ABB Review 3 2008 03...эффекты. Сложная поперечная структура...

www.abb.com/abbreview

3 / 2008

Приводы: производительность больше, потребление меньше

Страница 30

Преобразователи для ветроэлектростанций: электричество из воздуха

Страница 56

АББРевю

Корпоративный технический журнал группы АББ

IGBT: маленькие кристаллы с большой перспективой

Страница 19

Силовая электроника

Произошедшая за последние десять лет

революция в силовой электронике ока-

зала сильнейшее влияние на энергетику

и автоматику, открыв захватывающие

возможности по управлению передачей

и распределением электроэнергии.

Передача электрической энергии стала

более эффективной (на обложке пока-

заны построенные на основе IGBT ключи

преобразователя HVDC Light®). Приводы

с регулируемой частотой вращения

позволяют управлять электродвигате-

лями с недостижимой ранее точностью

и одновременно значительно сокращают

энергопотребление промышленных пред-

приятий.

Не так давно мы свыклись с мыслью о том, что наши персональные ком-

пьютеры и бытовая электроника состоят из миллионов транзисторов.

Но готовы ли мы поверить в то, что миллионы транзисторов могут исполь-

зоваться для снабжения электрической энергией?

В то время как более ранние выпрямительно-инверторные устройства

содержали небольшое число диодов и тиристоров, современный преобра-

зователь HVDC Light® состоит из 100 миллиардов транзисторов, нескольких

модулей IGBT, микросхем внутри этих модулей и плат, на которых всё это

установлено. Резкое возрастание степени интеграции элементов требует

обеспечения высочайшей надежности изделий, что и является целевой

задачей квалифицированного исследовательского и производственного

персонала АББ.

В 1960 г., когда АББ разработала первый кремниевый диод на 100 А и 600 В,

никому даже в самых смелых мечтах не могли представиться сложные

и ответственные задачи, которые будут выполнять полупроводниковые

приборы. Разве можно было представить, что на пути от электростанции

до конечного потребителя электрический ток будет проходить через мно-

гочисленные управляемые полупроводниковые устройства, регулирующие

подачу мощностей, достигающих сегодня сотен мегаватт, что в 10 000 раз

больше, чем столетие назад?

Неудивительно, что силовые полупроводниковые приборы сегодня за-

нимают ведущие позиции во всех областях электротехники. Приводы

эффективно управляют электродвигателями мощностью от 10 Вт до сотен

мегаватт. Линии HVDC используются для передачи электроэнергии мощ-

ностью до 6 ГВт и напряжением до 1000 кВ. Силовая электроника обеспе-

чивает плавность хода поездов, кранов и транспортеров. Преобразователи

используются для соединения с электросетью генераторов, использующих

возобновляемую энергию в ветроэнергетических установках. Силовые

полупроводниковые приборы применяются даже в радарах, управляющих

воздушным движением.

И во всех этих областях ведущая роль принадлежит АББ. Журнал АББ Ревю

рад представить вам коллекцию конкретных применений силовой электро-

ники и описать используемые в них технологии. Эти технологии не только

помогают достичь большей производительности и комфорта, они также по-

могают экономить энергию. АББ предлагает изделия и системы, изначально

нацеленные на повышение энергетической эффективности, которая почти

всегда зависит от применения силовых полупроводниковых приборов.

Невиданный прогресс в развитии электронных компонентов компьютеров,

цифровых медиаплееров и камер заметен невооруженным глазом. Но тоже

самое, только внешне незаметное, происходит и в электроэнергетике,

и большинство из нас до сих пор было вынужденно принимать это на веру.

Этот выпуск АББ Ревю позволит заглянуть за кулисы, в тайну инфраструкту-

ры, давно ставшей частью нашей жизни.

Приятного вам чтения

Питер Тервиеш

Глава департамента технологии

ABB Ltd.

От редакции

Невидимая эволюция

3АББ Ревю 3/2008

АББ Ревю 3/2008 Силовая электроника

Содержание

Полупроводниковые приборы

6Дело в полупроводникахЗавод АББ по производству полупроводниковых приборов в Ленцбурге выпускает важнейшие компоненты силовых электронных систем.

9Корпус с улучшенными характеристикамиРазработка корпуса модуля IGBT – нетривиальная задача.

15Маленькая точка может изменить мирIGCT – вне конкуренции среди силовых приборов по коммутируемой мощности и отключающей способности.

19Переключение на лучшие характеристикиПредставляем кремниевый прибор, прошедший нелегкий путь, прежде чем стать лидером на рынке силовой электро-ники: IGBT.

Приводы

25Уздечка для рабочей лошадкиВ гонке за максимальной производительностью и энерго-эффективностью приводы от АББ уверенно лидируют.

30Игра в командеОбъединение нескольких приводов в одну «команду» дает цементной промышленности существенный выигрыш.

Преобразователи

35Компактный контроллерБыстродействующий контроллер PP D104 для тяговых приводов и систем возбуждения.

40Возбуждение переменного тока с помощью ANPCНовые импульсные технологии в системах возбуждения генераторов гидроаккумулирующих электростанций.

44Чистые и невидимыеВозобновляемые источники энергии требуют пересмотра старых методов управления энергосетями.

49Питание рельсовых магистралейПреобразователи частоты АВВ подают питание в тяговую сеть.

56Вдали от берегаПередовые технологии АББ запрягают морской ветер.

62Осваивая энергию ветраВетрогенераторная электростанция может находиться далеко в море, но благодаря комплексным решениям АББ она остается неотъемлемой частью наземной энергосис-темы.

4 АББ Ревю 3/2008

9

25

44

70

Диагностика и безопасность

67Ускоренное решение проблемЕсли ваша система управления нуждается в удаленной диагностике, АББ предоставит вам необходимое програм-мное обеспечение.

70Мягкая посадка, импульсное питаниеПочему аэропорты попали в поле зрения АББ и как импуль-сное питание отразилось на работе радара.

Всегда в первых рядах

72Кристаллы-победителиПредлагаем вам ознакомиться с историей разработки си-ловых полупроводниковых приборов в АББ.




Уже более 25 лет АББ выпускает силовые полупроводниковые приборы. После сли-

яния в 1987 году компаний BBC и ASEA мелкосерийное изготовление ограниченной

номенклатуры изделий, предназначенных в основном для удовлетворения внутрен-

них потребностей, переросло в мощное производство полупроводниковых приборов.

Технологии производства полупроводниковых приборов, используемые компанией

ASEA на заводе в Вестеросе, Швеция, были перенесены на завод АББ в Ленцбурге,

Швейцария. В течение короткого времени был разработан и успешно выпущен на ры-

нок широкий диапазон конкурентоспособных изделий.

Дело в полупроводникахЗавод АББ по производству силовых полупроводниковых приборов в Ленцбурге играет важную роль в современной энергетикеСвен Клака



да – 150 мм), но в любом случае он представляет

собой один кремниевый кристалл.

В приборах IGCT (рис. 2е) управляющий

электрод – затвор – изолирован от основного

кристалла тонким слоем оксида. Для управле-

ния выходным током используются емкостные

эффекты. Сложная поперечная структура этих

приборов ограничивает размер кристалла при-

мерно до 2–3 см2. Однако растущая потребность

в более высоких мощностях заставляет соеди-

нять параллельно большое число таких чипов.

Корпус АББ HiPak™ может содержать до 36 чипов

разной топологии, изолированных от тепло-

отвода (рис. 2д). И если вам приходилось путе-

шествовать в современных поездах, то знайте,

что своим плавным ускорением эти поезда,

скорее всего, обязаны приборам IGBT в корпусе

HiPak компании АББ.

Выпускаемые компанией АББ силовые полу-

проводниковые приборы имеют также менее

известное, но не менее важное применение.

Известно, что передача энергии на большие

расстояния не эффективна, но в некоторых

случаях без нее не обойтись – представьте,

например, большие дамбы или морские плат-

формы с ветровыми установками, установлен-

ные на значительном удалении от жаждущих

энергии больших городов. Силовые полупро-

АББ в сотрудничестве с компанией

International Rectifier разработала линейку

биполярных транзисторов с изолированным

затвором (IGBT), которые используются в элек-

тротранспорте и в высоковольтных системах

постоянного тока (HVDC). В 1997 году АББ нача-

ла строительство цеха по производству кремни-

евых пластин для IGBT в Ленцбурге. Новый цех

по производству приборов BiMOS1) был построен

рядом с существующим цехом по производству

биполярных2) приборов. Это первый и единс-

твенный в мире цех, в котором обе технологии

сосуществуют под одной крышей (рис. 1).

Сфера применения сило-вых полупроводниковых приборов АББ широко известна.

Сегодня подразделение полупроводниковых

приборов в Ленцбурге состоит из цеха по про-

изводству пластин и сборочного цеха, которые

обеспечивают ежегодный выпуск до 150 000

кремниевых пластин диаметром 100 мм для би-

полярных приборов и 100 000 пластин диамет-

ром 150 мм для приборов BiMOS. Выпуск такого

объема продукции подразумевает 100-процен-

тную загрузку производственных мощностей,

поэтому были сделаны крупные вложения,

направленные на расширение производства

по обеим технологиям в рамках удовлетворения

стремительно растущего спроса, подпитывае-

мого современными тенденциями повышения

эффективности использования энергии.

Эпоха силовых полупроводниковИ хотя только эксперты по силовым полу-

проводниковым приборам могут в полной

мере оценить изделия АББ, сфера применения

этих продуктов широко известна. Компании

АББ принадлежит более 30 процентов рынка

высокопроизводительных сварочных систем.

Поэтому достаточно велика вероятность того,

что ваш автомобиль сварен не только роботом

АББ, но и с помощью диодов АББ (рис. 2а).

А в Швейцарии и Германии особенно высока

вероятность того, что вагон поезда или метро,

в котором вы едете, приводится в движение

с помощью запираемых тиристоров (GTO) АББ

(рис. 2в). И хотя эти устройства трудно назвать

современными, они хорошо известны своей

надежностью и по-прежнему широко применя-

ются. И автомобили, и поезда сделаны в первую

очередь из стали, обработка которой наверняка

не обошлась без запираемых тиристоров с ин-

тегрированным управлением (IGCT) (рис. 2г

и 2д).

Силовые электронные уст-ройства позволяют поднять эффективность исполь-зования электроэнергии до 40 %, что способствует не только стремительному росту целой отрасли про-мышленности, но и сни-жению влияния высокой себестоимости электро-энергии.

Все упомянутые выше продукты имеют, по край-

ней мере, одну общую черту: в каждом из них

используется полупроводниковый элемент.

В некоторых случаях диаметр этого элемента

может достигать 100 мм (а, начиная с 2009 го-

1 Завод, который никогда не спит. Производство АББ в Ленцбурге работает 24 часа в сутки, 7 дней в неделю.

2 Полупроводниковые приборы АББ: диоды (a), тиристоры (б), GTO (в), IGCT (г), приборы в корпусах HiPaks (д), чипы IGBT (е)

1) Биполярная технология со структурой металл-окисел-

полупроводник: такая структура позволяет управлять

большими токами с помощью малых управляющих сиг-

налов. Лежащий в основе полупроводниковый прибор

имеет биполярную структуру.2) Биполярная полупроводниковая технология исполь-

зует для передачи тока носители заряда обоих типов

(положительные и отрицательные), в отличие от унипо-

лярной технологии, в которой используются носители

только одного типа.

a

б

в

г

д

е


Дело в полупроводниках


электроэнергия, выработанная морской ветро-

вой станцией, претерпевает до четырех преоб-

разований с помощью силовых полупроводни-

ковых приборов. Возобновляемые источники

энергии обычно используются для генерации

электроэнергии там, где энергия этого конкрет-

ного типа находится в избытке, что не всегда

совпадает с местом расположения потребителей.

А это требует крупных вложений в инфраструк-

туру передачи.

Кроме того, современная энергетика постоянно

ищет новые возможности снижения выбросов

CO2. Эти поиски идут по самым разным направ-

лениям, от гибридных и полностью электричес-

ких автомобилей до интеллектуальных сетей

и уловителей углерода, и всем им нужны силовые

полупроводниковые приборы.

Более подробная информация о приборах IGCT и IGBT компании АББ приведена в статьях «Корпуса с улучшенными характеристиками» на с. 9, «Маленькая точка может изменить мир» на с. 15 и «Переключение на лучшие характеристики» на с. 19 этого выпуска АББ Ревю.

Свен Клака

ABB Semiconductors

Ленцбург, Швейцария

sven. klaka@ch. abb. com

Литература

АББ Ревю, 2/2007, Энергоэффективность

водниковые приборы (такие как тиристоры

или IGBT в корпусе StakPak™) преобразуют

электроэнергию в постоянное напряжение,

которое можно передавать на большие рассто-

яния без значительных потерь. В месте потреб-

ления постоянное напряжение преобразуется

обратно в переменное и синхронизируется

с частотой сети.

Повышение эффективности с помо-щью силовых электронных устройствИ хотя будущее предсказать сложно, некото-

рые тенденции уже ясны – стоимость энергии

вряд ли будет снижаться. Всего десять лет назад

сегодняшние цены на сырую нефть – более 100

долларов за баррель – вызвали бы сильней-

ший экономический спад. Один из секретов

современной экономики заключается в том,

что высокая стоимость энергии не только

замедляет рост, но и до некоторой степени

стимулирует инвестиции в повышение эффек-

тивности использования энергии. Силовые

электронные устройства позволяют поднять

эффективность использования электроэнергии

до 40 %, что способствует не только стремитель-

ному росту целой отрасли промышленности,

но и снижению влияния высокой себестоимос-

ти электроэнергии.

При этом все более важную роль начинают иг-

рать возобновляемые источники энергии. Ветро-

вые электростанции все чаще устанавливаются

на морских платформах, потому что удобные

места на берегу уже заняты или их установка

встречает сопротивление местного населения.

Прежде чем достичь распределительной сети,

а Прокатка металла

3 Применение силовых полупроводниковых приборов

б Электротранспорт в Вентиль HVDC

4 Возобновляемые источники энергии расположены вдали от потребителей


Дело в полупроводниках


Роль корпуса интегральной схемы (ИС) весьма многогранна – от прос-

той защиты целостности ИС до основополагающего фактора разработки

концепций электронной системы. Технология изготовления корпусов ста-

новится сегодня основным фактором, который приходится учитывать раз-

работчикам, если они должны удовлетворить самые жесткие требования

к производительности и надежности. Благодаря более жестким допускам

на технологические процессы, возросшей точности измерения свойств

материала, более гибкой конструкции подложки и моделированию, ком-

паниям удается создавать более экономичные корпуса, превосходящие

по характеристикам дорогие устройства прежних поколений.

Чем жестче условия, в которых должен работать модуль, тем выше тре-

бования к корпусу. Высокие требования к надежности, предъявляемые

электротранспортом и промышленным рынком, означают, что семейство

модулей HiPak™, разработанное компанией АББ, должно обеспечивать

безопасную работу, высокую степень изоляции, выдерживать большой ток,

а также иметь большой срок службы.

Корпус с улучшенными характеристикамиРазработка корпуса модуля IGBT для повышения качества и надежностиДаниэль Шнайдер, Лидия Феллер, Доминик Трюссель, Самуэл Хартман, Свен Клака



Модули семейства HiPak компании АББ

представляют собой силовые биполярные

транзисторы с изолированным затвором (IGBT)

в стандартном корпусе, в процессе изготовления

которого используются собственные техноло-

гии SPT (Soft Punch Through) и SPT+ (рис. 1).

Имея площадь основания 190 на 140 мм и 130

на 140 мм, они перекрывают широкий диапазон

напряжений от 1200 до 6500 В и диапазон тока

от 400 до 2400 А [1,2]. Кроме того, предлагаются

три категории корпусов по электрической про-

чности изоляции: 4, 6,2 и 10,2 кВ эффективного

значения. Модули HiPak выпускаются в конфигу-

рации с одним IGBT, двумя IGBT, двумя диодами

и с прерывателем.

В связи с применением на электротранспорте

и в промышленности, корпус должен выполнять

четыре основные функции:

■ обеспечивать прохождение тока от выводов

к кристаллу и обратно,

■ обеспечивать эффективное охлаждение моду-

ля для предотвращения перегрева,

■ обеспечивать изоляцию электрических кон-

тактов друг от друга,

■ обеспечивать механическую прочность.

Эти функции выполняются различными частями

модуля HiPak, упрощенное поперечное сечение

которого показано на рис. 2. Части, обозначен-

ные красным цветом, показывают пути проте-

кания тока, включая затвор, соединительные

провода и выводы главных и вспомогательных

цепей. Выводы, включая пластину основания

и керамическую подложку, показаны синим цве-

том. Зеленым цветом обозначены изолирующие

элементы, которые являются неотъемлемой

частью общей механической конструкции,

включая корпус, силиконовый гель и эпоксидное

заполнение.

Кроме упомянутых выше четырех функций,

корпус модуля должен обеспечивать его работу

в течение, как минимум, 30 лет. Бесконечный

срок службы невозможен из-за воздействия

перепадов температуры. Другими словами,

модули постоянно подвергаются циклическим

нагрузкам. Например, поезд может на две

минуты остановиться на станции, в результате

чего модуль остынет на несколько десятков

градусов. Остановка на ночь приводит к осты-

ванию модуля от температуры свыше 100 °С

до температуры окружающей среды. Такие

тепловые перепады создают различного рода

нагрузки на корпус модуля. Если два материала

с разным коэффициентом теплового расшире-

ния (КТР) соединены друг с другом, например,

пайкой, то с изменением температуры в месте

соединения возникают сильные механические

напряжения. Контакты между соединительными

проводами и металлизацией кристалла также

могут нарушиться в результате воздействия

коротких циклов незначительного изменения

температуры.

Чем жестче условия, в которых должен работать модуль, тем выше требования к корпусу.

Путь протекания токаПрименение идеального контакта, состоящего

из широкой и жесткой медной шины, ограничено

по двум причинам:

■ Во-первых, модульная конструкция означает,

что путь протекания тока должен разделяться.

Тонкие провода соединяют кристаллы с под-

ложкой, а через главные выводы подложка

соединяется с шиной.

■ Во-вторых, разница коэффициентов тепло-

вого расширения между кремнием и другими

материалами корпуса вызывает необходи-

мость применения гибких проводников, что-

бы снизить нагрузку на паяные соединения.

Гибкость означает, что проводники должны

иметь большую длину и небольшое сечение.

Поскольку это приводит к росту электри-

ческого сопротивления, приходится искать

компромиссное решение в тех случаях, ког-

да нужно обеспечить низкое сопротивление.

В современных модулях один вывод может

выдерживать номинальный ток до 1200 А.

Однако вывод может сильно нагреваться,

следовательно, модуль не может длительно

работать при таком токе без соответствующего

охлаждения шины.

Поэтому важную роль играет конструкция

токоведущих частей, которая должна обеспе-

чивать низкое электрическое сопротивление

между шиной и кристаллом, чтобы основной

поток выделяемого тепла был направлен в сто-

рону шины 1). Максимальный перепад темпера-

тур вывода ограничивается, с одной стороны,

максимально допустимой температурой мате-

риала корпуса (например, силиконового геля),

а с другой стороны, максимально допустимой

температурой шины. В общем случае в пределах

вывода допускается максимальный перепад тем-

ператур 50 К. Если сопротивление точек соеди-

нения вывода слишком велико, максимальный

ток модуля существенно ограничивается.

Путь протекания тока характеризуется геомет-

рическим коэффициентом, т. е. отношением

длины к поперечному сечению проводника. Вы-

воды, используемые в настоящее время компа-

нией АББ, имеют геометрический коэффициент

1 Семейство HiPak 2 Поперечное сечение модуля HiPak IGBT

IGBT Диод

a Теплоотводб Пластина основанияв Припойг Изолятор из AIN керамики

д Медное покрытиее Силиконовый гельж Эпоксидная смолаз Алюминиевые соедини-

тельные провода

и Пластмассовый корпуск Затворл Соединение с шиной

a

б

гд

е

жз

и

к л л

в

10 АББ Ревю 3/2008

Корпус с улучшенными характеристиками


Тенденции развитияВыводы современных модулей HiPak компании

АББ рассчитаны на номинальный ток 800 А

для IGBT и 1200 А для диодов. Однако новые

технологии изготовления кристаллов требуют

повышения этого тока до 1500 А для диодов

и 1200 А для IGBT. Тенденция перехода к более

высоким рабочим температурам вызывает необ-

ходимость создания контактов с более низким

сопротивлением и лучшим охлаждением.

Конструкция теплоотводаЧем ниже тепловое сопротивление между

корпусом и теплоотводом, тем выше выходная

мощность модуля. Следовательно, хороший

тепловой контакт непосредственно повышает

номинальные характеристики модуля. Типич-

ная кривая теплового сопротивления для IGBT

и диодов показана на рис. 6. В пределах одной

секунды тепловое сопротивление достигает

статического значения. Время, необходимое

для достижения стабильной температуры, опре-

деляется теплоемкостью материалов. Следова-

тельно, чем большая тепловая масса прилегает

к точке соединения кристалла, тем меньше

колебания температуры.

