Список сокращений:
АВН – активный выпрямитель напряжения;
АД – асинхронный электродвигатель;
АИН – автономный инвертор напряжения;
ВСМ – высокоинтеллектуальный силовой модуль;
ИСМ – интеллектуальный силовой модуль;
КЗ – короткое замыкание;
МК – микроконтроллер;
МКСУ – микроконтроллерная система управления;
ПЛИС – программируемая логическая интегральная схема;
ПО – программное обеспечение;
ПЧ – преобразователь частоты;
СИС – специализированная интегральная схема;
ССМ – суперинтеллектуальный силовой модуль;
СУ – система управления;
СЭД – судовая система электродвижения;
ШИМ – широтно-импульсная модуляция.
Введение
В первой части статьи приводятся основные сведения о судовых системах электродвижения (СЭД), которые обладают многочисленными достоинствами по сравнению с традиционными пропульсивными комплексами на основе тепловых двигателей. В состав современных СЭД входят следующие устройства: гребной электродвигатель (ГЭД), полупроводниковый преобразователь частоты (ПЧ) с системой управления (СУ ПЧ), силовой трансформатор и электрощитовое оборудование. В качестве ГЭД используются в основном асинхронные электродвигатели (АД). В качестве ПЧ широкое применение получили ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока на основе двух полупроводниковых преобразователей: управляемых (активных – АВН) или неуправляемых выпрямителей напряжения и автономных инверторов напряжения (АИН).
Рассматриваются интеллектуальные силовые модули (ИСМ) – интегральные силовые преобразовательные устройства, объединяющие в одном корпусе полупроводниковые приборы (в основном, IGBT-транзисторы и диоды) и драйвер, а также высокоинтеллектуальные силовые модули (ВСМ) и суперинтеллектуальные силовые модули (ССМ).
Отмечается, что как любая микроконтроллерная система управления (МКСУ), СУ ПЧ состоит из аппаратной и программной частей – аппаратного обеспечения и программного обеспечения (ПО). Предполагается, что в будущем драйверы будут построены на базе МК, программируемых логических микросхем (ПЛИС) или специализированных микросхем (СИС).
Приведено краткое описание ПЧ мощностью 1,67 МВА концерна «Русэлпром» на основе собственного ВСМ, разработанного инженерами этого концерна, – трехфазного транзисторного модуля ТТМ-1000. Он является российским аналогом модуля SKS B2 140 GD 69/12U - MA PB (сокращенно – SKS 140) фирмы Semikron Danfoss.
Преобразователь частоты для СЭД на основе модуля ТТМ-1000
Рассмотрим более подробно ПЧ мощностью 1,67 МВА на основе собственного ВСМ, который является базовым ПЧ для СЭД концерна «Русэлпром». Он состоит из следующих устройств (рис. 1):
ВФ – входной фильтр;
ТТМ1, ТТМ2 – модули ТТМ-1000, которые являются АВН и АИН соответственно;
БТР – блок тормозного резистора;
БУПЧ – блок управления ПЧ;
ДНС – датчик трехфазного напряжения судовой электросети;
ДНТ1, ДНТ2 – платы датчиков напряжения и тока (АВН и АИН соответственно);
СДВ1, СДВ2 – платы сопряжения с драйверами и вентиляторами (АВН и АИН соответственно);
ВСМ1, ВСМ2 – высокоинтеллектуальные силовые модули (АВН и АИН соответственно).
Кроме перечисленных выше основных устройств, в состав ПЧ входит следующее вспомогательное оборудование: источники питания, системы охлаждения и антиконденсатного подогрева ПЧ, сигнальные, коммутационные и защитные устройства и т. д., которые не показаны на структурной схеме.
Рассмотрим основные устройства, входящие в состав ПЧ.
ВФ имеет LCL-структуру и состоит из двух трехфазных дросселей и трех конденсаторов, которые расположены между этими дросселями и подключены по схеме «треугольник». Один из дросселей (который ближе к АВН) требуется для работы АВН, а второй дроссель (который ближе ко входу ПЧ) вместе с конденсаторами образует фильтр низких частот, который уменьшает влияние ПЧ на судовую сеть.
