Nanokristalliner Reaktor für 550kW VFD mit Spannungsspitzen von 5000 V/μs

​1. Herausforderung: Spannungsspitzen (du/dt > 5000 V/μs) auf der Ausgangsseite von 550kW-Wechselrichtern in Stahlwalzwerken​

Während der Stahlwalzproduktion unterliegen Motoren (insbesondere die Hauptantriebsmotoren für Walzwerke) starken Stoßlaständerungen, schnellen Start- und Stopvorgängen sowie häufigem Wechsel der Drehrichtung. Diese Betriebsbedingungen stellen eine erhebliche Herausforderung für Wechselrichtersysteme (Variable Frequency Drive, VFD), insbesondere in Hochleistungsanwendungen (550kW), dar. Ein Kernproblem ist die Erzeugung extrem hoher Spannungsänderungsraten (du/dt) auf der Ausgangsseite des Wechselrichters, die sich wie folgt manifestieren:

• ​Extrem hohe du/dt:​​ Spitzenwerte über 5000 V/μs. Dies tritt normalerweise aufgrund folgender Faktoren auf:
• Die sehr hohe Schaltgeschwindigkeit der IGBT-Bauteile innerhalb des Wechselrichters.
• Parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten langer Motorleitungen (insbesondere in Wechselwirkung mit den Anstiegs- und Abfallzeiten des PWM-Signals des Wechselrichters).
• Impedanz-Unstimmigkeiten zwischen den Isolierungseigenschaften des Motors und den Pulsen am Ausgang des Wechselrichters.
• ​Schwere Folgen:​​
• ​Schäden an der Wickelisolation des Motors:​​ Extreme du/dt können die Wickelisolation des Motors durchlöchern, was zu partiellen Entladungen, beschleunigtem Alterungsprozess der Isolierung und letztendlich zum Versagen oder Zusammenbruch des Motors führt.
• ​Lagerströme und elektrische Erosion:​​ Hohe du/dt erzeugen durch Streukapazitäten Gemeinschaftsspannungen, die zu Lagerströmen führen. Dies verursacht elektrische Erosion der Lager, erhöhtes Geräuschpegel, höhere Temperaturen und reduzierte Lagerelektrode.
• ​Überspannungsspannung für IGBT-Module:​​ Reflektierte und überlagerte Spannungsspitzen können dazu führen, dass das IGBT momentan Spannungen erleidet, die seine zulässige Spannung überschreiten, was das Risiko eines Modulfailures ("Explodieren") erhöht.
• ​Elektromagnetische Störungen (EMI):​​ Hochfrequente Spannungsspitzen erzeugen starke geführte und abgestrahlte Störungen, die benachbarte elektronische Geräte beeinflussen.
• ​Verringerte Systemzuverlässigkeit:​​ Die Gesamtfehlerrate des Systems steigt signifikant, was zu unplanmäßigen Stillständen führt und die Walzeffizienz und Kontinuität beeinträchtigt.

​2. Lösung: FKE-Typ-Dreiphasen-Ausgangsdrossel (Nanokristallkern)​​

Um das genannte Problem der hohen Spannungsspitzen zu lösen, empfehlen wir die Installation einer ​FKE-Typ-Dreiphasen-Ausgangsdrossel​ auf der Ausgangsseite des 550kW-Wechselrichters. Diese Lösung wurde speziell entwickelt, um hohe du/dt und hochfrequente Störungen zu unterdrücken.

• ​Kernausstattung:​​ FKE-Reihe Dreiphasen-Ausgangsdrossel
• ​Kernmerkmale:​​
• ​Kernmaterial:​​ Hochleistungsnanokristalllegierung
• Verfügt über extrem hohe magnetische Permeabilität und ultra-niedrige Kernverluste (insbesondere im kHz bis MHz-Hochfrequenzbereich).
• Übertrifft traditionelle Siliziumstahl- oder Ferritmaterialien bei der effektiven Unterdrückung von hochfrequenten Spannungsspitzen und Rippelströmen, die bei hohen Schaltfrequenzen (typischer IGBT-Schaltfrequenzen im kHz-Bereich) erzeugt werden.
• Hohes magnetisches Sättigungsvermögen und starke Fähigkeit, transiente Überlastungen zu bewältigen.
• ​Kern-Technologie 1: Hochfrequenz-Wirbelstromunterdrückungsbeschichtung​
• Anwendung einer speziellen leitfähigen Beschichtung auf dem Nanokristallkern oder der Wicklungsoberfläche.
• Effektive Absorption von ultrahochfrequenten Wirbelstromverlusten (Frequenzen bis zur MHz-Ebene), die durch extrem hohe du/dt induziert werden.
• Signifikante Reduzierung der Kern-Temperaturerhöhung bei hohen Frequenzen, Aufrechterhaltung stabiler magnetischer Leistungen und Verbesserung der langfristigen Zuverlässigkeit der Drossel unter Bedingungen hoher du/dt.
• ​Kern-Technologie 2: Mehrschichtig-segmentierte Wicklungen zur Reduzierung der verteilten Kapazität​
• Verwendung eines speziellen mehrschichtigen, segmentierten Wicklungsdesigns.
• Teilt die äquivalente verteilte Kapazität (Cdw) einer traditionellen konzentrierten Wicklung in mehrere kleinere seriell verbundene kapazitive Einheiten auf.
• Der gesamte effektive Wert der verteilten Kapazität wird signifikant reduziert.
• ​Kernwert:​​
• Erhöht die ​eigene Resonanzfrequenz​ der Drossel deutlich über die Schaltfrequenz und Oberschwingungsfrequenzen des Wechselrichters, wodurch sie innerhalb des Ziel-Frequenzbands ein rein induktives Verhalten beibehält.
• Wirkt effektiv gegen die Intensität des oszillierenden Kreises, der durch die hochfrequenten PWM-Pulse des Wechselrichters und die parasitären Kapazitäten der Motorleitung gebildet wird, und unterdrückt grundsätzlich die Amplitude und Energie von Spannungsspitzen (Nachhall).
• Reduziert den Fluss hochfrequenter oszillierender Stromkomponenten durch die Drossel.
• ​Kernfunktionen:​​
• Glättet die Spannungsform effektiv, reduziert die Spannungsänderungsrate (du/dt) auf der Ausgangsseite erheblich und bringt die Spitzenwerte auf sichere Niveaus herunter.
• Filtert hochfrequente harmonische Ströme, reduziert die harmonischen Verluste und Temperaturerhöhungen des Motors.
• Unterdrückt Spannungsreflexionswellen (Wave Reflection).
• Reduziert die harmonische Spannungsverzerrungsrate am Netzanschlusspunkt.
• Senkt das Risiko von Gemeinschaftsspannungen und Lagerströmen.
• Reduziert geführte und abgestrahlte elektromagnetische Störungen (EMI).