Тепловое сопротивлениеВ системе с водяным охлаждением присутствуют

три включенных последовательно сопротивления,

примерно равные по величине:

порядка 4500 м–1 (рис. 3). Новая конструкция

имеет геометрический коэффициент 3500 м–1.

При отсутствии отвода тепла по шине эти зна-

чения соответствуют максимальному постоян-

ному току порядка 500 и 650 А, соответственно.

Повышение надежности за счет сниже-ния механической нагрузкиОптимизация конструкции выводов заключается

в достижении правильного баланса между низ-

ким электрическим сопротивлением и хорошей

гибкостью. Вывод, зафиксированный в пласт-

массовом корпусе и припаянный к подложке,

испытывает механические напряжения под воз-

действием циклов нагрева, которые вызывают

в нем тепловое расширение по высоте2). Пос-

кольку паяные соединения работают в условиях,

близких к точке плавления, для продления срока

службы нужно снизить воздействующую на них

механическую нагрузку. Это достигается за счет

встраивания в выводы устройств снятия механи-

ческих напряжений3).

Нагрузка на паяные соединения в разных конс-

трукциях оценивалась с помощью стандартной

машины для испытания на растяжение. Результа-

ты измерений примерно после 50 циклов, когда

вывод уже затвердел, показаны на рис. 4. Синяя

кривая соответствует старому выводу с нагрузкой

100 Н при отклонении ±0,5 мм. Для современных

выводов (красная кривая) такое же отклонение

соответствует нагрузке 50 Н. Эта повышенная

гибкость позволяет удовлетворить требования

к надежности, предъявляемые пассивными тепло-

выми циклами и активными циклами протекания

мощности.

Соединительные проводаСоединительные провода также вносят вклад

в электрическое сопротивление и находятся

в такой же компромиссной ситуации, что и глав-

ные выводы. Однако механические напряжения

в соединительных проводах передаются не через

корпус, а возникают в результате большого рассо-

гласования КТР между алюминиевыми соедини-

тельными проводами и кремниевым кристаллом

[3, 4]. Число и размер соединительных проводов

ограничивается, в основном, доступным местом

на активной зоне кристалла. Тем не менее, высо-

кая плотность тока в соединительных проводах

порождает нежелательные тепловые нагрузки,

в результате чего в соединительных проводах

возникают поперечные трещины (рис. 5) и они

выходят из строя.

Достижение правильно-го баланса между низким электрическим сопротив-лением и хорошей гиб-костью является ключевым моментом проектирования выводов.

СамоиндукцияДругим важным фактором, влияющим на харак-

теристики токопроводящих частей, является

самоиндукция. Характеристики считаются хоро-

шими, если проводники с встречным направле-

нием тока располагаются как можно ближе друг

к другу, и их магнитные поля компенсируются.

В модулях HiPak это означает, что проводники

коллектора и эмиттера должны располагаться

в непосредственной близости. Однако для обес-

печения должной изоляции следует оставлять

некоторое минимальное расстояние между эти-

ми проводниками.

3 Максимальная разность температур в пределах вывода зависит от его геометрии; синяя, зеленая и красная кривые соответствуют разным зна-чениям постоянного тока.

Геометрический коэффициент (длина/сечение), 1/м

Разн

ость

тем

пера

тур,

К

300

250

200

150

100

50

00 1000 2000 3000 4000 5000 6000

1200 A 800 400

4 Циклические измерения на главных выводах при отклонении ±0,5 мм.

Время, с

Отк

лоне

ние,

мм

Сил

а, Н

1680 1700 1720 1740 1760 1780 1800 1820

60

40

20

0

-20

-40

-60

0,6

0,4

0,2

0

-0,2

-0,4

-0,6

Старый вывод Новый вывод

1) Обычно используются ламинированные шины с номи-

нальной максимальной температурой от 105 до 125 °С.2) Изменение высоты определяется конструкцией кор-

пуса и зависит от перепада температур материала

корпуса.3) Устройства снятия механических напряжений – это

гибкие детали с достаточно большим электрическим

сопротивлением.

цикл цикл 49 цикл 50




и на металлизацию кристалла. Затем выпол-

няются более длинные циклы, в диапазоне

от одной до двух минут, в ходе которых крис-

талл и остальная часть корпуса подвергаются

циклическому тепловому воздействию. Этот

тест создает механическую нагрузку на паяные

соединения.

Пластины основания всех модулей АББ изготавливаются из алюминиево-кремниевого карбида.

Для получения максимально точных результатов

нужно отдельно исследовать каждый механизм

повреждения. Распределение Вейбулла, детально

описывающее повреждения паяных соединений

в модулях HiPak, показано на рис. 8. Расслоение,

возникающее в больших областях припоя между

подложкой и пластиной основания, выделено

синим цветом, дополнительные шпильки,

соединяющие подложку с затвором, выделены

фиолетовым, а главные выводы, соединяющие

подложку с шиной, показаны зеленым.

Распределение Вейбулла позволяет предсказать,

когда произойдет отказ определенного процента

модулей, и обычно рассчитывается для значений

1, 5 или 10 процентов. Пользователь, ориенти-

рующийся на 1 процент отказов в течение срока

службы 30 лет, должен использовать в этих рас-

четах значение 1 процент.

Тенденции развитияОдним из методов повышения надежности

и преодоления проблем, связанных с тепловым

сопротивлением и тепловой массой, является

разработка новых материалов. В настоящее вре-

мя разрабатываются композиционные материа-

лы с металлической матрицей (MMC), в которых

карбид кремния заменен алмазом. Постоянно

ведется поиск путей оптимизации процессов

пайки, позволяющих избежать наклонов. Воз-

можна даже замена пайки сваркой для выводов

или низкотемпературной склейкой для больших

поверхностей.

КорпусированиеКорпусирование модулей IGBT преследует три

цели: изолирует точки с разными потенциала-

ми, защищает устройства от попадания влаги

и загрязнений, а также снижает механические

напряжения.

противления, как того требует применение

на электротранспорте, используемый материал

должен быть как можно тоньше и должен

обладать максимально возможной теплопро-

водностью. Для удовлетворения этих требо-

ваний во всех модулях АББ для изготовления

пластины основания используется алюмини-

ево-кремниевый карбид (AISiC) 4), а в качестве

изолирующей подложки – нитрид алюминия

(AIN). Эти материалы обладают превосходной

стойкостью к перепадам температур и малым

тепловым сопротивлением. Применение мате-

риалов с сильно отличающимися КТР приво-

дит к расслоению больших областей припоя

под подложкой. Результат этого процесса виден

на изображении модуля, полученном с помо-

щью сканирующего акустического микроскопа

(SAM) после 35000 тепловых циклов с перепа-

дом температуры ∆T = 80 K (рис. 7). Расслоение

хорошо заметно на углах подложки. Предпо-

лагается, что для обеспечения максимальной

стойкости необходимо нанести припой слоем

0,2 мм. Более тонкие слои припоя увеличивают

механические напряжения в припое, а более

толстые слои приводят к тому, что высокий

КТР припоя начинает влиять на общий уровень

механических напряжений.

Для решения этих проблем можно внести неко-

торые усовершенствования. Например, в процес-

се нагрева подложка может изгибаться, в связи

с чем применяются различные прокладки [5].

Кроме того, помогает применение припоя с бо-

лее высокой температурой плавления, поскольку

он менее пластичен.

Тепловая массаУменьшение толщины материала ведет к сниже-

нию теплового сопротивления, но одновремен-

но уменьшает тепловую массу вблизи соедине-

ния, что, в свою очередь, может отрицательно

сказаться на таких характеристиках, как на-

дежность и стойкость к броскам тока. Другими

словами, небольшие изменения пропускаемого

тока будут приводить к сильным перепадам

температуры в связи с отсутствием сглажива-

ющего эффекта, который оказывает большая

тепловая масса на броски температуры.

НадежностьДля проверки стойкости модулей HiPak к пе-

репадам температур применяется активное

и пассивное циклическое тестирование. В ходе

активного тестирования модули нагреваются

путем пропускания через них тока. Каждый

тест начинается с коротких циклов продол-

жительностью от одной до пяти секунд, в ходе

которых, благодаря тепловой массе модуля,

кристалл испытывает циклические перепады

температур, цель которых – создать механи-

ческую нагрузку на соединительные провода

■ Первое сопротивление – между кристаллом

и корпусом – расположено внутри модуля (в

нижней части пластины основания).

■ Второе – сопротивление контакта с теплоот-

водом.

■ И третье сопротивление – между поверхнос-

тью теплоотвода и окружающим воздухом.

Из этих трех сопротивлений основную роль

играет первое. Для снижения теплового со-

6 Кривая Zth

для модуля HiPak

0,001 0,01 0,1 1 1,1

I, с

0,1

0,01

0,001

0,0001

Z th j-

c, кВ

т (IG

BT,

дио

д)

Zth j-c

IGBT

Zth j-c

Диод

5 Трещина в соединительном проводе после циклической подачи мощности с перепадом температур 55 К

7 Изображение модуля HiPak, полученное с по-мощью SAM после 35000 активных циклов с ∆T = 80 K. Обратите внимание на более светлые области расслоения по углам.

4) Материал AISiC идеально сочетает в себе высокую

теплопроводность, низкий КТР и жесткость.

12 АББ Ревю 3/2008



ИзоляцияВ высоковольтных модулях разность потенциалов

6,5 кВ присутствует на расстоянии всего 2 мм.

Для обеспечения адекватной изоляции в условиях

сильных механических и химических нагрузок

после 30 лет службы, материалы, используемые

для изготовления модуля, должны подбираться

очень тщательно.

Внутри модуля обычно применяются керамичес-

кие и пластмассовые изоляторы. Для обеспече-

ния надежной изоляции эти материалы должны

иметь как можно более гладкую поверхность

и идеально прилегать друг к другу и к металли-

ческой поверхности. В местах с максимальной

напряженностью электрического поля исполь-

зуется полимид. Однако он используется только

в слоях толщиной около 10 мкм. Оставшееся

пространство модуля заполняется силиконовым

гелем.

Внешняя оболочка модуля должна обеспечивать

зазоры и длину пути тока утечки, определенные

стандартами изоляции (EN 50124-1). Для высо-

ковольтных приборов выбор материала корпуса

сильно ограничен, поскольку для выполнения

требований этих стандартов необходим срав-

нительный показатель пробоя (CTI) равный

600 В. Однако даже для материалов с самым

высоким значением CTI (равным или больше

600 В) требуется обеспечить очень большую дли-

ну пути тока утечки. Это вынуждает применять

канавки, весьма типичные для высоковольтных

модулей (рис. 1).

Модуль должен сохранять свои изолирующие

свойства на протяжении всего срока службы,

поэтому для определения качества изоляции

применяются специальные тесты. Например,

качество изоляции между выводами коллектора

и эмиттера было успешно проверено в условиях

обратного смещения при повышенной темпера-

туре (HTRB). Испытания выполнялись при 125 °С

в течение 1000 часов. Выполнялось также

дополнительное тестирование изоляции между

пластиной основания, которая находилась

под тем же потенциалом, что и радиатор, и то-

коведущими проводниками. Изоляция тестиро-

валась при напряжении 10,2 кВ для исполнений

с высокой изоляцией, включая некоторые 3,3 кВ

модули и все 6,5 кВ модули. Сильные электричес-

кие поля, возникавшие в ходе этого теста, видны

на рис. 9. Вблизи точки стыка трех материалов

керамики-меди-полимида напряженность поля

превышает 20 кВ/мм. Все модули прошли тест

на частичный разряд, который предотвращает

долговременное повреждение, вызванное пери-

одическими разрядами, которые со временем

приводят к эрозии изолирующих материалов.

Тесты с большими циклическими перепадами

нагрузки использовались для имитации дли-

тельного срока службы модуля. После этих

тестов специалисты АББ измерили параметры

изоляции модулей и не обнаружили признаков

деградации.

Тестирование на имитато-ре не выявило ухудшений изоляции модуля.

Механическая конструкцияДля полного подтверждения заявленной стой-

кости модуль HiPak должен работать в жестких

условиях высокой влажности и в агрессивных

химических средах или в условиях воздействия

сильной внешней механической нагрузки

до конца срока службы.

Влияние влажности на работоспособность

модуля тестировалось в условиях переменного

воздействия температуры и влажности (THB).

Более серьезное тестирование выполнялось

в жестких условиях, таких как соляной туман

или пары серы, но модуль успешно прошел

все испытания. Также модули тестировались

на стойкость к механическим нагрузкам. Пос-

кольку выводы модулей контактируют с уст-

ройствами управления и с шинами, они могут

неопределенным образом передавать прилага-

емые к модулю механические усилия. Для про-

верки стойкости модуля к таким нагрузкам

применялось тестирование на удар и вибрацию.

Чтобы увеличить нагрузку во время теста,

главные выводы модулей HiPak дополнительно

нагружались 2-х килограммовыми брусками,

а вспомогательные выводы – 250 граммовыми

брусками. Несмотря на столь жесткие условия,

никаких проблем в ходе испытаний не возник-

ло. Столь замечательные характеристики стали

возможными благодаря толстому слою эпок-

сидной смолы, армированной минеральным

стекловолокном.

Корпусирование модулей IGBT защищает их от попа-дания влаги и загрязнений, а также снижает механи-ческие напряжения.

К сожалению, хорошая конструкция и тща-

тельное тестирование не могут гарантировать

полностью безотказной работы. На самом деле

стандартная интенсивность отказов составляет

порядка нескольких сотен отказов в опреде-

ленный срок (FIT), где один FIT соответствует

одному отказу модуля за один миллиард часов

работы. В этом случае важно, чтобы отказ мо-

дуля происходил безопасно, с минимальным

воздействием на окружающее оборудование

и с нулевой угрозой для человеческой жизни.

Поэтому инженеры АББ остановили свой выбор

9 Модель двумерного электрического поля для подложки8 Различные механизмы повреждения при активной циклической подаче мощности с перепадом температур ∆T = 80 K

Число циклов до повреждения (∆T = 80 K)

Про

цент

ы

10000 15000 20000 30000 40000 60000

99

63

20

10

5

2

1

Расслоение Пайка вспомогательных выводов Пайка главных выводов




Сводка характеристик продуктов се-

мейства HiPak приведена на рис. 10.

Дополнительная информация о приборах IGBT компании АББ приведена в статье «Переключение на лучшие характеристики» на с. 19 этого выпуска АББ Ревю.

Даниэль Шнайдер

Лидия Феллер

Доминик Трюссель

Самуэл Хартман

Свен Клака

ABB Semiconductors


daniel. d. schneider@ch. abb. com

lydia. feller@ch. abb. com

dominik. truessel@ch. abb. com

samuel. hartmann@ch. abb. com


Семейство корпусов HiPak компании АББ диктует новые стандарты прочности и надежности в жестких условиях эксплуатации.

на прочной конструкции с толстым

слоем эпоксидной смолы, который

способствует поглощению энер-

гии в случае взрыва. Кроме того,

выбранные материалы сертифици-

рованы на соответствие стандар-

там огнестойкости (UL 94 и NF F

16-102). Поэтому в случае пожара

материалы сгорают, не выделяя ток-

сичных газов.

Тенденции развитияДля корпусирования важны два

направления развития. Для работы

в условиях Сибири и Тибета диапа-

зон температур хранения и рабочих

температур был расширен по ниж-

ней границе до -55 °C. Что касается

других экстремальных условий, тен-

денция повышения рабочих темпе-

ратур до 150 °С и выше и увеличение

рабочих токов ведет к омическому

нагреву выводов. Другими словами,

материалы корпуса должны обладать

очень хорошими характеристиками,

как при низких, так и при высоких

температурах.

Определение новых стандартовДля нахождения нужного ком-

промисса между техническими

характеристиками и надежностью

рассматривались различные ва-

рианты конструкции. Семейство

модулей IGBT компании АББ диктует

новые стандарты прочности для приложений,

требующих высокой надежности, таких как элек-

тротранспорт. Повышенная прочность ведет

к повышению эксплуатационной безопасности

и позволяет использовать низкоомную схему

управления для запирания, что, в свою очередь,

снижает потери на отключение. Все это укрепляет

репутацию АББ, как надежного поставщика сило-

вых полупроводниковых приборов, обладающих

исключительной надежностью в самых жестких

условиях эксплуатации.

Тест

Условия Стандарт

Циклическая подача активной мощности (корпус)

tцикла

= 1-2 мин,∆Tкорпуса = 60-80 K

IEC 60747-9,60749-34

Циклическая подача активной мощности (точка соединения)

tцикла

= 1-5 с, ∆Tсоединения = 40-80 K

IEC 60747-9, 60749-34

Пассивный тепловой цикл

tцикла

= 4 ч, ∆T = 165-200 K IEC 60068-2-14

Обратное смещение при повышенной температуре

Vкэ = 5200 В, 125 °C, 1000 ч IEC 60747–9.8

Смещение затвора при повышенной температуре

Vзэ = +/-20 В, 125 °C, 1000 ч IEC 60749-9.8

Температура, влажность, смещение

Vкэ = 80 В, 85 °C, 85 %, 1000 ч IEC 60749–3.4B

Соляной туман

50 г/л NaCl, 35 °C, 16 ч IEC 60068-2-11

Сера (SO2, H

2S)

25 °C, 75 %, 10 дней IEC 60068-2-60

Удар и вибрация

IEC 61373

Огнестойкость

UL 94: V0, NF F 16-101: I3/F2

0 Обзор программы квалификационных испытаний модулей HiPak


[1] Rahimo, M. et al. (2004). 2.5 kV–6.5 kV Industry standard IGBT modules setting a new benchmark in SOA capability. Proc.

PCIM, 314–319, Nürnberg, Germany.

[2] Rahimo, M. et al. (2005). SPT+, The next generation of low-loss HV-IGBTs. Proc. PCIM, 361–366, Nürnberg, Germany.

[3] Yamada, Y. et al. (2007). Reliability of wire-bonding and solder joint for high temperature operation of power semiconductor

device, Microelectronics Reliability 47 2147–2151.

[4] Horio, M. et al. (2007). Investigations of high temperature IGBT module package structure. Proc. PCIM, Nürnberg, Germany.

[5] K. Guth, K., Mahnke, P.(2006). Improving the thermal reliability of large area solder joints in IGBT power modules. Proc. CIPS,

Naples, Italy.

14 АББ Ревю 3/2008



Маленькая точка может изменить мирСиловые технологии для IGCTТобиас Викстрем, Свен Клака

При улучшении характеристик, уменьшении размера и стоимости силовых электрон-

ных систем для обеспечения большей гибкости в разработке силовых электронных

устройств наблюдаются тенденции развития в сторону повышения тока и напряже-

ния. Среди всех устройств максимальной мощностью обладают запираемые тирис-

торы с интегрированным управлением (IGCT), но из-за больших размеров их слож-

нее всего переключать. Новая технология повышенной мощности (HPT) компании

АББ открывает путь к созданию IGCT с невиданными ранее характеристиками.



ключевого элемента, GCT и блока управления

затвором, который управляет смещением p-n

перехода между катодом (n) и затвором (p).

В открытом состоянии блок управления за-

твором обеспечивает небольшой прямой ток,

который поддерживает тиристор в защелкнутом

состоянии (рис. 1). Во время отключения блок

управления затвором смещает p-n переход

в обратном направлении, активируя канал от-

ключения (обозначен красным цветом на рис. 3).

Канал отключения представляет собой источник

напряжения с малой индуктивностью, смещен-

ный немного ниже точки отсечки p-n перехода.

Он принуждает ток катода втекать в цепь затвора

с уровнем, который определяется паразитным

сопротивлением цепи затвора (рис. 2 показывает

увеличение этого тока на время tcom

). Весь ток

нагрузки должен отводиться от катода, до тех

пор, пока устройство не заработает как p-n-p

транзистор.

Кроме управления полным анодным

током, блок управления затвором дол-

жен выполнять переключение менее

чем за 1 мкс. По истечении этого вре-

мени напряжение на IGCT начинает

нарастать (по истечении tcom

и tdesat

на рис. 2); для устойчивой работы

важно, чтобы прибор работал теперь

в режиме p-n-p транзистора.

Если взглянуть на IGCT, как на силовое

дискретное устройство, мы явно заме-

тим условия, налагаемые на скорость,

которые являются необходимым

условием устойчивой работы: огра-

ничение жесткого управления. Это

соответствует точке пересечения

графиков на рис. 4. Это характеризует

кремниевую пластину GCT, поскольку

разные пластины реагируют с разной

скоростью (tcom

+tdesat

), а также блок

управления затвором (tcom

), в связи

с паразитным сопротивлением.

