Rozwiązanie Reaktora Nanokrystalicznego dla 550kW VFD Wytwarzającego Przepusty Napięcia 5000 V/μs

​1. Wyzwanie: Spadki napięcia na wyjściu (du/dt > 5000 V/μs) z 550kW Zmieniaczy Częstotliwości w hutach stalowych​

Podczas produkcji przerobu stali, silniki (zwłaszcza główne silniki napędowe walcowni) podlegają intensywnym wahaniom obciążenia uderzeniowego, szybkim startom/zatrzymywaniom oraz częstym zmianom kierunku obrotów. Te warunki eksploatacji stanowią poważne wyzwanie dla systemów ZC (Zmieniacze Częstotliwości), szczególnie w aplikacjach o wysokiej mocy (550kW). Głównym problemem jest generowanie bardzo wysokich temp spadków napięcia (du/dt) na wyjściu ZC, co przejawia się jako:

• ​Bardzo wysoki du/dt:​​ Wartości przekraczające 5000 V/μs. Wynika to z:
• Bardzo wysokiej prędkości przełączania elementów IGBT wewnątrz ZC.
• Parazytetycznej pojemności i indukcyjności długich kabli silnikowych (szczególnie interakujących z czasami narastania/spadku fali PWM ZC).
• Niezgodności impedancyjnych między charakterystykami izolacji silnika a impulsami wyjściowymi ZC.
• ​Poważne konsekwencje:​​
• ​Uszkodzenie izolacji zwitów silnika:​​ Ekstremalnie wysoki du/dt może przebić izolację zwitów silnika, prowadząc do częściowego rozładowania, przyspieszonego starzenia izolacji i ostatecznie do awarii lub uszkodzenia silnika.
• ​Prądy w łożyskach i erozja elektryczna:​​ Wysoki du/dt, poprzez parazytetyczną pojemność, generuje napięcie wspólnego trybu, prowadząc do prądów w łożyskach. To powoduje erozję elektryczną łożysk, wzrost hałasu, temperatury i skrócenie ich żywotności.
• ​Przekroczenie dopuszczalnego napięcia modułów IGBT:​​ Odbite i nałożone spadki napięcia mogą spowodować, że IGBT będzie doświadczać natychmiastowych napięć przekraczających jego parametry, zwiększając ryzyko awarii modułu ("wybuch").
• ​Interferencja elektromagnetyczna (EMI):​​ Wysokoczęstotliwościowe spadki napięcia generują silne przewodzone i promieniowane zakłócenia, wpływające na pobliskie urządzenia elektroniczne.
• ​Zmniejszenie niezawodności systemu:​​ Całkowita liczba awarii systemu znacznie wzrasta, prowadząc do nieplanowanych przerw w produkcji i wpływa na efektywność i ciągłość przerobu.

​2. Rozwiązanie: Reaktor trójfazowy typu FKE (rdzeń nanokrystaliczny)​​

Aby rozwiązać problem wysokich spadków napięcia, zalecamy instalację ​Reaktora trójfazowego typu FKE​ na wyjściu 550kW ZC. To rozwiązanie jest specjalnie zaprojektowane do tłumienia wysokich du/dt i wysokoczęstotliwościowych zakłóceń.

• ​Główny sprzęt:​​ Seria reaktorów trójfazowych typu FKE
• ​Kluczowe cechy:​​
• ​Materiał rdzenia:​​ Wysokowydajny stop nanokrystaliczny
• Possesses extremely high magnetic permeability and ultra-low core loss (especially in the kHz to MHz high-frequency range).
• Significantly outperforms traditional silicon steel or ferrite materials in effectively suppressing high-frequency voltage spikes and ripple currents generated at high switching frequencies (typical IGBT switching frequencies in the kHz range).
• High magnetic saturation strength and strong capability to withstand transient overloads.
• ​Kluczowa technologia 1: Pokrycie tłumiące wysokoczęstotliwościowe prądy wirowe​
• Zastosowanie specjalnego pokrycia przewodzącego na powierzchni rdzenia nanokrystalicznego lub cewki.
• Skutecznie rozprasza straty w prądach wirowych o bardzo wysokich częstotliwościach (do poziomu MHz) indukowane przez ekstremalnie wysoki du/dt.
• Znacznie zmniejsza wzrost temperatury rdzenia przy wysokich częstotliwościach, utrzymuje stabilne właściwości magnetyczne i zwiększa długoterminową niezawodność reaktora w warunkach wysokiego du/dt.
• ​Kluczowa technologia 2: Wielowarstwowe sekcjonowane nawinięcie redukujące rozproszone pojemności​
• Stosuje specjalny, wielowarstwowy, sekcjonowany projekt nawinięcia.
• Dzieli równoważną rozproszone pojemności (Cdw) tradycyjnego skupionego nawinięcia na wiele mniejszych szeregowo połączonych jednostek pojemnościowych.
• Całkowita skuteczna wartość rozproszonej pojemności jest znacznie zmniejszona.
• ​Kluczowa wartość:​​
• Zwiększa ​częstotliwość rezonansową samego reaktora​ znacznie powyżej częstotliwości przełączania ZC i częstotliwości harmonicznych, zapewniając, że reaktor zachowuje czystą indukcyjną charakterystykę w docelowym pasmie częstotliwości.
• Skutecznie osłabia intensywność obwodu drgań tworzonego przez wysokoczęstotliwościowe impulsy PWM ZC i parazytetyczną pojemność kabla silnikowego, fundamentalnie tłumiąc amplitudę i energię spadków napięcia (drżenie).
• Zmniejsza przepływ składowych prądów drgań wysokich częstotliwości przez reaktor.
• ​Kluczowe funkcje:​​
• Skutecznie wygładza kształt napięcia, znacznie zmniejszając temp spadków napięcia (du/dt) na wyjściu, sprowadzając spadki do bezpiecznych poziomów.
• Filtruje wysokoczęstotliwościowe prądy harmoniczne, zmniejszając straty harmoniczne i wzrost temperatury silników.
• Tłumi fale odbite (Wave Reflection).
• Zmniejsza stopień zniekształcenia napięcia harmonicznych na końcu linii.
• Zmniejsza ryzyko napięcia wspólnego trybu i prądów w łożyskach.
• Zmniejsza przewodzone i promieniowane zakłócenia elektromagnetyczne (EMI).

