פתרון רקטור ננוקריסטלי עבור מוצא VFD של 550kW המפיק פקעי מתח של 5000 V/μs

​1. אתגר: פקעות מתח בצד הפלט (du/dt > 5000 V/μs) מממיצבי תדר משתנה ברמת 550kW במפעלי גלגול פלדה​

במהלך ייצור גלגול פלדה, המנועים (ובמיוחד מנועי הנעה ראשיים למפעלים של גלגול פלדה) נחשפים לשינויים קיצוניים בנטל השפעה, התארכות מהירה/עצירה, ותהליך התחלף תכוף של סיבוב דו-כיווני. תנאים אלה מציבים אתגרים חמורים למערכות ממיצבי תדר משתנה (VFD), במיוחד באישומים בעוצמה גבוהה (550kW). הבעיה העיקרית היא יצירה של שיעור שינוי מתח גבוה מאוד (du/dt) בצד הפלט של הממיץ, המופיע כ:

• ​du/dt גבוה מאוד:​​ ערכי פקעות המתח עוברים את 5000 V/μs. זה בדרך כלל נובע מ:
• מהירות החלפה גבוהה מאוד של התקנים IGBT בתוך הממיץ.
• השפעות קיבוליות ותנודתיות פרזיטיות של כבלים ארוכים של מנוע (במיוחד ביחס לזמן העלייה/ירידה של צורת הגל PWM של הממיץ).
• בעיות התאמה בין מאפייני ההבודד של המנוע ובין פולס הפלט של הממיץ.
• ​נפגעים חמורים:​​
• ​פגיעה בהבודד הסליל של המנוע:​​ du/dt קיצוני יכול להחדר דרך ההבודד של הסליל של המנוע, מוביל לפיזור חלקי, הזדקנות מהירה של ההבודד, ובסופו של דבר לתקלה או קריסה של המנוע.
• ​זרמים בבירור ומגפת חשמלית:​​ du/dt גבוה, דרך קיבולויות פרזיטיות, מייצר מתח משותף, מוביל לזרמים בבירור. זה גורם למגפת חשמלית בבירור, רעש מוגבר, טמפרטורות גבוהות, וחיי פעולה מקוצרים בבירור.
• ​לחץ מתח מוגבר על אבזרים IGBT:​​ מתחים פקעיים מוחזרים ומעוינים יכולים לגרום לאבזרים IGBT לחוות מתחים מיידיים שעוברים את המכסה שלהם, מגדילים את הסיכון לתקלה ("פיצוץ") של האבזרים.
• ​התפרעות מגנטית (EMI):​​ פקעות מתח בתדר גבוה יוצרות הפרעות מתועבות ורדיואקטיביות חזקות, המשפיעות על ציוד אלקטרוני בסביבה הקרובה.
• ​פחתת אמינות מערכת:​​ שיעור התקלות הכללי של המערכת עולה באופן משמעותי, מוביל לעצירות בלתי מתוכננות ומשפיע על יעילות ורציפות הגלילה.

​2. פתרון: ריאקטור פלט תלת-פאזי מסוג FKE (ליבה ננוקריסטלית)​​

כדי להתמודד עם הבעיה של פקעות מתח גבוהות, מומלץ להתקין ​ריאקטור פלט תלת-פאזי מסוג FKE​ בצד הפלט של הממיץ VFD ברמת 550kW. הפתרון זה תוכנן במיוחד לדיכוי du/dt גבוה והפרעות בתדר גבוה.