Проблемы, возникающие в реальных устройствахПриборы с большой площадью крис-

талла порождают больше проблем

описанной ниже уникальной технологии повы-

шенной мощности (HPT) позволяет улучшить

этот параметр до 5,5 кА, что почти вдвое больше

старого значения. Реальные возможности HPT

превышают 7 кА.

С выпуском IGCT на основе технологии повышенной мощности, АББ представи-ла новую конструктивную особенность – волнистую p-базу.

IGCT в действииОбъяснение сублинейной зависимости RBSOA

кроется в деталях механизма отключения IGCT.

Упрощенная структура IGCT состоит из главного

Запираемый тиристор с интегрированным

управлением (IGCT) представляет собой сило-

вой полупроводниковый ключ, предназначенный

для применения в силовых электронных схемах

с максимальными уровнями мощности. Аналогич-

но тиристору, он позволяет коммутировать высо-

кую электрическую мощность с помощью одного

компонента. Благодаря такой возможности IGCT

используется в приводах среднего напряжения,

в межсистемных линиях электропередач, в ста-

тических компенсаторах реактивной мощности

(STATCOM), в полупроводниковых автоматичес-

ких выключателях и в преобразователях.

Первый IGCT, выпущенный в 1990-х годах на базе

запираемого тиристора (GTO), унаследовал ос-

новные конструктивные особенности стандарта

GTO (см. вставку на следующей странице). Основ-

ное отличие заключалось в режиме переключения

(жесткое управление) – тиристор отключался ис-

ключительно в режиме транзистора

p-n-p, как в IGBT1).

Поскольку структура p-n-p переклю-

чается более однородно, чем n-p-n-p

в GTO, возможна работа без защит-

ных снабберов и применение крем-

ниевых структур с малыми потерями.

В открытом состоянии IGCT ведет

себя, как защелкнутый тиристор,

что приводит к очень малым потерям

и предоставляет широкий простор

проектировщикам для адаптации его

свойств к текущему приложению.

Расширение диапазона безо-пасной работыОсновной проблемой технологии

IGBT всегда было улучшение его

отключающих способностей, описы-

ваемых областью устойчивой работы

при обратном смещении (RBSOA)2).

Показано, что в IGBT с небольшой

площадью RBSOA превышает зна-

чение 1 МВт/см2, что значительно

выше предела, при котором другие

параметры, такие как потери и стой-

кость к броскам тока, становятся

более ограниченными. Чем больше

становится площадь, тем меньше

становится способность управления

конкретной мощностью. Достаточно

точную оценку дает предположение

о том, что RBSOA изменяется про-

порционально корню квадратному

из площади устройства. Для наиболее

распространенных в настоящее

время IGCT компании АББ диа-

метром 4 дюйма (5SHY 35L4510)

заявленное значение RBSOA равно

3500 А при 2,8 кВ (пост.). Применение

1 Протекание тока (красные стрелки) в сегменте IGCT на разных этапах отключения. Фазы (а – г) показаны на рис 2.

a б в г

Затвор Катод

a Открытое состояние. Ток нагрузки протекает от анода к катоду, а блок управления затвором обеспечивает небольшой ток затвора.

б Блок управления затвором инициирует закрытие и начинает перенаправлять анодный ток в затвор.

в Переключение затвора завершено; те-перь весь ток нагрузки протекает через блок управления затвором в течение времени t

desat.

г Когда напряжение анод-катод дости-гает максимального значения, ток GCT уменьшается до нуля, что завершает процесс закрытия.

n

p

p

n

Анод

2 Напряжение и ток затвора и анода в процессе переключения

Ток анода

VAK

VGK

t

t

tcom

tdesat

VGK

VAK

,

IA, I

G

ТранзисторТиристор

a б в г

Ток затвора

1) Более подробно IGBT описаны в статьях

«Корпус с улучшенными характеристика-

ми» на с. 9 и «Переключение на лучшие

характеристики» на с. 19 этого номера

АББ Ревю.2) Область устойчивой работы (SOA)

определяется как ток и напряжение,

при которых устройство может работать

без повреждения. RBSOA – это диапазон

устойчивой работы прибора в закрытом

состоянии.

16 АББ Ревю 3/2008

Маленькая точка может изменить мир


Сегменты расположены на кристалле в виде

десяти колец. Контакт затвора имеет кольцевую

форму и расположен между сегментными коль-

цами пять и шесть.

Эти сегментные кольца неизбежно имеют

разное сопротивление относительно блока уп-

равления. Моделирование геометрии пластины,

корпуса и затвора показало разную паразитную

индуктивную нагрузку отдельных сегментных

колец в зависимости от номера кольца (рис.

5). Такой разбаланс возникает только из-за

характера протекания тока от пластины к блоку

управления. Учитывая, что активная площадь

сегментного кольца квадратично зависит от но-

мера кольца, ток внешних колец существенно

превышает ток внутренних. Поэтому следует

ожидать, что этот разбаланс влияет в первую

очередь на самые внешние кольца. Это под-

тверждается и экспериментами – подавляющее

большинство отказов RBSOA происходит в са-

мых внешних кольцах.

Этот разбаланс индуктивности возникает в ре-

зультате механических ограничений на конс-

трукцию корпуса IGCT. Следовательно, прибор

GCT неизбежно подвергается некоторому

перераспределению тока по мере прохождения

сигнала управления через пластину. Это вторая

причина, по которой увеличение площади созда-

ет дополнительные проблемы в работе IGCT –

самые дальние от затвора ячейки испытывают

большую нагрузку, связанную с паразитной ин-

дуктивностью. Единственным противодействием,

с точки зрения кремниевой технологии, является

изготовление пластины, менее чувствительной

к разбалансу сопротивления.

В приборе HPT IGCT компания АББ использовала

новую конструктивную особенность – вол-

в связи с более высоким током и более жесткими

требованиями к паразитному сопротивлению

цепи затвора.

На титульном рисунке этой статьи показан

новейший кристалл GCT на 5,5 кА с тысячами

соединенных параллельно сегментов GCT, кото-

рые должны работать синхронно друг с другом,

чтобы не допустить перераспределения тока.

Цепь запирания

3 Слева показана схема IGCT с блоком управления и внешними соединениями. Справа показан мощ-ный полупроводниковый прибор GCT.

IGCT

Внутренний источник питания (без гальв. развязки с силовой цепью)

Логичес-кий мони-

торинг

Цепь от-крытия

Блок управления

X1

CS

Передача

СИД1СИД2СИД3СИД4

Прием

SF

Источник питания (V

GN)

Команда (свет) Катод

Упр.

Анод

Информация о состоянии (свет)

GCT

4 Зависимость tcom

и tcom

+tdesat

для улучшенной технологии HPT (красный) и для обычной технологии (синий).

600

500

400

300

200

100

00 1000 2000 3000 4000 5000 6000

ITGQ

, А

5 Зависимость паразитной индуктивности отдельных сегментных колец на пластине GCT от места их расположения

6

5

4

3

2

1

Номер кольца (1 = самое внутреннее)

Вре

мя,

нс

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Обычный тиристор можно только открыть,

а закрыть в произвольный момент времени его

нельзя. Тиристоры открываются сигналом уп-

равления, но даже после снятия этого сигнала

тиристор остается в открытом состоянии до тех

пор, пока к катоду и аноду приложено напряже-

ние. В отличие от этого запираемый тиристор

(GTO) может закрываться сигналом управления

отрицательной полярности.

Открытие выполняется положительным импуль-

сом тока, подаваемым между управляющим

электродом и катодом. Для поддержания GTO

в открытом состоянии нужно поддерживать

небольшой положительный ток управляющего

электрода.

Запирание выполняется отрицательным

импульсом напряжения, подаваемым между

управляющим электродом и катодом. При этом

отводится от одной пятой до одной трети пря-

мого тока, что создает напряжение между ка-

тодом и управляющим электродом и переводит

GTO в запертое состояние. Фаза запирания

занимает некоторое время, пока из прибора

не будут выведены все носители заряда. Поэ-

тому максимальная частота переключения GTO

ограничена значением порядка 1 кГц.

Приборы GTO

tdesat

+ t

com, улучшенный блок управления

tcom

, улучшенный блок управления t

desat +

t

com, обычный блок управления

tcom

, обычный блок управления

Пар

азит

ная

инду

ктив

ност

ь це

пи у

прав

лени

я, н

Г

Контакт затвора




без параллельного или последовательного вклю-

чения.

С другой стороны, благодаря огромной от-

ключающей способности в сочетании с малым

падением напряжения в открытом состоянии

(как у тиристора), возникают дополнительные

возможности применения IGCT в качестве изно-

соустойчивых автоматических выключателей.

Более подробное описание продуктов IGCT и IGBT приведено в статье «Дело в полупроводниках» на с. 6 этого номера АББ Ревю.

Тобиас Викстрем,

Свен Клака

ABB Semiconductors


tobias. wikstroem@ch. abb. com


нистую p-базу. На рис. 6 показаны основные

характеристики этой технологии: в обычной

технологии диффузия p-базы выполнятся равно-

мерно в пределах всей пластины. В технологии

HPT нижний диффузионный p-слой маскируется

под пальцами катода. В результате p-база при-

обретает волнистую структуру. В совокупности

с новым блоком управления затвором она

оказывает сильное влияние на RBSOA. Удивитель-

но, что такая маленькая точка с пониженным

уровнем легирования может произвести такой

потрясающий эффект.

Новые возможности…Технология HPT применяется в асимметричных

IGCT на напряжение 4,5 кВ и 6,5 кВ. На рис. 7

показана новая конструкция IGCT с HPT компа-

нии АББ.

Применение технологии HPT позволило уве-

личить предел повреждения на 50 % при 125 °С

и на 80 % при комнатной температуре. IGCT

демонстрирует отрицательный температурный

коэффициент максимального управляемого то-

ка, а это означает, что этот прибор имеет теперь

характеристики, аналогичные IGBT (рис. 8).

Благодаря повышенной прочности, HPT IGCT спо-

собен выдержать режим переключения с самоог-

раничением (SSCM), который является серьезным

критерием прочности, применяемым в последние

несколько лет к IGCT.

… и перспективы будущего развитияКроме упомянутых выше непосредственных

преимуществ, эта новая технология обеспечивает

дальнейшее расширение возможностей IGCT.

■ IGCT на 10 кВ будет иметь конкурентоспособ-

ный ток запирания, сравнимый с современны-

ми приборами на 6 кВ.

■ В принципе HPT может обеспечить более

равномерный процесс запирания по диаметру

кристалла.

■ Считается возможным дальнейшее увеличение

диаметра кристалла.

Технология повышенной мощности IGCT способна выдержать переключения с самоограничением (SSCM), что является серьезным критерием прочности.

В свете этих преимуществ вполне вероятно,

что в ближайшем будущем более крупные при-

боры IGCT смогут коммутировать токи более

4 кА при постоянном напряжении более 6 кВ,

что позволит создать трехуровневые приво-

ды среднего напряжения мощностью 20 МВт

для 6 кВ электродвигателей переменного тока

7 Компания АББ выпускает новые приборы HPT IGCT на 4,5 кВ и 6,5 кВ

6 Структура и легирование обычной ячейки GCT (слева), и технологии HPT с волнистой p-базой (справа)

Затвор ЗатворЗатвор Затвор

n+ n+

n-n-

p- p-

p+ p+

8 Сравнение максимального тока запирания HPT с обычными спецификациями IGCT

Vпост.

= 2800 В, Ls = 300 нГ

HPT GCT

0 50 100 150

Tj, °C

I TGQ

M, к

А

8

6

4

2

Поскольку существует обычный эталон только на 4,5 кВ, здесь показаны результа-ты для этого эталона.

Спецификации 5SHY 35L4510

Катод Катод

18 АББ Ревю 3/2008



Два десятилетия назад простой на первый

взгляд вариант силового кремниевого

транзистора МОП начал изменять мир си-

ловой электроники – это был биполярный

транзистор с изолированным затвором

(IGBT). Эта революция продолжилась

в 1990-х годах и теперь вступила в новое

тысячелетие. IGBT обладает очень инте-

ресными характеристиками, объединяя

в себе структуры МОП и биполярного

транзистора и предлагая разработчикам

систем питания такие существенные пре-

имущества, как малые потери, высокое

входное сопротивление, позволяющее

использовать относительно небольшие

блоки управления затвором, стойкость

к коротким замыканиям и хорошие харак-

теристики отключения.

И хотя первые серийно выпускаемые

приборы IGBT выдерживали напряжения

не более 600 В и токи всего несколько

ампер, тенденции разработки были

направлены в сторону повышения

их мощности. Сегодня высоковольтные

IGBT и аналогичные по характеристикам

диоды (с номинальным напряжением

до 6,5 кВ) успешно работают в электро-

сетях постоянного тока напряжением

до 3,6 кВ. Кроме того, рассчитанные

на высокий ток модули IGBT с большим

числом параллельно объединенных

кристаллов используются во многих

установках с номинальными токами

до 3600 А. Благодаря своей способности

работать в широком диапазоне токов

и напряжений, приборы IGBT нашли

применение во множестве силовых

электронных установок, в числе которых

следует упомянуть электротранспорт,

высоковольтные ЛЭП постоянного тока

(HVDC) и промышленные электроприво-

ды. В настоящей статье представлены

современные тенденции развития IGBT

и диодов, которые позволили сделать

мощный скачок в сторону улучшения ха-

рактеристик этих устройств. Также в ста-

тье рассмотрены тенденции будущего

развития, направленные на дальнейшее

улучшение параметров диодов и IGBT.

Переключение на лучшие характеристикиЭволюция технологии IGBTМунаф Рахимо, Арност Копта


Время (500 нс/дел)Напряжение, В

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

30

25

20

15

10

5

0

-5

-10

-15

-20

-25

Vээ

Vкэ

Iк

SSCM

Vзэ,

В

5500

5000

4500

4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

0

5500

5000

4500

4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

0

Время

Область устойчивой работы согласно техническому описанию

SSCMIк, А

; Vкэ

, В

Ток,

А


критическую и недопустимую ранее фазу лавинно-

го пробоя и привела к значительному повышению

надежности. Таким образом, высоковольтные IGBT

смогли работать в новом режиме, получившем

название ключевого режима с самоограничением

(SSCM), в котором выбросы напряжения достигают

уровней, близких к напряжению статического

пробоя. Было показано, что IGBT прекрасно выдер-

живает эти условия, обладая при этом практически

прямоугольной областью устойчивой работы. Этот

режим работы демонстрируется диаграммами,

построенными для модуля IGBT RBSOA на 3,3 кВ/

1200 А, которые показаны на рис. 1a, и соответс-

твующей прямоугольной областью устойчивой

работы в координатах I/V на рис. 1б. Аналогичным

образом была расширена область устойчивой ра-

боты в режиме короткого замыкания и область ус-

тойчивого обратного восстановления для встречно

включенного диода.

SPT+: снижение потерь и расширение области устойчивой работыСледующей вехой было снижение общих потерь

IGBT и диодов без ухудшения упомянутых выше

характеристик. IGBT, созданные с применением

технологии SPT+, имели существенно меньшее

падение напряжения в открытом состоянии и од-

новременно обладали повышенной

стойкостью в режиме отключения,

значительно превышающей стой-

кость, обеспечиваемую технологией

SPT. Технология SPT+ компании АББ

позволила установить новые стан-

дарты производительности во всем

диапазоне напряжений IGBT от 1200

до 6500 В (рис. 2). Значения Vкэ (нас)

получены при той же плотности тока

и для тех же обратных потерь для каж-

дого класса напряжения. В последую-

щих разделах этой статьи на примере

высоковольтного модуля на 6,5 кВ по-

ясняются и демонстрируются характе-

ристики IGBT и диодов, построенных

с применением технологии SPT+.

характеристиками, чтобы обеспечить необхо-

димую коммутационную способность. Эти меры

включали снижение номинальных характеристик,

применение ограничителей напряжения, снаббе-

ров и больших сопротивлений в цепи затвора.

Технология SPT+ не только существенно снижает потери, но и расширяет область устойчивой работы по сравнению со стандартной технологией.

Внедрение новой концепции SPT (Soft Punch

Through), позволяющей использовать более тон-

кие слои кремния в сочетании с высокопрочной

планарной платформой, имеющей ячеистую струк-

туру, существенно повысило стойкость ячейки

к защелкиванию и позволило добиться снижения

потерь. Эти изменения способствовали также ре-

волюционному расширению области устойчивой

работы. Новая технология позволила выдерживать

Специалисты, работающие в сфере силовой

электроники, имеют обширный список поже-

ланий, направленных на улучшение электричес-

ких характеристик силовых полупроводниковых

устройств. Но, несмотря на тот факт, что IGBT

предлагает широкий диапазон привлекательных

характеристик, пользователи постоянно требуют

их дальнейшего улучшения. В последние годы

основной тенденцией развития силовых полупро-

водниковых приборов было повышение удельной

мощности для каждого конкретного приложения.

С точки зрения самого прибора существуют три

ограничения:

■ во-первых, общие потери в приборе;

■ во-вторых, границы области устойчивой рабо-

ты (SOA);

■ и, наконец, максимальная допустимая рабочая

температура перехода.

Кроме того, дополнительные ограничения связа-

ны с отводом мощности, рассеиваемой прибором.

Впрочем, эти проблемы затрагивают в основном

разработчиков корпусов и систем охлаждения.

Недавние исследования силовых полупроводни-

ковых приборов в компании АББ были направле-

ны, большей частью, на преодоление двух первых

ограничений, и особенно для высоковольтных

устройств.

SPT: революционное расши-рение области устойчивой работыТенденции развития IGBT и диодов

всегда были направлены на расши-

рение области устойчивой работы,

как того требуют многие силовые

электронные системы, работаю-

щие в жестких ключевых режимах.

До недавнего времени для пре-

одоления недостаточной стойкос-

ти – особенно в высоковольтных

устройствах – разработчикам ничего

не оставалось, кроме как ограничи-

вать себя некоторыми предельными

2 Снижение напряжения SPT+ IGBT в открытом состоянии Vкэ (нас) для номинальных напряжений до 6500 В

5.5

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.50 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000

Vкэ,

отк

р., В

Класс напряжения, В

SPT

SPT+

Высоковольтные IGBT

a Диаграммы напряжения и тока RBSOA

1 Модуль IGBT RBSOA на 3,3 кВ/1200 А при 125 °C (Vпост. = 2600 В, IК = 5000 A, R

З = 1,5 Ом, L

П= 280 нГ)

б Прямоугольная ВАХ для RBSOA

20 АББ Ревю 3/2008

Переключение на лучшие характеристики


нальный ток с 600 А для стандартного модуля

HiPak™ на 6,5 кВ до 750 А для новой версии SPT+.

Показанный на рис. 6 высоковольтный модуль

HV-HiPak™ на 6,5 кВ собран в стандартном

промышленном корпусе популярного размера

эмиттера регулируется с помощью первого пика

He++, расположенного внутри диффузионной

области p+. Для контроля концентрации плазмы

в области n-базы и на стороне катода, второй

пик He++ имплантируется глубоко в n-базу

со стороны катода. Таким образом обеспечивает-

ся двойной локальный профиль времени жизни,

как показано на рис. 4. Такой подход позволяет

обойтись без дополнительного гомогенного

контроля времени жизни в n-базе. Лучший комп-

ромисс между общими потерями диода и мягким

восстановлением достигается за счет более

оптимального распределения накопленной элек-

тронно-дырочной плазмы.

Высоковольтный модуль SPT+ HV-HiPak™ на 6,5 кВПотери нового прибора SPT+ IGBT на 6,5 кВ

в открытом состоянии примерно на 30 % ниже

по сравнению со стандартным прибором SPT.

Этот факт, в сочетании с повышенной стой-

костью SPT+ IGBT, позволил увеличить номи-

IGBT и диоды, созданные с применением технологии SPT+Улучшенные характеристики приборов IGBT,

созданных по технологии SPT+, достигаются

за счет улучшения конструкции планарной

ячейки и уже хорошо оптимизированной

вертикальной структуры, используемой в тех-

нологии SPT. Поперечное сечение SPT+ IGBT

показано на рис. 3. Планарная технология SPT+

использует расширенный слой n, окружающий

углубление p в ячейке IGBT. Слой n повышает

концентрацию носителей на стороне катода

IGBT, снижая тем самым падение напряжения

в открытом состоянии (VКЭ

, откр

) без заметного

повышения потерь в закрытом состоянии.

Дальнейшее снижение напряжения VКЭ

, откр

достигается путем снижения сопротивления ка-

нала за счет поперечного закорачивания канала

МОП. Оптимизируя форму расширенного слоя

n, область устойчивой работы в закрытом состо-

янии ячейки SPT+ можно расширить за пределы

и без того очень устойчивой ячейки SPT. Таким

образом, технология SPT+ не только существен-

но снижает потери, но и расширяет область ус-

тойчивой работы по сравнению со стандартной

технологией.