​3. Dane wydajnościowe (zastosowane w scenariuszu 550kW ZC w hucie stalowej)​​

• ​Tłumienie spadków napięcia:​​ Temp spadków napięcia (du/dt) na wyjściu jest znacznie zmniejszony, z wartości szczytowych powyżej 5000 V/μs do bezpiecznych progów (np. <1000 V/μs lub niższych, dokładne wartości wymagają potwierdzenia pomiarowego), spełniając wymagania ochrony izolacji silnika.
• ​Możliwość ograniczania prądów:​​ Skutecznie ogranicza prądy uruchomieniowe podczas startu silnika lub nagłych zmian obciążenia, chroniąc ZC i połączenia. Możliwość ograniczania prądów może wynosić 30% nominalnego prądu ZC.
• ​Zmniejszenie stopnia zniekształcenia napięcia:​​ Skutecznie filtruje wysokoczęstotliwościowe harmoniczne. Pomierzony stopień zniekształcenia napięcia (THDv) na wyjściu ZC jest zmniejszony o do 42%, znacznie poprawiając jakość zasilania.
• ​Efekt ochronny:​​ Znacznie łagodzi odwracalne impulsy i nadmierny stres napięciowy modułów IGBT.

​4. Korzyści ekonomiczne​

• ​Znaczne przedłużenie żywotności kluczowych komponentów:​​ Najbardziej bezpośrednia i znacząca korzyść ekonomiczna polega na:
• ​Przedłużenie żywotności modułów IGBT:​​ Skutecznie zmniejsza elektryczny stres (spadki napięcia, przeciążenia prądowe), jaki one odczuwają. Pomierzone dane wskazują, że średnia żywotność modułów mocy IGBT może być przedłużona o ​2,3 raza. Jako kluczowe urządzenie napędowe linii walcowni, przedłużenie żywotności głównych komponentów mocy ZC oznacza:
• Zmniejszenie ilości zakupów i kosztów magazynowania drogich rezerwowych modułów IGBT.
• Znaczne zmniejszenie częstotliwości i długości nieplanowanych przerw w produkcji spowodowanych awariami modułów mocy, zapewniając ciągłą produkcję.
• ​Zmniejszenie kosztów utrzymania silników:​​
• Skutecznie chroni izolację zwitów silnika, obniżając częstość awarii izolacji silników.
• Tłumi prądy w łożyskach, zmniejszając uszkodzenia erozji elektrycznej łożysk i częstotliwość wymiany.
• Przedłuża całkowitą żywotność silników, opóźniając cykle generalnych remontów lub wymiany.
• ​Poprawa niezawodności systemu i efektywności produkcji:​​
• Zmniejsza liczbę awarii ZC lub silników spowodowanych spadkami napięcia, zwiększając ogólne wskaźniki niezawodności (OEE - Overall Equipment Effectiveness) linii walcowni.
• Zmniejsza straty produkcyjne, ryzyko odpadów i opóźnienia zamówień spowodowane nieoczekiwanymi przerwami w produkcji.
• ​Zmniejszenie kosztów utrzymania:​​ Minimalizuje godziny pracy serwisowych i zużycie części zamiennych spowodowane uszkodzeniami sprzętu.
• ​Poprawa współczynnika mocy (pośrednio):​​ Poprawa kształtu fali przyczynia się do optymalizacji współczynnika mocy systemu (choć głównie obsługiwane przez reaktory wejściowe lub aktywne kompensatory, poprawa kształtu fali reaktora wyjściowego również przynosi pewne korzyści).