راه‌حل راکتور نانوکریستالین برای ۵۵۰ کیلووات VFD با تولید اوج ولتاژ ۵۰۰۰ وول/میکروثانیه

​۱. چالش: افزایش ناگهانی ولتاژ (du/dt > ۵۰۰۰ V/μs) در سمت خروجی مبدل‌های فرکانس متغیر ۵۵۰ کیلووات در آهن‌گردانی​

در حین تولید آهن‌گردانی، موتورها (به ویژه موتورهای محرک اصلی آهن‌گردانی) با تغییرات شدید بار ضربه‌ای، شروع و توقف سریع و تغییرات مکرر جهت چرخش مواجه می‌شوند. این شرایط عملیاتی چالش‌های شدیدی برای سیستم‌های مبدل فرکانس متغیر (VFD) به وجود می‌آورد، به ویژه در کاربردهای قدرت بالا (۵۵۰ کیلووات). یکی از مشکلات اصلی ایجاد نرخ تغییر ولتاژ بسیار بالا (du/dt) در سمت خروجی VFD است که به صورت زیر ظاهر می‌شود:

• ​نرخ تغییر ولتاژ بسیار بالا:​​ مقادیر اوج بیش از ۵۰۰۰ V/μs. این وضعیت معمولاً از دلایل زیر پدید می‌آید:
• سرعت سوئیچینگ بسیار بالای دستگاه‌های IGBT داخل VFD.
• اثرات ظرفیت خازنی و القایی کابل‌های موتور طولانی (به ویژه در تعامل با زمان‌های صعود و نزول موج PWM VFD).
• عدم همخوانی امپدانس بین مشخصات عایق موتور و پالس‌های خروجی VFD.
• ​پیامدهای شدید:​​
• ​آسیب به عایق سیم‌پیچ موتور:​​ du/dt بسیار بالا می‌تواند عایق سیم‌پیچ موتور را سوراخ کند، منجر به تخلیه جزئی، پیری سریع عایق و در نهایت خرابی یا از کار افتادن موتور شود.
• ​جریان‌های محوری و فرسایش الکتریکی:​​ du/dt بالا، از طریق ظرفیت‌های خازنی غیرمرغوب، ولتاژ مشترک-مد را ایجاد می‌کند که منجر به جریان‌های محوری می‌شود. این امر باعث فرسایش الکتریکی محور، افزایش سر و صدا، افزایش دما و کاهش عمر محور می‌شود.
• ​استرس ولتاژ بیش از حد روی ماژول IGBT:​​ ولتاژ‌های اوج انعکاسی و اضافی می‌توانند باعث شوند که IGBT ولتاژهای لحظه‌ای بیش از حد تحمل آن را تجربه کند، این امر احتمال خرابی ("منفجر شدن") ماژول را افزایش می‌دهد.
• ​تداخل الکترومغناطیسی (EMI):​​ اوج‌های ولتاژ با فرکانس بالا تداخل هادی و پخشی قوی ایجاد می‌کنند که تجهیزات الکترونیکی نزدیک را تحت تأثیر قرار می‌دهد.
• ​کاهش قابلیت اطمینان سیستم:​​ نرخ شکست کلی سیستم به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد، منجر به توقف‌های غیرمنتظره و تأثیر بر کارایی و پیوستگی آهن‌گردانی می‌شود.

​۲. راه حل: راکتور خروجی سه‌فاز نوع FKE (با هسته نانومیکال)​​

برای حل مشکل اوج ولتاژ بالا ذکر شده، پیشنهاد می‌شود یک ​راکتور خروجی سه‌فاز نوع FKE​ روی سمت خروجی VFD ۵۵۰ کیلووات نصب شود. این راه حل به طور خاص برای کاهش du/dt بالا و تداخل فرکانس بالا طراحی شده است.

• ​تجهیزات اصلی:​​ راکتور خروجی سه‌فاز سری FKE
• ​ویژگی‌های کلیدی:​​
• ​مواد هسته:​​ آلیاژ نانومیکال با عملکرد بالا
• دارای نفوذپذیری مغناطیسی بسیار بالا و ضریب اتلاف هسته بسیار کم (به ویژه در محدوده فرکانس kHz تا MHz).
• در کاهش اوج‌های ولتاژ و جریان‌های نوسانی با فرکانس بالا (فرکانس سوئیچینگ معمولی IGBT در محدوده kHz) به طور قابل توجهی از مواد سیلیسیم فولادی یا فریتی معمولی برتر است.
• مقاومت مغناطیسی بالا و توانایی قوی برای تحمل بارهای موقتی.
• ​فناوری کلیدی ۱: پوشش مهار کننده جریان دوگانه فرکانس بالا​
• استفاده از یک پوشش رسانا خاص روی سطح هسته نانومیکال یا پیچش.
• به طور مؤثر جریان‌های دوگانه فرکانس بسیار بالا (تا سطح MHz) ناشی از du/dt بسیار بالا را پخش می‌کند.
• به طور قابل توجهی افزایش دما در فرکانس‌های بالا را کاهش می‌دهد، عملکرد مغناطیسی پایدار را حفظ می‌کند و قابلیت اطمینان بلندمدت راکتور را در شرایط du/dt بالا افزایش می‌دهد.
• ​فناوری کلیدی ۲: پیچش چند لایه برای کاهش ظرفیت پخش شده​
• استفاده از طراحی پیچش چند لایه و تقسیم‌بندی شده خاص.
• ظرفیت پخش شده (Cdw) پیچش متمرکز معمولی را به چند واحد خازنی سری‌پیوند کوچک‌تر تقسیم می‌کند.
• مقدار کلی ظرفیت پخش شده به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد.
• ​ارزش اصلی:​​
• فرکانس تشدید خود راکتور را به طور قابل توجهی بالاتر از فرکانس سوئیچینگ VFD و فرکانس‌های هارمونیک افزایش می‌دهد و مطمئن می‌شود که در محدوده فرکانس هدف خصوصیت القایی خالص را حفظ می‌کند.
• شدت مدار نوسانی تشکیل شده توسط پالس‌های فرکانس بالای PWM VFD و ظرفیت خازنی غیرمرغوب کابل موتور را به طور اساسی کاهش می‌دهد و بنابراین دامنه و انرژی اوج‌های ولتاژ (رنگ) را کاهش می‌دهد.
• جریان‌های نوسانی فرکانس بالا را از طریق راکتور کاهش می‌دهد.
• ​عملکردهای اصلی:​​
• به طور مؤثر موج ولتاژ را صاف می‌کند و نرخ تغییر ولتاژ سمت خروجی (du/dt) را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد و اوج‌ها را به سطوح ایمن می‌رساند.
• جریان‌های هارمونیک فرکانس بالا را فیلتر می‌کند و کاهش می‌دهد و دمای موتور را کاهش می‌دهد.
• موج‌های انعکاسی ولتاژ (Wave Reflection) را کاهش می‌دهد.
• نرخ تحریف ولتاژ هارمونیک در انتهای خط را کاهش می‌دهد.
• احتمال ولتاژ مشترک-مد و جریان‌های محوری را کاهش می‌دهد.
• تداخل الکترومغناطیسی (EMI) هادی و پخشی را کاهش می‌دهد.