На рис. 4 показано поперечное сечение диода

SPT+. Технология изготовления диода SPT+ ис-

пользует метод двойного локального контроля

времени жизни для оптимизации формы накоп-

ленного заряда. Благодаря улучшенному распре-

делению заряда, можно снизить общие потери,

сохранив мягкие характеристики восстановления

стандартных диодов SPT.

В диодах SPT+ на стороне анода применяется

та же конструкция, которая использовалась

в стандартной технологии SPT, с сильно легиро-

ванным эмиттером p+. Эффективность анодного

3 Технология SPT+ IGBT

Эмиттер

Затвор

P P

Короткий канал

n-база

Коллектор

Расширенный слой n

P+

Буфер SPT

4 Технология диода SPT+

Анод

n-база

N+

n-буфер

Катод

P+

Время жизни носителей

5 Высоковольтный модуль HV-HiPak на 6,5 кВ на базе вновь разработанного кристалла SPT+.

6 Прямые характеристики SPT+ IGBT на 6,5 кВ (измеренные на уровне модуля)

1500

1250

1000

750

500

250

0

VКЭ

, В

I К, А

Tvj = 25 °C

Tvj = 125 °C

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Номинальный ток

7 Закрытие SPT+ IGBT на 6,5 кВ при номинальных режимах, измеренное на уровне модуля

800

700

600

500

400

300

200

100

0

-100

-200

5000

4500

4000

3500

3000

2500

2000

1500

100

500

0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

IК = 750 А, Vпост. = 3600 В, T

перехода = 125 °C, L

П= 280 нГ

Время, мкс

I К, А; 1

0*V З

Э, В

VКЭ

, В

VЗЭ

IК

VКЭ

Локальный контроль времени

жизни




при высоких напряжениях в главной

цепи и при наличии паразитных ин-

дуктивностей.

На рис. 8 показана кривая, описываю-

щая компромисс между падением на-

пряжения на IGBT в открытом состоя-

нии и потерями в закрытом состоянии

для SPT+, а также аналогичная кривая

для стандартного SPT IGBT. Измерения

выполнялись на уровне кристалла. Раз-

ные точки на технологических кривых

соответствуют IGBT с разными анод-

но-эмиттерными характеристиками.

Измерение выполнялось при токе кол-

лектора 25 А, который является номи-

нальным током для SPT IGBT. При рав-

ных потерях в закрытом состоянии

новый SPT+ IGBT продемонстрировал

примерно на 30 % меньшее падение

напряжения в открытом состоянии

(VКЭ

, откр

) по сравнению со стандарт-

ным кристаллом SPT. Конечная точка

на технологической кривой SPT+ IGBT

тщательно выбиралась из соображе-

ний компромисса между обратным то-

ком утечки и мягкостью отключения,

при сохранении хорошего баланса

между потерями переключения и про-

водимости.

Характеристики и потери диодаНа рис. 9 показаны характеристики

диода SPT+ на 6,5 кВ в прямом вклю-

чении. Благодаря улучшенному фор-

мированию областей проводимости

с применением схемы двойного

облучения He++, диод имел большой

положительный температурный

коэффициент VП уже при токах,

значительно ниже номинального.

При номинальном токе и температуре

125 °C диод имел типичное падение

напряжения при прямом смещении

3,5 В.

На рис. 10 показана кривая обратного

восстановления диода при номиналь-

ных режимах. Путем тщательного

подбора пика He++ со стороны като-

да удалось получить короткий, но по-

прежнему гладко затухающий бросок

тока. В номинальном режиме потери

восстановления диода составляют

2,8 Дж. Благодаря высокой стойкости

и мягкому характеру восстановления,

диод может переключаться с высоким

значением diП/dt, что значительно

снижает потери IGBT в открытом

состоянии.

190×140 мм. В нем используется

пластина основания из алюмини-

ево-кремниевого карбида (AlSiC),

обладающая превосходными харак-

теристиками теплового расширения,

необходимыми для применения

в электротранспорте, и изоляция

из нитрида алюминия (AlN), обеспе-

чивающая низкое тепловое сопро-

тивление. Высоковольтная версия

HV-HiPak, рассчитанная на класс

напряжения 6,5 кВ, обладает стой-

костью изоляции 10,2 кВ (ср. кв.).

Для проверки технических харак-

теристик кристаллов SPT+ на 6,5 кВ

и высоковольтного модуля HV-HiPak

были выполнены тщательные изме-

рения. Результаты этих измерений

представлены в данном разделе

статьи. Для динамических изме-

рений номинальное напряжение

линии постоянного тока составляло

3600 В, тогда как измерения области

устойчивой работы и переходных

характеристик выполнялись при на-

пряжении 4500 В.

Характеристики и потери IGBTХарактеристики SPT+ IGBT на 6,5 кВ

в открытом состоянии показаны

на рис. 6. Типичное падение на-

пряжения в открытом состоянии

(VКЭ

, откр

) при номинальном токе

и Tперехода

=125 °C равно 4,0 В. Уже

начиная с малых токов, SPT+ IGBT

демонстрирует положительный

температурный коэффициент

напряжения VКЭ

, откр

. Это позволяет

получить хорошие характеристики

распределения тока по отдельным

кристаллам модуля.

На рис. 7 показана кривая процесса

закрытия модуля HiPak на 6,5 кВ

при номинальных режимах, т. е.

при токе 750 А и напряжении

3600 В. В этих условиях полные

потери модуля достигают значе-

ния 5,2 Дж. Модуль закрывался

с помощью внешнего резистора

в цепи затвора (RЗ. выкл

), равного

15 Ом, что приводило к росту на-

пряжения со скоростью 2000 В/мкс.

Оптимизированная область n-базы

в сочетании с буфером SPT обеспе-

чивала плавный спад коллекторного

тока, что гарантировало мягкий

характер отключения без выбросов

и колебаний напряжения, даже

0 Обратное восстановление SPT+ на 6,5 кВ при номинальных режимах, измеренное на уровне модуля, E

восст = 2,8 Дж

1000

800

600

400

200

0

-200

-400

-600

-800

-1000

4000

3600

3200

2800

2400

2000

1600

1200

800

400

0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

IП = 750 А, V

пост. = 3600 В, T


П = 280 нГ

Время, мкс

V диод

а, В

I П, А

IП

8 Кривая поведения SPT+ IGBT на 6,5 кВ, полученная на уровне кристалла

240

220

200

180

160

140

120

100

3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2 5.4

Vпост.

= 3600 В, IК = 25 А, T


П= 6 мкГ, R

З. выкл = 33 Ом

SPT

VКЭ

, откр, В

E выкл

, мД

ж SPT+

9 Характеристики диода SPT+ на 6,5 кВ в прямом включении (измеренные на уровне модуля)

1500

1250

1000

750

500

250

0

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0

VП, В


Tvj = 25 °C

Tvj = 125 °C

I П, А

Окончательная конструкция SPT+

VКЭ

, откр меньше на 30 %

Vдиода

22 АББ Ревю 3/2008



может встретиться в реальных усло-

виях эксплуатации, даже в худшем

случае.

Благодаря высокой стойкости

ячейки SPT+ приборы IGBT могут

выдерживать длительный период

сильного динамического пробоя

в течение переходных процессов,

возникающих во время закрыва-

ния, и тем самым демонстрируют

превосходную область устойчивой

работы. Во время этого теста пиковая

мощность отключения достигала зна-

чения 11,7 МВт. В ходе стандартного

производственного тестирования все

модули подвергаются тесту на устой-

чивую работу в режиме отключения

с утроенными номинальным током

(2250 А), во время которого модули

испытывают динамический пробой.

Столь жесткий тест выполняется для того, чтобы

гарантировать высокое качество и надежность

всех выпускаемых высоковольтных модулей HV-

HiPak на напряжение 6,5 кВ.

На рис. 13 показан тест обратного восстановле-

ния диода в области устойчивой работы, выпол-

ненный на уровне модуля при прямом токе 750 А

(номинальный ток) и постоянном напряжении

4500 В. Благодаря характеристикам включения

IGBT, пиковая мощность диода достигает макси-

мального значения примерно при номинальном

токе и начинает снова спадать при больших

прямых токах. Коммутация диода выполнялась

с помощью внешнего резистора в цепи затвора

(RЗ,

откр) 1,2 Ом, причем скорость коммутации до-

стигала 7000 А/мкс, а пиковая мощность 9,0 МВт.

Отключение и обратное восстановлениеОдним из основных преимуществ нового SPT+

IGBT на 6,5 кВ является его исключительно

высокая стойкость в закрытом состоянии,

устанавливающая новые стандарты для этого

класса напряжения. На рис. 12 показана кривая

закрывания на уровне модуля, которая полу-

чена при отключении тока 2400 А (это более

чем в три раза превышает номинальный ток)

при постоянном линейном напряжении 4500 В

и температуре перехода 125 °C. Тест выполнялся

с внешним резистором в цепи затвора 1,0 Ом,

без применения каких-либо ограничителей

или снабберов. Паразитная индуктивность

в этом измерении составляла 750 нГ, что более

чем в два раза превышает значение, которое

Выходной ток модуляЧтобы оценить характеристики моду-

ля SPT+ на 6,5 кВ в реальных условиях

эксплуатации, было выполнено теп-

ловое моделирование выходного тока

в зависимости от частоты коммутации.

Результаты этого моделирования по-

казаны на рис. 11. SPT+ IGBT на 6,5 кВ

были оптимизированы для работы

с большими паразитными индуктив-

ностями и малыми частотами ком-

мутации. Для обеспечения гладкого

характера переключения IGBT проек-

тировался в расчете на относительно

высокую анодно-эмиттерную эффек-

тивность. Это повышает электронно-

дырочную концентрацию на анодной

стороне N-базы и обеспечивает гладко

затухающий выброс тока во время

отключения при наличии больших па-

разитных индуктивностей и высоких

постоянных напряжений. Это позволило создать

кристалл с малыми прямыми потерями и по-

вышенными потерями в закрытом состоянии,

который идеально подходит для малых частот

коммутации.

Одним из основных пре-имуществ нового SPT+ IGBT на 6,5 кВ является его исключительно высокая стойкость в закрытом со-стоянии, устанавливающая новые стандарты для этого класса напряжения.

A Зависимость выходного тока модуля SPT+ HiPak на 6,5 кВ от частоты коммутации

cos (π) = 0,85, Vпост.

= 3600 В, m = 1, T

окр. ср. = 40 °C, T

перехода = 125 °C, R

th (c-h) = 9,5 K7кВт

800

700

600

500

400

300

200100 1000

fкоммутации

, Гц

I вых, А

(ср.

кв.)

B Закрывание SPT+ IGBT на 6,5 кВ в области устойчивой работы, измерен-ное на уровне модуля, P

откл = 11,7 МВт

3000

2500

2000

1500

1000

500

0

-500

7000

6000

5000

4000

3000

2000

1000

0

IК = 2400 А, Vпост. = 4500 В, T


П= 750 нГ

Время, мкс

I К, А; 1

0*V З

Э, В

VЗЭ

VКЭ

IК

> 3 x Iном

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0


V КЭ, В

2000

1500

1000

500

0

-500

-1000

-1500

-2000

-2500

-3000

5000

4500

4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

0

IП = 750 А, V

пост. = 4500 В, T


П = 380 нГ

Время, мкс

IП

Vдиода

C Обратное восстановление диода SPT+ на 6,5 кВ в области устойчивой работы, измеренное на уровне модуля

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0

Pпик

= 9,0 МВт

I П, А

V диод

а, В




Область устойчивой работы в условиях короткого замыканияКривая тока короткого замыкания для модуля

SPT+ на 6,5 кВ показана на рис. 14. IGBT спроек-

тирован так, чтобы выдерживать короткое замы-

кание при VGE

= 15,0 В и температуре перехода

от – 40 °C до +125 °C. Необходимая стойкость

к короткому замыканию достигается за счет

оптимизации SPT буфера и повышения анодно-

эмиттерной эффективности.

Стойкость к броскам токаДля проверки стойкости диода SPT+ на 6,5 кВ

к броскам тока, модуль HiPak подвергся воз-

действию 100 токовых импульсов с амплитудой

9,9 кА и длительностью 10 мс (I2t = 523 кА2с),

как показано на рис. 15. После 100-го импульса

было выполнено повторное тестирование элект-

рических характеристик модуля, чтобы убедиться

в отсутствии ухудшений. В ходе последующего

теста на разрушение определялась способность

диода выдерживать одиночный бросок тока.

При этом пиковый ток диода достигал значения

12,3 кА, что соответствовало значению I2t равно-

му 705 кА2с перед отказом. Столь превосходная

стойкость к бросками тока достигнута благодаря

сильно легированному p+ эмитеру и малому

падению напряжения в открытом состоянии,

полученному за счет оптимального распределе-

ния плазмы, сформированного схемой двойного

облучения He++.

Тенденции развитияПо мере совершенствования современных IGBT

и диодов разработчики полупроводниковых

устройств сталкиваются с тем, что дальнейшее

улучшение характеристик IGBT с помощью

традиционных методов оптимизации плазмы

и снижения толщины кремния становится все бо-

лее затруднительным. Сегодня, основные усилия

разработчиков направлены на возрождение IGBT

с обратной проводимостью (RC IGBT), которые

сочетают в одной структуре свойства IGBT и ди-

ода, что позволяет обеспечить более высокую

мощность в заданном объеме (т. е. для заданного

размера модуля). Потенциальные возможности

такой технологии весьма велики.

Наиболее важная характеристика, а именно максимальная пропускаемая мощность устройства (SOA), была поднята до такого уровня, при котором IGBT теоретически могут работать с токами, значительно превышающими номинальные токи современных систем.

Кроме того, все большее внимание уделяется

максимальной температуре перехода. Тот факт,

что наиболее важная характеристика, а именно

максимальная пропускаемая мощность устройс-

тва (SOA), была поднята до такого уровня, при ко-

тором IGBT теоретически могут работать с тока-

ми, значительно превышающими номинальные

токи современных систем, дополнительно стиму-

лирует расширение температурного диапазона.

Поскольку выходная мощность пропорциональна

разности температур (∆T) между переходом

кристалла и охлаждающей средой, повышение

допустимой температуры полупроводника при-

водит к немедленному повышению плотности

мощности для устройства заданной площади.

Таким образом, повышение температуры на 25 °C

повышает номинальную мощность на 25–35 %,

в зависимости от условий охлаждения.

Более подробная информация о IGBT приведена

в статье «Корпус с улучшенными характеристика-

ми» на с. 9 этого выпуска АББ Ревю.

Мунаф Рахимо

Арност Копта

ABB Semiconductors


munaf. rahimo@ch. abb. com

arnost. kopta@ch. abb. com

D Характеристики SPT+ IGBT на. 6,5 кВ в условиях короткого замыкания, измеренные на уровне модуля.

6000

5000

4000

3000

2000

1000

0

-1000

Vпост.

= 4500 В, Tперехода

= 125 °C, LП = 280 нГ

Время, мкс

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

VЗЭ

VКЭ

IК

V КЭ, В

; IК, А

; 10*

V ЗЭ, В

E Бросок тока диода SPT+ на 6,5 кВ, измеренный на уровне модуля.

12.0

10.0

8.0

6.0

4.0

2.0

0.0

12000

10000

8000

6000

4000

2000

0

Tперех. начальная

= 125 °C, TК = 125 °C, t

p = 10 мс

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0

Время, мкс

V П, В

I ПБ, А

IПБV

П

24 АББ Ревю 3/2008


Приводы

Подсчитано, что электродвигатели, ко-

торые являются «рабочими лошадками»

современной индустрии, потребляют

65 % всей электроэнергии. Они довольно

эффективно преобразуют электрическую

энергию в механическую. Но примерно

20 процентов последней теряется в энер-

гоемких механизмах дросселирования,

которые широко используются в техно-

логических процессах. На их энергообес-

печение уходит значительная часть всей

потребляемой энергии и поэтому даже

небольшое снижение скорости электро-

двигателя может привести к значительной

экономии. Наиболее эффективное управ-

ление электродвигателями обеспечивают

приводы переменного тока.

Современные технологические достиже-

ния, особенно в области силовой элек-

троники, позволяют создавать приводы

перемененного тока для электродвига-

телей мощностью от 100 Вт до 100 МВт.

В настоящее время заказчики настойчиво

требуют повышения функциональности

своего оборудования. Во многих случаях

его можно достичь за счет использования

приводов с микропроцессорными конт-

роллерами. На базе таких контроллеров

можно реализовать большое количество

специализированных решений по управ-

лению различным оборудованием – от на-

сосных установок до прокатных станов.

Уздечка для рабочей лошадкиПриводы переменного тока от АББ всегда впереди по коэффициенту полезного действия и эффективности управления электродвигателямиПедер Йорг, Пану Виролайнен, Роелоф Тиммер


электродвигателя. Кроме того, они способны

компенсировать эластичность механизмов, га-

сить колебания, автономно координировать свою

работу с другими приводами и даже управлять

вспомогательным оборудованием.

Преобразование электрической энергииПринцип работы электродвигателя переменного

тока (устройства, преобразующего электричес-

кую энергию в механическую) основан на явле-

нии электромагнитной индукции. Напряжение

в обмотках статора вызывает появление элект-

рического тока и магнитного потока. Изменение

полярности напряжения приводит к изменению

направления этого потока. Если полярность на-

пряжений в обмотках трехфазного электродвига-

теля меняется в правильной последовательности,

магнитный поток в электродвигателе начинает

закручиваться, и ротор начинает вращаться вслед

за магнитным потоком. Управление двигателем

осуществляется с помощью преобразователя

частоты, основной принцип работы которого

заключается в изменении частоты и амплитуды

напряжения электросети, значения которых

при прямом подключении двигателя являются

фиксированными.

Однако на практике управление электродвига-

телем переменного тока осуществляется более

сложным образом. Ситуацию усложняют токи

ротора, возбуждаемые магнитным потоком.

Кроме того, на управление влияют внешние

факторы, такие как изменение температуры

или нагрузки на валу. Однако сегодняшние тех-

нологии позволяют успешно бороться с этими

трудностями.

Все современные приводы переменного тока

АББ построены на основе инверторной техно-

логии. В их состав входят каскад выпрямителя,

шина постоянного тока и каскад инвертора

(рис. 2). Выпрямитель преобразует трехфазный

ток промышленной частоты 50 Гц в постоянный

ток, поступающий в шину постоянного тока

через фильтр, которой сглаживает пульсации,

благодаря чему напряжение постоянного тока

стабилизируется. Затем каскад инвертора пре-

образует постоянное напряжение в переменное

с изменяющейся частотой и амплитудой. В опре-

деленный момент времени каждая фаза электро-

двигателя подключается или к положительной,

или к отрицательной шине постоянного тока.

Последовательность коммутации определяется

интеллектуальной системой управления элект-

родвигателем.

Основными объектами управления систем

автоматизации промышленного, ком-

мерческого и бытового назначения являются

электродвигатели. Фактически они потребляют

примерно 65 % производимой в мире электро-

энергии. Электродвигатели бывают двух типов:

переменного и постоянного тока. Примерно три

четверти из них приводят в движение насосы,

вентиляторы и компрессоры. В промышленности

в основном применяются электродвигатели

переменного тока с короткозамкнутым рото-

ром. Однако при использовании прямого пуска,

то есть при подключении непосредственно

к электросети, такие электродвигатели будут вра-

щаться с постоянной частотой. Для сокращения

энергопотребления частоту вращения необходи-

мо регулировать.

Эту задачу выполняют приводы переменного тока

с регулируемой частотой вращения или частот-

но-регулируемые приводы. Данные устройства

нашли широчайшее применение во всех отраслях

промышленности, таких как цементная, хими-

ческая, целлюлозно-бумажная, металлургическая

и нефтегазовая. Так, на целлюлозно-бумажных

и химических заводах энергопотребление

электродвигателей может зависеть от условий

технологического процесса, изменяющихся

в зависимости от времени суток, дня недели

или времени года.

В этом случае применение высокоэффективных

приводов переменного тока является идеальным

решением. Благодаря им экономия на оплате

счетов за электроэнергию может достигать 60 %!

По оценке компании АББ, в диапазоне среднего

напряжения внедрение таких приводов для ре-

гулирования скорости насосов, вентиляторов

и компрессоров по всему миру может дать эко-

номию 227 ТВтч, что соответствует мощности

144 электростанций, работающих на ископаемом

топливе, или совокупному потреблению энергии

такой страны, как Испания1).

Компания АББ занимает первое место в мире

по выпуску приводов с регулируемой частотой

вращения (16 % мирового производства) (рис. 1).