​3. Leistungsdaten (angewendet in einem 550kW-Walzwerk-Wechselrichterszenario)​​

• ​Unterdrückung von Spannungsspitzen:​​ Die du/dt auf der Ausgangsseite wird signifikant reduziert, wobei die Spitzenwerte von >5000 V/μs auf sichere Schwellenwerte (z.B. <1000 V/μs oder niedriger, spezifische Werte bedürfen einer Feldmessung) sinken, was den Anforderungen an die Motorisolierung entspricht.
• ​Strombegrenzungsfähigkeit:​​ Begrenzt den Einschaltstrom während des Motorstarts oder plötzlicher Laständerungen effektiv, schützt den Wechselrichter und die Verbindungen. Die Strombegrenzungsfähigkeit kann 30% des Nennstroms des Wechselrichters erreichen.
• ​Reduzierte Spannungsverzerrungsrate:​​ Filtert hochfrequente Harmonische effektiv. Die gemessene Spannungsverzerrungsrate (THDv) am Ausgang des Wechselrichters wird um bis zu 42% reduziert, was die Qualität der Stromversorgung erheblich verbessert.
• ​Schutzwirkung:​​ Lindert die Rückwärts-Rückführungsüberspannung und die Überspannungsspannung, die die IGBT-Module belastet.

​4. Wirtschaftliche Vorteile​

• ​Signifikante Verlängerung der Lebensdauer kritischer Komponenten:​​ Der direkte und bedeutendste wirtschaftliche Vorteil zeigt sich in:
• ​Verlängerung der Lebensdauer von IGBT-Modulen:​​ Reduziert effektiv die elektrische Belastung (Spannungsspitzen, Überströme), denen sie ausgesetzt sind. Messdaten zeigen, dass die durchschnittliche Lebensdauer von IGBT-Leistungsmodule um ​2,3 Mal verlängert werden kann. Als zentrale Antriebsausrüstung einer Walzlinie bedeutet die verlängerte Lebensdauer der Hauptleistungskomponenten des Wechselrichters:
• Reduzierte Anzahl und Lagerkosten teurer Ersatz-IGBT-Module.
• Signifikante Reduzierung der Häufigkeit und Dauer unplanmäßiger Stillstände aufgrund von Modulversagen, was kontinuierliche Produktion sicherstellt.
• ​Reduzierte Motorenwartungskosten:​​
• Schützt effektiv die Motorwickelisolation, verringert die Ausfallraten der Motorisolierung.
• Unterdrückt Lagerströme, reduziert die elektrische Erosionsschäden und die Austauschhäufigkeit der Lager.
• Verlängert die Gesamtlebensdauer der Motoren, verzögert große Instandsetzungs- oder Austauschzyklen.
• ​Verbesserte Systemzuverlässigkeit und Produktionswirtschaftlichkeit:​​
• Reduziert die Anzahl von Wechselrichter- oder Motorausfällen aufgrund von Spannungsspitzen, erhöht die Gesamtoperativität (OEE - Overall Equipment Effectiveness) der Walzlinie.
• Reduziert Produktionsverluste, Ausschussrisiken und Bestellverzögerungen aufgrund unerwarteter Stillstände.
• ​Reduzierte Wartungskosten:​​ Minimiert die Arbeitsstunden und Ersatzteilverbrauch infolge von Geräteschäden.
• ​Verbesserter Leistungsfaktor (indirekt):​​ Der verbesserte Wellenform trägt zur Optimierung des Systemleistungsfaktors bei (obwohl dies hauptsächlich durch Eingangsreaktoren oder aktive Kompensation gehandhabt wird, bietet auch die Wellenformverbesserung des Ausgangsreaktors einige Vorteile).