کولڈ سٹیٹ ریزسٹنس 100Ω سے زائد ہوتی ہے اور کرنٹ کے بڑھنے کے ساتھ تیزی سے کم ہوتی ہے، جس سے شروعاتی کرنٹ کو ریٹڈ قدر کے 2-3 گنا تک محدود کیا جا سکتا ہے۔ موتر کی شروعات کے بعد، جب جنریٹر کا آؤٹ پٹ فریکوئنسی 40Hz سے زائد ہو اور کرنٹ ریٹڈ قدر سے کم ہو، تو ریزسٹر پر ولٹیج ڈراپ 50V سے کم ہوتا ہے۔

اس وقت، ایک بائی پاس کنٹیکٹر ریزسٹر کو شارٹ کرتا ہے تاکہ مسلسل طاقت کی کمی سے بچا جا سکے۔ اگر شروعاتی کرنٹ میں ایک چوٹی آتی ہے، جب کرنٹ ٹرانسفارمر کی قدر 1200A سے زائد ہو تو کنٹرول سسٹم ایک وارننگ جاری کرتا ہے؛ اگر یہ 1500A تک پہنچ جائے تو جنریٹر فوراً IGBTs کو بلاک کرتا ہے اور بائی پاس کنٹیکٹر کو کھول دیتا ہے، ریزسٹر کو دوبارہ داخل کرتا ہے تاکہ کرنٹ کو تیزی سے کم کیا جا سکے۔ پھر بائی پاس کنٹیکٹر کو دوبارہ بند کرکے نارمل آپریشن کو بحال کیا جاتا ہے۔ پورا سوچنگ کا عمل 0.5s سے کم ہوتا ہے، جس سے کرنٹ کی چوٹیوں کو موثر طور پر روکا جا سکتا ہے، موتر کی شروعات کو محفوظ بنایا جا سکتا ہے، اور جنریٹر کی قابلِ اعتمادگی کو بہت بڑھا دیا جا سکتا ہے۔

3.2 ولٹیج کلیپنگ سرکٹ

اوور وولٹیج فاؤلٹ کو روکنے کے لئے ڈی سی باس کے ساتھ پیریل کنیکشن میں ایک ولٹیج کلیپنگ سرکٹ کو جوڑا جا سکتا ہے۔ یہ سرکٹ بنیادی طور پر میٹل آکسائڈ ویریسٹر (MOV)، ایک تیزی سے کام کرنے والے تھائسٹر (GTO)، اور ایک ڈیٹیکشن سرکٹ پر مشتمل ہوتا ہے۔ میدانی معلومات ظاہر کرتی ہیں کہ جب گرڈ کی ولٹیج 15% سے زائد ہو یا لاڈ کم ہو کے باعث ڈی سی باس ولٹیج 1300V سے زائد 20ms تک ہو تو سافٹ وئیر اوور وولٹیج پروٹیکشن کام کرتی ہے۔

ایسی فاؤلٹ کو روکنے کے لئے ایک TYN-20/141 MOV کا استعمال کیا جا سکتا ہے، جس کی ٹریجننگ ولٹیج 1420V ہوتی ہے، زیادہ سے زیادہ ڈسچارج کرنٹ 20kA ہوتا ہے، اور ہر یونٹ کی توانائی کی قابلیت 8800J ہوتی ہے۔ جب باس ولٹیج 1350V سے زائد ہو تو MOV شروع کرتا ہے اور زیادہ توانائی کو جذب کرتا ہے؛ اگر ولٹیج 1400V تک پہنچ جائے تو GTO کام کرتا ہے، جس سے اوور وولٹیج کی توانائی کو تیزی سے ایک ریزسٹر میں منتقل کرکے ولٹیج کو محفوظ سطح پر بحال کیا جا سکتا ہے۔ ڈیٹیکشن سرکٹ باقاعدہ طور پر باس ولٹیج کا نگرانی کرتا ہے۔