Их дальнейшее усовершенствование происходит

на основе тщательно отобранных специалис-

тами АББ новейших научно-исследовательских

и производственных достижений в области

силовой электроники. Все они адаптируются

и развиваются для того, чтобы открываемые

возможности перекрывали требования конкрет-

ных приложений. Например, преобразователи

напряжения, которыми оснащены все приводы

АББ, построены по принципу инвертора напря-

жения и используют высокоэффективный способ

управления – непосредственное регулирование

крутящего момента (DTC), применяющийся

как для асинхронных электродвигателей низкого

напряжения, так и для синхронных электродви-

гателей среднего напряжения.

Приводы переменного тока нашли широчайшее при-менение во всех отраслях промышленности, таких как цементная, химическая, целлюлозно-бумажная, металлургическая и нефте-газовая.

Благодаря технологическим достижениям про-

изводители приводов получают возможность

расширять возможности своей продукции за счет

добавления новых полезных функций. Являясь

лидером в автоматизации производственных

процессов, компания АББ уделяет особое внима-

ние усовершенствованию специальных функций

управления. Например, приводы от АББ не толь-

ко управляют скоростью вращения по внешнему

сигналу, но также связывают её с нагрузкой

Приводы

1) Предполагая, что средняя электростанция работает

с мощностью 350 МВт в течение 4500 ч в год.

1 Более 40 лет компания АББ занимает лидирующие позиции в производстве приводов

Начало выпуска приводов пере-

менного тока

Первый ШИМ-привод боль-

шой мощности

Шестикратное уменьшение

размера

Привод с мно-гоуровневым

преобразовате-лем частоты

Сервопривод переменного тока среднего напря-

жения

Первый привод с цифровым

векторным уп-равлением

Инверторный привод для синх-ронного электро-

двигателя

DTC

Новаторские достижения АББ

1969 1975 1985 1995 19992002

2005

2006

Уздечка для рабочей лошадки

26 АББ Ревю 3/2008

Приводы

2 Чтобы вектор магнитного потока был направлен, как показано на схеме, ключи V1, V4 и V5 должны быть замкнуты. Чтобы поток вращался против часовой стрелки, ключ V6 должен быть замкнут, а V5 – разомкнут. Если ключ V5 не разомкнется, цепь будет замкнута накоротко. Поток повер-нется на 60° против часовой стрелки

Каскад вы-прямителя

U, 3 ~

+

-

C

V1

V2

V3

V4

V5

V6

Шина посто-янного тока

Каскад инвертора

Преобразователь частоты Электродвигатель

Ψ

3 Простые, но энергозатратные и неоптимальные способы регулирования

Дросселиро-вание

■ Простая конструкция

■ Сложность достижения оптимальной производительности

■ Для повышения производительности требуется перестроить систему

■ Управление путем дросселирования, рециркуляции, пуска и останова

■ Опасность повреждения при первом пуске

■ Высокие эксплуатационные расходы

БайпасированиеДвухпозиционное

регулирование

Насосные установки

M M M

На рисунке 2 показан базовый (двухуровневый)

инвертор. Он оптимально подходит для преобра-

зования напряжений переменного тока до 1 кВ.

Для работы с более высокими напряжениями

базовые инверторы следует объединять в более

сложные цепи. Например, за последние десять

лет в диапазоне среднего напряжения стандарт-

ным решением стало применение трехуровневых

инверторов. Недавно компания АББ приступила

к выпуску пятиуровневых преобразователей

частоты, обеспечивающих еще более высокое

выходное напряжение. Эта новинка, позволяю-

щая приблизить форму выходного напряжения

к идеальной синусоиде и максимально повысить

надежность установки, опирается на проверен-

ные концепции и компоненты [2].

Вне зависимости от количества базовых инвер-

торов, последовательность коммутации выход-

ных уровней определяется разработанной АББ

высокоэффективной схемой управления DTC.

Контроллер создает виртуальную копию элект-

родвигателя, благодаря которой он всегда знает

текущий угол поворота ротора. Действуя по за-

ложенной программе, контроллер коммутирует

выходные напряжения соответствующей поляр-

ности, обеспечивая постоянное вращение элек-

тродвигателя. Среди множества преимуществ

данного решения главным является простота его

внедрения в оборудование любой мощности.

Упрощение способов регулирования частоты вращенияВ настоящее время преобразователями частоты

оснащено только десять процентов ежегодно

продаваемых в мире электродвигателей во всех

диапазонах мощности, и это несмотря на зна-

чительные преимущества, обеспечиваемые

регулированием частоты вращения. Но выгоды

от уменьшения потребления энергии техноло-

гическим процессом перевешивают кажущееся

удобство и простоту существующих способов ре-

гулирования расхода, таких как дросселирование

или байпасирование (рис. 3). На первый взгляд

построенные на их основе устройства дешевле

и проще, то есть экономически эффективнее.

Тем не менее, у них много недостатков. Начнем

с того, что подобное простое регулирование

не позволяет достичь оптимальной произво-

дительности процесса. Обычно для увеличения

производительности процесс требуется пере-

строить полностью.

Компания АББ занима-ет первое место в мире по выпуску приводов с регулируемой частотой вращения (16 % мирового производства).

При этом возрастает не только общая сто-

имость эксплуатации, но и издержки, вы-

зываемые простыми в установке, но крайне

неэффективными с энергетической точки

зрения устройствами дросселирования и бай-

пасирования. Представьте, что управляя авто-

мобилем, вы положили на педаль газа кирпич

и регулируете скорость педалью тормоза.

То же самое происходит, когда насос работает

на полной скорости, а расход регулируется

дросселем: значительная часть энергии расхо-

дуется впустую. Фактически потери при работе

электродвигателей на постоянной скорости

и механическом регулировании расхода на-

столько велики, что в промышленно развитых

странах для их компенсации потребовалось бы

построить несколько дополнительных элект-

ростанций.

Если управление электродвигателем производит-

ся без участия преобразователя частоты, то его

нагрузочная характеристика не может быть из-

менена. Двигатель будет развивать определенный

момент вращения на определенной скорости,

а максимально возможного момента он не до-

стигнет. Для достижения более высокой произво-

дительности установки потребуется установить

более мощный двигатель.

Больше, чем просто регуляторПомимо своей основной роли, регуляторов

скорости, приводы переменного тока обладают

рядом характеристик и функций, позволяющих

оптимизировать управление технологическим

процессом. Они включают:

■ Входы и выходы для сигналов диагностики

и управления

■ Функция реверсирования

■ Управление временем торможения и уско-

рения

■ Задание напряжения и частоты для управления

развиваемым моментом

■ Форсирование развиваемого момента

■ Уменьшение механических вибраций

■ Ограничение нагрузки для предотвращения

поломок

■ Постоянная экономия энергии

■ Предотвращение опрокидывания ротора

■ Компенсация проскальзывания приводных

ремней

■ Режим подхвата

Эти и многие другие функции облегчают

применение приводов для выполнения самых

разных задач. Опираясь на сорокалетний опыт

работы в области управления производствен-

ными процессами, компания АББ разработала

функции, позволяющие пользователю опреде-

лять оптимальную скорость электродвигателей

и эффективно предотвращать нарушения хода

процесса. Данными функциями обладают при-

воды АББ любой мощности. Таким образом,

независимо от размера или назначения приво-

дов, все они экономят энергию с максимальной

эффективностью!



Приводы

По прогнозам АББ в ближайшее десятилетие

повышение плотности монтажа электронных

элементов и их встраивание в механические

узлы приведет к уменьшению числа компонентов

привода. А чем меньше компонентов, тем меньше

электрических и механических соединений,

а следовательно – выше надежность!

В ближайшее десятилетие повышение плотности монтажа электронных элементов и их встраивание в механические узлы приведет к уменьшению числа компонентов привода.

Возьмем, например, полупроводниковые ключи,

являющиеся основными компонентами преобра-

зователя частоты (рис. 2). Они полностью поме-

щаются на тонком прямоугольном кремниевом

кристалле (от 1 до 2 см2) или круглой кремни-

евой пластине диаметром от 3 до 10 см. Сигнал

управления, подаваемый на вход прибора, либо

запирает выход транзистора (подобно размыка-

нию механического контакта), либо разрешает

прохождение тока в выходной цепи (подобно

замыканию механического контакта). Идеаль-

ным решением будет объединение отдельных

полупроводниковых ключей в одну интеграль-

ную схему, которую затем можно установить

в любое устройство.

Управлять этой комбинацией полупроводнико-

вых ключей с помощью микропроцессора так же

легко, как распечатывать данные на принтере.

В то же время микропроцессоры управляют

электродвигателем, контролируют и регулируют

механическую нагрузку, обмениваются данными

с внешней системой автоматизации.

Развитие силовых полупроводниковых прибо-

ров – главный фактор, влияющий на будущее

приводов переменной частоты. Но другим

важным фактором является используемая

технология охлаждения. Хотя скорее всего воз-

душное охлаждение сохранит свои лидирующие

позиции, значительные усилия исследователей

направлены на поиск новых решений. Например,

достижения в цифровом компьютерном модели-

ровании позволяют разрабатывать новые радиа-

торы, обеспечивающие более эффективный от-

вод тепла. Кроме того, ученые ведут поиск новых

материалов, придумывают более эффективные

способы передачи тепла радиатору от силового

модуля, а также оптимизируют производитель-

ность вентилятора с помощью регулирования

частоты его вращения.

В ветрогенераторах, транспортерах и морских

установках, а также оборудовании, работающем

во влажной или запыленной атмосфере, все

более широкое применение находит жидкостное

охлаждение.

Заметным технологическим достижением АББ

стала платформа управления электродвигате-

лями DTC. Запущенная в производство 14 лет

назад, DTC продолжает оставаться основной

платформой управления приводами АББ. Вы-

полняемые в настоящее время исследования

заключаются в компьютерном моделировании

поведения электродвигателя с целью:

■ дальнейшего повышения КПД;

■ усиления устойчивости к внешним факторам;

■ расширения функций диагностики электро-

двигателя.

Развивая технологииСовременные технологические достижения

позволили снизить стоимость приводов с пе-

ременной частотой вращения и превратить

их в экономичную альтернативу механическим

регуляторам. Не останавливаясь на достигнутом,

исследователи и конструкторы продолжают

свою работу, делая приводы всё более компакт-

ными и недорогими. Но конечно, размеры – это

не самое главное. Инженеры и ученые стремятся

повысить интеллектуальные и коммуникацион-

ные возможности приводов, облегчить их мон-

таж и упростить управление. Таким приводам

будут по плечу совершенно новые задачи.

Приводы ACS800-02 мощностью от 90 до 150 кВт в шесть раз компактнее аналогичных приводов других производителей

Насосы для чистой воды на водопроводной станции Питательный насос на электростанции комбинированного цикла

28 АББ Ревю 3/2008


Приводы

процесса. Кроме того, на его основе можно по-

высить коэффициент готовности оборудования

за счет оптимизации его применения и прогно-

зирования неисправностей.

Развитие силовой электроники – важнейший фактор, определяющий будущее приводов с регулируемой частотой вращения.

Таким образом, будущее приводов переменного

тока от АББ выглядит вполне благополучно.

Постоянно совершенствуемые приводы с регу-

лируемой частотой вращения от АББ способны

управлять электродвигателями переменного

тока мощностью от 100 Вт до 100 МВт. Быстрое

распространение инновационных технологий

для оборудования любой мощности в скором

времени позволит предложить заказчикам

из промышленного сектора еще более совершен-

ные решения.

Педер Йорг

ABB Medium Voltage Drives

Турги, Швейцария

pieder. joerg@ch. abb. com

Пану Виролайнен

ABB Low Voltage Drives

Хельсинки, Финляндия

panu. virolainen@fi. abb. com

Роелоф Тиммер

ABB Automation Technologies

Хельсинки, Финляндия

roelof. timmer@fi. abb. com


[1] П. Викстрём, Ю. Толвананен, А. Саволайнен, П. Бар-

боза. Эффективный привод, как средство экономии

энергии. АББ Ревю 2/2007, сс. 73–80.

[2] П. Йорг, Г. Шейер, П. Викстрём. Повышение эффек-

тивности использования энергии. АББ Ревю 4/2007,

сс. 26–31.

Дополнительная информация

ABB Review Special Report Motors and Drives (2004).

Высокоэффективные системы DTC широко

применяются для решения новых задач, предъяв-

ляющих повышенные требования к управлению

вращением.

Приводы и коммуникацииБлагодаря развитию Ethernet-технологий приво-

ды стали составной частью систем диспетчерс-

кого управления. Широкополосный Ethernet поз-

воляет интеллектуальным приводам передавать

большие объемы контрольной информации.

Помимо нее, приводы могут собирать данные

о состоянии управляемого ими процесса.

К тому же большой выигрыш достигается

за счет применения программного обеспечения

DriveMonitorTM, способного анализировать дан-

ные в реальном масштабе времени и оповещать

оператора текстовыми сообщениями, а также

при необходимости собирать дополнительные

сведения о состоянии привода. Детальный анализ

подобных данных используется для более точной

регулировки и повышения производительности

Самый большой и самый маленький приводы от АББ: ACS5000 высотой 2,2 м и шириной 6,5 м (а) и ACS55 (б)

a б

Рольганг для перемещения заготовок в литейно-прокатном производстве

2,2

м



Приводы

Применение приводов позволяет сокра-

тить потребление энергии. Особенно

это касается процессов, требующих

регулирования скорости. Здесь частотно-

регулируемые приводы помогут добиться

значительной экономии, поскольку элект-

родвигатель получает от них напряжение

и ток, необходимые для достижения тре-

буемой скорости. Это гораздо эффектив-

нее традиционных методов, при которых

двигатель вращается с постоянной ско-

ростью, а регулирование расхода дости-

гается изменением положения заслонки

или вентиля.

Однако экономия становится очевидной

только при длительной эксплуатации

оборудования, поэтому многие заказчики

предпочитают отказаться от данной тех-

нологии из-за высоких первоначальных

затрат. Что же можно сделать для их со-

кращения?

Ответ от АББ – объединение множества

отдельных приводов в один многоканаль-

ный. Обычно каждый привод имеет вы-

прямитель и инвертор. Выпрямитель пре-

образует переменной ток в постоянный,

а инвертор преобразует постоянный ток

в переменный, требуемой частоты и на-

пряжения. Очевидно, что для управления

каждым электродвигателем необходим от-

дельный инвертор. Но вместо множества

отдельных выпрямителей можно исполь-

зовать один, большей мощности. В этом

и заключается основной принцип системы

Multidrive.

Игра в командеПрименение многоканальных приводов Multidrive с активными выпрямителями в цементной и горноперерабатывающей промышленностиРольф Хоплер, Урс Майер, Даниеэль Риф, Леопольд Блахаус

30 АББ Ревю 3/2008

и входом электродвигателя. Основная задача кас-

када выпрямителя – поддержание стабильного

уровня постоянного напряжения. Простейший

выпрямитель состоит из диодов. В этом слу-

чае для ускорения электродвигателя пределов

не существует, но возможности по торможению

ограничиваются кинетической энергией элект-

родвигателя и приводимого им в движение обо-

рудования. Единственным местом, через которое

может протекать энергия, является конденсатор

на шине постоянного тока, и в результате напря-

жение на нем возрастает. Стандартным решением

в ситуациях, требующих работы в четырех квад-

рантах, стало применение тормозного прерыва-

теля. Он разряжает конденсатор через тормозной

резистор, в результате чего излишек механичес-

кой энергии рассеивается в виде тепла. Очевид-

но, что подобный подход не очень эффективен

для применений с частыми торможениями.

С технической точки зрения наиболее привлека-

тельной альтернативой является применение вы-

прямителя, построенного не на диодах, а на IGBT.

Подобное решение позволяет во время торможе-

ния преобразовывать механическую энергию на-

грузки в электрическую энергию, используемую

для питания других потребителей

данной сети (см. рис. 2). На этой

схеме сверхбыстродействующие IGBT

показаны в виде ключей.

Основной недостаток данного реше-

ния заключается в том, что если каж-

дый частотно-регулируемый привод

снабдить индивидуальным активным

выпрямителем, то стоимость таких

приводов будет значительно выше,

чем при использовании диодных

выпрямителей.

Но несколько установленных рядом

частотно-регулируемых приводов мо-

гут быть объединены в многоканаль-

ную систему с общим выпрямителем:

6- или 12-фазным или активным.

В этом случае применение активного

выпрямителя станет эффективно

не только с технической, но и с эко-

номической точки зрения.

Принцип построения многока-нального приводаСтруктурная схема многоканального

привода показана на рис. 3. Основная

идея заключается в использовании

общего 6- или 12-фазного или актив-

ного выпрямителя для питания всех

отдельных инверторов. Поскольку

управление каждым инвертором осу-

ществляется отдельно, то они могут

отличаться друг от друга по мощности

На цементных и горноперерабатывающих пред-

приятиях обычно применяются многоканальные

приводы низкого напряжения.

Несколько установленных рядом частотно-регулиру-емых приводов могут быть объединены в многока-нальную систему с общим выпрямителем: 6- или 12-фазным или активным. В этом случае применение активного выпрямителя станет выгодным не только с технической, но и с эко-номической точки зрения.

В зависимости от применения контур управ-

ления электродвигателем может замыкаться

или размыкаться между выходом инвертора

В цементной и горноперерабатывающей

отраслях существует множество задач, тре-

бующих применения большого числа приводов,

расположенных в непосредственной близости

друг от друга. Кроме того, для решения боль-

шинства или всех задач желательно применять

именно частотно-регулируемые приводы. Одна-

ко в большинстве случаев от данных приводов

отказываются, поскольку они требуют более вы-

соких начальных затрат, а экономия от их при-

менения проявляется только со временем.

Кроме того, приводы с регулируемой частотой

вращения создают гармоники в электросети,

для подавления которых могут потребоваться

пассивные или активные фильтры. Необходимо

тщательно продумать меры, позволяющие пре-

дотвратить резонансные явления, вызванные

гармониками от регулируемого привода, пос-

кольку они могут привести к крайне негатив-

ным последствиям.

Применение многоканальных приводов пере-

менной частоты там, где это позволяет техноло-

гический процесс, дает возможность преодолеть

многие из этих трудностей, ведь компенсировать

реактивную мощность для одного устройства

легче, чем для нескольких. Тем самым

значение реактивной мощности

становится даже меньше, чем при ис-

пользовании электродвигателей, ра-

ботающих на постоянной скорости.

Многоканальное регулирова-ние скоростиСовременные приводы переменной

частоты малой и средней мощности

как правило построены по принципу

регулирования напряжения и час-

тоты (VVVF). На рисунке 1 показан

принцип работы базового привода

переменной частоты с одним инвер-

тором.

Первый каскад выпрямляет трех-

фазное напряжение сети питания.

Установленный между каскадами вы-

прямителя и инвертора конденсатор

на шине постоянного тока сглаживает

пульсации выходного напряжения

выпрямителя.

В низковольтных установках, где

действующее (среднеквадратическое)

напряжение составляет 400 – 690 В,

инверторы построены на биполяр-

ных транзисторах с изолированным

затвором (IGBT), поддерживающих

очень высокую частоту коммутации,

что позволяет быстро изменять ско-

рость двигателя в соответствии с усло-

виями технологического процесса.

Приводы

1 Базовый привод переменного напряжения и частоты

Мониторинг

Электро-сеть

Электро-двигатель

ИнверторШина пост. тока

c U

V1 V3 V5U1V1 M 3 ~w

V4 V6 V2

Выпрями-тель

L1

Ulin

UDC

Uou

L +

-

L2

L3

УправлениеЭлектронное управление:

команды, мониторинг, связь

2 Преобразователь частоты с IGBT-выпрямителем и инвертором

Потребляемая мощность

Рекуперация

Трехфазная сеть

Мониторинг

LCL фильтр

Активный выпря-митель с IGBT

Промежуточ-ный каскад

Инвертор с IGBT

M ~

Uou

UDC

UDC

Ugen

Ulin

Uou

Ulin

C

Управление


Игра в команде

Приводы

вод в виде емкостной или индуктивной нагрузки

электросети. На рис. 4 выпрямитель проявляет

себя в качестве емкостной нагрузки для питаю-

щей трехфазной сети.

Это означает, что активный выпрямитель

может быть использован для компенсации

реактивной мощности односкоростных элект-

родвигателей.

Низкий уровень гармоникВ частотно-регулируемых приводах малой

мощности используются только шестифазные

диодные выпрямители. Форма входного тока

6-фазного диодного выпрямителя сильно ис-

кажается (рис. 5), но при использовании IGBT-

выпрямителя она становится близка к идеальной

синусоиде (рис. 6).

Таким образом, многоканальные приводы с ак-

тивными выпрямителями практически не вносят

искажений в сеть питания. Следует заметить,

что низкий коэффициент гармоник тока актив-

ного выпрямителя достигается без использова-

ния возможностей трехфазного трансформатора

(который помогает уменьшить гармоники

при использовании с 12-фазным диодным вы-

прямителем).

Многоканальные приводы с регулируемой частотой вращения превосходно подходят для охладителей клинкера, поскольку надлежащее охлаждение

обеспечивается только при непрерывном регулировании расхода воздуха.

