TTM-1000: Rosyjski moduł mocy dla okrętowych przemienników częstotliwości

Wysoce inteligentny moduł mocy TTM-1000: Architektura i zastosowanie w okrętowych przetwornicach częstotliwości

Współczesne okrętowe systemy napędu elektrycznego (OSNE) znacznie przewyższają tradycyjne układy napędowe dzięki swojej efektywności i elastyczności. Kluczowym elementem takich systemów są przetwornice częstotliwości (PC), które z kolei bazują na inteligentnych modułach mocy (IMM). W niniejszym artykule szczegółowo omówiono architekturę i funkcjonalność rosyjskiego wysoce inteligentnego modułu mocy (WIMM) TTM-1000, opracowanego przez koncern „Ruselprom”, oraz jego zastosowanie w przetwornicach częstotliwości o mocy 1,67 MVA dla OSNE. Moduł ten jest pozycjonowany jako odpowiednik zagranicznych rozwiązań, takich jak SKS 140 firmy Semikron Danfoss, co podkreśla jego znaczenie w kontekście suwerenności technologicznej i rozwoju energoelektroniki.

Szczegółowa struktura przetwornicy częstotliwości opartej na TTM-1000

Przetwornica częstotliwości o mocy 1,67 MVA, wykorzystująca TTM-1000 jako główny element, stanowi złożony system przeznaczony do efektywnego zarządzania napędem elektrycznym statków. Jej konstrukcja obejmuje kilka kluczowych komponentów, zapewniających stabilną i bezpieczną pracę. Główne urządzenia PC: filtr wejściowy (FW), dwa moduły TTM-1000 (jeden działa jako aktywny prostownik napięcia (APN), drugi — jako autonomiczny inwerter napięcia (AIN)), blok rezystora hamującego (BRH), blok sterowania PC (BSPC), a także różne czujniki napięcia i prądu do monitorowania okrętowej sieci elektrycznej i parametrów wewnętrznych.

Wyposażenie pomocnicze obejmuje zasilacze, systemy chłodzenia i ogrzewania antykondensacyjnego, a także urządzenia zabezpieczające i rozłączające, które zapewniają niezawodność całego systemu. FW ma strukturę LCL, składającą się z dwóch trójfazowych dławików i trzech kondensatorów. Jeden z dławików jest niezbędny do pracy APN, a drugi, wspólnie z kondensatorami, tworzy filtr dolnoprzepustowy, minimalizujący wpływ PC na sieć okrętową.

Architektura i komponenty modułu TTM-1000

Moduł TTM-1000 został zaprojektowany jako ujednolicona przetwornica tranzystorowa dla różnych typów PC. Bazuje on na trójfazowej przetwornicy napięcia w układzie mostkowym, gdzie każda faza składa się z czterech równolegle połączonych modułów tranzystorowych, sterowanych wspólnym sterownikiem. W skład TTM-1000 wchodzą:

• Moduły tranzystorowe (MT1–MT12): są to moduły IGBT z dwoma tranzystorami IGBT tworzącymi półmostek, dwoma diodami przeciwsobnymi i termistorem PTC.
• Bateria kondensatorów (BK): składa się z 18 kondensatorów foliowych z dielektrykiem polipropylenowym, zapewniających niskie straty, małą indukcyjność, wysokie dopuszczalne prądy i samoregenerację w przypadku przebicia.
• Szybkie bezpieczniki (SB1–SB5): przeznaczone do ochrony modułów IGBT przed zwarciami.
• Sterowniki tranzystorów (ST1–ST3): sterują, kontrolują i chronią moduły IGBT, zapewniając ich równoległą pracę i równomierne rozłożenie prądów.
• Czujniki (CN, CT1–CT3): mierzą napięcie w obwodzie prądu stałego i prądy fazowe na podstawie efektu Halla.
• Wentylatory (W1, W2): zapewniają nawiew na baterię kondensatorów w celu wydłużenia jej żywotności.

Konstrukcyjnie TTM-1000 jest wykonany w metalowej ramie i wyposażony w trzy chłodnice cieczowe, na każdej z których zamontowane są cztery moduły IGBT i sterownik. Wyprowadzenia modułów IGBT każdej fazy są podłączone do płytki DR-4T w celu sterowania i monitorowania temperatury, a wyprowadzenia mocy są połączone z baterią kondensatorów i poprzez specjalne szyny z bezpiecznikami i czujnikami prądu.

Funkcjonalność sterowników i systemów zabezpieczeń

Sterowniki (ST) odgrywają krytycznie ważną rolę w zapewnieniu niezawodności i efektywności TTM-1000. Każdy sterownik fazy generuje impulsy sterujące dla czterech tranzystorów IGBT, zapewniając ich synchroniczną pracę i równomierne rozłożenie prądów. Sterowniki odpowiadają również za ochronę tranzystorów przed sytuacjami awaryjnymi i przekazywanie danych o temperaturze modułów IGBT do bloku sterowania PC. Każdy sterownik składa się z dwóch płytek: głównej płytki DR-4T i płytki-mezzanine DR-M.

