Последние 20–25 лет развития российского судостроения характеризуются интенсивным увеличением объема работ, связанных с электродвижением судов. Это обстоятельство является не случайным и объясняется, с одной стороны, многочисленными достоинствами судовых систем электродвижения (СЭД) по сравнению с традиционными пропульсивными комплексами на основе тепловых двигателей (дизельных и турбин).
С другой стороны, электродвижение судов обрело популярность из-за существенного развития транзисторной преобразовательной техники, позволившего обеспечить производство мощных преобразовательных устройств, которые необходимы для регулирования частоты вращения гребных электродвигателей (ГЭД) или электродвигателей подруливающих устройств (ПУ), и перейти на СЭД переменного тока. Этот переход дал дополнительное преимущество СЭД, так как появилась возможность объединения СЭД с электроэнергетической системой судна в целом и установки на судах так называемых единых электроэнергетических систем (ЕЭЭС). Особенно перспективна и экономически оправдана установка СЭД на судах, требующих высокой маневренности – например, на ледоколах, буксирах, аварийно-спасательных судах и других судах вспомогательного и технического флотов [1].
В состав современных СЭД входят следующие устройства (рис. 1) [2]:
ГЭД;
полупроводниковый преобразователь частоты (ПЧ) с системой управления (СУ ПЧ);
силовой трансформатор (СТ, может не входить в состав СЭД);
электрощитовое оборудование (ЭО).
В качестве ГЭД и электродвигателей ПУ наиболее широкое применение нашли асинхронные электродвигатели (АД).
В качестве ПЧ широкое применение нашли преобразователи со звеном постоянного тока на основе выпрямителей напряжения (управляемых или неуправляемых) и автономных инверторов напряжения (АИН). Управляемые (активные) выпрямители напряжения (АВН) и АИН реализованы, в основном, на основе IGBT-транзисторов, а неуправляемые выпрямители (НВ) – на основе диодов. АВН являются намного более перспективными, чем НВ, так как могут обеспечить заданный коэффициент мощности, меньше искажают судовую электросеть и позволяют рекуперировать накопленную при движении судна энергию в судовую электросеть при торможении судна (при наличии технической возможности рекуперации) [3].
СУ ПЧ предназначены для регулирования скорости вращения и момента ГЭД – они обеспечивают пуск, стабилизацию скорости вращения и ограничение мощности, торможение и, при необходимости, реверс ГЭД. СУ ПЧ принимают команды с различных постов управления (например, поста местного управления (ПМУ)) по цифровым и аналоговым интерфейсам, обеспечивают сбор и передачу в корабельную систему управления (КСУ) диагностической информации, управляют переходами между различными режимами работы и обеспечивают защиту ПЧ в аварийных ситуациях.
Современные СУ ПЧ построены на основе микроконтроллеров и, как любая микроконтроллерная система управления (МКСУ), состоят из аппаратной и программной частей – аппаратного обеспечения (АО) и программного обеспечения (ПО).
Интеллектуальные силовые модули – основа силовой части современных преобразователей частоты
В области силовой электроники современные тенденции к повышению степени интеграции и функциональности, а также снижению массогабаритных характеристик, когда стремятся объединить на одном кристалле или в одном корпусе максимальное количество электронных компонентов и увеличить количество выполняемых ими функций, привели к разработке интеллектуальных силовых модулей (ИСМ или, в зарубежной литературе, IPM) – интегральных силовых преобразовательных устройств, объединяющих в одном корпусе силовые полупроводниковые приборы (IGBT- или MOSFET-транзисторы и диоды) и устройство управления, контроля и защиты транзисторов (драйвер).
Некоторые ИСМ, с наибольшей интеграцией, имеют в своем составе датчики напряжения, тока и температуры, которые позволяют измерять напряжение в звене постоянного тока, фазные токи и температуру (транзисторов или радиатора), а также устройство контроля и защиты транзисторов от превышения этими величинами максимально допустимых значений.
ИСМ имеют следующие конфигурации (схемы силовой части):
одиночный транзистор;
полумост (стойка);
трехфазный транзисторный мост;
трехфазный транзисторный мост и тормозной транзистор;
трехфазный диодный мост (выпрямитель), трехфазный транзисторный мост (инвертор) и тормозной транзистор.