جبہ کے وقت جب وولٹیج 1250V سے نیچے گر جائے اور یہ حالت 50ms تک برقرار رہے، تو رہا کرنے کا سگنل بھیجا جاتا ہے، GTO کو بند کرتا ہے اور نظام کی معمولی کارکردگی کو بحال کرتا ہے۔ اگر بس وولٹیج 1400V سے اوپر رہے اور یہ حالت 100ms سے زیادہ دیر تک برقرار رہے، تو شدید اوور ولٹیج کا عیب پایا جاتا ہے، اور انورٹر سوفٹ وئیر لاک آؤٹ حالت میں داخل ہوجاتا ہے، جس کے لئے دوبارہ شروع کرنے سے پہلے منوالی ریسیٹ کی ضرورت ہوتی ہے۔ تجربہ یہ ظاہر کرتا ہے کہ یہ کلیمپنگ سرکٹ کے ساتھ، 6kV انورٹر کو 35% فوری اوور ولٹیج تحمل کر سکتا ہے اور 100ms کے اندر ریٹڈ ولٹیج کے 1.05 گنا کے اندر اوور ولٹیج کو کم کر سکتا ہے۔ ردعمل تیز اور قابل اعتماد ہوتا ہے، کسی بھی عام اوور ولٹیج کے طوفان کو روکنے اور نظام کی مستقلیت اور قابلیت کو کافی حد تک بہتر بنانے میں موثر ثابت ہوتا ہے۔

3.3 کرنٹ شیئرنگ ڈیزائن

گرمی کے عیبوں کو حل کرنے کے لئے، کرنٹ شیئرنگ ٹیکنالوجی کا استعمال کیا جا سکتا ہے تاکہ IGBTs اور ہیٹ سنکس جیسے کلیدی کمپوننٹس میں گرمی کی پیداوار کو کم کیا جا سکے، گرمی کے ذریعے ٹرپنگ کو روکنے کے لئے۔

معینہ اقدامات میں ہر پاور یونٹ کے مثبت اور منفی ڈی سی بس ٹرمینلز کے درمیان 1-2 الیکٹرولائٹک کیپیسٹرز کو سمتانی طور پر جوڑنا شامل ہے۔ کیپیسٹرز کی کیپیسٹنس 1000-2200μF، ولٹیج ریٹنگ ≥1600V، اور مسلسل رائل کرنٹ ≥100A کی ہونی چاہئے۔ جب انورٹر آؤٹ پٹ کرنٹ ریٹڈ قدر (مثلاً 900A) کا 1.2 گنا سے زیادہ ہو، تو ان سمتانی کیپیسٹرز کو 10%-20% کرنٹ شیئرنگ کی صلاحیت فراہم کر سکتے ہیں، IGBTs کے ذریعے گزرنے والے حقیقی کرنٹ کو 720-810A تک کم کرتے ہیں۔ اس کے باوجود IGBT کنڈکشن لوسس کرنٹ کے مربع کے تناسب میں ہوتے ہیں، یہ نقطہ نظر گرمی کی وضاحت کو موثر طور پر کم کرتا ہے۔

فورمولہ میں: PCPC IGBT کنڈکشن لوسس (W) ہے؛ VCEVCE IGBT کا سیچریشن ولٹیج (V) ہے، جس کا کرنٹ ICIC (A) کے ساتھ خطی تعلق ہے؛ UηUη IGBT کا آن ولٹیج (V) ہے؛ $K$ IGBT کا کرنٹ ایمپلیفائر فیکٹر ہے۔

یہ دیکھا جا سکتا ہے کہ شنٹ کے اقدامات کے بعد، IGBT کا کنڈکشن لوسس 19% سے 36% تک کم ہوسکتا ہے، اور چپ جنکشن کی گرمی 10°C سے 25°C تک کم ہوسکتی ہے، یہ انورٹر کے گرمی کے مسئلے کو بہت کم کرتا ہے۔

