TTM-1000: 선박 주파수 변환기용 러시아 전력 모듈

TTM-1000 고지능 전력 모듈: 아키텍처 및 해양 주파수 변환기 적용

현대 해양 전기 추진 시스템(EPS)은 효율성과 유연성 덕분에 기존 추진 복합체보다 훨씬 뛰어난 성능을 발휘합니다. 이러한 시스템의 핵심 구성 요소는 주파수 변환기(FC)이며, 이는 다시 지능형 전력 모듈(IPM)에 의존합니다. 이 글에서는 Ruselprom 사가 개발한 러시아 고지능 전력 모듈(HIPM) TTM-1000의 아키텍처와 기능, 그리고 EPS용 1.67 MVA FC 내에서의 적용에 대해 자세히 살펴봅니다. 이 모듈은 Semikron Danfoss의 SKS 140과 같은 해외 솔루션의 대안으로 자리매김하며, 기술 주권과 전력 전자기술 발전에 있어 그 중요성을 강조합니다.

TTM-1000 기반 주파수 변환기의 상세 구조

TTM-1000을 핵심 구성 요소로 활용하는 1.67 MVA 주파수 변환기는 해양 전기 추진을 효율적으로 제어하도록 설계된 복합 시스템입니다. 이 설계에는 안정적이고 안전한 작동을 보장하는 여러 핵심 구성 요소가 포함됩니다. 주요 FC 장치는 다음과 같습니다: 입력 필터(IF), 두 개의 TTM-1000 모듈(하나는 능동 전압 정류기(AVR)로 작동하고 다른 하나는 자율 전압 인버터(AVI)로 작동), 제동 저항 장치(BRU), FC 제어 장치(FCCU), 그리고 선박의 전기 그리드 및 내부 매개변수를 모니터링하기 위한 다양한 전압 및 전류 센서.

보조 장비로는 전원 공급 장치, 냉각 및 결로 방지 가열 시스템, 그리고 전체 시스템의 신뢰성을 보장하는 보호 및 스위칭 장치가 포함됩니다. IF는 두 개의 3상 인덕터와 세 개의 커패시터로 구성된 LCL 구조를 특징으로 합니다. 하나의 인덕터는 AVR 작동에 필수적이며, 다른 인덕터는 커패시터와 함께 저주파 필터를 형성하여 선박 그리드에 대한 FC의 영향을 최소화합니다.

TTM-1000 모듈 아키텍처 및 구성 요소

TTM-1000 모듈은 다양한 유형의 FC를 위한 표준화된 트랜지스터 변환기로 설계되었습니다. 이는 3상 브리지 전압 변환기를 기반으로 하며, 각 상은 공통 드라이버에 의해 제어되는 4개의 병렬 연결된 트랜지스터 모듈로 구성됩니다. TTM-1000은 다음으로 구성됩니다:

트랜지스터 모듈(TM1–TM12): 하프 브리지를 형성하는 두 개의 IGBT 트랜지스터, 두 개의 역병렬 다이오드, 그리고 PTC 서미스터를 특징으로 하는 IGBT 모듈입니다.
커패시터 뱅크(CB): 폴리프로필렌 유전체를 가진 18개의 필름 커패시터로 구성되어 낮은 손실, 낮은 인덕턴스, 높은 허용 전류, 그리고 고장 시 자가 복구 특성을 보장합니다.
고속 퓨즈(F1–F5): 단락으로부터 IGBT 모듈을 보호하도록 설계되었습니다.
트랜지스터 드라이버(TD1–TD3): IGBT 모듈을 제어, 모니터링 및 보호하여 병렬 작동과 균일한 전류 분배를 보장합니다.
센서(VS, CS1–CS3): 홀 효과를 기반으로 DC 링크 전압 및 상 전류를 측정합니다.
팬(F1, F2): 커패시터 뱅크의 수명을 연장하기 위해 공기 흐름을 제공합니다.

구조적으로 TTM-1000은 금속 프레임에 수용되어 있으며, 각각 4개의 IGBT 모듈과 드라이버가 장착된 3개의 액체 냉각 히트싱크를 갖추고 있습니다. 각 상의 IGBT 모듈 단자는 제어 및 온도 모니터링을 위해 DR-4T 보드에 연결되며, 전원 단자는 커패시터 뱅크와 특수 버스바를 통해 퓨즈 및 전류 센서에 연결됩니다.