ИСМ производят многие фирмы, выпускающие силовые электронные компоненты, наиболее известными из которых являются Fuji Electric, Infineon, Mitsubishi, Powerex, Semikron Danfoss и Toshiba. При этом в области ИСМ большой мощности бесспорным лидером является фирма Semikron Danfoss, которая производит модули, имеющие высокие качество и надежность. Из ИСМ, выпускаемых фирмой Semikron Danfoss, можно выделить модули семейства SKiiP (SEMIKRON Integrated Intellectual Power), разработанные еще в начале 1990-х годов. Они объединяют в одном устройстве полумостовой транзисторный преобразователь, драйвер, изолированный источник питания, датчики и радиатор. По уровню функциональности, диапазону мощностей и надежности ИСМ семейства SKiiP не имеют аналогов в мире [6].
Особенно хочется отметить ИСМ SKiiP четвертого поколения – SKiiP 4, выпуск которых стал результатом многолетних исследований и испытаний специалистов фирмы Semikron Danfoss, появления новых поколений кристаллов и технологий, которые можно справедливо назвать самыми совершенными ИСМ большой мощности в мире. В результате модернизации конструкции, внедрения ряда новых технологий, а также использования кристаллов 4-го поколения диапазон номинальных токов модулей SKiiP 4, имеющих рабочее напряжение 1200 и 1700 В, расширен до 3600 А. Это позволяет разрабатывать на основе этих модулей более мощные и компактные транзисторные преобразователи без какого-либо снижения показателей надежности [11]. Для создания трехфазного транзисторного преобразователя требуется три ИСМ SKiiP 4 – на каждую фазу свой модуль.
ИСМ имеют следующие преимущества по сравнению с обычными транзисторными преобразователями (собранными на дискретных электронных компонентах):
повышение надёжности за счет встроенных драйверов, которые надежно защищают транзисторы в аварийных ситуациях;
снижение массогабаритных характеристик за счёт максимально плотной компоновки электронных компонентов и конструктивных элементов;
снижение уровня коммутационных перенапряжений за счет минимальных длин силовых проводников, которые позволяют получить низкие значения распределенных инду��тивностей;
повышение помехоустойчивости за счет минимальных длин силовых и информационных проводников;
повышение ремонтопригодности, так как конструкция модуля в виде заменяемой единицы позволяет в случае отказа производить его замену без длительного вывода из эксплуатации ПЧ.
Основным недостатком ИСМ по сравнению с обычными транзисторными преобразователями является их стоимость, которая превышает суммарную стоимость дискретных электронных компонентов, выполняющих ту же задачу [4]. Однако, здесь нужно понимать, что разработка транзисторного преобразователя, который по качеству и надежности будет сопоставим с ИСМ, требует работы группы высококвалифицированных специалистов в течение достаточно длительного времени, что приведет к тому, что стоимость такой разработки намного превысит стоимость ИСМ.
ИСМ различаются по степени интеллектуальности – от самого простого уровня, когда они имеют только драйвер с защитами от КЗ и понижения напряжения питания, до самого высокого на сегодняшний день уровня, когда ИСМ имеют драйвер, датчики напряжения, тока и температуры и полный набор защитных и сервисных функций [5, 6]. Такие ИСМ, которые позволяют измерять напряжение в звене постоянного тока, фазные токи и температуру транзисторов и полностью защищают транзисторный преобразователь от всех аварийных ситуаций в его АО (силовой и управляющей частях) и ошибок в ПО, благодаря чему вывести его из строя практически невозможно (при исправности всех его составных частей), можно назвать высокоинтеллектуальными силовыми модулями (ВСМ). На английский язык этот термин можно перевести как Highly Intelligent Power Modules (HIPM).
ИСМ с датчиками напряжения, тока и температуры, имеющие полный набор защитных и сервисных функций, очень хорошо зарекомендовали себя при создании современных ПЧ как для промышленности в целом, так и для СЭД в частности, поэтому в дальнейшем будем рассматривать именно эти модули и использовать термин ВСМ.
ВСМ позволяют значительно упростить и ускорить разработку ПЧ. Например, при использовании ВСМ для разработки силовой секции ПЧ инженеру-конструктору нужно только разместить ВСМ в шкафу, обеспечить его охлаждение, подключение к нему силовых шин и информационных проводников, разместить в шкафу источники питания и другое вспомогательное оборудование. Конечно, это сильно упрощенное описание процесса разработки ПЧ, но несомненным является то, что наиболее трудоемкая и квалифицированная конструкторская работа уже выполнена при разработке ВСМ.