اس کے علاوہ، انورٹر ہیٹ سنک کے انلیٹ اور آؤٹلیٹ پر 1 سے 2 الیکٹرک فین کو سمتانی طور پر لگانا، جن کی ریٹڈ ایئر وولیم ≥ 3000 m³/h ہے، ہیٹ سنک کی خنکنے کی کارکردگی کو موثر طور پر بہتر بناتا ہے۔ کنٹرول کابنے کے اندر 6 سے 8 گرمی سینسر لگائے جانے چاہئے تاکہ مختلف پاور یونٹس، مادر بورڈ، IGBT ڈرائیو بورڈ وغیرہ کی گرمیوں کو مختصر وقت میں مانیٹر کیا جا سکے۔ جب کسی بھی نقطہ کی گرمی 65°C سے زیادہ ہو، کنٹرول سسٹم فوراً الیکٹرک فین کو پوری رفتار سے شروع کرتا ہے اور انورٹر کنٹرول یونٹ کو "لوڈ ریڈکشن وارننگ" سگنل بھیجتا ہے۔

اگر گرمی 75°C تک بڑھتی ہے اور یہ حالت 10 منٹ سے زیادہ دیر تک برقرار رہتی ہے، تو سسٹم "اوور ٹیمپریچر آلبم" سگنل دیتا ہے، انورٹر کا زیادہ سے زیادہ آؤٹ پٹ کرنٹ ریٹڈ قدر کے 50% سے کم کر دیتا ہے، جب تک گرمی 60°C سے کم نہ ہو، اس وقت "اوور ٹیمپریچر آلبم" کو ختم کر دیا جاتا ہے۔

اگر کسی بھی پیمائش نقطہ کی گرمی 85°C سے زیادہ ہو اور موتر کرنٹ ریٹڈ قدر کے 30% سے کم نہ ہو، تو انورٹر فوراً ہارڈ وئیر کو لاک کر دیتا ہے اور آؤٹ پٹ بند کر دیتا ہے۔ گرمی کم کرنے کے لئے مزید بہتر کرنے کے لئے، ہر پاور یونٹ کے IGBT ہیٹ سنکس پر گرافین یا کاربن نانوتیوب جیسی نانومیٹریل کا استعمال کریں، ان کی بہت بلند حرارت کی مواصلت کی کارکردگی کو استعمال کرکے IGBT چپس کی گرمی کو تیزی سے کم کریں، یہ چپ جنکشن کی گرمی کو کم کرتا ہے۔

4 منعی اقدامات کی کارکردگی
4.1 تجرباتی ڈیزائن

ZINVERT-6kV/1500kVA ذہینہ اعلیٰ ولٹیج انورٹر کو تجربہ کیا گیا اور ایک گروپ کنٹرول تجربہ کیا گیا تاکہ تین پیش کردہ منعی اقدامات کی کارکردگی کی تصدیق کی جائے۔ تجربات ریٹڈ آپریٹنگ کنڈیشنز (ان پٹ ولٹیج: 6kV±5%; ماحولی گرمی: 25°C±2°C; نسبی نمی: 65%±5%) کے تحت کیے گئے۔ تجربہ چار گروپوں میں تقسیم کیا گیا: کنٹرول گروپ کو کوئی منعی اقدامات نہیں دیے گئے؛ گروپ A نے 2.2Ω/350W کرنٹ لیمیٹنگ ریزسٹر کا استعمال کیا جس کے ساتھ MSC-500 تیز بائی پاس سوچ تھی؛ گروپ B نے TYN-20/141 ویریسٹر اور IXYS-GTO کو سمتانی طور پر جوڑ کر بنائی گئی ولٹیج کلیمپنگ سرکٹ کا استعمال کیا، جس کا کلیمپنگ ولٹیج 1420V تھا؛ گروپ C نے 2000μF/1600V الیکٹرولائٹک کیپیسٹر (ہٹاچی HCG سیریز) کو سمتانی طور پر جوڑ کر کرنٹ شیئرنگ کے لئے استعمال کیا، جس کے ساتھ 3500 m³/h متغیر رفتار فین (EBM-W3G450) کو مجبور کرنے کے لئے استعمال کیا گیا۔