Фильтр L-C-L обеспечивает необ-

ходимое сглаживание и дополни-

тельных фильтров не требуется.

Допустимый стандартами уровень

гармонических искажений питаю-

щей сети обеспечивается установкой

простого трансформатора с двумя

обмотками. Таким образом, транс-

форматор преобразователя стано-

вится проще по двум причинам:

Дополнительные преимущества Multidrive

Эффективное использование активной энергииКак уже было указано, относительная цена вы-

прямителя на IGBT меньше, а значит, уменьша-

ются и инвестиционные расходы. Если требуется

работа в четырех квадрантах, то выпрямитель

на IGBT позволяет рекуперировать механичес-

кую энергию торможения электродвигателя

и приводимого им в движение оборудования,

а не рассеивать ее на тормозных резисторах.

Потребление реактивной мощностиАктивный IGBT-выпрямитель подает напряжение

питания на инвертор и может сдвигать фазу тока

и напряжения электросети. Другими словами, он

может представить частотно-регулируемый при-

и назначению. В многоканальном приводе, не-

зависимо от типа применяемого выпрямителя,

торможение двигателя может осуществляться

через общую шину постоянного тока. Показан-

ный на рис. 3 выпрямитель – диодный. Но даже

если в многоканальном приводе вместо него

установить активный IGBT-выпрямитель, то это

обойдется дешевле, чем отдельные частотно-

регулируемые приводы с индивидуальными

выпрямителями.

На рис. 3 диодный выпрямитель подключен

к трехфазному трансформатору. В такой схеме

уровень гармоник ниже, чем при использо-

вании 12-фазного диодного выпрямителя.

Определенное резервирование достигается

за счет того, что к каждой вторичной обмотке

подключен отдельный 12-фазный выпрямитель,

состоящий из двух 6-фазных диодных мостов.

При выходе из строя одного из них

его часть нагрузки берет на себя

другой. Таким образом, отказ одного

из мостов не влияет на работу всех

инверторов, запитанных от данного

выпрямителя. Построение трехфаз-

ных полупроводниковых преобразо-

вателей частоты по модульному при-

нципу позволяет сократить номенк-

латуру запасных частей и уменьшить

время ремонта.

Кроме того, многоканальные приводы

обладают и другими преимуществами,

которые следует учитывать, принимая

инвестиционное решение.

4 Емкостной сдвиг фаз тока и напряжения сети активным выпрямителем (например, IGBT)

СетьКоррекция коэффициента

мощности

Активная мощность от электросети

Активная мощность для электродвигателя

Емкостная мощность, повышающая cos ϕ

сети

Привод с активным выпрямителем

Электродвигатель

i, u

uIind

Icap

3 Структурная схема многоканального привода

Фидер среднего напряжения

Управление

Дополнительный трансформатор

32 АББ Ревю 3/2008


Приводы

■ им может быть простой двухобмоточный

трансформатор, одинаково пригодный

как для установки в распределительных уст-

ройствах, так и в приводах с регулированием

частоты;

■ его гармоническая нагрузка значительно мень-

ше у стандартных выпрямителей.

Дополнительные преимуществаБлагодаря компактной конструкции многоканаль-

ного привода инверторы не требуют отдельных

фидеров в комплектном устройстве управления

электродвигателями (MCC) или шкафу питания.

Защита электродвигателя осуществляется самим

инвертором. Каждый инвертор может быть отсо-

единен от шины постоянного тока собственным

выключателем нагрузки.

Благодаря тому, что электродвигатели подсоеди-

нены к общей шине постоянного тока, энергия,

утилизированная при торможении одного

двигателя, может использоваться для ускорения

другого. Таким образом, быстрые изменения

нагрузки не требуют полной компенсации за счет

питающей сети.

Применение

Охлаждение клинкера на цементных заводахМногоканальные приводы с регулируемой часто-

той вращения превосходно подходят для охлади-

телей клинкера, так как надлежащее охлаждение

обеспечивается только при непрерывном регу-

лировании расхода воздуха. Использование ин-

верторов позволяет экономить дорогостоящую

электроэнергию, поскольку регулирование рас-

хода воздуха осуществляется не путем поворота

заслонок воздушных клапанов, а путем измене-

ния скорости электродвигателей вентиляторов

быстродействующим частотно-регулируемым

приводом.

На рис. 7 приведена упрощенная схема многока-

нального привода для охладителя клинкера.

Показанные здесь два обычных 6-фазных диод-

ных выпрямителя объединены в один 12-фазный

(что обеспечивает определенное резервирова-

ние). Вместе с трехфазным трансформатором

они создают фазовый сдвиг относительно

питающей электросети переменного тока. Каж-

дый инвертор имеет собственный интерфейс

управления.

Технологический процесс охлаждения клинкера

требует, чтобы многоканальный привод управ-

лял и вытяжным вентилятором. Если давление

воздуха на выходе печи должно находиться

в жестких пределах, значит, вытяжной вентиля-

тор и вентиляторы охладителя должны работать

в тесной взаимосвязи. Это также означает,

что электродвигатель вытяжного вентилятора

должен быть способен к работе в четырех

квадрантах. При использовании тормозных

прерывателей и резисторов шкафы управления

электродвигателями получаются громоздкими

и тяжелыми. В компактных многоканальных

частотно-регулируемых приводах торможение

производится через шину постоянного тока,

а при использовании технологии IGBT энергия

торможения утилизируется для питания других

потребителей.

Ленточные транспортерыНередко завод расположен достаточно далеко

5 Гармоники тока, потребляемого 6-фазным выпрямителем

0 5 7 11 13 17 19 23 25 29 35 37 47 49

40

35

30

25

20

15

10

5

0

IN/I

1 (%

)

Гармоники тока

6-ф

азны

й вы

прям

ител

ь

6 Гармоники тока, потребляемого активным выпрямителем на IGBT

0 5 7 11 13 17 19 23 25 29 35 37 47 49

40

35

30

25

20

15

10

5

0

IN/I

1 (%

)

Гармоники тока

Вы

прям

ител

ь на

IGB

T

7 Схема многоканального привода охладителя [1] 8 Схема многоканального привода нисходящего ленточного транспортера [2]



Приводы

и поддержание оптимального потока сырьевых

материалов. На рис. 10 показано, насколько ком-

пактен многоканальный привод данного ленточ-

ного транспортера

В компактных многоканальных частотно-регулируемых приводах торможение производится через шину постоянного тока, а при использовании технологии IGBT энергия торможения утилизируется для питания других потребителей.

Multidrive: многочисленные достоинс-тваМногоканальные частотно-регулируемые при-

воды обладают преимуществами, которые неза-

метны, если рассматривать только инвестици-

онные расходы. Некоторые из них перечислены

во вставке.

С учетом всех этих аспектов в цементной

и горнодобывающей отраслях многоканальные

приводы с регулируемой частотой вращения

становятся реальной альтернативой обычным

приводам, привлекательной как с технической,

так и с экономической точки зрения. Приведен-

ные в данной статье два примера показывают, на-

сколько повышается гибкость технологического

процесса изготовления цемента при правильном

применении системы Multidrive.

Рольф Хоплер

Урс Майер

Даниель Риф

Леопольд Блахаус

ABB Process Automation

Баден-Дэтвиль, Швейцария

rolf. hoppler@ch. abb. com

urs. maier@ch. abb. com

daniel. ryf@ch. abb. com

leopold. blahous@ch. abb. com


[1] Hoppler, R.(2005). An optimized drive solution for the

cooler area. ZKG International 2.

[2] Lüchinger, P., Maier, U., Errath, R.(2006). Active front

end technology in the application of a down hill conveyor.

Cement Industry Technical Conference, IEEE, Phoenix, AZ

(p. 20).

от карьера, а использовать самосвалы не всегда

представляется возможным. Вместо них уста-

навливаются ленточные транспортеры. На рис.

9 показан транспортер, доставляющий сырье

из карьера на расположенный под горой завод

[2]. В этом конкретном случае частотно-регули-

руемые приводы были установлены рядом друг

с другом. Головные приводы трубчатых конвейе-

ров и хвостовые приводы лотковых ленточных

транспортеров смонтированы в одном здании.

На рис. 8 показана однолинейная схема много-

канального привода. В этом примере активная

технология IGBT применяется в полной мере,

поскольку при пуске нагруженного транспортера

привод работает так же, как при пуске в затормо-

женном состоянии. Данный конкретный проект

допускает применение одинаковых электродви-

гателей для всех приводов. Система управления

многоканальным приводом проверяет распре-

деление нагрузки между всеми частотно-регули-

руемыми приводами ленточного транспортера.

Данная общая система управления точно регули-

рует торможение и ускорение электродвигателей,

обеспечивая исправную работу транспортера

0 Шкафы многоканального привода нисходяще-го ленточного конвейера [2]

9 Нисходящий ленточный конвейер [2]

a Хвост лоткового ленточного конвейера (три электродвигателя)

б Голова трубчатого конвейерав Помещение с приводами

a

b

c

■ Оптимизация технологического процесса

за счет более совершенного управления

электродвигателями

■ Уменьшение механического износа за счет

плавного пуска и торможения

■ Уменьшение влияния пуска и торможения

отдельного привода на потребление активной

и реактивной мощности в цепи питания

■ Сокращение числа кабелей и низковольтных

распределительных устройств

■ Сокращение занимаемого пространства

■ Полные заводские испытания поставляемых

систем

■ Сокращение объема распределительно-

трансформаторного оборудования МСС

за счет того, что многоканальный привод

оснащен собственным трансформатором

■ Сокращение числа компонентов и интерфей-

сов, а следовательно – упрощение проекти-

рования

■ Сокращение объема запасов запчастей

■ Эффективное снижение уровня гармоник

распределительно-трансформаторного обо-

рудования МСС

Дополнительные преимущества приме-

нения технологии IGBT

■ Снижение уровня гармоник без фильтрации,

то есть отказ от установки фильтров, что упро-

щает схему питания

■ Возможность применения двухобмоточных

трансформаторов, имеющих дополнительное

преимущество – значительно сниженную гар-

моническую нагрузку

■ Компенсация реактивной мощности без уста-

новки конденсаторов и фильтров

■ Оптимизация потребления дорогостоящей

электроэнергии

Преимущества применения многоканальных приводов в цементной и горноперерабатывающей отраслях

34 АББ Ревю 3/2008



Мы окружены электрическими устройствами всех типов и видов и ожидаем от них автономной и корректной

работы. В силовой электронике требования к таким устройствам отличаются особой строгостью. Временная

область, в которой выполняются их операции, простирается от наносекунд для коммутаций и их мониторинга

до секунд для переходных режимов. Конструирование единого компактного и эффективного контроллера,

способного работать со всеми этими устройствами, это нелегкая задача.

Контроллер AC 800PEC был разработан компанией АББ именно для таких применений. Он легко адаптиру-

ется к работе в различных временных областях и позволяет эффективно создавать коды из моделей Matlab/

SimulinkTM.

В первых контроллерах AC 800PEC применялся процессор PP D103. Однако специально для малых систем,

где размеры и стоимость являются критическими параметрами, АББ создала новый микропроцессорный

контроллер PP D104 – ультракомпактное устройство, занимающее меньше места, чем кредитная карта.

Компактный контроллерPP D104: расширение низкого уровня для управляющей платформы AC 800PECБеат Шерц, Михель Бюкель, Питер Штеймер



В 2002 г. АББ вывела на рынок управляющую

платформу высокого уровня, AC 800PEC,

предназначенную для высокоэффективного уп-

равления силовыми устройствами.

Системы, предназначенные для этого сегмента

рынка, должны отвечать ряду особых требований:

■ Высокая вычислительная мощность

■ Короткое время цикла (< 100 мкс)

■ Короткое время вывода прикладных программ

на рынок

■ Пригодность для малых серий

■ Промышленный класс аппаратуры

■ Высокая интеграция устройств

Принцип действия AC 800PECAC 800PEC – это мощная управляющая платфор-

ма. Со стороны аппаратных средств она соче-

тает эффективность ЦП с плавающей запятой

с быстротой и гибкостью ПЛИС1). Со стороны

программных средств она сочетает возможности

системного проектирования, обеспеченные

технологией ControlIT, и возможности моделиро-

вания и управления прикладными процессами,

обеспеченные пакетом MATLAB/Simulink™

(от The Mathworks®)2).

По характеру применения система разделена

на три уровня, ориентированные на различные

задачи разработки жизненного цикла продукта:

Системотехника (уровень 1)Технология ControlIT компании АББ основана

на языке программирования IEC61131-3 и ис-

пользует программный пакет АББ Control Builder.

На этом уровне системные программисты реали-

зуют функции, которые не требуют исполнения

в реальном времени, но должны сохранять гиб-

кость в течение всего жизненного цикла продук-

та или системы. Другая важная особенность этого

уровня – интеграция контроллеров AC 800PEC

в систему 800xA. Контроллеры AC 800PEC интег-

рируются посредством системы «800 Connect»,

обеспечивающей естественный доступ узлов

800xA к прикладным компонентам контроллера

AC 800PEC.

Разработка продукта (уровень 2)Программы безынерционного управления с об-

ратной связью создаются с помощью MATLAB/

Simulink. Затем программа Real-Time Workshop

пакета MATLAB/Simulink генерирует из програм-

мы высокого уровня С-код. Компилятор C-Com-

piler преобразует его в исполняемый код, кото-

рый загружается в устройство управления, где

данная программа управления начнет работать

сразу после включения этого устройства. Если

такая программа является частью большой систе-

мы управления, требующей наличия приложения

ControlIT IEC61131-3, инженеры контролируют

исполнение этой программы безынерционного

управления.

Обычно разработчики систем управления реа-

лизуют на этом уровне регулирование, защиту,

конечные автоматы и другие алгоритмы. Важно

отметить, что эти программы безынерцион-

ного управления с обратной связью работают

параллельно с прикладными программами 1131

(с уровня 1). Специалисты по системам управ-

ления и системотехники могут обмениваться

сигналами через эффективный программиру-

емый интерфейс. Этот интерфейс реализуется

посредством стандартного блока управления

протоколами ControlIT.

Устройства платформы AC 800PEC можно интег-рировать в систему 800xA, которая обеспечивает обмен данными и управле-ние в масштабах завода.

Разработка технологии (уровень 3)Очень быстрые процессы программируются

средствами VHDL3). На уровне 3 применяются

протоколы и некоторые логические схемы уп-

равления, требующие очень короткого времени

цикла. Во многих случаях уже существуют при-

менимые коды, которые можно комбинировать

в соответствии с потребностями заказчика.

Уровни 1 и 2 обеспечивают доступ к сигналам

(реализованы как двухпортовая память) и оп-

ределенным модулям. В рамках технологии

ControlIT был разработан так называемый «Блок

1 Структура управляющей платформы AC 800PEC и решения, реализуемые на основе этой технологии.

Задачи

Разработка прикладного ПО: ■ Ввод в эксплуатацию ■ Установка параметров ■ Проектирование ■ Предпроектирование

Разработка управляющего ПО: ■ Алгоритмы управления ■ Испытание прототипов ■ Настройка

Разработка встроенного управляющего ПО: ■ Синхронизация системы ■ Срабатывание вентиля конвер-

тора (синхронизация) ■ Защита полупроводников

AC 800PEC

ЦП

ПЛИС

Инструменты Контроллер Ввод-вывод

Верхний уровень регулирования

Control builder MУровень 1 – программа Control IT

IEC 61131-3Медленный ввод-вывод Ethernet,

C EX-Bus, S800

Процесс

Быстрый ввод-вывод (+ уст-ройства расширения и (или)

прикладные платы)

Уровень 2 – быстрые процессы, Simulink

Уровень 3 – очень быстрые про-цессы, VHDL

Инструментальная панель Simulink /

AC 800 PEC

Структура ПЛИС

Процесс

1 м

сВ

рем

я ци

кла

25 н

с10

0 м

кс

36 АББ Ревю 3/2008

Компактный контроллер


управления протоколами на базе ПЛИС» (FPGA

Protocol handler), который открывает немедлен-

ный доступ к быстрым сигналам портов ввода-

вывода. Эта функция первоначально предназна-

чалась для высокоскоростной связи между конт-

роллерами AC 800PEC (с характерным временем

цикла от одной до нескольких миллисекунд).

Устройства платформы AC 800PEC можно интег-

рировать в систему 800xA, которая обеспечивает

обмен данными и управление в масштабах завода.

Важно отметить, что в двух описанных ниже

модулях управления используется одинаковая

архитектура ПО, что позволяет обмениваться

кодами управления и системотехническими дан-

ными (рис. 1).

Контроллер высокого уровняПервыми устройствами для таких задач были

контроллеры PP D113, в которых использова-

лись процессорные блоки PP D103. Они пред-

ставляют собой регуляторы высокого уровня,

в которых контроллеры и быстродействующие

устройства ввода-вывода разделены. Процес-

сорные блоки построены на ЦП PowerPC 750FX

с тактовой частотой до 600 МГц.

Сейчас контроллеры PP D113 – это основа систем

управления в силовой электронике.

Контроллер низкого уровняДанная статья посвящена, в первую очередь,

решениям на базе процессорной платы PP D104,

в которой объединены контроллер и быстро-

действующее устройство ввода-вывода. Это

решение ориентировано на малые системы,

для которых компактность и низкая стоимость

контроллера являются важнейшими условиями

успешности конечного продукта (рис. 2).

На плате PP D104 установлен микроконтроллер

MPC5200 (Freescale, Power PC, ядро 603) с так-

товой частотой 396 МГц, сетевой контроллер

Ethernet 10/100 Мб/с, два контроллера CAN, 3

последовательных интерфейса UART и много-

функциональная ПЛИС – и все это занимает

меньше места, чем кредитная карта.

PP D104 сконструирован в расчете на разделение задач в системе управления.

В отличие от высокоэффективного контроллера,

архитектура PP D104 ориентирована на разде-

ление функций в пределах системы управления.

Мозгом такой системы управления служит

маленький, но мощный контроллер. Он оптими-

зирован, исходя из требований компактности,

и работает, опираясь на специфичные для данно-

го применения платы расширения или коммуни-

кации (или на их комбинацию – в зависимости

от решаемых задач). Все эти устройства образуют

блок контроллера и оптимизированы под задачи

конкретного применения.

Такая конструкция уже доказала пригодность

для решения множества задач, которые раньше

казались немыслимо трудными из-за ограниче-

ний по стоимости и производительности. Два

следующих применения иллюстрируют возмож-

ности контроллера PP D104.1) ПЛИС (программируемая логическая интегральная

схема) – аппаратный компонент с программируемой

логикой работы.2) См. также «Об одном способе разработки» в АББ Ре-

вю 2/2006 на страницах 62–65.3) VHDL: язык описания аппаратуры (very high speed inte-

grated circuit hardware description language).

2 Типичный контроллер на базе PP D104 с интегрированным блоком ввода-вывода.



когда чистоту воздуха нельзя гарантировать,

эти устройства имеют рабочий температурный

диапазон от – 40 до +75 °С и устойчивы к вибра-

ции согласно стандарту IEC 61373 (применение

на железных дорогах – оборудование подвиж-

ного состава – испытания на удар и виброустой-

чивость).

Железнодорожный транспорт характеризуется особенно тяжелыми условиями эксплуатации.

Системы на базе PP D104 идеально удовлетво-

ряют требованиям монтажа в ограниченном

пространстве, так как позволяют интегрировать

процессорный блок и все его порты ввода-выво-

да в одном компактном устройстве (рис. 3).

Компактный PP D104 не только выполняет общее

управление, но и регулирует работу всех силовых

электронных модулей (PEBB), которые генериру-

ют постоянный и переменный ток.

кам, введенным через графический интерфейс

пользователя.

Другое требование вытекает из того факта,

что такие вспомогательные преобразователи

обычно устанавливаются на крыше вагона

или под его дном. Такое место установки диктует

дополнительные ограничения: аппаратура долж-

на быть компактной и пригодной для эксплуата-

ции в тяжелых условиях.

Поскольку важнейшая область применения

AC 800PEC – это железнодорожный транспорт,

где условия эксплуатации особенно трудны, все

устройства, относящиеся к платформе AC 800PEC,

отвечают требованиям к аппаратуре промышлен-

ного класса. Помимо конформного покрытия,

которое широко применяется в тех случаях,

Применение для вспомогательных тяговых преобразователей

Электрические преобразователи поездов

можно разделить на две группы: главные

преобразователи для тяговых электродвигателей

и вспомогательные преобразователи для других

установленных в поезде электрических устройств

(отопление, охлаждение, освещение).

В этом разделе речь пойдет о вспомогательных

преобразователях. Это заказные продукты,

которые проектируются согласно требованиям

конечного покупателя и выпускаются небольши-

ми партиями, иногда всего по нескольку штук.