Модуль ТТМ-1000 предназначен для использования в ПЧ различного назначения в качестве унифицированного транзисторного преобразователя. ТТМ-1000 построен на основе трехфазного мостового преобразователя напряжения, каждая фаза которого состоит из параллельно включенных четырех транзисторных модулей, которые управляются общим драйвером.
ТТМ-1000 состоит из следующих устройств (рис. 2):
ТМ1–ТМ12 – транзисторные модули (ТМ1–ТМ4 – фаза A, ТМ5–ТМ8 – фаза B, ТМ9–ТМ12 – фаза C);
КБ – конденсаторная батарея;
БП1, БП2 – быстродействующие предохранители постоянного тока (в звене постоянного тока);
БП3–БП5 – быстродействующие предохранителя переменного тока (в фазах A, B и C соответственно);
ДРТ1–ДРТ3 – драйверы транзисторов (фаз A, B и C соответственно);
ДН – датчик напряжения в звене постоянного тока;
ДТ1–ДТ3 – датчики токов (фаз A, B и C соответственно);
В1, В2 – вентиляторы.
Модули ТМ1–ТМ12 представляют собой IGBT-модули, состоящие из двух IGBT-транзисторов, образующих полумост, двух встречно-параллельных диодов и PTC-термистора, расположенных на изолированном основании.
Батарея КБ предназначена для уменьшения пульсации напряжения в звене постоянного тока и состоит из 18 пленочных конденсаторов с полипропиленовым диэлектриком, который имеет следующие преимущества:
низкие диэлектрические потери;
низкие последовательные сопротивление и индуктивность;
высокие допустимые пиковый ток и перенапряжение;
возможность самовосстановления при пробое диэлектрика.
Предохранители БП1–БП5 предназначены для дополнительной защиты IGBT-модулей от выхода из строя при возникновении аварийных ситуаций (КЗ в полумосте или нагрузке).
Примечание: Основную защиту IGBT-модулей от выхода из строя при возникновении аварийных ситуаций обеспечивают драйверы.
Драйверы ДРТ1–ДРТ3 предназначены для управления, контроля и защиты IGBT-модулей. Драйвер каждой фазы формирует импульсы управления для каждого из четырех IGBT-транзисторов этой фазы и обеспечивает их параллельную работу с равномерным распределением токов, защиту транзисторов от выхода из строя при возникновении аварийных ситуаций и передает в БУПЧ сигналы от встроенных датчиков температуры IGBT-модулей.
Каждый из драйверов ДРТ1–ДРТ3 состоит из двух плат – основной платы ДР-4Т и платы-мезонина ДР-М, которая устанавливается на нее.
Плата ДР-4Т объединяет четыре IGBT-модуля и содержит затворные резисторы, резисторы для контроля напряжения коллектор-эмиттер и другие пассивные электронные компоненты, необходимые для управления, контроля и защиты IGBT-транзисторов.
Плата ДР-М содержит драйверное ядро фирмы Power Integration и электронную схему, которая реализует следующие защитные и сервисные (вспомогательные) функции:
нормирование фронтов входных сигналов управления;
преобразование уровня входных сигналов управления;
фильтрация коротких сигналов управления;
защита от одновременного включения верхнего и нижнего IGBT-транзисторов полумоста;
формирование задержки времени между выключением и включением верхнего и нижнего IGBT-транзисторов полумоста («мертвого» времени);
защита IGBT-транзисторов от КЗ (формируется по их выходу из режима насыщения);
защита от импульсных перенапряжений и обратной полярности напряжения питания;
защита от понижения напряжения питания.
Датчики ДН, ДТ1–ДТ3 предназначены для измерения напряжения в звене постоянного тока и фазных токов и основаны на эффекте Холла (фирмы LEM или аналоги).
Вентиляторы В1, В2 предназначены для охлаждения конденсаторной батареи с целью увеличения ее срока службы.
