Giải pháp Máy biến áp Nanocrystalline cho 550kW VFD Đưa ra Xung điện áp 5000 V/μs

17yrs 700++ staff 108000m²+m² US$150,000,000+ China

1. Thách thức: Sóng điện áp phía đầu ra (du/dt > 5000 V/μs) từ biến tần 550kW trong các nhà máy cán thép

Trong quá trình sản xuất cán thép, các động cơ (đặc biệt là động cơ chính cho máy cán) phải chịu sự thay đổi tải tác động mạnh, khởi động và dừng nhanh, và chuyển hướng quay thường xuyên. Những điều kiện hoạt động này đặt ra những thách thức nghiêm trọng cho hệ thống biến tần (Variable Frequency Drive - VFD), đặc biệt là trong các ứng dụng công suất cao (550kW). Một vấn đề cốt lõi là việc tạo ra tỷ lệ tăng điện áp cực kỳ cao (du/dt) ở phía đầu ra của biến tần, thể hiện qua:

Tỷ lệ tăng điện áp cực kỳ cao (du/dt): Giá trị sóng vượt quá 5000 V/μs. Điều này thường xảy ra do:

Tốc độ chuyển mạch rất cao của thiết bị IGBT bên trong biến tần.
Các hiệu ứng điện dung và cảm ứng ký sinh của dây dẫn động cơ dài (đặc biệt là khi tương tác với thời gian lên/xuống của xung PWM của biến tần).
Vấn đề không khớp trở kháng giữa đặc tính cách điện của động cơ và xung đầu ra của biến tần.

Hậu quả nghiêm trọng:

Hư hỏng cách điện cuộn dây động cơ: Tỷ lệ tăng điện áp cực kỳ cao có thể làm thủng cách điện cuộn dây động cơ, dẫn đến phóng điện cục bộ, lão hóa cách điện nhanh chóng, và cuối cùng gây hư hỏng hoặc hỏng hóc động cơ.
Dòng điện ổ trục và ăn mòn điện: Tỷ lệ tăng điện áp cao, thông qua các điện dung ký sinh, tạo ra điện áp chế độ chung, dẫn đến dòng điện ổ trục. Điều này gây ra ăn mòn điện, tăng tiếng ồn, nhiệt độ cao, và giảm tuổi thọ ổ trục.
Áp lực điện áp quá mức trên mô-đun IGBT: Điện áp sóng phản chiếu và chồng chất có thể khiến IGBT trải qua điện áp tức thì vượt quá giới hạn định mức, tăng nguy cơ hỏng mô-đun ("bùng nổ").
Sự can nhiễu điện từ (EMI): Các sóng điện áp tần số cao tạo ra can nhiễu truyền dẫn và phát xạ mạnh, ảnh hưởng đến các thiết bị điện tử gần đó.
Giảm độ tin cậy của hệ thống: Tỷ lệ hỏng hóc tổng thể của hệ thống tăng đáng kể, dẫn đến thời gian ngừng hoạt động không kế hoạch và ảnh hưởng đến hiệu suất và tính liên tục của quá trình cán.

2. Giải pháp: Bộ lọc phản ứng ba pha loại FKE (lõi nano-crystalline)

Để giải quyết vấn đề sóng điện áp cao nêu trên, chúng tôi khuyến nghị lắp đặt bộ lọc phản ứng ba pha loại FKE ở phía đầu ra của biến tần 550kW. Giải pháp này được thiết kế đặc biệt để ức chế tỷ lệ tăng điện áp cao (du/dt) và can nhiễu tần số cao.

Thiết bị chính: Bộ lọc phản ứng ba pha loại FKE
Tính năng chính:

Chất liệu lõi: Hợp kim nano-crystalline hiệu suất cao

Có độ thẩm thấu từ cực kỳ cao và tổn thất lõi siêu thấp (đặc biệt ở dải tần số kHz đến MHz).
Hiệu quả vượt trội so với vật liệu thép silic hoặc ferrite truyền thống trong việc ức chế sóng điện áp tần số cao và dòng điện gợn tạo ra ở tần số chuyển mạch cao (tần số chuyển mạch điển hình của IGBT ở dải kHz).
Độ bão hòa từ cao và khả năng chịu tải quá mức tạm thời mạnh mẽ.

Công nghệ chính 1: Lớp phủ ức chế dòng điện xoáy tần số cao

Áp dụng lớp phủ dẫn điện đặc biệt trên lõi nano-crystalline hoặc bề mặt cuộn dây.
Hiệu quả tiêu tán tổn thất dòng điện xoáy tần số cực cao (tần số lên đến mức MHz) do tỷ lệ tăng điện áp cực kỳ cao.
Giảm đáng kể sự tăng nhiệt độ lõi ở tần số cao, duy trì hiệu suất từ ổn định, và tăng cường độ tin cậy lâu dài của bộ lọc phản ứng dưới điều kiện du/dt cao.