​۳. داده‌های عملکرد (کاربرد در سناریوی VFD ۵۵۰ کیلووات آهن‌گردانی)​​

• ​کاهش اوج ولتاژ:​​ du/dt سمت خروجی به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد و مقادیر اوج از >۵۰۰۰ V/μs به سطوح ایمن (مثلاً <۱۰۰۰ V/μs یا کمتر، مقادیر دقیق نیاز به اندازه‌گیری میدانی دارد) کاهش می‌یابد و نیازهای حفاظت عایق موتور را برآورده می‌کند.
• ​توانایی محدود کردن جریان:​​ به طور مؤثر جریان‌های ورودی در زمان شروع موتور یا تغییرات ناگهانی بار را محدود می‌کند و VFD و اتصالات را محافظت می‌کند. توانایی محدود کردن جریان می‌تواند به ۳۰٪ جریان اسمی VFD برسد.
• ​کاهش نرخ تحریف ولتاژ:​​ به طور مؤثر هارمونیک‌های فرکانس بالا را فیلتر می‌کند. نرخ تحریف ولتاژ (THDv) در خروجی VFD تا ۴۲٪ کاهش می‌یابد و به طور قابل توجهی کیفیت تامین برق را بهبود می‌بخشد.
• ​اثر حفاظتی:​​ استرس ولتاژ معکوس و اوج ولتاژ روی ماژول‌های IGBT را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد.

​۴. مزایای اقتصادی​

• ​گسترش قابل توجه عمر مولفه‌های مهم:​​ مزیت اقتصادی مستقیم و قابل توجه در:
• ​گسترش عمر ماژول‌های IGBT:​​ به طور مؤثر استرس الکتریکی (اوج‌های ولتاژ، جریان بیش از حد) را که تجربه می‌کنند کاهش می‌دهد. داده‌های اندازه‌گیری نشان می‌دهد که میانگین عمر خدمت ماژول‌های توان IGBT می‌تواند تا ​۲.۳ برابر​ افزایش یابد. به عنوان تجهیز اصلی محرک خط آهن‌گردانی، گسترش عمر مولفه‌های توان اصلی VFD به معنای:
• کاهش تعداد خرید و هزینه‌های موجودی قطعات یدکی گران‌قیمت IGBT.
• کاهش قابل توجه تعداد و مدت توقف‌های غیرمنتظره به دلیل خرابی ماژول‌های توان، تضمین پیوستگی تولید.
• ​کاهش هزینه‌های نگهداری موتور:​​
• به طور مؤثر عایق سیم‌پیچ موتور را محافظت می‌کند و نرخ خرابی عایق موتور را کاهش می‌دهد.
• جریان‌های محوری را مهار می‌کند و آسیب‌های فرسایش الکتریکی محور و تعداد تعویض‌ها را کاهش می‌دهد.
• عمر کلی موتور را افزایش می‌دهد و دوره‌های تعمیر و تعویض عمده را به تعویق می‌اندازد.
• ​بهبود قابلیت اطمینان سیستم و کارایی تولید:​​
• تعداد خرابی‌های VFD یا موتور ناشی از اوج‌های ولتاژ را کاهش می‌دهد و به طور کلی قابلیت اطمینان عملیاتی (OEE - Overall Equipment Effectiveness) خط آهن‌گردانی را افزایش می‌دهد.
• کاهش ضایعات تولید، خطرات ضایعات و تأخیر سفارشات ناشی از توقف‌های غیرمنتظره.
• ​کاهش هزینه‌های نگهداری:​​ زمان کاری نگهداری و مصرف قطعات یدکی به دلیل آسیب دیدگی تجهیزات را کاهش می‌دهد.
• ​بهبود عامل توان (غیرمستقیم):​​ بهبود موج به بهینه‌سازی عامل توان سیستم (هرچند این موضوع به طور اصلی توسط راکتور‌های ورودی یا جبران‌کننده‌های فعال مدیریت می‌شود، اما بهبود موج خروجی راکتور نیز مزیتی ارائه می‌دهد).