Конструктивно модуль ТТМ-1000 представляет собой металлический каркас, в котором расположены устройства, входящие в его состав.
ТТМ-1000 имеет три жидкостных радиатора (фаз A, B и C), на каждом из которых установлены четыре IGBT-модуля вместе с драйвером.
Выводы четырех IGBT-модулей каждой фазы (например, фазы A) подключены следующим образом: управляющие и температурные выводы припаяны к плате ДР-4Т; силовые выводы постоянного тока подключены к батарее КБ с помощью двух планарных медных шин, между которыми находится пленочный диэлектрик; силовые выводы переменного тока объединены с помощью специальной медной шины, которая подключена к медному цилиндру, проходящему через датчик ДТ1. Этот цилиндр подключен к предохранителю БП3 с помощью медной шины.
Предохранители БП1, БП2 подключены к планарным медным шинам. К выводам постоянного тока каждого IGBT-модуля подключены снабберные конденсаторы для защиты от коммутационных перенапряжений.
На рис. 3 показаны четыре IGBT-модуля одной из фаз (без радиатора), на которые установлен драйвер, состоящий из плат ДР-4Т и ДР-М.
Основные технические характеристики ТТМ-1000 приведены в табл. 1.
Таблица 1. Технические характеристики ТТМ-1000
Наименование параметра | Значение |
Номинальное линейное выходное напряжение, В | 690 |
Номинальный фазный ток, А | 1400 |
Максимальная частота выходного напряжения, Гц | 100 |
Максимальное напряжение в звене постоянного тока, В | 1300 |
Номинальная мощность, кВА | 1670 |
Максимальная частота ШИМ, кГц | 5 |
Входной фазовый сдвиг (cos φ) | От -1 до 1 |
Охлаждение модулей IGBT | Жидкостное |
Охлаждение конденсаторной батареи | Принудительное воздушное |
Материал радиатора | Медь |
Встроенные быстродействующие предохранители | Есть |
Рабочая температура, ºС | От -10 до +45 |
Габаритные размеры, Ш×В×Г, мм, не более | 250×1450×600 |
Масса, кг, не более | 180 |
Внешний вид ТТМ-1000 показан на рис. 4 (трехмерная модель) и рис. 5 (фотография).
На рис. 6 показан один из заключительных этапов сборки двух ТТМ-1000 в цехе, когда остались две основные технологические операции: установка датчиков тока и выходных шин.
БТР состоит из мощного тормозного резистора и транзистора, который осуществляет его коммутацию – в релейном или широтно-импульсном режимах.
БУПЧ состоит из трех МКСУ, расположенных в одном корпусе: контроллера АВН (КАВ), контроллера АИН (КИН) и контроллера ввода-вывода сигналов (КВВ). Он имеет блочно-модульную конструкцию, состоящую из блочного каркаса (крейта), в котором расположены объединительная плата (кросс-плата) и следующие функциональные модули [1]:
модуль источников питания (ИП);
модуль микроконтроллера (МК);
модуль широтно-модулированных выходов (ШИМ);
модуль датчиков напряжения и тока (ДНТ);
модуль цифровых интерфейсов и датчиков скорости (ЦИДС);
модуль дискретных входов (ДВх);
модуль дискретных выходов (ДВых);
модуль датчиков температуры (ДТ);
модуль аналоговых интерфейсов (АИ).
Блок управления БУПЧ подробно описан в статье «Российский микроконтроллерный блок управления судовыми преобразователями частоты» – Часть 1, Часть 2, Часть 3.
ДНС предназначен для измерения линейных напряжений судовой электросети и включает в себя три датчика напряжения, основанных на эффекте Холла (LEM или аналог).
