TTM-1000 : module de puissance russe pour convertisseurs de fréquence embarqués

Le module de puissance intelligent avancé TTM-1000 : Architecture et application dans les convertisseurs de fréquence marins

Les systèmes de propulsion électrique marine (SPE) modernes surpassent considérablement les complexes de propulsion traditionnels grâce à leur efficacité et leur flexibilité. Les convertisseurs de fréquence (CF) sont des composants clés de ces systèmes, et ils reposent à leur tour sur des modules de puissance intelligents (MPI). Cet article examine en détail l'architecture et la fonctionnalité du module de puissance intelligent avancé (MPIA) russe TTM-1000, développé par le consortium Ruselprom, ainsi que son application au sein d'un CF de 1,67 MVA pour les SPE. Ce module est présenté comme un équivalent aux solutions étrangères, telles que le SKS 140 de Semikron Danfoss, soulignant son importance dans le contexte de la souveraineté technologique et de l'avancement de l'électronique de puissance.

Structure détaillée du convertisseur de fréquence basé sur le TTM-1000

Le convertisseur de fréquence de 1,67 MVA, utilisant le TTM-1000 comme composant central, est un système complexe conçu pour le contrôle efficace de la propulsion électrique marine. Sa conception intègre plusieurs composants clés qui garantissent un fonctionnement stable et sûr. Les principaux dispositifs du CF comprennent : un filtre d'entrée (FE), deux modules TTM-1000 (l'un fonctionnant comme redresseur de tension actif (RTA), le second comme onduleur de tension autonome (OTA)), une unité de résistance de freinage (URF), une unité de commande du CF (UCCF), ainsi que divers capteurs de tension et de courant pour surveiller le réseau électrique du navire et les paramètres internes.

L'équipement auxiliaire comprend des alimentations électriques, des systèmes de refroidissement et de chauffage anti-condensation, ainsi que des dispositifs de protection et de commutation qui assurent la fiabilité globale du système. Le FE présente une structure LCL, comprenant deux inductances triphasées et trois condensateurs. Une inductance est essentielle pour le fonctionnement du RTA, tandis que la seconde, associée aux condensateurs, forme un filtre basse fréquence, minimisant l'impact du CF sur le réseau du navire.

Architecture et composants du module TTM-1000

Le module TTM-1000 est conçu comme un convertisseur à transistors standardisé pour divers types de CF. Il est basé sur un convertisseur de tension en pont triphasé, où chaque phase est constituée de quatre modules à transistors connectés en parallèle, contrôlés par un pilote commun. Le TTM-1000 comprend :

• Modules à Transistors (MT1–MT12) : Ce sont des modules IGBT comportant deux transistors IGBT formant un demi-pont, deux diodes anti-parallèles et une thermistance CTP.
• Batterie de Condensateurs (BC) : Composée de 18 condensateurs à film avec diélectrique en polypropylène, assurant de faibles pertes, une faible inductance, des courants admissibles élevés et des propriétés d'auto-cicatrisation en cas de claquage.
• Fusibles Rapides (F1–F5) : Conçus pour protéger les modules IGBT contre les courts-circuits.
• Pilotes de Transistors (PT1–PT3) : Contrôlent, surveillent et protègent les modules IGBT, assurant leur fonctionnement en parallèle et une répartition uniforme du courant.
• Capteurs (CT, CI1–CI3) : Mesurent la tension du bus continu et les courants de phase basés sur l'effet Hall.
• Ventilateurs (V1, V2) : Fournissent un flux d'air à la batterie de condensateurs pour prolonger sa durée de vie.

Structurellement, le TTM-1000 est logé dans un châssis métallique et équipé de trois dissipateurs thermiques refroidis par liquide, chacun montant quatre modules IGBT et un pilote. Les bornes des modules IGBT pour chaque phase sont connectées à la carte DR-4T pour le contrôle et la surveillance de la température, tandis que les bornes de puissance se connectent à la batterie de condensateurs et, via des barres omnibus spéciales, aux fusibles et aux capteurs de courant.

Fonctionnalité des pilotes et systèmes de protection

Les pilotes (PT) jouent un rôle d'une importance capitale pour assurer la fiabilité et l'efficacité du TTM-1000. Chaque pilote de phase génère des impulsions de commande pour quatre transistors IGBT, assurant leur fonctionnement synchrone et une répartition uniforme du courant. Les pilotes sont également responsables de la protection des transistors contre les conditions de défaut et de la transmission des données de température des modules IGBT à l'unité de commande du CF. Chaque pilote se compose de deux cartes : la carte principale DR-4T et la carte mezzanine DR-M.