Płytka DR-4T zawiera pasywne komponenty elektroniczne niezbędne do sterowania i kontroli tranzystorów IGBT, w tym rezystory bramkowe i rezystory do kontroli napięcia kolektor-emiter. Płytka DR-M, bazująca na rdzeniu sterownika firmy Power Integration, realizuje kompleks funkcji ochronnych i serwisowych:

• Normalizacja i konwersja poziomu wejściowych sygnałów sterujących.
• Filtrowanie krótkich sygnałów sterujących.
• Ochrona przed jednoczesnym włączeniem górnego i dolnego tranzystora IGBT półmostka.
• Generowanie czasu martwego między wyłączeniem a włączeniem tranzystorów.
• Ochrona tranzystorów IGBT przed zwarciem (KZ) poprzez wyjście z trybu nasycenia.
• Ochrona przed przepięciami impulsowymi i odwrotną polaryzacją napięcia zasilania.
• Ochrona przed obniżeniem napięcia zasilania.

Funkcje te zapewniają wysoki stopień niezawodności i trwałości modułów IGBT, minimalizując ryzyko awarii w ekstremalnych warunkach eksploatacji. Czujniki Halla (LEM lub podobne) są wykorzystywane do precyzyjnego pomiaru napięcia i prądu, co stanowi podstawę działania systemów zabezpieczeń i sterowania.

Specyfikacje techniczne i systemy pomocnicze

Moduł TTM-1000 charakteryzuje się następującymi kluczowymi parametrami technicznymi:

• Nominalne liniowe napięcie wyjściowe: 690 V
• Nominalny prąd fazowy: 1400 A
• Maksymalna częstotliwość napięcia wyjściowego: 100 Hz
• Maksymalne napięcie w obwodzie prądu stałego: 1300 V
• Moc nominalna: 1670 kVA
• Maksymalna częstotliwość PWM: 5 kHz
• Wejściowe przesunięcie fazowe (cos φ): od -1 do 1
• Chłodzenie modułów IGBT: cieczowe
• Chłodzenie baterii kondensatorów: wymuszone powietrzem
• Temperatura pracy: od -10 do +45 ºC
• Wymiary gabarytowe (szer.×wys.×gł.): nie więcej niż 250×1450×600 mm
• Masa: nie więcej niż 180 kg

Blok rezystora hamującego (BRH) składa się z potężnego rezystora hamującego i tranzystora, który przełącza go w trybie przekaźnikowym lub impulsowym w celu rozproszenia nadmiaru energii. Blok sterowania PC (BSPC) ma konstrukcję modułową i zawiera trzy mikroprocesorowe systemy sterowania (MSS): kontroler APN (KAP), kontroler AIN (KAIN) i kontroler wejścia/wyjścia sygnałów (KWS). W jego skład wchodzą moduły zasilania, mikrokontrolera, wyjść PWM, czujników napięcia i prądu, interfejsów cyfrowych, wejść/wyjść dyskretnych i czujników temperatury.

Płytka czujników napięcia i prądu (PCNP) odbiera sygnały z czujników Halla i czujników temperatury, a także realizuje sprzętowe zabezpieczenie PC przed przepięciem, przetężeniem i przegrzaniem, niezależnie od oprogramowania. Płytka interfejsu ze sterownikami i wentylatorami (PISW) zapewnia transmisję optycznych sygnałów sterujących tranzystorami IGBT oraz elektrycznych sygnałów błędów sterowników do BSPC.

Co ważne:

• TTM-1000 to rosyjski wysoce inteligentny moduł mocy, opracowany dla okrętowych przetwornic częstotliwości, będący odpowiednikiem rozwiązań zagranicznych.
• Moduł integruje tranzystory IGBT, sterowniki, baterię kondensatorów i systemy zabezpieczeń w jednej obudowie, zapewniając wysoką gęstość mocy i niezawodność.
• System sterowników ST realizuje kompleks sprzętowych zabezpieczeń, w tym zapobieganie KZ, ochronę przed przepięciami i kontrolę czasu przełączania tranzystorów.
• PC na bazie TTM-1000 wykorzystuje chłodzenie kombinowane (cieczowe dla IGBT, powietrzne dla kondensatorów) i modułową architekturę dla łatwości konserwacji i rozbudowy.
• Zastosowanie TTM-1000 w okrętowych systemach napędu elektrycznego stanowi znaczący krok w rozwoju krajowej energoelektroniki dla krytycznych zastosowań transportowych.

— Editorial Team