Плата ДНТ служит для приема сигналов от датчиков напряжения и тока на основе эффекта Холла (фирмы LEM или аналоги), датчиков температуры от платы СДВ, а также для реализации аппаратной защиты ПЧ. Она обеспечивает:
питание датчиков напряжения и тока;
прием и преобразование токовых сигналов от датчиков напряжения и тока в напряжения с помощью измерительных резисторов и передачу их в БУПЧ;
прием от платы СДВ трех температурных сигналов (максимальных значений температуры IGBT-модулей каждой фазы) и передачу их в БУПЧ без преобразования (транзитом);
реализацию аппаратной защиты ПЧ по напряжению, току и температуре – независимое от ПО выключение ПЧ при превышении фазными токами, напряжением в звене постоянного тока или температурой IGBT-модулей максимально допустимых значений.
Примечания:
1. При использовании датчиков напряжения и тока с выходом в виде напряжения измерительные резисторы не требуются.
2. Плата ДНТ является внешней по отношению к БУПЧ. Если модуль ДНТ, входящий в состав БУПЧ, может обеспечить подключение требуемого количества датчиков напряжения, тока и температуры, то дополнительная (внешняя) плата ДНТ не требуется.
Внешний вид платы ДНТ показан на рис. 7.
Плата СДВ предназначена для сопряжения БУПЧ с драйверами и вентиляторами ТТМ-1000. Она обеспечивает:
прием из БУПЧ шести оптических сигналов управления IGBT-транзисторами, преобразование их в электрические сигналы и передачу в ТТМ-1000;
прием из ТТМ-1000 трех электрических сигналов ошибок драйверов IGBT-транзисторов, преобразование их в оптические сигналы и передачу в БУПЧ;
прием из БУПЧ сигнала управления вентиляторами, усиление его по мощности и передачу в модуль ТТМ-1000;
прием из ТТМ-1000 12 сигналов от встроенных датчиков температуры IGBT-модулей (четыре сигнала на каждую фазу), измерение максимального значения температуры IGBT-модулей каждой фазы и передачу этой информации на плату ДНТ.
Внешний вид платы СДВ показан на рис. 8.
ВСМ1, ВСМ2 состоят из модуля ТТМ-1000, платы ДНТ и платы СДВ. ТТМ-1000 вместе с платами ДНТ и СДВ представляет собой полноценный ВСМ, который осуществляет преобразование переменного напряжения в постоянное (ВСМ1) или постоянного напряжения в переменное (ВСМ2), имеет в своем составе драйвер, датчики напряжения, тока и температуры и полный набор защитных и сервисных функций:
нормирование фронтов, преобразование уровня и фильтрация коротких сигналов управления IGBT-транзисторами;
защита от одновременного включения верхнего и нижнего IGBT-транзисторов полумоста и формирование «мертвого» времени;
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.
На основании технических данных, приведенных в табл. 1 первой и второй частей данной статьи, можно сделать вывод о том, что модули ТТМ-1000 и SKS 140 имеют приблизительно одинаковые технические характеристики.
Основными преимуществами ТТМ-1000 по сравнению с SKS 140 являются:
наличие встроенных быстродействующих предохранителей, которые обеспечивают дополнительную защиту IGBT-модулей от КЗ в полумосте или нагрузке;
медный радиатор, который имеет значительно меньшее тепловое сопротивление по сравнению с алюминиевым, что позволяет повысить эффективность системы охлаждения;
российские разработка и изготовление.
К недостаткам ТТМ-1000 можно отнести то, что его габаритные размеры и масса больше, а максимальный ток меньше, чем у SKS 140.
Основными преимуществами SKS 140 по сравнению с ТТМ-1000 являются:
возможность перегрузки по фазному току в течение 1 мин (110 %);
меньшие габаритные размеры и масса.
Основным недостатком SKS 140 является то, что он разработан и изготовлен в ЕС, из-за чего его официальная продажа и поддержка в последнее время полностью отсутствуют в Российской Федерации.
Результаты экспериментального исследования работы преобразователя частоты на основе модуля ТТМ-1000
В ходе выполнения пусконаладочных работ базового для концерна «Русэлпром» ПЧ мощностью 1,67 МВА на основе ТТМ-1000 было проведено исследование его работы в различных режимах, при различных значениях входного напряжения и тока нагрузки, что позволило оценить качество работы ПЧ. Ниже приводится часть экспериментальных данных, полученных в результате этого исследования.