Công nghệ chính 2: Cuộn dây phân đoạn nhiều lớp giảm điện dung phân bố

Sử dụng thiết kế cấu trúc cuộn dây phân đoạn nhiều lớp đặc biệt.
Chia điện dung phân bố tương đương (Cdw) của cuộn dây tập trung truyền thống thành nhiều đơn vị điện dung nhỏ nối tiếp.
Giá trị điện dung phân bố tổng thể được giảm đáng kể.
Giá trị cốt lõi:

Tăng tần số cộng hưởng tự nhiên của bộ lọc phản ứng vượt xa tần số chuyển mạch và tần số hài của biến tần, đảm bảo nó duy trì đặc tính cảm thuần trong dải tần số mục tiêu.
Hiệu quả làm yếu cường độ của mạch dao động được tạo bởi xung PWM tần số cao của biến tần và điện dung ký sinh của dây dẫn động cơ, cơ bản ức chế biên độ và năng lượng của sóng điện áp (ringing).
Giảm dòng điện dao động tần số cao đi qua bộ lọc phản ứng.

Chức năng chính:

Hiệu quả làm mịn dạng sóng điện áp, giảm đáng kể tỷ lệ tăng điện áp phía đầu ra (du/dt), đưa sóng xuống mức an toàn.
Lọc các dòng điện hài tần số cao, giảm tổn thất và tăng nhiệt độ của động cơ.
Ức chế sóng phản chiếu (Wave Reflection).
Giảm tỷ lệ méo dạng sóng điện áp ở cuối đường dây.
Giảm nguy cơ điện áp chế độ chung và dòng điện ổ trục.
Giảm can nhiễu điện từ (EMI) truyền dẫn và phát xạ.

3. Dữ liệu hiệu suất (áp dụng trong kịch bản biến tần 550kW cho nhà máy cán thép)

Ức chế sóng điện áp: Tỷ lệ tăng điện áp phía đầu ra được giảm đáng kể, với giá trị đỉnh giảm từ >5000 V/μs xuống mức an toàn (ví dụ, <1000 V/μs hoặc thấp hơn, giá trị cụ thể cần xác nhận bằng đo thực tế), đáp ứng yêu cầu bảo vệ cách điện động cơ.
Năng lực hạn chế dòng điện: Hiệu quả hạn chế dòng điện ban đầu trong quá trình khởi động động cơ hoặc thay đổi tải đột ngột, bảo vệ biến tần và kết nối. Năng lực hạn chế dòng điện có thể đạt 30% dòng điện định mức của biến tần.
Giảm tỷ lệ méo dạng sóng điện áp: Hiệu quả lọc các dòng điện hài tần số cao. Tỷ lệ méo dạng sóng điện áp (THDv) tại đầu ra biến tần được giảm tới 42%, cải thiện đáng kể chất lượng nguồn điện.
Hiệu ứng bảo vệ: Giảm đáng kể sóng hồi phục ngược và áp lực điện áp quá mức mà mô-đun IGBT phải chịu.

4. Lợi ích kinh tế

Mở rộng đáng kể tuổi thọ của các thành phần quan trọng: Lợi ích kinh tế trực tiếp và đáng kể nhất được thấy trong:

Mở rộng tuổi thọ mô-đun IGBT: Hiệu quả giảm áp lực điện (sóng điện áp, dòng điện quá mức) mà chúng phải chịu. Dữ liệu đo lường cho thấy tuổi thọ trung bình của mô-đun IGBT có thể được kéo dài gấp 2.3 lần. Là thiết bị lái chính của một dây chuyền cán, việc kéo dài tuổi thọ của các thành phần điện chính của biến tần có nghĩa là:

Giảm số lượng và chi phí tồn kho của các mô-đun IGBT dự phòng đắt tiền.
Giảm đáng kể tần suất và thời gian ngừng hoạt động không kế hoạch do hỏng hóc mô-đun điện, đảm bảo sản xuất liên tục.

Giảm chi phí bảo dưỡng động cơ:

Hiệu quả bảo vệ cách điện cuộn dây động cơ, giảm tỷ lệ hỏng cách điện động cơ.
Ức chế dòng điện ổ trục, giảm hỏng hóc do ăn mòn điện và tần suất thay thế ổ trục.
Mở rộng tuổi thọ tổng thể của động cơ, trì hoãn chu kỳ đại tu hoặc thay thế.

Cải thiện độ tin cậy và hiệu suất sản xuất của hệ thống:

Giảm số lượng hỏng hóc của biến tần hoặc động cơ do sóng điện áp, nâng cao độ tin cậy vận hành tổng thể (OEE - Overall Equipment Effectiveness) của dây chuyền cán.
Giảm tổn thất sản xuất, rủi ro phế phẩm, và chậm trễ đơn hàng do thời gian ngừng hoạt động không mong đợi.

Giảm chi phí bảo dưỡng: Giảm thời gian lao động bảo dưỡng và tiêu thụ phụ tùng do hỏng hóc thiết bị.
Cải thiện hệ số công suất (gián tiếp): Cải thiện dạng sóng góp phần tối ưu hóa hệ số công suất của hệ thống (mặc dù chủ yếu được xử lý bởi bộ lọc phản ứng đầu vào hoặc bù công suất chủ động, cải thiện dạng sóng của bộ lọc phản ứng đầu ra cũng mang lại một số lợi ích).