Также ВСМ позволяют упростить и ускорить сборку и пусконаладочные работы ПЧ. Например, при использовании ВСМ рабочим-сборщикам РЭА не нужно выполнять такую технологическую операцию, требующую высокой квалификации, как нанесение теплопроводящей пасты на транзисторы и их установка на радиаторе; а инженерам-пусконаладчикам не нужно снимать осциллограммы в цепях управления и силовых цепях каждого транзистора для проверки работоспособности транзисторного преобразователя – все эти работы уже выполнены при изготовлении и проверке ВСМ.
Можно с уверенностью предположить, что в будущем функциональность ВСМ будет повышаться, их драйверы будут построены на основе микроконтроллеров, программируемых логических микросхем (ПЛИС или, в зарубежной литературе, FPGA и CPLD) или специализированных микросхем (СИС или, в зарубежной литературе, ASIC) с возможностью обмена информацией c СУ ПЧ по интерфейсам CAN, Ethernet или UART с волоконно-оптической линией связи (имеющей самую высокую помехозащищенность). Благодаря этому появятся две новые и важные функции – настройка защитных параметров драйверов и полная диагностика транзисторов, последняя из которых особенно важна при параллельном включении нескольких транзисторов. Они позволят СУ ПЧ изменять длительность коротких импульсов, которые игнорируются драйвером, длительность «мертвого» времени, уставки защит транзисторов по току, напряжению и температуре; проверять работоспособность каждого транзистора, определять причину неисправности при возникновении аварийных ситуаций и какой именно транзистор вышел из строя. При параллельном включении нескольких транзисторов микропроцессорные драйверы позволят измерять ток и температуру каждого транзистора и контролировать токораспределение и распределение температуры между параллельно работающими транзисторами, тем самым обеспечивая их надежную защиту от перегрузки по току и перегрева [10].
Такие силовые модули будут иметь максимальный уровень интеллектуальности и поэтому их можно назвать суперинтеллектуальными силовыми модулями (ССМ). На английский язык этот термин можно перевести как Super Intelligent Power Modules (SIPM) – он был предложен в работах [7, 8].
Применение ВСМ в преобразователях частоты для СЭД
В настоящее время, в условиях минимальных сроков на поставку электрооборудования для судов, любому предприятию, которое занимается разработкой и изготовлением ПЧ для СЭД, хочется иметь максимально функционально законченный, проверенный и надежный транзисторный преобразователь в виде блока (модуля) и универсальную СУ ПЧ тоже в виде блока, которые подойдут для большинства или даже для всех проектов, и заниматься только разработкой алгоритмов управления и ПО. Причем современные ВСМ, имеющие полный набор защитных функций, позволяют инженерам-алгоритмистам и инженерам-программистам спокойно тестировать алгоритмы управления и ПО, так как никакие их алгоритмические и программные ошибки не выведут из строя ПЧ.
Именно поэтому в ПЧ, разработанных инженерами концерна «Русэлпром» для СЭД, применялись ВСМ фирмы Semikron Danfoss, лучше всего зарекомендовавшие себя в промышленности. Примером такого подхода при создании ПЧ для СЭД являются транзисторные преобразователи мощностью от 2,5 МВт до 3,2 МВт, которые успешно эксплуатируются на морских буксирах и дизель-электрическом ледоколе.
В 2022 году, в результате санкционных ограничений, покупка ВСМ западного производства стала невозможной. Поэтому перед инженерами концерна «Русэлпром» были поставлены две, без преувеличения амбициозные задачи, решение которых требовало высокой квалификации и большого упорства:
разработать собственный ВСМ, который бы полностью заменил ВСМ фирмы Semikron Danfoss;
осуществить параллельную работу трех ВСМ, что позволит значительно увеличить мощность ПЧ.
Первая задача уже успешно решена, а вторая задача находится на стадии изготовления опытного образца.
Далее приводится краткое техническое описание ПЧ мощностью 1,67 МВА с АВН на основе собственного ВСМ, ставшего базовым ПЧ для СЭД концерна «Русэлпром», который используется на судах в качестве ПЧ ГЭД или ПЧ ПУ.
ПЧ с АВН являются наиболее перспективными, поэтому рассмотрим именно этот вариант ПЧ. Хотя концерн «Русэлпром» также разрабатывает, изготавливает и поставляет на суда ПЧ с НВ.
В первом приближении ПЧ можно представить состоящим из двух основных частей – cиловой и информационной (СУ ПЧ) (рис. 2).