На рис. 9–12 приводятся осциллограммы, которые показывают процессы, происходящие в силовых цепях ПЧ при его работе на активно-индуктивную нагрузку при номинальном входном напряжении и токе, близком к номинальному. Осциллограммы сняты при следующих значениях параметров ПЧ:
входное напряжение – 690 В;
напряжение ЗПТ – 1100 В;
выходной ток – 1000 А;
частота ШИМ АВН – 2840 Гц;
частота ШИМ АИН – 2500 Гц.
На рис. 9, 10 приведены осциллограммы напряжения КЭ (синий цвет) одного из верхних IGBT-транзисторов фазы B, напряжения ЗПТ (зеленый цвет) и тока фазы B (красный цвет) АВН с различным временным разрешением: 2 мс/дел. и 200 мкс/дел. На рис. 11, 12 приведены осциллограммы этих же величин для АИН с таким же временным разрешением.
На рис. 13, 14 приводятся осциллограммы, которые показывают процессы, происходящие в цепях управления и силовых цепях IGBT-транзисторов при работе ПЧ на активно-индуктивную нагрузку при пониженных значениях входного напряжения и тока. АВН работает в режиме НВ (транзисторы выключены, используются только обратные диоды). Осциллограммы сняты при следующих значениях параметров ПЧ:
входное напряжение – 400 В;
напряжение ЗПТ – 560 В;
выходной ток – 250 А;
напряжение включения IGBT-транзисторов – +15 В;
напряжение выключения IGBT-транзисторов – -10 В;
«мертвое» время IGBT-транзисторов – 5 мкс.
Основная задача этих осциллограмм – показать, как реагируют силовые цепи IGBT-транзисторов на изменения в их управляющих цепях. На рис. 13 приведены осциллограммы напряжения ЗЭ (зеленый цвет) и напряжения КЭ (красный цвет) одного из верхних IGBT-транзисторов фазы C, а также тока фазы C (розовый цвет) АИН при включении транзистора. На рис. 14 приведены осциллограммы этих же величин при выключении транзистора. Разрешение по времени на рис. 13 равно 500 нс/дел., а на рис. 14 – 1 мкс/дел.
Если внимательно посмотреть на рис. 14, то при выключении IGBT-транзистора можно заметить небольшой скачок вверх, а затем скачок вниз напряжения ЗЭ. Эти скачки напряжения ЗЭ обусловлены паразитными индуктивностью проводника, который соединяет эмиттеры четырех параллельно включенных транзисторов, индуктивностями эмиттеров и емкостями ЗК транзисторов. Экспериментально было установлено, что эти скачки зависят от скорости выключения и тока составного IGBT-транзистора: чем быстрее выключается транзистор и чем меньше ток, тем больше колебания напряжения ЗЭ.
На основании этого можно сделать вывод о том, что при параллельном соединение нескольких IGBT-транзисторов для обеспечения их надежной работы необходимо предпринять дополнительные меры для защиты их затворов. Нужно защитить затвор IGBT-транзистора не только от повышения напряжения на нем во включенном состоянии выше допустимого значения (20 В), но и от понижения напряжения в выключенном состоянии ниже допустимого значения (-20 В), а также защитить его от повышения напряжения в выключенном состоянии выше 0 В (чтобы транзистор не включился). Для этого необходимо к затвору IGBT-транзистора подключить либо два быстродействующих диода (один подключается к «+» источника питания драйвера, а другой – к «-» этого источника питания), либо двунаправленный стабилитрон (это лучшее решение), а также можно подключить дополнительный конденсатор для увеличения емкости ЗЭ (это позволит сгладить напряжение ЗЭ, уменьшить его колебания, но при этом уменьшится скорость включения и выключения транзистора и, соответственно, увеличатся его динамические потери).
Примечания:
1. Напряжение ЗПТ – напряжение в звене постоянного тока.
