Solució de reactor nanocristallí per a una sortida VFD de 550kW amb pics de tensió de 5000 V/μs

​1. Repte: Pic de tensió a la sortida (du/dt > 5000 V/μs) dels conversors de freqüència de 550 kW en laminadors d'acer​

Durant la producció de laminació d'acer, els motors (especialment els motors principals de conducció dels laminadors) són sotmesos a variacions intensives de càrrega d'impacte, arranques ràpids/parades i canvis freqüents de rotació bidireccional. Aquestes condicions d'operació suposen un repte greu per als sistemes de conversor de freqüència (VFD), especialment en aplicacions d'alta potència (550 kW). Un problema central és la generació de velocitats de rampa de tensió extremadament altes (du/dt) a la sortida del VFD, manifestat com:

• ​Pic de du/dt extremadament alt:​​ Valors que superen els 5000 V/μs. Això normalment es produeix per:
• La velocitat de commutació molt alta dels dispositius IGBT dins del VFD.
• Els efectes de capacitància i inductància parasitàries de cables de motor llargs (especialment interaccionant amb els temps de pujada/baixada de l'ona PWM del VFD).
• Problemes de desajust d'impedància entre les característiques d'aïllament del motor i els polsos de sortida del VFD.
• ​Conseqüències greus:​​
• ​Dany a l'aïllament de les bobines del motor:​​ El du/dt extremadament alt pot perforar l'aïllament de les bobines del motor, provocant descàrregues parcials, envejeciment accelerat de l'aïllament i, finalment, el fallament o la ruptura del motor.
• ​Corrents de rodaments i erosió elèctrica:​​ El du/dt alt, a través de capacitances estranges, genera tensió de mode comú, provocant corrents de rodaments. Això provoca erosió elèctrica dels rodaments, augment de soroll, elevació de temperatures i reducció de la vida útil dels rodaments.
• ​Sobretensió als mòduls IGBT:​​ Les tensions de reflexió i superposició poden fer que els IGBT experimentin tensions instantànies que superen la seva classificació, augmentant el risc de fallament del mòdul ("explosió").
• ​Interferència electromagnètica (EMI):​​ Els pics de tensió d'alta freqüència generen una forta interferència conduïda i irradiada, afectant l'equip electrònic proper.
• ​Reducció de la fiabilitat del sistema:​​ La taxa general de fallament del sistema augmenta significativament, provocant aturades no planificades i impactant l'eficiència i la continuïtat de la laminació.

​2. Solució: Reactor de sortida trifàsic FKE (nucli nanocristallí)​​

Per abordar el problema mencionat de pics de tensió alts, recomanem instal·lar un ​reactor de sortida trifàsic FKE​ a la sortida del VFD de 550 kW. Aquesta solució està específicament dissenyada per suprimir els pics de du/dt i la interferència d'alta freqüència.

• ​Equipament bàsic:​​ Reactor de sortida trifàsic FKE
• ​Característiques clau:​​
• ​Material del nucli:​​ Alli de nanocristalls d'alta prestació
• Posseeix una permeabilitat magnètica extremadament alta i una pèrdua de nucli ultra baixa (especialment en el rang de freqüències de kHz a MHz).
• Superior de manera significativa als materials tradicionals d'acer siliciós o ferrita en la supressió eficaç dels pics de tensió d'alta freqüència i les corrents de riple generades a freqüències d'alternança altes (freqüències típiques d'IGBT en el rang de kHz).
• Força de saturació magnètica alta i capacitat robusta per suportar sobrecàrregues transitories.
• ​Tecnologia clau 1: Recubriment de supressió de corrents d'Eddy d'alta freqüència​
• Aplicació d'un recubriment conductor especial sobre la superfície del nucli nanocristallí o de l'enrotllament.
• Dissipa eficientment les pèrdues de corrents d'Eddy d'ultra alta freqüència (freqüències fins a nivells de MHz) induïdes pel du/dt extremadament alt.
• Redueix significativament l'augment de temperatura del nucli a freqüències altes, manté un rendiment magnètic estable i millora la fiabilitat a llarg termini del reactor en condicions de du/dt alt.
• ​Tecnologia clau 2: Enrotllament segmentat multinivell que redueix la capacità distribuïda​
• Utilitza un disseny especial d'enrotllament segmentat multinivell.
• Divideix la capacità distribuïda equivalent (Cdw) d'un enrotllament concentrat tradicional en múltiples unitats capacitatives més petites connectades en sèrie.
• El valor total de la capacità distribuïda efectiva es redueix significativament.
• ​Valor central:​​
• Aumenta la freqüència de ressonància pròpia del reactor ben per sobre de la freqüència d'alternança del VFD i les freqüències harmòniques, assegurant que manté una característica purament inductiva dins de la banda de freqüència objectiu.
• Atenua eficientment la intensitat del circuit oscil·lant format pels polsos d'alta freqüència PWM del VFD i la capacità parasitària del cable del motor, suprimint fonamentalment l'amplitud i l'energia dels pics de tensió (ringing).
• Redueix el flux de components de corrent d'oscil·lació d'alta freqüència a través del reactor.
• ​Funcions centrals:​​
• Allisa eficientment la forma d'ona de tensió, reduint significativament la velocitat de rampa de tensió a la sortida (du/dt), portant els pics a nivells segurs.
• Filtra les corrents harmòniques d'alta freqüència, reduint les pèrdues harmòniques del motor i l'augment de temperatura.
• Suprimeix les ones de reflexió de tensió (Wave Reflection).
• Redueix la distorsió de tensió harmònica a l'extrem de la línia.
• Redueix el risc de tensió de mode comú i corrents de rodaments.
• Redueix la interferència electromagnètica (EMI) conduïda i irradiada.