La carte DR-4T contient les composants électroniques passifs nécessaires au contrôle et à la surveillance des transistors IGBT, y compris les résistances de grille et les résistances de détection de tension collecteur-émetteur. La carte DR-M, basée sur un cœur de pilote de Power Integration, met en œuvre un ensemble complet de fonctions de protection et de service :

• Normalisation et conversion de niveau des signaux de commande d'entrée.
• Filtrage des signaux de commande courts.
• Protection contre l'activation simultanée des transistors IGBT du demi-pont supérieur et inférieur (protection contre les courts-circuits traversants).
• Génération de 'temps mort' entre l'extinction et l'allumage des transistors.
• Protection des transistors IGBT contre les courts-circuits (CC) par détection de désaturation.
• Protection contre les surtensions transitoires et l'inversion de polarité de l'alimentation.
• Protection contre la sous-tension de l'alimentation.

Ces fonctions garantissent un degré élevé de fiabilité et de longévité pour les modules IGBT, minimisant le risque de défaillance dans des conditions de fonctionnement extrêmes. Des capteurs à effet Hall (LEM ou similaire) sont utilisés pour une mesure précise de la tension et du courant, constituant la base des systèmes de protection et de contrôle.

Spécifications techniques et systèmes auxiliaires

Le module TTM-1000 présente les spécifications techniques clés suivantes :

• Tension de sortie ligne nominale : 690 V
• Courant de phase nominal : 1400 A
• Fréquence maximale de la tension de sortie : 100 Hz
• Tension maximale du bus continu : 1300 V
• Puissance nominale : 1670 kVA
• Fréquence MLI maximale : 5 kHz
• Facteur de puissance d'entrée (cos φ) : de -1 à 1
• Refroidissement des modules IGBT : Liquide
• Refroidissement de la batterie de condensateurs : Air forcé
• Température de fonctionnement : -10 à +45 ºC
• Dimensions (L×H×P) : ne dépassant pas 250×1450×600 mm
• Poids : ne dépassant pas 180 kg

L'Unité de Résistance de Freinage (URF) se compose d'une puissante résistance de freinage et d'un transistor qui la commute en modes relais ou modulation de largeur d'impulsion (MLI) pour dissiper l'énergie excédentaire. L'Unité de Commande du CF (UCCF) présente une conception modulaire par blocs et comprend trois systèmes de commande basés sur microcontrôleur (SCBM) : le contrôleur RTA (CRTA), le contrôleur OTA (COTA) et le contrôleur de signaux E/S (CSEO). Elle comprend des modules pour les alimentations, les microcontrôleurs, les sorties MLI, les capteurs de tension et de courant, les interfaces numériques, les entrées/sorties discrètes et les capteurs de température.

La Carte de Capteurs de Tension et de Courant (CCTC) reçoit les signaux des capteurs à effet Hall et des capteurs de température, et met également en œuvre une protection matérielle du CF contre les surtensions, les surintensités et la surchauffe, indépendamment du logiciel. La Carte d'Interface Pilote et Ventilateur (CIPV) assure la transmission des signaux de commande optiques aux transistors IGBT et des signaux d'erreur électriques des pilotes à l'UCCF.

Points clés à retenir :

• Le TTM-1000 est un module de puissance intelligent avancé russe développé pour les convertisseurs de fréquence marins, servant d'équivalent aux solutions étrangères.
• Le module intègre des transistors IGBT, des pilotes, une batterie de condensateurs et des systèmes de protection dans un seul boîtier, garantissant une densité de puissance et une fiabilité élevées.
• Le système de pilotes PT met en œuvre un ensemble complet de protections matérielles, y compris la prévention des courts-circuits, la protection contre les surtensions et le contrôle des temps de commutation des transistors.
• Le CF basé sur le TTM-1000 utilise un refroidissement combiné (liquide pour les IGBT, air forcé pour les condensateurs) et une architecture modulaire par blocs pour faciliter la maintenance et l'extension.
• L'application du TTM-1000 dans les systèmes de propulsion électrique marine représente une étape significative dans le développement de l'électronique de puissance nationale pour les applications de transport critiques.

— Editorial Team