Поэтому важнейшее требование к такой управля-

ющей платформе – это…

Простая адаптация и быстрая разра-боткаЭто требование выполняется, благодаря авто-

матической генерации кода для быстродейству-

ющих прикладных систем реального времени

средствами MATLAB/Simulink: несколько измене-

ний, внесенных через графический интерфейс

пользователя Simulink, позволяют скорректиро-

вать программу согласно пожеланиям заказчика.

В обычной системе управления в такой ситуа-

ции пришлось бы изменять код и испытывать

систему, чтобы гарантировать ее нормальную

работу, тогда как код платформы AC 800PEC

автоматически генерируется согласно настрой-

3 Процессорная плата на базе PP D104 для применения на железнодорожном транспорте.


38 АББ Ревю 3/2008


Применение в систе-мах возбуждения

Системы возбуждения обычно используются

на электростанциях для управления ге-

нераторами. Для данной области применения

надежность – это важнейшее условие. В отличие

от предыдущего примера, такие системы могут

быть очень большими и включать несколько

подсистем.

В этом случае введение PP D104 позволяет

разделить всю систему на несколько незави-

симых подсистем, каждая из которых решает

собственный круг задач, опираясь на отдельный

контроллер. Система в целом управляется и ко-

ординируется мощным контроллером на базе

процессорного модуля PP D103.

Такая модульная организация не только сущест-

венно снижает сложность всей системы, но дает

еще два важнейших преимущества: расширяе-

мость и надежность.

Обычно системы, допускающие очень мас-

штабное расширение, отличаются сложной

архитектурой, что создает трудности для ин-

женерно-технического персонала. Модульная

организация, основанная на низкоуровневых

контроллерах платформы AC 800PEC, позволяет

наращивать систему в широких пределах естес-

твенным способом. Каждая подсистема может

быть продублирована несколько раз, не создавая

дополнительных сложностей для ПО главного

контроллера.

Как уже отмечалось, надежность системы – клю-

чевое условие в электроэнергетике, и часто

от систем требуется полное резервирование.

Если в более медленных системах резервными

устройствами могут служить сами контроллеры,

то в силовой электронике такая традиционная

концепция резервирования не работает из-за

короткого времени цикла.

Здесь резервирование достигается не на уров-

не устройств, а на уровне системы. Согласно

концепции резервирования, реализованной

в системах возбуждения АББ UNITROL®, каждая

подсистема может быть доступна n раз. В случае

неполадок в одной подсистеме главный контрол-

лер переключается на остальные подсистемы,

мощность которых выбрана так, что позволяет

решить общую задачу (рис. 4).

А на случай отказа главного контроллера всегда

имеется второй контроллер в горячем резерве.

Беат Шерц

Михель Бюкель

Питер Штеймер

ABB Automation Products


beat. schaerz@ch. abb. com

michael. bueckel@ch. abb. com

peter. steimer@ch. abb. com

4 Система возбуждение с преобразователями, в которых используются контроллеры на базе PP D104.





Платформа PCS8000 – это новая модульная система преобразователей, построенных

по технологии ANPC (преобразователь с активной фиксированной нейтралью). В сочета-

нии с силовыми тиристорами с интегрированным управлением (IGCT) нового поколения,

данная технология позволяет значительно увеличить выходную мощность оборудования.

Кроме того, поддерживается более высокая нагрузка по постоянном току, что обеспе-

чивает дополнительные преимущества в применениях с постоянным и низкочастотным

переменным током.

К последним относится оборудование для возбуждения переменного тока, построенное

на основе приводов Varspeed с регулируемой частотой вращения, которое нашло широ-

кое применение в современных ГАЭС. В настоящее время новая платформа преобразо-

вателей PCS8000 устанавливается на строящейся ГАЭС Avcˇe of Soške Elektrarne в Нова

Горица, Словения.

Возбуждение переменного тока с помощью ANPCПреобразователи на основе ANPC для генераторов переменного тока гидроаккумулирующих электростанцийАндреас Хаммерли, Бьёрн Одегард

40 АББ Ревю 3/2008


Это позволяет добиться на 33 % большей по срав-

нению с технологией NPC нагрузочной способ-

ности по постоянному току.

Распределение коммутационных потерьПри переключениях выхода между «плюсом»

и нейтральной точкой или между «минусом»

и «нейтральной точкой» и обратно, коммутаци-

онные потери в NPC-инверторе определяются

направлением выходного тока (рис. 4). На рис. 4

и 5 красным цветом показано направление тока

перед переключением, а синим – после пере-

ключения. Красный ключ закрывается и, следо-

вательно, рассеивает коммутационные потери,

в то время как синий ключ открывается.

Способность ANPC-ин-вертора выбирать, какая токовая цепь нейтральной точки будет проводить выходной ток, позволяет оптимизировать распре-деление коммутационных потерь внутри инвертора.

Способность ANPC-инвертора выбирать, какая

токовая цепь нейтральной точки будет прово-

дить выходной ток, позволяет оптимизировать

распределение коммутационных потерь внутри

инвертора. На рис. 5 показано, что S1 рассеивает

коммутационные потери при переключении

на верхнюю токовую цепь нейтральной точки.

В свою очередь S2 рассеивает коммутационные

потери при переключении на нижнюю токовую

цепь. Аналогичное распределение потерь можно

показать и для других ключей схемы коммута-

ции.

Данный эффект позволяет значительно (по срав-

нению с NPC) увеличить выходную мощность

как выпрямителя, так и инвертора.

Модуль преобразователя PSA800На основе технологии ANPC был разработан

новый ANPC PEBB (унифицированный силовой

электронный модуль). Он имеет два фазных

вывода (рис. 6) и может использоваться в мос-

товых схемах. В состав PEBB входят тиристоры

IGCT с повышенной запирающей способнос-

тью и снабберный каскад с высоким dU/dt,

что способствует снижению коммутационных

потерь и увеличению способности к запира-

нию.

ANPC PEBB из состава силового модуля PCS8000

обладает следующими номинальными показа-

телями:

За последнее десятилетие силовые тиристоры

IGCT нашли широкое применение в мощном

высоковольтном оборудовании промышленного

и коммерческого назначения. В большинстве

случаев IGCT используются в качестве ключей

в трехуровневых инверторах напряжения (3L-

VSC). Как видно из названия, выходное напряже-

ние инвертора формируется соответствующей

комбинацией трех уровней (см. рис. 1). Данные

инверторы получили широкое распространение

в силовых установках благодаря тому, что вы-

сокое выходное напряжение обеспечивается

без непосредственного последовательного под-

ключения полупроводниковых устройств и срав-

нительно низкой (по сравнению с двухуровневы-

ми инверторами) пульсацией тока.

Трехуровневый инвертор также известен

как преобразователь с фиксированной нейтра-

лью (NPC). Данное название возникло от того,

что включенные встречно-параллельно диоды

«фиксируют» выходное напряжение нейтраль-

ной точки цепи постоянного тока на уровне 0

В. Направление выходного тока определяется

тем, через какое ответвление цепи протекает

ток нейтральной точки – верхнее или нижнее

(рис. 2).

Технология преобразования ANPCИнтересная альтернатива трехуровневому пре-

образователю получается, если в схему с фикси-

рованной нейтралью ввести два дополнитель-

ных ключа (рис. 3). Применяя соответствующий

алгоритм переключения дополнительных

ключей S5 и S6, можно фиксировать выходное

напряжение нейтральной точки цепи постоян-

ного тока «активным» образом, что получило

отражение в названии данной технологии:

преобразователь с активной фиксированной

нейтралью (ANPC).

Гибкость применения дополнительных клю-

чей S5 и S6 позволяет более равномерно

распределить потери на электропроводность

и коммутационные потери внутри инвертора.

Рассмотрим два основных преимущества дан-

ной технологии.

Распределение тока между цепями нейтральной точкиТок в цепи нейтральной точки преобразователя

NPC протекает в двух направлениях (рис. 2).

Направление тока нагрузки определяется тем,

какая цепь используется в настоящий момент.

В инверторе ANPC выбором верхней или ниж-

ней цепи можно управлять (рис. 3). Даже

при работе с постоянным током можно при не-

обходимости равномерно распределить ток

между верхней и нижней цепями. Одну полови-

ну времени ток будет протекать через верхнюю,

другую – через нижнюю ветвь.

1 Трехуровневый инвертор напряжения

+

U =

0

-

2 Преобразователь с фиксированной нейтра-лью: однонаправленная токовая цепь между выходом фазы и нейтральной точкой

Cd1 Ccl1

Ccl2 D6

D5 S2

S1

D2

D1

S3 D3

D4S4

Ls1

Rcl1

Rcl2

Ls2

Dcl1

Dcl2

Cd2

3 Преобразователь с активной фиксированной нейтралью: двунаправленная токовая цепь между выходом фазы и нейтральной точкой

Cd1 Ccl1

Ccl2 D6

S6

D5S5 S2

S1

D2

D1

S3 D3

D4S4

Ls1

Rcl1

Rcl2

Ls2

Dcl1

Dcl2

Cd2

4 NPC-преобразователь: при переключении между «плюсом» и нейтральной точкой комму-тационные потери рассеивает только ключ S1

Cd1 Ccl1

Ccl2 D6

D5 S2

S1

D2

D1

S3 D3

D4S4

Ls1

Rcl1

Rcl2

Ls2

Dcl1

Dcl2

Cd2


Возбуждение переменного тока с помощью ANPC


Кроме того, система позволяет регулировать

мощность и частоту как в режиме насоса,

так и в режиме генератора, что обеспечивает

дополнительные возможности по управлению

нагрузкой энергосистемы. Обычные ГАЭС

допускают регулирование только в режиме

генератора.

Однолинейная схема подобной системы воз-

буждения показана на рис. 8. Здесь статический

преобразователь частоты соединен с обмоткой

ротора через контактные кольца.

Примером применения системы возбуждения

переменного тока PCS8000 является строящаяся

ГАЭС Avce of Soške Elektrarne в Нова Горица,

Словения.

электродвигателей насосов, при которой КПД

станции в режиме насоса становится выше её

КПД в режиме генератора. Оптимальная частота

вращения также зависит от нагрузки.

Благодаря способности компенсировать пиковое потребление, гидроаккумулирующие электростанции играют важную роль в обеспечении населения электроэнергией.

На станциях с турбинами Френсиса широкое

распространение получили системы Varspeed,

позволяющие достичь максимального КПД

во всем диапазоне мощностей. Как видно из на-

звания, данные системы позволяют в небольших

пределах регулировать частоту вращения тур-

бины, тем самым обеспечивая ее максимальный

КПД вне зависимости от текущей нагрузки

и режима работы. Вместо синхронных машин

применяются асинхронные машины с фазными

роторами.

В них частота вращения ротора отличается

от частоты вращения синхронных машин,

жестко привязанной к частоте тока энергосис-

темы. Это происходит за счет возбуждающих

устройств в приводе, благодаря чему он стано-

вится способен подавать не только постоянный,

но и переменный низкочастотный (0 – 5 Гц) ток

в обмотки ротора электродвигателя насоса. Бла-

годаря этому частота вращения ротора не рав-

няется частоте тока энергосистемы, но может

регулироваться относительно неё в небольшом

диапазоне.

Выходное напряжение: Un = 3600 В (ср. кв.)

Входной ток: In = 2600 A (ср. кв.)

Нагрузочная способность

по постоянному току: Idc = 2750 А

На рис. 7 показан статический преобразователь

частоты PCS8000, состоящий из пяти силовых

модулей PCS8000: двух – в каскаде выпрямителя

(слева), и трех – в каскаде инвертора. За силовы-

ми модулями видна низкоиндуктивная шина пос-

тоянного тока. Она соединяет силовые модули

с батареей конденсаторов промежуточного кас-

када постоянного тока, прикрепленной к нижней

части рамы преобразователя.

Гидроаккумулирующие электростанцииБлагодаря способности компенсировать пиковое

потребление, гидроаккумулирующие электро-

станции играют важную роль в обеспечении

населения электроэнергией. Принцип их работы

заключается в том, что в периоды с низкой

нагрузкой они потребляют электроэнергию,

перекачивая воду в водохранилище для создания

водного запаса, а в часы с пиковой нагрузкой –

вырабатывают электроэнергию для компенсации

её расхода в энергосистеме. Основное значение

приобретает поддержание частоты вращения

5 ANPC-преобразователь: при переключении между «плюсом» и нейтральной точкой комму-тационные потери может рассеивать S1 или S2

a S1 закрыт – выходной ток протекает через верхнюю цепь нейтральной точки

б S2 закрыт – выходной ток протекает через нижнюю цепь нейтральной точки

Cd1

Cd1

Ccl1

Ccl1

Ccl2

Ccl2

D6

D6

D5

D5

S5

S5

S6

S6

S2

S2

S1

S1

D2

D2

D1

D1

S3

S3

D3

D3

D4

D4

S4

S4

Ls1

Ls1

Rcl1

Rcl1

Rcl2

Rcl2

Ls2

Ls2

Dcl1

Dcl1

Dcl2

Dcl2

Cd2

Cd2

6 ANPC PEBB может работать в мостовой схеме

7 Преобразователь частоты, состоящий из пяти силовых модулей PCS8000

42 АББ Ревю 3/2008




[1] Brückner, T., and Bernet, S., (2001) Loss balancing in

three-level voltage source inverters applying active NPC

switches, Proc. IEEE-PESC, Vancouver, Canada, 1135–

1140.

[2] Apeldoorn, O., Ødegård, B., Steimer, P., Bernet, S.,

(2005) A 16 MVA ANPC PEBB with 6 kA IGCTs, Proc. IAS,

Shanghai.

Более подробная информация о приборах IGCT

компании АББ приведена в статье «Маленькая

точка может изменить мир» на с. 15 этого вы-

пуска АББ Ревю.

Андреас Хаммерли


Advanced Power Electronics


andreas. haemmerli@ch. abb. com

Бьерн Одегард


Technology and Development Power Electronics


bjoern. oedegard@ch. abb. com

Станция с расчетной мощностью

около 180 МВА подключена к сравни-

тельно маломощной энергосистеме

напряжением 110 кВ. Необходимо,

чтобы работа новой ГАЭС в режиме

насоса не влияла на напряжение

и частоту тока в энергосистеме.

Для этого установлена современная

асинхронная машина двойного

питания, ротор которой запитан

от частотно-регулируемого привода

с инвертором PCS 8000 от АББ (см.

вставку).

Система возбуждения ге-нератора переменного тока для AvceСистема возбуждения генератора

переменного тока запитана от се-

ти 110 кВ через трансформатор мощностью

11,6 MВА. Статический преобразователь частоты

состоит из выпрямителя и инвертора, соединен-

ных шиной постоянного тока (рис. 9).

Частота вращения ротора не привязана к частоте промышленной сети, а может регулироваться в ограниченных пределах.

Статический преобразователь частоты полно-

стью размещен в контейнере вместе со своей па-

нелью управления, системой оперативного кон-

троля и мощным агрегатом охлаждения силовой

электроники. Модульное построение сокращает

время сборки, монтажа и ввода в эксплуатацию,

поскольку все функции оборудования настраива-

ются и проверяются на заводе.

Режим генератора Генерация электроэнергии напряжением 110 кВ■ Синхронизация с питаемой сетью (по напряжению и час-

тоте)■ Управление реактивной мощностью

Режим насоса Станция закачивает воду из реки Соча в расположенный на 500 м выше бассейн.■ Плавный пуск без нагрузки■ Регулирование частоты вращения в режиме насоса

Управление реактив-ной мощностью

Подача или потребление реактивной мощности. Данный режим не требует воды

Дополнительными функциями системы возбуждения переменного тока являются:■ защита ротора от перенапряжения при аварии в сети,■ защита ротора от сверхтока,■ тепловая защита обмоток.

Дополнительные функции обеспечивают защиту различных модулей системы, контролируют тепловой режим и отвечают за безопасную работу системы управления.

Режимы работы, которыми управляет система возбуждения переменного тока PCS 8000

8 Однолинейная схема привода Varspeed с системой возбуждения пере-менного тока PCS8000

Два 3-фазных

3-уровневых инвертора

Трансфор-матор

ASM

15,75 кВ / 50 Гц

Шина пост. тока

200 МВА / 12,5 %

15,75 кВ / 50 Гц

Три 3-фазных

3-уровневых инвертора

≈∼ ≈∼= =

9 Трехмерная модель установки с трансформатором на 11,6 МВА, включа-ющей контейнер с преобразователем, агрегатом охлаждения и вспомога-тельным оборудованием

АSМ – асинхронная машина



За столетний период развития электроэнергетики произошла переориентация от тепловых станций,

расположенных вблизи месторождений ископаемого топлива, к гидроэлектростанциям, использующим

возобновляемый источник энергии – воду. В это время основной задачей был поиск новых источников

энергии, а не решение вопросов защиты окружающей среды. Но прошло сто лет, и ситуация в корне из-

менилась. Климатические изменения, а также необходимость ограничения выброса парниковых газов,

и в первую очередь CO2, сделали именно вопросы экологии основной движущей силой развития электро-

энергетики.

Именно производство и распределение электрической (и тепловой) энергии в настоящее время явля-

ется основным источником парниковых газов, приводящих к угрожающим климатическим изменениям.

До сих пор большая часть электроэнергии в мире вырабатывается за счет сжигания ископаемого топ-

лива. Но вместе с тем непрерывно расширяется использование возобновляемых источников энергии:

воды, ветра и солнца. Подобные решения, а также достижения в области передачи электроэнергии

за последние 20 лет, позволяют не только значительно снизить выбросы CO2, но и сделать это экономи-

чески эффективным способом.

Разработанные компанией АББ технологии обеспечивают эффективную передачу потребителю электро-

энергии, полученной от возобновляемых источников: воды, ветра и солнца.

Чистые и невидимыеНовые технологии передачи электроэнергии представляют собой значительный вклад в защиту окружающей средыГуннар Асплунд, Бо Нормарк


44 АББ Ревю 3/2008


Затраты на передачу энергии составляют от 5

до 15 процентов затрат на её производство. Ес-

ли вырабатывать электроэнергию в районах, бо-

гатых возобновляемыми источниками, то про-

изводственные затраты сократятся не менее

чем наполовину. Но эти районы, и особенно,

богатые водой и солнцем, могут располагаться

в тысячах километров от мест потребления

энергии, а ветровые электростанции могут на-

ходиться в море в сотнях километров от берега.

Таким образом, техническое решение вопроса

передачи электроэнергии на такие большие рас-

стояния с минимальными потерями приведет

к значительным финансовым выгодам.

Современная ЛЭП способна передавать миллионы киловатт на тысячи километров.

В течение многих лет технологии передачи

энергии развивались так, чтобы «убить одним

выстрелом двух зайцев», а именно: обеспечить

передачу на дальние расстояния с наименьшим

ущербом окружающей среде. Главной задачей

является связать друг с другом различные рынки

сбыта электроэнергии, что позволит значительно

уменьшить объемы вредных выбросов. Кроме

того, свободная конкуренция при подобном

объединении рынков будет способствовать повы-

шению эффективности производства.

В «докладе Штерна» [Stern report – доклад

об экономических последствиях глобального

потепления, подготовленный в 2006 г. экономис-

том сэром Николасом Штерном по заказу бри-

танского правительства] говорится, что для того,

чтобы стабилизировать выбросы CO2 на уровне

550 частей на миллион, необходимо затратить

1 % общемирового ВВП (или $1 трлн. из рассчи-

танного для 2050 г. ВВП в $100 трлн.). Но элект-

рические компании могут существенно сокра-

тить эти расходы за счет объединения рынков

сбыта, совершенствования технологий передачи

и использования возобновляемых источников

энергии.

Техническое развитиеВ конце XIX века по одной ЛЭП можно было

передавать считанные киловатты электроэнергии

на несколько десятков километров. Современная

ЛЭП способна передавать миллионы киловатт

на тысячи километров. Передаваемое по ЛЭП

напряжение в тысячи раз выше напряжения

в розетке у потребителя, поскольку для успешной

передачи электроэнергии на большие расстоя-

ния его требуется повышать с помощью транс-

форматоров.

Электроэнергия передается в виде постоянного

или переменного тока. Передача электроэнергии

в виде переменного тока широко применяется

в местных и распределительных сетях, посколь-

ку на расстояниях более 500 км её эффектив-

ность снижается.

С другой стороны, линии электропередачи пос-

тоянного тока (HVDC) обладают большей про-

пускной способностью, что еще больше увели-

чивает их эффективность при передаче энергии

на значительные расстояния. К тому же потери

в них сравнительно малы. Сегодняшние линии

постоянного тока способны передавать мощ-

ности до 3000 МВт на 1000 – 1500 км. В схему

Во многих странах потребность в элек-

троэнергии за последние двадцать лет

значительно возросла. Это, а также требование

ограничения выбросов CO2, сделало работающие

на каменном угле ТЭЦ менее привлекательными,

и заставило эти страны искать альтернативные

и возобновляемые источники энергии.