ہر گروپ نے مستقل طور پر 72 گھنٹے تک کام کیا، جس میں کلیدی پیرامیٹرز—جیسے انورٹر آؤٹ پٹ کرنٹ، ڈی سی بس ولٹیج، اور آئی جی بی ٹی جنکشن ٹیمپریچر—ہر 6 گھنٹے بعد ریکارڈ کیے گئے۔ ڈیٹا فلک 435-آئی آئی پاور کوالٹی آنالائزر اور ایچ آئی آکی 8847 ڈیٹا لاگر کے ذریعے جمع کیا گیا۔ تجربے کے دوران تین مثالی خرابی کی صورتحالیں سمیت: ابتدائی زیادہ کرنٹ (8 گنا ریٹڈ کرنٹ / 0.5s)، گرڈ ولٹیج کی تبدیلی (+20% / 1s)، اور فل لوڈ آپریشن (احاطہ کا درجہ حرارت 35°C / 2h)۔ تجرباتی سیٹ اپ فگر 1 میں دکھایا گیا ہے۔

4.2 نتائج کا تجزیہ

72 گھنٹے کے مستقل آپریشن کے بعد، چار گروپوں سے ڈیٹا جمع کیا گیا اور تجزیہ کیا گیا، جس کے نتائج ٹیبل 1 میں پیش کیے گئے ہیں۔ کنٹرول گروپ نے تینوں خرابی کی صورتحالوں میں ٹرپ کیا، جبکہ پیشگی کارروائیوں کے ساتھ تجرباتی گروپوں نے موثر طور پر خرابی کو روکا۔ گروپ A میں، شروعاتی کرنٹ کا پیک 7.8 سے گنا ریٹڈ قیمت کو 2.2 گنا تک کم کر دیا گیا، جس نے موثر طور پر اوور کرنٹ ٹرپنگ کو روکا۔

گروپ B میں، ولٹیج کلیمنگ سرکٹ نے میکسیمم ڈی سی بس ولٹیج کو 1368V تک محدود کر دیا، جو 1420V پروٹیکشن تھریشول سے کافی کم تھا۔ گروپ C میں، کرنٹ شیئرنگ اور فورسڈ کولنگ کا مجموعہ نے میکسیمم آئی جی بی جنکشن ٹیمپریچر کو 87.5°C سے کم رکھا، جو 100°C ٹرپنگ تھریشول سے کافی کم تھا۔ علاوہ ازیں، تینوں پیشگی کارروائیوں کا ریسپونس ٹائم 100ms کے اندر تھا، جو تیز حفاظت کی ضرورت کو پورا کرتا ہے۔ تجربے کے دوران کوئی غلط ٹرگرنگ نہیں ہوئی، جس سے یہ ظاہر ہوتا ہے کہ نظام کی استحکام اور قابل اعتماد کارکردگی ہے۔

5 نتیجہ

اس مطالعہ میں 6kV ہائی وولٹیجن انورٹرز میں غیر معمولی ٹرپنگ کی وجہوں کا نظامی تجزیہ کیا گیا اور مخصوص پیشگی کارروائیوں کا تجویز کیا گیا۔ تجرباتی نتائج کی تصدیق کرتے ہیں کہ کرنٹ لیمیٹنگ ریزسٹر موثر طور پر ابتدائی کرنٹ کو کنٹرول کرتا ہے، ولٹیج کلیمنگ سرکٹ ڈی سی بس اوور ولٹیج کو کافی حد تک کم کرتا ہے، اور کرنٹ شیئرنگ کے ساتھ فورسڈ کولنگ کا مجموعہ آئی جی بی اوور ہیٹنگ کے خطرے کو کافی حد تک کم کرتا ہے، جس سے نظام کی کلیہ استحکام میں اضافہ ہوتا ہے۔