حل مفاعل النانو كريستالي لمحول التردد المتغير بقوة 550 كيلو واط ينتج ارتفاعات في الجهد تبلغ 5000 فولت/ميكروثانية

​1. التحدي: الزيادات المفاجئة في الجهد على الجانب الخرجي (du/dt > 5000 فولت/ميكروثانية) من محولات التردد المتغير بقدرة 550 كيلوواط في مصانع الدرفلة​

خلال إنتاج الدرفلة، تتعرض المحركات (خاصة محركات الدفع الرئيسية للدرافيل) لتغيرات شديدة في الحمل، وبدء وتوقف سريع، وتغيير متكرر في اتجاه الدوران. هذه الشروط التشغيلية تشكل تحديات صعبة لأنظمة محولات التردد المتغير (VFD)، خاصة في التطبيقات ذات القدرة العالية (550 كيلوواط). أحد القضايا الأساسية هو إنتاج معدلات تغير جهد عالية للغاية (du/dt) على الجانب الخرجي لمحول التردد المتغير، والتي تظهر ك:

• ​معدل du/dt مرتفع للغاية:​​ قيم قمم تتجاوز 5000 فولت/ميكروثانية. هذا ينشأ عادة من:
• سرعة التبديل العالية جداً للأجهزة IGBT داخل محول التردد المتغير.
• تأثيرات السعة الطفيلية والاندكتانس للمكابل المحركة الطويلة (خاصة التفاعل مع أوقات الصعود والهبوط لموجة PWM لمحول التردد المتغير).
• مشكلات عدم التوافق بين خصائص العزل المحوري للمحرك والنبضات الخرجية لمحول التردد المتغير.
• ​العواقب الخطيرة:​​
• ​تلف عزل ملفات المحرك:​​ يمكن أن يؤدي du/dt المرتفع للغاية إلى ثقب عزل ملفات المحرك، مما يؤدي إلى تفريغ جزئي، وتقدم عمر العزل بشكل متسارع، وأخيراً إلى فشل المحرك أو انهياره.
• ​تيارات المحامل والتآكل الكهربائي:​​ من خلال السعات الطفيلية، ينتج du/dt المرتفع جهد مشترك، مما يؤدي إلى تيارات المحامل. هذا يتسبب في تآكل المحامل الكهربائي، زيادة الضوضاء، ارتفاع درجات الحرارة، وتقليل عمر المحمل.
• ​ضغط الجهد الزائد على الوحدة IGBT:​​ يمكن أن تؤدي النبضات المنعكسة والمراكمة إلى تعرض الوحدة IGBT لجهود فورية تتجاوز تصنيفها، مما يزيد من خطر فشل الوحدة ("الانفجار").
• ​التشويش الكهرومغناطيسي (EMI):​​ تولد نبضات الجهد عالية التردد تشويشاً قوياً يتم توصيله وإشعاعه، مما يؤثر على المعدات الإلكترونية المجاورة.
• ​انخفاض موثوقية النظام:​​ يزيد معدل الفشل العام للنظام بشكل كبير، مما يؤدي إلى توقف غير مخطط له ويؤثر على كفاءة واستمرارية الدرفلة.

​2. الحل: مكيف الإخراج ثلاثي الأطوار من نوع FKE (النواة النانوية البلورية)​​

لمعالجة مشكلة النبضات العالية في الجهد المذكورة، نوصي بتثبيت ​مكيف الإخراج ثلاثي الأطوار من نوع FKE​ على الجانب الخرجي لمحول التردد المتغير بقدرة 550 كيلوواط. تم تصميم هذا الحل خصيصاً لتقليل du/dt المرتفع والتشويش العالي التردد.

• ​المعدات الأساسية:​​ مكيف الإخراج ثلاثي الأطوار من سلسلة FKE
• ​الخصائص الرئيسية:​​
• ​مادة النواة:​​ سبائك نانوية بلورية عالية الأداء
• تمتلك نفاذية مغناطيسية عالية جداً وخسارة نواة ضئيلة للغاية (خاصة في نطاق الترددات الكيلوهيرتز إلى الميجاهرتز).
• تفوق بشكل كبير المواد التقليدية مثل الفولاذ السيليكوني أو الفلينيت في كبح النبضات العالية والتيارات المتدفقة التي تنتج عند ترددات التبديل العالية (ترددات التبديل النموذجية لـ IGBT في نطاق الكيلوهيرتز).
• قوة تشبع مغناطيسي عالية وقدرة قوية على تحمل التحميلات العابرة.
• ​التكنولوجيا الرئيسية 1: طلاء قمع التيار الدوامي عالي التردد​
• تطبيق طلاء موصل خاص على سطح النواة النانوية أو ملفات التفاف.
• يزيل بشكل فعال خسائر التيار الدوامي العالية التردد (ترددها يصل إلى مستوى الميجاهرتز) الناتجة عن du/dt المرتفع للغاية.
• يخفض بشكل كبير ارتفاع درجة حرارة النواة عند الترددات العالية، ويحافظ على استقرار الأداء المغناطيسي، ويحسن موثوقية المكيف على المدى الطويل تحت ظروف du/dt المرتفع.
• ​التكنولوجيا الرئيسية 2: التفاف متعدد الطبقات مقسم لتقليل السعة الموزعة​
• يعتمد على تصميم تفاف خاص متعدد الطبقات ومقسم.
• يقسم السعة الموزعة المكافئة (Cdw) للتفاف التقليدي المركزي إلى عدة وحدات سعوية صغيرة متصلة بالتوالي.
• يقلل بشكل كبير قيمة السعة الموزعة الكلية.
• ​القيمة الأساسية:​​
• يزيد من تردد الرنين الذاتي للمكيف بشكل كبير فوق تردد التبديل لمحول التردد المتغير وتواتر التوافقيات، مما يضمن الحفاظ على خصائص مغناطيسية نقية ضمن النطاق الترددي المستهدف.
• يضعف بشكل فعال شدة الدائرة المتأرجحة التي تتشكل بسبب النبضات العالية التردد لـ PWM لمحول التردد المتغير والسعة الطفيلية للمكابل المحركة، مما يحد بشكل أساسي من سعة وطاقة النبضات (الرنين).
• يقلل من تدفق مكونات التيار المتأرجح عالية التردد عبر المكيف.
• ​الوظائف الأساسية:​​
• يقوم بتنعيم شكل الموجة الجهد، ويقلل بشكل كبير من معدل التغير الجهد على الجانب الخرجي (du/dt)، مما يخفض القيم القمية إلى مستويات آمنة.
• يحجب التوافقيات عالية التردد، ويقلل من خسائر التوافقيات في المحرك وارتفاع درجة الحرارة.
• يحد من موجات انعكاس الجهد (Wave Reflection).
• يقلل من نسبة التشوه التوافقي للجهد في نهاية الخط.
• يقلل من خطر الجهد المشترك وتيارات المحامل.
• يقلل من التشويش الكهرومغناطيسي (EMI) الموصول والإشعاعي.

