Решение с нанокристаллическим реактором для 550 кВт частотно-регулируемого привода с выходными импульсами напряжения 5000 В/мкс

​1. Проблема: Всплески напряжения на выходе (du/dt > 5000 В/мкс) от преобразователей частоты мощностью 550 кВт в сталелитейных заводах​

В процессе прокатки стали двигатели (особенно основные приводные двигатели для прокатных станов) подвергаются интенсивным изменениям ударных нагрузок, быстрым запускам и остановкам, а также частым переключениям направления вращения. Эти условия эксплуатации представляют серьезные вызовы для систем VFD (преобразователь частоты), особенно в высокомощных (550 кВт) приложениях. Основная проблема заключается в генерации крайне высоких скоростей нарастания напряжения (du/dt) на выходе VFD, что проявляется следующим образом:

• ​Крайне высокий du/dt:​​ Значения, превышающие 5000 В/мкс. Это обычно происходит из-за:
• Очень высокой скорости коммутации IGBT-устройств внутри VFD.
• Паразитной емкости и индуктивности длинных кабелей двигателей (особенно взаимодействующих с временем нарастания и спада PWM-сигнала VFD).
• Проблем несоответствия импеданса между характеристиками изоляции двигателя и импульсами на выходе VFD.
• ​Серьезные последствия:​​
• ​Повреждение изоляции обмоток двигателя:​​ Экстремальные значения du/dt могут привести к пробою изоляции обмоток двигателя, вызывая частичный разряд, ускоренное старение изоляции и, в конечном итоге, отказ или повреждение двигателя.
• ​Токи подшипников и электрическая эрозия:​​ Высокие значения du/dt через паразитные емкости создают общемодовое напряжение, вызывающее токи подшипников. Это приводит к электрической эрозии подшипников, увеличению шума, повышению температуры и сокращению срока службы подшипников.
• ​Перенапряжение модулей IGBT:​​ Отраженные и наслоенные всплески напряжения могут привести к тому, что модуль IGBT будет испытывать мгновенные напряжения, превышающие его номинальное значение, что увеличивает риск отказа модуля ("взрыв").
• ​Электромагнитные помехи (EMI):​​ Высокочастотные всплески напряжения создают сильные проводимые и радиационные помехи, влияющие на близлежащее электронное оборудование.
• ​Снижение надежности системы:​​ Общая частота отказов системы значительно увеличивается, приводя к неплановым простоем и влияя на эффективность и непрерывность прокатки.

​2. Решение: Трехфазный выходной реактор типа FKE (с нанокристаллическим сердечником)​​

Для решения вышеупомянутой проблемы высоких всплесков напряжения рекомендуется установить ​трехфазный выходной реактор типа FKE​ на выходе VFD мощностью 550 кВт. Это решение специально разработано для подавления высоких значений du/dt и высокочастотных помех.

• ​Основное оборудование:​​ Серия трехфазных выходных реакторов FKE
• ​Основные характеристики:​​
• ​Материал сердечника:​​ Высокопроизводительный нанокристаллический сплав
• Обладает крайне высокой магнитной проницаемостью и сверхнизкими потерями в сердечнике (особенно в диапазоне высоких частот от кГц до МГц).
• Значительно превосходит традиционные материалы, такие как силиконовая сталь или феррит, в эффективном подавлении высокочастотных всплесков напряжения и ряби тока, возникающих при высоких частотах коммутации (типичные частоты коммутации IGBT в диапазоне кГц).
• Высокая магнитная насыщенность и способность выдерживать кратковременные перегрузки.
• ​Ключевая технология 1: Покрытие для подавления высокочастотных вихревых токов​
• Применение специального проводящего покрытия на поверхности нанокристаллического сердечника или обмотки.
• Эффективно рассеивает потери от сверхвысокочастотных вихревых токов (частоты до уровня МГц), вызванных экстремально высокими значениями du/dt.
• Значительно снижает повышение температуры сердечника на высоких частотах, поддерживает стабильные магнитные характеристики и повышает долговечность реактора при высоких значениях du/dt.
• ​Ключевая технология 2: Многослойная секционная обмотка для снижения распределенной емкости​
• Использует специальную многослойную, секционную конструкцию обмотки.
• Разделяет эквивалентную распределенную емкость (Cdw) традиционной сконцентрированной обмотки на несколько меньших последовательно соединенных емкостных элементов.
• Общая эффективная распределенная емкость значительно снижается.
• ​Основная ценность:​​
• Увеличивает собственную резонансную частоту реактора существенно выше частоты коммутации VFD и гармонических частот, обеспечивая сохранение чисто индуктивных характеристик в целевом диапазоне частот.
• Эффективно ослабляет интенсивность колебательного контура, образованного высокочастотными импульсами PWM VFD и паразитной емкостью кабеля двигателя, фундаментально подавляя амплитуду и энергию всплесков напряжения (звон).
• Снижает протекание высокочастотных колебательных токов через реактор.
• ​Основные функции:​​
• Эффективно сглаживает форму напряжения, значительно снижая скорость нарастания напряжения на выходе (du/dt), приводя всплески к безопасным уровням.
• Фильтрует высокочастотные гармонические токи, снижая гармонические потери и повышение температуры двигателя.
• Подавляет отраженные волны напряжения (Wave Reflection).
• Снижает коэффициент искажения гармонического напряжения на линии.
• Снижает риск общемодового напряжения и токов подшипников.
• Снижает проводимые и радиационные электромагнитные помехи (EMI).