​3. Dades de rendiment (aplicades en l'escenari del VFD de 550 kW en laminador d'acer)​​

• ​Supressió dels pics de tensió:​​ El du/dt a la sortida es redueix significativament, amb valors màxims que passen de >5000 V/μs a llindars segurs (per exemple, <1000 V/μs o inferior, els valors específics requereixen confirmació mitjançant mesures de camp), complint els requisits de protecció de l'aïllament del motor.
• ​Capacitat de limitació de corrent:​​ Limita eficientment les corrents d'arrancada durant l'arrancada del motor o canvis bruscos de càrrega, protegint el VFD i les connexions. La capacitat de limitació de corrent pot arribar al 30% de la corrent nominal del VFD.
• ​Reducció de la taxa de distorsió de tensió:​​ Filtra eficientment les harmoniques d'alta freqüència. La taxa de distorsió de tensió (THDv) mesurada a la sortida del VFD es redueix en un 42%, millorant significativament la qualitat de l'abastament d'energia.
• ​Efecte de protecció:​​ Allevia considerablement el sobresalt de recuperació inversa i la sobretensió soportada pels mòduls IGBT.

​4. Beneficis econòmics​

• ​Ampliació significativa de la vida útil de les components crítiques:​​ El benefici econòmic més directe i significatiu es veu en:
• ​Ampliació de la vida útil dels mòduls IGBT:​​ Redueix eficientment l'estrés elèctric (pics de tensió, sobrecorrent) que suporten. Les dades mesurades indiquen que la vida útil mitjana dels mòduls de potència IGBT es pot prolongar en un factor de ​2,3 vegades. Com a equip de propulsió central d'una línia de laminació, la vida útil allargada de les components principals de potència del VFD significa:
• Reducció de la quantitat d'adquisició i costos d'inventari de repuestos caros de mòduls IGBT.
• Diminució significativa de la freqüència i durada de les aturades no planificades degudes a fallides dels mòduls de potència, assegurant la producció contínua.
• ​Reducció dels costos de manteniment del motor:​​
• Protegeix eficientment l'aïllament de les bobines del motor, reduint les taxes de fallida de l'aïllament del motor.
• Suprimeix les corrents de rodaments, reduint el dañ d'erosió elèctrica dels rodaments i la freqüència de substitució.
• Estén la vida útil global dels motors, retardant cicles majors de revisió o substitució.
• ​Millora de la fiabilitat del sistema i l'eficiència de producció:​​
• Redueix el nombre de fallides del VFD o del motor causades pels pics de tensió, millorant la fiabilitat operativa global (OEE - Overall Equipment Effectiveness) de la línia de laminació.
• Redueix les pèrdues de producció, els riscos de rebut i els retards d'ordre causats pels aturades inesperades.
• ​Reducció dels costos de manteniment:​​ Minimitza les hores de treball de manteniment i el consum de repuestos degut al dañ de l'equipament.
• ​Millora del factor de potència (indirectament):​​ La millora de la forma d'ona contribueix a optimitzar el factor de potència del sistema (encara que principalment gestionat per reactors d'entrada o compensació activa, la millora de la forma d'ona del reactor de sortida també proporciona algun benefici).