​3. بيانات الأداء (تطبيقات في سيناريو محول التردد المتغير بقدرة 550 كيلوواط في مصنع الدرفلة)​​

• ​قمع الزيادات المفاجئة في الجهد:​​ يتم تخفيض du/dt على الجانب الخرجي بشكل كبير، حيث تنخفض القيم القمية من >5000 فولت/ميكروثانية إلى حدود آمنة (مثل <1000 فولت/ميكروثانية أو أقل، تحتاج القيم المحددة إلى تأكيد القياس الميداني)، مما يلبي متطلبات حماية عزل المحرك.
• ​قدرة التقييد الجارحة:​​ تقوم بحظر التيار الجارح أثناء بدء المحرك أو تغيير الحمل بشكل مفاجئ، مما يحمي محول التردد المتغير والوصلات. يمكن أن تصل قدرة التقييد الجارح إلى 30% من التيار المقنن لمحول التردد المتغير.
• ​تخفيض نسبة التشوه الجهد:​​ يقوم بحجب التوافقيات عالية التردد. يتم تخفيض نسبة التشوه الجهد (THDv) المسجلة على الجانب الخرجي لمحول التردد المتغير بنسبة تصل إلى 42%، مما يحسن بشكل كبير جودة التغذية الكهربائية.
• ​تأثير الحماية:​​ يخفف بشكل كبير من التوتر العكسي والضغط الجهد الزائد الذي يتحمله الوحدات IGBT.

​4. الفوائد الاقتصادية​

• ​تمديد كبير لعمر المكونات الأساسية:​​ يعتبر الفائدة الاقتصادية المباشرة والأكثر أهمية هي:
• ​تمديد عمر الوحدات IGBT:​​ يقوم بخفض الضغط الكهربائي (النبضات الجهد، التيار الزائد) الذي يتحمله. تشير البيانات المسجلة إلى أنه يمكن تمديد متوسط العمر الخدمة لوحدات IGBT بنحو ​2.3 مرة. كونها المعدات الدافعة الأساسية لخط الدرفلة، فإن تمديد عمر المكونات الرئيسية لمحول التردد المتغير يعني:
• تخفيض كمية الشراء وتكلفة المخزون لوحدات IGBT الاحتياطية الباهظة الثمن.
• تخفيض تردد وتواتر التوقف غير المخطط له بشكل كبير بسبب فشل الوحدات الكهربائية، مما يضمن الاستمرارية في الإنتاج.
• ​تخفيض تكاليف صيانة المحرك:​​
• يحمي بشكل فعال عزل ملفات المحرك، مما يقلل من معدلات فشل عزل المحرك.
• يحد من تيارات المحامل، مما يقلل من تلف المحامل الكهربائي وتواتر الاستبدال.
• يتمديد عمر الخدمة الكلي للمحرك، مما يؤخر دورات الصيانة الكبرى أو الاستبدال.
• ​تحسين موثوقية النظام وكفاءة الإنتاج:​​
• يقلل من عدد حالات فشل محول التردد المتغير أو المحرك بسبب النبضات الجهد، مما يعزز موثوقية التشغيل الكلية (OEE - Overall Equipment Effectiveness) لخط الدرفلة.
• يقلل من خسائر الإنتاج، مخاطر الرفض، وتأخير الطلبات بسبب التوقف غير المتوقع.
• ​تخفيض تكاليف الصيانة:​​ يقلل من ساعات العمل والمواد الاستهلاكية اللازمة للصيانة بسبب تلف المعدات.
• ​تحسين عامل القوة (بطريقة غير مباشرة):​​ يساهم تحسين شكل الموجة في تحسين عامل القوة لنظام (على الرغم من أن ذلك يتم بشكل أساسي بواسطة المكيفات المدخلية أو التعويض النشط، إلا أن تحسين شكل الموجة للمكيف الخرجي يوفر بعض الفوائد أيضاً).