​3. Данные по производительности (применение в сценарии VFD для прокатного стана мощностью 550 кВт)​​

• ​Подавление всплесков напряжения:​​ Скорость нарастания напряжения на выходе (du/dt) значительно снижается, пиковые значения падают с >5000 В/мкс до безопасных порогов (например, <1000 В/мкс или ниже, точные значения требуют подтверждения на месте), удовлетворяя требованиям защиты изоляции двигателя.
• ​Способность ограничения тока:​​ Эффективно ограничивает пусковые токи при запуске двигателя или внезапных изменениях нагрузки, защищая VFD и соединения. Способность ограничения тока может достигать 30% от номинального тока VFD.
• ​Снижение коэффициента искажения напряжения:​​ Эффективно фильтрует высокочастотные гармоники. Измеренный коэффициент искажения напряжения (THDv) на выходе VFD снижается до 42%, значительно улучшая качество питания.
• ​Защитный эффект:​​ Значительно уменьшает обратный восстанавливающий всплеск и перенапряжение, испытываемое модулями IGBT.

​4. Экономические выгоды​

• ​Значительное продление срока службы ключевых компонентов:​​ Наиболее прямая и значительная экономическая выгода заключается в:
• ​Продление срока службы модулей IGBT:​​ Эффективно снижает электрические нагрузки (всплески напряжения, перетоки), которые они испытывают. Измеренные данные показывают, что средний срок службы модулей IGBT может быть продлен в ​2,3 раза. Как основное приводное оборудование линии прокатного стана, продление срока службы основных силовых компонентов VFD означает:
• Снижение количества закупаемых и хранимых запасных модулей IGBT.
• Значительное уменьшение частоты и продолжительности неплановых простоев из-за отказов силовых модулей, обеспечивая непрерывное производство.
• ​Снижение затрат на обслуживание двигателей:​​
• Эффективно защищает изоляцию обмоток двигателя, снижая частоту отказов изоляции.
• Подавляет токи подшипников, снижая повреждения от электрической эрозии и частоту замены подшипников.
• Продлевает общий срок службы двигателей, откладывая крупные ремонты или циклы замены.
• ​Улучшение надежности системы и производственной эффективности:​​
• Снижает количество отказов VFD или двигателей, вызванных всплесками напряжения, повышая общую операционную надежность (OEE - Overall Equipment Effectiveness) линии прокатного стана.
• Снижает потери производства, риск брака и задержки заказов, вызванные непредвиденными простоем.
• ​Снижение затрат на обслуживание:​​ Минимизирует трудозатраты и потребление запасных частей, связанных с повреждением оборудования.
• ​Улучшение коэффициента мощности (косвенно):​​ Улучшенная форма сигнала способствует оптимизации коэффициента мощности системы (хотя в основном это обрабатывается входными реакторами или активной компенсацией, улучшение формы сигнала выходного реактора также предоставляет некоторую пользу).