드라이버 기능 및 보호 시스템

드라이버(TD)는 TTM-1000의 신뢰성과 효율성을 보장하는 데 매우 중요한 역할을 합니다. 각 상 드라이버는 4개의 IGBT 트랜지스터에 대한 제어 펄스를 생성하여 동기식 작동과 균일한 전류 분배를 보장합니다. 드라이버는 또한 고장 조건으로부터 트랜지스터를 보호하고 IGBT 모듈 온도 데이터를 FC 제어 장치로 전송하는 역할을 합니다. 각 드라이버는 두 개의 보드로 구성됩니다: 메인 DR-4T 보드와 DR-M 메자닌 보드.

DR-4T 보드에는 게이트 저항 및 컬렉터-이미터 전압 감지 저항을 포함하여 IGBT 트랜지스터 제어 및 모니터링에 필요한 수동 전자 부품이 포함되어 있습니다. Power Integration의 드라이버 코어를 기반으로 하는 DR-M 보드는 포괄적인 보호 및 서비스 기능을 구현합니다:

입력 제어 신호의 정규화 및 레벨 변환.
짧은 제어 신호 필터링.
상단 및 하단 하프 브리지 IGBT 트랜지스터 동시 턴온 방지(슈트스루 방지).
트랜지스터 턴오프 및 턴온 사이의 '데드 타임' 생성.
탈포화 감지를 통한 단락(SC)으로부터 IGBT 트랜지스터 보호.
과도 과전압 및 역전원 공급 극성으로부터 보호.
전원 공급 장치의 저전압 보호.

이러한 기능은 IGBT 모듈의 높은 신뢰성과 수명을 보장하며, 극한 작동 조건에서 고장 위험을 최소화합니다. 홀 효과 센서(LEM 또는 유사 센서)는 정밀한 전압 및 전류 측정을 위해 사용되며, 보호 및 제어 시스템의 기초를 형성합니다.

기술 사양 및 보조 시스템

TTM-1000 모듈은 다음과 같은 주요 기술 사양을 자랑합니다:

정격 라인 출력 전압: 690 V
정격 상 전류: 1400 A
최대 출력 전압 주파수: 100 Hz
최대 DC 링크 전압: 1300 V
정격 전력: 1670 kVA
최대 PWM 주파수: 5 kHz
입력 역률(cos φ): -1 ~ 1
IGBT 모듈 냉각: 액체
커패시터 뱅크 냉각: 강제 공기
작동 온도: -10 ~ +45 ºC
크기(W×H×D): 250×1450×600 mm 이하
무게: 180 kg 이하

제동 저항 장치(BRU)는 강력한 제동 저항과 트랜지스터로 구성되어 있으며, 릴레이 또는 펄스 폭 변조(PWM) 모드로 전환하여 과도한 에너지를 소산시킵니다. FC 제어 장치(FCCU)는 블록 모듈식 설계를 특징으로 하며, 세 개의 마이크로컨트롤러 기반 제어 시스템(MCCS)을 포함합니다: AVR 컨트롤러(AVRC), AVI 컨트롤러(AVIC), 그리고 I/O 신호 컨트롤러(IOSC). 이는 전원 공급 장치, 마이크로컨트롤러, PWM 출력, 전압 및 전류 센서, 디지털 인터페이스, 이산 입력/출력, 그리고 온도 센서용 모듈로 구성됩니다.

전압 및 전류 센서 보드(VCSB)는 홀 효과 센서 및 온도 센서로부터 신호를 수신하며, 소프트웨어와 독립적으로 과전압, 과전류 및 과열로부터 FC를 보호하는 하드웨어 보호 기능도 구현합니다. 드라이버 및 팬 인터페이스 보드(DFIB)는 IGBT 트랜지스터로의 광학 제어 신호 전송과 드라이버에서 FCCU로의 전기적 오류 신호 전송을 보장합니다.

핵심 요약:

TTM-1000은 해양 주파수 변환기를 위해 개발된 러시아 고지능 전력 모듈로, 해외 솔루션의 대안 역할을 합니다.
이 모듈은 IGBT 트랜지스터, 드라이버, 커패시터 뱅크 및 보호 시스템을 단일 인클로저에 통합하여 높은 전력 밀도와 신뢰성을 보장합니다.
TD 드라이버 시스템은 단락 방지, 과전압 보호, 트랜지스터 스위칭 시간 제어를 포함한 포괄적인 하드웨어 보호 기능을 구현합니다.
TTM-1000 기반 FC는 복합 냉각(IGBT용 액체, 커패시터용 강제 공기)과 블록 모듈식 아키텍처를 사용하여 유지 보수 및 확장이 용이합니다.
해양 전기 추진 시스템에 TTM-1000을 적용하는 것은 중요한 운송 애플리케이션을 위한 국내 전력 전자기술 발전의 중요한 진전을 나타냅니다.

— Editorial Team