Нанокристален реактор за решение на 550 кВт VFD, излъчващ напрежение до 5000 В/мкс

​1. Предизвикателство: Вълнения на напрежението от изхода (du/dt > 5000 V/μs) от 550кW ЧПЧ в сталопроковни заводи​

По време на производството на сталопрок, двигатели (особено главни приводни двигатели за сталопроковни машини) са подложени на интензивни вариации на ударната натовареност, бързи старти/спирки и често двупосочно въртене. Тези условия на работа представляват сериозни предизвикателства за системите ЧПЧ (Честотно регулируем привод), особено в приложенията с висока мощност (550кW). Основен проблем е генерирането на изключително високи скорости на изменение на напрежението (du/dt) от изхода на ЧПЧ, което се проявява като:

• ​Изключително високо du/dt:​​ Стойности, надхвърлящи 5000 V/μs. Това обикновено произтича от:
• Много високата скорост на комутиране на IGBT устройствата в ЧПЧ.
• Паразитната капацитетност и индуктивност на дълги кабели за двигатели (особено взаимодействащи с времетраенето на нарастване/спадане на ПЧМ волна на ЧПЧ).
• Проблеми с несъответствие на импеданса между изолационните характеристики на двигателя и пулсиращия изход на ЧПЧ.
• ​Тежки последици:​​
• ​Повреда на изолацията на обмотките на двигателя:​​ Екстремално високото du/dt може да пробие изолацията на обмотките на двигателя, водейки до частични разряди, ускорено стареене на изолацията и в крайна сметка до повреда или разрушаване на двигателя.
• ​Струйки през подшумници и електрическо износване:​​ Високото du/dt, чрез паразитните капацитетности, генерира обща мода на напрежението, водеща до струйки през подшумници. Това причинява електрическо износване на подшумниците, увеличаване на шума, температурата и намаляване на жизнения цикъл на подшумниците.
• ​Превишаване на напрежението в IGBT модула:​​ Отразените и наслоени вълнения на напрежението могат да доведат до мгновено напрежение, надхвърлящо допустимата стойност на IGBT, увеличавайки риска от повреда на модула ("експлозия").
• ​Електромагнитна интерференция (EMI):​​ Високочестотните вълнения на напрежението генерират силна проводима и радирана интерференция, влияеща на близкото електронно оборудване.
• ​Намалена надеждност на системата:​​ Общата вероятност за повреда на системата се увеличава значително, водейки до непланувани спирки и влияние върху ефективността и непрекъснатостта на сталопроковния процес.

​2. Решение: FKE тип трифазен изходен реактор (нанокристален ядро)​​

За решаване на посочения проблем с високи вълнения на напрежението, препоръчваме инсталирането на ​FKE тип трифазен изходен реактор​ на изхода на 550кW ЧПЧ. Това решение е специално предназначено за потискане на високото du/dt и високочестотната интерференция.

• ​Основно оборудване:​​ FKE серия трифазен изходен реактор
• ​Основни характеристики:​​
• ​Материал на ядрото:​​ Високопроизводителен нанокристален сплав
• Разполага с изключително висока магнитна проницаемост и свръхниски загуби в ядрото (особено в диапазона от килогерц до мегагерц).
• Значително превъзхожда традиционните материали от силиконова стомана или ферит за ефективно потискане на високочестотните вълнения на напрежението и риплинг струйките, генерирани при високи скорости на комутиране (типични скорости на комутиране на IGBT в диапазона от килогерц).
• Висока магнитна насыщеност и силна способност да понася преходни перегрузки.
• ​Ключова технология 1: Покритие за потискане на високочестотните вихреви струйки​
• Приложение на специално проводимо покритие върху нанокристалното ядро или върху повърхността на обмотката.
• Ефективно дисипира свръхвисокочестотни вихреви загуби (честоти до ниво на мегагерц), индуцирани от екстремално високото du/dt.
• Значително намалява температурното възходящо движение на високи честоти, поддържа стабилни магнитни характеристики и подобрява дългосрочната надеждност на реактора при високи условия на du/dt.
• ​Ключова технология 2: Многолистово секционно обмотване, намаляващо разпределената капацитетност​
• Използва специален многолистов, секционен дизайн на обмотката.
• Разделя еквивалентната разпределена капацитетност (Cdw) на традиционната концентрирана обмотка на множество по-малки сериен свързани капацитивни единици.
• Общата ефективна разпределена капацитетност е значително намалена.
• ​Основна стойност:​​
• Увеличава ​резонансната честота​ на реактора далеч над честотата на комутиране и гармоничните честоти на ЧПЧ, гарантирайки, че той поддържа чисто индуктивна характеристика в целевия честотен диапазон.
• Ефективно ослабява интензитета на колебателната верига, образувана от високочестотните пулси на ЧПЧ и паразитната капацитетност на кабелите за двигатели, основно потискайки амплитудата и енергията на вълненията на напрежението (звънене).
• Намалява протичането на високочестотни колебателни компоненти на струйката през реактора.
• ​Основни функции:​​
• Ефективно изглажда вълновата форма на напрежението, значително намалява скоростта на изменение на напрежението от изхода (du/dt), довеждайки вълненията до безопасни нива.
• Филтрира високочестотните гармонични струйки, намалява хармоничните загуби и температурното възходящо движение на двигателя.
• Потиска вълните на отражението на напрежението (Wave Reflection).
• Намалява степента на искажение на гармоничното напрежение на линията.
• Намалява риска от общо модно напрежение и струйки през подшумници.
• Намалява проводимата и радираната електромагнитна интерференция (EMI).