Cиловая часть ПЧ состоит из следующих устройств:
ВФ – входной фильтр;
АВН – активный выпрямитель напряжения;
АИН – автономный инвертор напряжения;
БТР – блок тормозного резистора.
ВФ содержит фазные дроссели, которые требуются для работы АИН, а также уменьшает влияние ПЧ на качество электроэнергии судовой электросети за счет уменьшения гармонических искажений фазных токов и напряжений.
АВН выполняет следующие функции и имеет следующие преимущества по сравнению с НВ:
преобразование трехфазного переменного напряжения в постоянное;
регулирование напряжения в звене постоянного тока, что обеспечивает отсутствие влияния процессов, протекающих в судовой сети, на качество работы АД;
регулирование фазового сдвига между фазными напряжениями и токами (cos φ), что позволяет работать при cos φ, равном 1, и тем самым потреблять из судовой сети только активную электроэнергию;
обеспечение возможности рекуперации накопленной при движении судна энергии в судовую электросеть при торможении судна (при наличии технической возможности рекуперации), что повышает энергоэффективность ЕЭЭС;
уменьшение влияния ПЧ на качество электроэнергии судовой электросети за счет уменьшения гармонических искажений фазных токов и напряжений (форма токов приближается к синусоидальной, за счет чего уменьшаются и искажения напряжений).
АИН выполняет следующие функции:
преобразование постоянного напряжения в трехфазное переменное;
регулирование частоты напряжения АД, что позволяет изменять его скорость вращения;
ШИМ-регулирование напряжения АД, что позволяет изменять его электромагнитный момент и приблизить форму его фазных токов к синусоидальной.
БТР предназначен для приема (рассеивания в виде тепла в тормозных резисторах) накопленной при движении судна энергии при торможении судна, если судовая сеть не способна ее принять.
СУ ПЧ состоит из трех МКСУ:
МКСУ АВ, управляющая АВН с помощью специализированного векторного алгоритма, что позволяет обеспечить одновременное регулирование напряжения в звене постоянного тока и cos φ;
МКСУ ИН, управляющая АИН с помощью специализированного векторного алгоритма, что позволяет обеспечить большой диапазон и высокую дина��ику регулирования скорости вращения и момента АД;
МКСУ ВВ (ввода/вывода сигналов), которая координирует работу МКСУ АВ и МКСУ ИН, осуществляет ввод/вывод дискретных сигналов, ввод температурных сигналов, информационное взаимодействие с ПМУ и КСУ, реализовывает цифровые и аналоговые интерфейсы.
Основой силовой части ПЧ (АВН и АИН) является ВСМ, разработанный инженерами концерна «Русэлпром», – трехфазный транзисторный модуль ТТМ-МТКИ15-1000-17-М4-ОМ4 (далее – ТТМ-1000). Технические условия на ТТМ-1000 одобрены Российским морским регистром судоходства [9]. ТТМ-1000 разрабатывался, как российский аналог трехфазного ВСМ фирмы Semikron Danfoss SKS B2 140 GD 69/12U - MA PB (далее – SKS 140), основные технические характеристики которого приведены в табл. 1 [12].
Таблица 1. Основные технические характеристики модуля SKS 140
Наименование параметра | Значение |
Номинальное линейное выходное напряжение, В | 690 |
Номинальный фазный ток, А | 1400 |
Перегрузка по фазному току (в течение 1 мин), А | 1540 |
Максимальная частота выходного напряжения, Гц | 100 |
Максимальное напряжение в звене постоянного тока, В | 1300 |
Номинальная мощность, кВA | 1670 |
Максимальная частота ШИМ, кГц | 5 |
Входной фазовый сдвиг (cos φ) | От -1 до 1 |
Охлаждение IGBT-модулей | Жидкостное |
Охлаждение конденсаторной батареи | Принудительное воздушное |
Материал радиатора | Алюминий |
Встроенные быстродействующие предохранители | Нет |
Рабочая температура, ºС | От -20 до +55 |
Габаритные размеры, Ш×В×Г, мм, не более | 203×1441×531 |
Масса, кг, не более | 106 |
SKS 140 реализован на основе трех однофазных ВСМ SKiiP 4, каждый из который образует полумост трехфазного преобразователя напряжения (на каждую фазу – свой SKiiP 4).
