Российский интеллектуальный силовой модуль для судовых преобразователей частоты. Часть 2

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. 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). Приведено краткое описание преобразователя частоты (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 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 в настоящее время является базовым ПЧ для СЭД концерна «Русэлпром». Он состоит из следующих устройств (рис. 3):

• 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 АИН, 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. 4):

• 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 (LEM или его аналоги).

Вентиляторы В1, В2 предназначены для обдува 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.

Основные технические характеристики ТТМ-1000 приведены в табл. 2.

Таблица 2. Основные технические характеристики ТТМ-1000

Внешний вид ТТМ-1000 показан на рис. 5.

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 [10]:

• 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).

ДНС предназначен для измерения линейных напряжений судовой электросети и включает в себя три датчика напряжения, основанных на эффекте Холла (LEM или его аналоги).

Плата ДНТ служит для приема сигналов от датчиков напряжения и тока на основе эффекта Холла (LEM или его аналогов), датчиков температуры из платы СДВ, а также 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 из платы СДВ трех температурных сигналов (максимальное значение 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 температурами IGBT-модулей максимально допустимых значений.

Примечания:

1 При использовании датчиков напряжения и тока с выходом в виде напряжения измерительные резисторы не требуются.

2 Если модуль ДНТ, входящий в состав БУПЧ, может обеспечить подключение требуемого количество датчиков напряжения, тока и температуры, то внешняя плата ДНТ не требуется.

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 в плату ДНТ.

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 и 2, 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. 6–9 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. 6, 7 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. 8, 9 приведены осциллограммы этих же величин для АИН с таким же разрешением по времени.

На рис. 10, 11 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. 10 приведены осциллограммы напряжения ЗЭ (зеленый цвет) и напряжения КЭ (красный цвет) одного из верхних IGBT-транзисторов фазы C, а также тока фазы C (лиловый цвет) АИН при включении транзистора. На рис. 11 приведены осциллограммы этих же величин при выключении транзистора. Разрешение по времени на рис. 10 равно 500 нс/дел., а на рис. 11 – 1 мкс/дел.

Если внимательно посмотреть на рис. 11, 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

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 аппаратном обеспечении и 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 микроконтроллеров, 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.