​3. Данни за производителност (приложени в сценарий с 550кW сталопроковен ЧПЧ)​​

• ​Потискане на вълненията на напрежението:​​ du/dt от изхода е значително намалено, с пикови стойности, които спадат от >5000 V/μs до безопасни порогове (например <1000 V/μs или по-ниски, конкретни стойности изискват полево измерване за потвърждение), отговарящи на изискванията за защита на изолацията на двигателя.
• ​Способност за ограничаване на струйката:​​ Ефективно ограничава въвличащите струйки по време на стартиране на двигателя или внезапни изменения на натовареността, защитавайки ЧПЧ и връзките. Способността за ограничаване на струйката може да достигне 30% от номиналната струйка на ЧПЧ.
• ​Намалена степен на искажение на напрежението:​​ Ефективно филтрира високочестотните гармоники. Измерената степен на искажение на напрежението (THDv) на изхода на ЧПЧ е намалена до 42%, значително подобрявайки качеството на електропитането.
• ​Ефект от защита:​​ Значително олекчава обратното възстановяване на вълненията и стреса от превишаване на напрежението, носен от IGBT модулите.

​4. Икономически ползи​

• ​Значително удължаване на жизнения цикъл на ключови компоненти:​​ Най-пряката и значителна икономическа полза се наблюдава в:
• ​Удължаване на жизнения цикъл на IGBT модулите:​​ Ефективно намалява електрическия стрес (вълнения на напрежението, превишаване на струйката), който те изпитват. Измерените данни показват, че средният срок на служба на IGBT мощностни модули може да бъде продължен с ​2.3 пъти. Като основно приводно оборудване на сталопроковна линия, удължаването на жизнения цикъл на основните мощностни компоненти на ЧПЧ означава:
• Намаляване на количеството и разходите за съхранение на скъпи запасни части за IGBT модули.
• Значително намалено честота и продължителност на неплануваните спирки поради повреди на мощностните модули, осигурявайки непрекъснато производство.
• ​Намалени разходи за поддръжка на двигатели:​​
• Ефективно защитава изолацията на обмотките на двигателя, намалявайки вероятността за повреди на изолацията на двигателя.
• Потиска струйките през подшумници, намалявайки електрическото износване на подшумниците и честотата на замяна.
• Удължава общия срок на служба на двигателя, отлагайки големите ремонти или цикли на замяна.
• ​Подобряване на надеждността на системата и ефективността на производството:​​
• Намалява броя на повреди на ЧПЧ или двигатели, причинени от вълнения на напрежението, подобрявайки общата оперативна надеждност (OEE - Overall Equipment Effectiveness) на сталопроковната линия.
• Намалява производствените загуби, риска от дефектни продукти и забавяне на поръчките, причинени от неочаквани спирки.
• ​Намалени разходи за поддръжка:​​ Минимизира часовете за поддръжка и потреблението на запасни части поради повреди на оборудването.
• ​Подобрен фактор на мощност (косвено):​​ Подобрената вълнова форма допринася за оптимизиране на фактора на мощност на системата (въпреки че основно се справя с помощта на входни реактори или активни компенсатори, подобрението на вълновата форма на изходния реактор също предоставя някакви ползи).