SKS 140 имеет датчики напряжения в звене постоянного тока, фазных токов и температуры транзисторов, а также полный набор защитных и сервисных функций:
нормирование фронтов, преобразование уровня и фильтрация коротких сигналов управления IGBT-транзисторами;
защита от одновременного включения и формирование задержки времени между выключением и включением верхнего и нижнего IGBT-транзисторов полумоста;
защита IGBT-транзисторов от КЗ, перегрузки по току, перенапряжения в звене постоянного тока и перегрева;
защита от импульсных перенапряжений, обратной полярности и понижения напряжения питания.
Проанализировав технические характеристики и конструкцию SKS 140, наши инженеры решили не только повторить, но даже улучшить их – установить предохранители переменного и постоянного тока для дополнительной защиты IGBT-транзисторов от КЗ и заменить материал радиатора – сделать его медным.
В настоящее время модуль ТТМ-1000 стал основой силовой части ПЧ для СЭД концерна «Русэлпром». Например, транзисторные преобразователи мощностью 4,5 МВт и 750 кВт на базе ТТМ-1000, в разработке которых автор принимал активное участие, уже поставлены на океанографическое исследовательское судно в качестве ПЧ ГЭД и ПЧ ПУ соответственно.
На стадии реализации находятся следующие проекты судов:
MPSV06 – аварийно-спасательное судно (ПЧ ЭДРК и ПЧ ПУ, мощность – 3,5 МВт и 1,5 МВт соответственно);
MPSV07 – аварийно-спасательное судно (ПЧ ГЭД и ПЧ ПУ, мощность – 2,4 МВт и 1,03 МВт соответственно);
21900М2 – дизель-электрический ледокол (ПЧ ГЭД и ПЧ ПУ, мощность – 4,5 МВт и 1,1 МВт соответственно);
IBSV02 – аварийно-спасательное судно (ПЧ ПУ, мощность – 1,4 МВт).
Заключение
Во второй части статьи будут более подробно рассмотрены модуль ТТМ-1000 и ПЧ мощностью 1,67 МВА, построенный на его основе, который в настоящее время является базовым ПЧ для СЭД концерна «Русэлпром». Будут приведены их техническое описание и характеристики, рассмотрены особенности, преимущества и недостатки ТТМ-1000 по сравнению с его западным аналогом – модулем SKS 140. Также будут приведены результаты экспериментального исследования работы ПЧ на базе ТТМ-1000.
Список литературы
Вершинин В. И., Махонин С. В., Паршиков В. А., Хомяк В. А. Создание систем электродвижения для судов различного назначения // Труды Крыловского государственного научного центра. 2019. Т. 1, № 387. С. 107–122.
Григорьев А. В., Кулагин Ю. А. Судовые системы электродвижения на базе двигательно-движительных систем кольцевой конструкции // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. 2015. № 4 (32). С. 164–169.
Ефимов А. А., Шрейнер Р. Т. Активные преобразователи в регулируемых электроприводах переменного тока. Новоуральск: Изд-во НГТИ, 2001. 250 с.
Колпаков А. Особенности применения интеллектуальных силовых модулей // Компоненты и технологии. 2002. № 3. С. 34–37.
Колпаков А. SKiiP – интеллектуальные силовые модули IGBT фирмы SEMIKRON // Компоненты и технологии. 2003. № 1. С. 84–90.
Колпаков А. Сила и интеллект (еще раз об интеллектуальности силовых модулей) // Силовая электроника. 2007. № 7. С. 130–134.
Ланцов В., Эраносян С. Интеллектуальная силовая электроника: вчера, сегодня, завтра // Силовая электроника. 2006. № 1. С. 4–7.
Ланцов В., Эраносян С. Интеллектуальная силовая электроника: от настоящего к будущему // Силовая электроника. 2009. № 4. С. 6–12.
РПГМ.435783.004ТУ. Модуль транзисторный трехфазный ТТМ-МТКИ15-1000-17-М4-ОМ4. Технические условия: введ. впервые. 26 с.
Сергеев М. Ю. Современное состояние и перспективы развития преобразователей частоты для судовых систем электродвижения // Российская Арктика. 2025. Т. 7. № 2. С. 23-36.
Херманн Р., Колпаков А. SKiiP 4 – новая серия IPM для применений высокой мощности // Силовая электроника. 2009. № 4. С. 14–18.
SKiiP Stack. SKS B2 140 GD 69/12U - MA PB: Datasheet. 6 p. URL: http://www.danfoss.com.