• ​​ ריאקטור פלט תלת-פאזי מסדרת FKE
• ​מאפיינים מרכזיים:​​
• ​חומר הליבה:​​ אלוי ננוקריסטלי ביצועים גבוהים
• שייך למדבק מגנטי גבוה ביותר ואבדות ליבה נמוכות מאוד (במיוחד בתחום התדרים הגבוהים - kHz עד MHz).
• מתפקד בצורה טובה הרבה יותר מחומרים מסורתיים כמו פלדת סיליקון או פראיטים בתשומת לב לדיכוי פקעות מתח בתדר גבוה וזרמים מעוינים בתדר גבוה (תדרי החלפה טיפוסיים של IGBT הם בתחום kHz).
• חוזק מגנטי גבוה מאוד ויכולת חזקה לספיגת עומסים זמניים.
• ​טכנולוגיה מרכזית 1: ציפוי דיכוי זרמים מעוינים בתדר גבוה​
• יישום של ציפוי מוליך מיוחד על פני ליבה ננוקריסטלית או על פני הסליל.
• מתפרק בצורה יעילה אבדות זרמים מעוינים בתדר גבוה מאוד (עד לרמה של MHz) שנגרמות על ידי du/dt גבוה מאוד.
• מפחית secara signifikan kenaikan suhu inti pada frekuensi tinggi, menjaga kinerja magnetik stabil, dan meningkatkan keandalan jangka panjang reaktor dalam kondisi du/dt tinggi.
• ​Teknologi Utama 2: Pembungaan Berlapis Mengurangi Kapasitansi Terdistribusi​
• Menggunakan desain pembungaan berlapis dan terbagi khusus.
• Membagi kapasitansi terdistribusi (Cdw) setara dari pembungaan terpusat tradisional menjadi beberapa unit kapasitansi seri yang lebih kecil.
• Nilai kapasitansi terdistribusi efektif secara keseluruhan sangat berkurang.
• ​Nilai Inti:​​
• Meningkatkan frekuensi resonansi sendiri reaktor jauh di atas frekuensi switching VFD dan frekuensi harmonis, memastikan ia tetap memiliki karakteristik induktif murni dalam band frekuensi target.
• Mengurangi secara efektif intensitas rangkaian osilasi yang dibentuk oleh pulsa PWM frekuensi tinggi VFD dan kapasitansi parasit kabel motor, menghambat amplitudo dan energi spike tegangan (ringing) secara fundamental.
• Mengurangi aliran komponen arus osilasi frekuensi tinggi melalui reaktor.
• ​Fungsi Inti:​​
• Meratakan gelombang tegangan, secara substansial mengurangi laju perubahan tegangan sisi output (du/dt), menurunkan spike ke tingkat yang aman.
• Mengfilter arus harmonis frekuensi tinggi, mengurangi kerugian harmonis motor dan kenaikan suhu.
• Menghambat gelombang refleksi tegangan (Wave Reflection).
• Mengurangi distorsi tegangan harmonis di ujung jalur.
• Mengurangi risiko tegangan mode umum dan arus bantalan.
• Mengurangi interferensi elektromagnetik (EMI) konduktif dan radiatif.

​3. Data Kinerja (Teraplikasi pada Skenario VFD Gilingan 550kW)​​

• ​Pengurangan Spike Tegangan:​​ du/dt sisi output secara signifikan berkurang, dengan nilai puncak turun dari >5000 V/μs ke ambang batas yang aman (misalnya, <1000 V/μs atau lebih rendah, nilai spesifik memerlukan konfirmasi pengukuran lapangan), memenuhi persyaratan perlindungan isolasi motor.
• ​Kemampuan Pembatasan Arus:​​ Secara efektif membatasi arus in-rush selama startup motor atau perubahan beban mendadak, melindungi VFD dan koneksi. Kemampuan pembatasan arus dapat mencapai 30% dari arus nominal VFD.
• ​Pengurangan Tingkat Distorsi Tegangan:​​ Secara efektif menyaring harmonisa frekuensi tinggi. Tingkat distorsi tegangan (THDv) yang diukur di output VFD berkurang hingga 42%, meningkatkan kualitas pasokan listrik secara signifikan.
• ​Efek Perlindungan:​​ Sangat mengurangi lonjakan pemulihan balik dan stres overvoltage yang ditanggung oleh modul IGBT.

​4. Manfaat Ekonomi​

• ​Perpanjangan Umur Komponen Kritis yang Signifikan:​​ Manfaat ekonomi langsung dan signifikan paling jelas terlihat dalam:
• ​Perpanjangan Umur Modul IGBT:​​ Secara efektif mengurangi stres listrik (spike tegangan, overcurrent) yang mereka tanggung. Data pengukuran menunjukkan bahwa umur layanan rata-rata modul daya IGBT dapat diperpanjang hingga ​2.3 kali. Sebagai peralatan penggerak utama dalam baris gilingan, perpanjangan umur komponen daya utama VFD berarti:
• Reduksi jumlah pembelian dan biaya inventaris untuk cadangan modul IGBT yang mahal.
• Penurunan signifikan frekuensi dan durasi downtime tidak terencana akibat kegagalan modul daya, memastikan produksi berkelanjutan.
• ​Pengurangan Biaya Pemeliharaan Motor:​​
• Melindungi isolasi gulungan motor secara efektif, menurunkan tingkat kegagalan isolasi motor.
• Menghambat arus bantalan, mengurangi kerusakan erosi listrik bantalan dan frekuensi penggantian.
• Memperpanjang umur layanan keseluruhan motor, menunda siklus overhaul atau penggantian besar.
• ​Peningkatan Keandalan Sistem dan Efisiensi Produksi:​​
• Mengurangi jumlah kegagalan VFD atau motor yang disebabkan oleh spike tegangan, meningkatkan keandalan operasional keseluruhan (OEE - Overall Equipment Effectiveness) baris gilingan.
• Mengurangi kerugian produksi, risiko limbah, dan penundaan pesanan akibat downtime tak terduga.
• ​Pengurangan Biaya Pemeliharaan:​​ Meminimalkan jam kerja pemeliharaan dan konsumsi suku cadang akibat kerusakan peralatan.
• ​Peningkatan Faktor Daya (Secara Indirek):​​ Perbaikan bentuk gelombang berkontribusi pada optimasi faktor daya sistem (meskipun sebagian besar ditangani oleh reaktor input atau kompensasi aktif, perbaikan bentuk gelombang reaktor output juga memberikan manfaat tertentu).