2. Напряжение ЗЭ – напряжение между затвором и эмиттером IGBT-транзистора.
3. Напряжение КЭ – напряжение между коллектором и эмиттером IGBT-транзистора.
4. Емкость ЗК – емкость между затвором и коллектором IGBT-транзистора (емкость Миллера).
Заключение
СЭД имеют много достоинств по сравнению с традиционными пропульсивными комплексами на основе тепловых двигателей. Особенно перспективна и экономически оправдана установка СЭД на судах, требующих высокой маневренности. В состав современных СЭД входят ГЭД, ПЧ с СУ, силовой трансформатор и электрощитовое оборудование.
В области силовой электроники современные тенденции к повышению степени интеграции и функциональности, а также снижению массогабаритных характеристик привели к разработке ИСМ, которые объединяют на одном кристалле или в одном корпусе полупроводниковые приборы и драйвер.
ИСМ, обладающие самым высоким на сегодняшний день уровнем интеллектуальности – ВСМ, имеющие в своем составе драйвер, датчики напряжения, тока и температуры и полный набор защитных и сервисных функций, – полностью защищают транзисторный преобразователь от всех аварийных ситуаций в его силовой части и СУ, а также ошибок в ПО, благодаря чему вывести его из строя практически невозможно.
ВСМ очень хорошо зарекомендовали себя, как основа силовой части современных ПЧ, поэтому можно с уверенностью сказать, что в будущем они станут основными силовыми компонентами при разработке ПЧ для СЭД. При этом будут повышаться такие показатели транзисторных преобразователей, как КПД и удельная мощность (отношение мощности преобразователя к его объему). И наоборот, такой показатель, как функциональная себестоимость (отношение количества функций, выполняемых ВСМ, к его себестоимости) будет снижаться. Функциональность ВСМ будет повышаться, их драйверы будут построены на основе МК, ПЛИС или СИС и будет осуществляться постепенный переход к самым совершенным силовым модулям – ССМ, имеющим максимальный уровень интеллектуальности.
В связи с санкционными ограничениями, введенными в 2022 году, когда покупка ВСМ западного производства стала невозможной, перед инженерами концерна «Русэлпром» были поставлены задачи разработать собственный ВСМ и осуществить параллельную работу трех ВСМ. Первая задача уже успешно решена, в результате чего разработан ПЧ мощностью 1,67 МВА, который стал базовым ПЧ для СЭД концерна «Русэлпром». Основой силовой части этого ПЧ является ВСМ, разработанный инженерами концерна, – трехфазный транзисторный модуль ТТМ-1000. Вторая задача находится на стадии изготовления опытного образца.
Модуль ТТМ-1000 разрабатывался как российский аналог модуля SKS 140 фирмы Semikron Danfoss и по сравнению с ним имеет следующие основные преимущества:
наличие встроенных быстродействующих предохранителей, которые обеспечивают дополнительную защиту IGBT-модулей от КЗ;
медный радиатор, который позволяет повысить эффективность системы охлаждения;
российские разработка и изготовление.
В процессе экспериментального исследования работы ПЧ на основе ТТМ-1000 были выявлены определенные особенности параллельного соединения нескольких IGBT-транзисторов и установлено, что при таком соединении транзисторов для обеспечения их надежной работы необходимо предпринять дополнительные меры для защиты их затворов.
Одним из главных достоинств описанного в данной статье подхода к созданию ПЧ, когда используется максимально функционально законченный, проверенный и надежный транзисторный преобразователь в виде блока (ВСМ), является универсальность применяемого в ПЧ для СЭД концерна «Русэлпром» модуля ТТМ-1000, которая позволяет успешно применять его для полной замены ВСМ западного производства, официальная продажа и поддержка которых в последнее время полностью отсутствуют в Российской Федерации.
Список литературы
Сергеев М. Ю. Современное состояние и перспективы развития преобразователей частоты для судовых систем электродвижения // Российская Арктика. 2025. Т. 7. № 2. С. 23-36.