Из выработанных в мире в 2004 г. 17 450 ТВт

электроэнергии 65 % пришлось на полученную

за счет сжигания ископаемого топлива1). Если

говорить о возобновляемых источниках, то доля

ГЭС составила 18 %. Дальнейшее поддержание

этого соотношения, даже при возрастающем

потреблении, возможно благодаря достижениям

в гидроэнергетике. А вот применение энергии

ветра в мировом масштабе остается мизерным.

Но благодаря тому, что использование этого во-

зобновляемого источника технически доступно

и экономически выгодно, доля ветроэнергетики

в годовом производстве электроэнергии может

возрасти до впечатляющих 30 %.

Однако главным возобновляемым источником

электроэнергии является солнце. Чтобы понять

его масштабность, представьте, что на один

квадратный метр поверхности Земли приходит-

ся 1366 Вт солнечной энергии. Ее общий объем

составляет 174 млн. ГВт или в 60 000 раз больше

мощности всех электростанций мира! Работая

с максимальной нагрузкой, современные ТЭЦ

произведут 190 Вт энергии на квадратный метр

земной поверхности, или 460 кВтч/м2 в год.

А установленная в пустыне солнечная электро-

станция площадью 80 км2 с пиковой мощностью

1200 ГВт способна выработать 3000 ТВтч элект-

роэнергии в год. Несомненно, что пока электро-

энергия солнечных станций более дорога, чем

электроэнергия, вырабатываемая установлен-

ными за последнее десятилетие мегаваттными

ветровыми электростанциями. Но существуют

вполне реальные планы, позволяющие сделать

её вполне конкурентоспособной среди других

альтернативных источников.

Местоположение электростанции и пе-редача энергииМестоположение электростанции – это основ-

ной фактор, повышающий конкурентоспособ-

ность энергии, вырабатываемой из возобновляе-

мых источников. Другими словами, идеальными

местами для строительства альтернативных

электростанций являются районы с постоянны-

ми сильными ветрами, большим количеством

солнечных дней и неограниченными объемами

воды. В большинстве случаев все эти районы

удалены от мест, где находятся потребители.

Поэтому возникает проблема эффективной

передачи электроэнергии от источника к пот-

ребителю.

Проведение долговременных испытаний системы передачи постоянного тока высокого напряжения 800 кВ в исследовательском институте STRI, Швеция


Чистые и невидимые


Строительство первых систем UHVDC 800 кВ

в настоящее время ведется в Китае. Крупнейшая

из них, строящаяся Государственной электро-

сетевой корпорацией Китая, будет передавать

6400 МВт на расстояние 2071 км, от располо-

женной на юго-востоке страны ГЭС «Три ущелья»

до Шанхая.

ЛЭП для морских ветровых электро-станцийВетер быстро становится одним из основных ис-

точников производства электроэнергии. В 2007 г.

на ветровые станции пришлось 40 % мощности

вновь построенных электростанций. Но чтобы

еще больше увеличить долю производимой ими

энергии, новые ветровые станции, особенно

в Европе, придется строить в открытом море.

По прогнозам в ближайшие десятилетия там

будет установлено до 40 % всех ветрогенераторов,

прежде всего по экологическим соображениям.

Более высокая стоимость строительства будет

компенсирована за счет более высокой произ-

водительности. Но основной проблемой снова

станет соединение с существующими энергосис-

темами. Традиционные ЛЭП переменного тока

обязательно входят две подстанции, преобразу-

ющие переменный ток в постоянный и обратно.

Воздушные или подземные линии состоят толь-

ко из двух проводников, по одному из которых

передается +500 кВ, а по другому – 500 кВ.

На большие расстояния значительно эффективнее передавать электроэнер-гию по линиям постоянного тока.

В последние годы была разработана новая

технология передачи HVDC Light®. Ее основное

отличие – применение в преобразователях

транзисторов вместо тиристоров. HVDC Light®

применяется в основном для подземных,

а не для воздушных ЛЭП. В настоящее время

HVDC Light® используется для передачи электро-

энергии от морских ветровых электростанций,

а также в районах, где прокладка воздушных

ЛЭП или запрещена2), или возможна только

после длительных бюрократических проволочек.

ЛЭП для ГЭС в отдаленных районахБлагодаря своей способности передавать энергию

на дальние расстояния, ЛЭП постоянного тока

в основном связывают крупные мегаполисы,

такие как Бостон, Монреаль, Сан-Паулу, Шанхай

и Йоханнесбург с удаленными электростанциями.

Но повышение спроса на электроэнергию и уси-

ление экологических требований заставляют

строить новые электростанции во всё более и бо-

лее отдаленных местах. Несмотря на очевидность

того, что существующие гидроресурсы способны

в большей части удовлетворить эти требования,

их доступность сильно зависит от экономич-

ности технологии передачи энергии. Например,

рассчитано, что инвестиции в технологии элек-

тропередачи позволят обеспечить потребителей

в Африке, Латинской Америке и Восточной Азии

320 ГВт электроэнергии от ГЭС. При этом Латин-

ская Америка дополнительно получает 120 ГВт,

что составляет 80 % вырабатываемой там в насто-

ящее время энергии. И это количество энергии

может резко увеличиться, если кроме энергии

воды с максимальной эффективностью исполь-

зовать энергию Солнца. Но проблема состоит

в том, что районы выработки энергии находятся

в 2000-3000 км от районов ее потребления. И если

эти энергетические ресурсы будут успешно осво-

ены, то без новых технологий передачи просто

не обойтись!

Система HVDC Light® от АББ была использована для соединения морской ветровой электростанции с подстанцией на суше. Длина подводного участка линии составила 128 км, поземного – 75 км.

Данную задачу призвана решить вновь разрабо-

танная система передачи сверхвысокого напря-

жения постоянного тока 800 кВ (UHVDC)3). Дан-

ная система характеризуется не только высокой

передаваемой мощностью4), но по сравнению

с традиционными системами она требует зна-

чительно меньшего землеотвода и материалов

(рис. 1). И при этом её КПД превышает 94 %!

1 Система электропередачи UHVDC 800 кВ обладает КПД 94 % и требует значительно меньшего землеотвода по сравнению с тради-ционными ЛЭП

Передача 6400 МВт на 2000 км

80 кВ перем. тока КПД

88 %

94 %

800 кВ пост. тока

1) Природе требуется год, чтобы компенсировать вред

от сжигания ископаемого топлива в течение 10 секунд.2) Например, в Европе воздушные ЛЭП быстро уходят

в прошлое. Подземные кабели не только не портят

пейзаж, они более экономически эффективны и не на-

носят ущерба окружающей среде.3) Напряжение между проводниками составляет 1,6 млн.

вольт.4) UHVDC требует сверхнадежной системы управления

с внутренним резервированием. С этой целью ком-

пания АББ усовершенствовала хорошо известную

MACH 2™ и создала на её базе систему управления

DCC 800.

46 АББ Ревю 3/2008



Реализация подобной энергосистемы вполне воз-

можна и с технической, и с экономической точки

зрения. Какова при этом должна быть стоимость

системы электропередачи и каким КПД она долж-

на обладать?

Для примера возьмем линии, которые в насто-

ящее время строятся в Индии и Китае. Система

постоянного тока для передачи 6400 МВт элек-

троэнергии на расстояние 3000 км стоит менее

$2,8 млрд. (рис. 4). В эту сумму входят и потери

электроэнергии, составляющие примерно 5 %.

Выходя за сегодняшние горизонтыНесколько лет назад идея использования

возобновляемых источников энергии была не-

мыслимой как технически, так и экономически.

Но прошло время и благодаря выдающимся

достижениям в альтернативной энергетике

и технологиях передачи энергии она превра-

тилась в реальность. Уже сегодня по одной ЛЭП

можно передавать из Сахары в Центральную

и Северную Европу не менее 6000 МВт электро-

энергии. Для передачи 700 ТВтч требуется около

ностью 1100 МВт. Кроме того, поскольку кабели

прокладываются в закрытой среде, то по сравне-

нию с воздушными ЛЭП значительно снижается

опасность электрического пробоя5).

Развитие альтернативной энергетики и технологий электропередачи дает воз-можность обеспечить всю Европу электроэнергией от возобновляемых источ-ников.

ЛЭП для солнечных электростанцийМожно ли всю электроэнергию в Европе получать

от возобновляемых источников? Конечно, да,

поскольку энергия солнца практически неисчер-

паема! При грамотном объединении солнечных

и ветровых электростанций с ГЭС и ГАЭС эта

мечта будет воплощена в реальность (рис. 3).

подходят только для станций, находящихся не да-

лее 50 км от берега.

Кроме того, более крупные морские ветровые

электростанции, объединяющие множество

ветрогенераторов и технических сооружений,

потребуют более мощных и экономичных ЛЭП.

Для них применение системы HVDC Light® будет

идеальным решением, поскольку её преобразова-

тели сравнительно компактны и поэтому их легче

устанавливать на морских платформах. Эти пре-

образователи обладают необходимой мощностью

и стабильно поддерживают напряжение и частоту

даже в аварийных условиях.

Немецкая электрическая компания E.ON в на-

стоящее время строит первую систему электро-

передачи подобного типа в Северном море. Она

соединяет морскую ветровую электростанцию

с наземной подстанцией, рассчитана на мощ-

ность 400 МВт и состоит из подводного участка

длиной 128 км и подземного длиной 75 км (рис.

2). Привлекательность данного решения заклю-

чается и в том, что ЛЭП невидима и не создает

электромагнитных излучений. В состав электро-

станции планируется включить четыре комплекса

ветрогенераторов мощностью 1500 МВт каждый.

Чем больше ветроэнергетических установок

будет вводиться в эксплуатацию, тем острее будет

проблема обеспечения потребителей электро-

энергией при ослаблении ветра. Для её решения

необходимо соединить морские ветровые элект-

ростанции с энергосистемами различных стран

и регионов линиями HVDC Light®. В Северной

Европе планируется реализовать несколько по-

добных схем.

В настоящее время системы HVDC Light® под-

держивают передачу напряжения ±300 кВ мощ-

Компьютерное изображение преобразовательной подстанции 800 кВ

2 В настоящее время компания E.ON строит линию HVDC Light® для пере-дачи 400 МВт энергии из Северного моря

Мощность 400 МВт

Преобразователь мощ-ностью 400 МВт на мор-

ской платформе

Преобразова-тель мощностью 400 МВт на суше

Морская ветровая электро-станция Боркум 2:■ крупнейшая ветровая

электростанция в мире

■ наибольшее расстояние до берега

■ первая ЛЭП постоянного тока в Германии

Sylt ДАНИЯ

128 км подводного кабеля

BorkumNorden

Emden

Подстанция

Bremer-haven

CuxhavenScharh rn

Helgoland

Wilhelms-haven

75 км под-земного кабеля

НИДЕРЛАНДЫ

Морская ветровая электростанция

3 При объединении солнечных и ветровых электростанций с ГЭС и ГАЭС можно будет построить общеевропейскую энергосистему на возобновля-емых источниках энергии

ГЭС

Солнечные электростанции

Ветровые электростанции

ЛЭП постоянного тока




5) Электрический пробой – высоковольтный электри-

ческий разряд, распространяющийся по поверхнос-

ти или через толщу диэлектрика, а также возникно-

вение дугового или искрового разряда между двумя

или несколькими расположенными рядом проводни-

ками. Источник: http://en. wikipedia. org/wiki/Flashover

(май 2008).6) Стоимость воздушных ЛЭП в разных странах раз-

личная.7) Это должно быть достигнуто без увеличения толщины

изоляции.

25 ЛЭП общей мощностью 150 ГВт.

На их строительство в современных

экономических условиях потребу-

ется около 100 млрд. евро (при этом

1 кВтч будет стоить примерно 1

евроцент).

Значительное снижение этой суммы

может быть достигнуто за счет усо-

вершенствования кабелей в результа-

те научно-исследовательских работ.

Ожидается, что в ближайшие деся-

тилетия номинальное напряжение

и мощность кабелей HVDC Light®7)

возрастут настолько, что по подзем-

ным линиям можно будет передавать

гигаватты электроэнергии (рис. 6).

Но чтобы достичь пропускной

способности воздушных ЛЭП,

напряжение подземных ЛЭП пос-

тоянного тока потребуется поднять

до 1200 кВ. Учитывая, что современ-

ные маслонаполненные кабели могут

выдерживать 500 кВ, реально ли

будет увеличить это напряжение

втрое? Теоретически – да, поскольку

в отличие от кабелей, конденсаторы

обладают изоляцией, выдерживаю-

щей значительно более высокие на-

пряжения. Если подобную изоляцию

использовать для кабелей, они смогут

выдерживать до 4000 кВ.

В любом случае, технические

и экономические перспективы ради-

кального сокращения выбросов CO2

электростанциями вполне реальны.

В настоящее время разрабатываются

новые технологии производс-

тва и хранения электроэнергии,

а также способы ее применения

для того, чтобы сделать транспорт

и производство более «чистыми».

Стремлению к подобным переменам

способствуют рыночные механизмы.

Но все эти позитивные достижения

основываются на эффективной и не-

наносящей вреда окружающей среде

передаче электроэнергии от произ-

водителя к потребителю.

Гуннар Асплунд

Бо Нормарк

ABB Power Systems

Вестерос, Швеция

gunnar. asplund@se. abb. com

bo. normark@se. abb. com

4 Расчетная стоимость системы (ЛЭП, подстанции и потери) для передачи 6400 МВт на 3000 км

Процент электрических потерь

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

5,000

4,500

4,000

3,500

3,000

2,500

2,000

1,500

1,000

млн

. $

5 Для передачи 700 ТВтч потребуется ЛЭП мощностью 150 ГВт и общей стоимостью около 100 млрд. евро (при этом 1 кВтч будет стоить пример-но 1 евроцент)

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

Сто

имос

ть 1

кВтч

в е

вроц

ента

х

Напряжение в кабеле, кВ

Кабели и преобразовательные подстанции Воздушные ЛЭП и преобразовательные подстанции 800 кВ

6 Проводимые исследования и разработки существенно увеличат мощ-ность, передаваемую по паре кабелей HVDC Light®

300 450 600 750 900 1,050 1,200

6,000

5,000

4,000

3,000

2,000

1,000

0

Мощ

ност

ь, М

Вт

Постоянное напряжение, кВ

48 АББ Ревю 3/2008



Железные дороги нуждаются в огром-

ном количестве электроэнергии. Многие

из них обладают собственными электро-

станциями и высоковольтными сетями.

Но большинство железных дорог не столь

автономны и должны получать электро-

энергию из национальных энергосистем.

А сделать это не так просто, как кажется

на первый взгляд. Многие железнодо-

рожные линии были электрифицированы

очень давно и поэтому частота тока их кон-

тактной сети отличается от используемой

в национальных энергосистемах.

В прежние времена для изменения час-

тоты тока применялись электромехани-

ческие (вращающиеся) преобразователи,

которые при необходимости дополнялись

специальными устройствами, компенси-

рующими уход частоты в ограниченных

пределах. Основным отличием совре-

менных решений является то, что теперь

мощные преобразователи частоты пост-

роены на силовой электронике. Их много-

численные преимущества включают более

быстрое время отклика и возможность

управления реактивной мощностью.

Питание рельсовых магистралейПреобразователи частоты для тяговой сетиГерхард Линховер, Филипп Майбах, Никлаус Умбрихт


еще на 600 МВт, и примерно 500 MВт из них при-

ходится на продукцию АББ.

За последние 15 лет суммарная мощность введенных в эксплуатацию преобразователей частоты составила почти 1000 МВт. Примерно две трети из них были поставлены компанией АББ.

Сравнение с электромеханическими преобразователямиДля подачи питания в однофазные сети обыч-

ные преобразователи на коммутирующих

сетевое напряжение тиристорах никогда не рас-

сматривались в качестве конкурентов электро-

механическим. В отличие от трехфазных сетей

алгоритмы коммутации здесь не могут быть

сбалансированы, что приводит к недопустимым

искажениям напряжения. Тем не менее, было

построено некоторое число прямых преобра-

зователей (сycloconverter), но они производили

большое количество гармоник, мешающих

работе обеих сетей. Другим недостатком по-

добных преобразователей было формирование

ярко выраженной второй гармоники в одно-

фазной сети. Помимо отрицательного воз-

действия на однофазную сеть, она была вредна

и для трехфазной сети.

И только после появления мощных

полупроводниковых ключей на базе

GTO (запираемых тиристоров) созда-

ние инверторов напряжения стало

реально возможным.

Преобразование трехфазного на-

пряжение в однофазное предъявляет

и к вращающимся, и к электронным

преобразователям частоты значи-

тельно более высокие требования,

чем синхронизация двух трех-

фазных сетей. Первая принци-

пиальная проблема заключается

в необходимости подавления второй

гармоники в однофазной сети.

В электромеханических преобразо-

вателях вызываемые ею колебания

момента и мощности компенсиро-

вались за счет вращения массивных

деталей. Возникающие вибрации

должны были поглощаться аморти-

заторами и основанием установки.

Все это усложняло конструкцию

машины и ее основания.

Основанные на силовой электронике

преобразователи частоты применяются

для соединения несинхронизированных или ра-

ботающих на разных частотах электросетей уже

достаточно давно. В основном они построены

на тиристорах, коммутирующих сетевое напря-

жение. Сравнительно недавно для этих целей

стали применяться преобразователи, построен-

ные на полупроводниковых ключах и включаю-

щие инвертор напряжения с шиной постоянного

тока. Отдельную задачу представляет питание

однофазных тяговых сетей. Здесь силовая элект-

роника пришла на смену электромеханическим

преобразователям только после появления ин-

верторов напряжения.

Прошлое и настоящееВ настоящее время используются три системы

электрификации железных дорог.

В странах и регионах, где она была проведена

относительно недавно (после появления элект-

ронных силовых регуляторов скорости тяговых

электродвигателей), тяговая сеть запитывается

от сетей общего пользования частотой 50 (60) Гц

и, в основном, напряжением 25 кВ.

Но до широкого внедрения силовой электроники

применялись другие системы электрификации.

В некоторых странах, где электрификация была

проведена значительно ранее, применяются сис-

темы постоянного тока напряжением 1,5 и 3 кВ.

Преимуществом подобных систем является

простота регулирования скорости электродвига-

телей постоянного тока. В ряде стран был выбран

переменный ток, используемый для питания

коллекторных электродвигателей.

Скорость таких электродвигателей

тоже довольно легко регулируется,

но поскольку для коллектора частота

50 и 60 Гц слишком высока, то ис-

пользуется пониженная частота.

Железные дороги, электрифициро-

ванные переменным током понижен-

ной частоты, находятся:

■ На восточном побережье США:

25 Гц

■ В Швеции и Норвегии: 162/3 Гц

■ В Германии, Австрии и Швейцарии:

162/3 Гц

В прошлом для соединения желез-

нодорожной тяговой сети с трех-

фазной сетью общего пользования

применялись электромеханические

преобразователи, состоящие

из расположенных на одном валу

двух электрических машин с раз-

ным количеством пар полюсов.

Использовались две конструкции

машин. В США и Скандинавии на обоих концах

вала устанавливались синхронные машины,

в результате чего сети становились «квазисин-

хронными». Отношение частот было фиксиро-

ванным и не изменялось. В центральной Европе

железные дороги располагали собственными

электростанциями, вырабатывающими одно-

фазное напряжение, а также собственными

электросетями, независимыми от национальных

трехфазных электросетей. Таким образом, на-

циональные и железнодорожные сети жестко

не синхронизировались, но отношение частот

могло меняться в ограниченных пределах.

Для компенсации применялись электроме-

ханические преобразователи специальной

конструкции. Это были так называемые машины

Шербиуса. Синхронные электрические машины

устанавливались только со стороны однофазной

сети. Коллекторные электродвигатели с фазным

ротором применялись только в трехфазных

сетях. Дополнительные (маломощные) машины

регулировали отклонение частоты вращения

ротора, что позволяло изменять скорость в ог-

раниченных пределах.

В последнее время появились преобразователи

частоты в виде инверторов напряжения, постро-

енных на силовых полупроводниковых приборах,

а выпуск электромеханических преобразователей

был прекращен. За последние 15 лет суммарная

мощность введенных в эксплуатацию преобра-

зователей частоты составила почти 1000 МВт.

Примерно две трети из них были поставлены

компанией АББ. Кроме того, в настоящее время

заказаны или изготавливаются преобразователи


3-фазн. пе-рем. ток

преобразователь

шина пост. тока

тяговый преобразователь

1 Сверху – электромеханический преобразователь с асинхронной (ASM) и синхронной (SM) электрическими машинами. Снизу – полупроводнико-вый преобразователь частоты для наружной установки.

Электромеханический преобразователь частоты

Полупроводниковый преобразователь частоты

Шина 50 кВ, 50 Гц

Шина 50 кВ, 50 Гц

Шина 132 кВ, 162/

3 Гц

Шина 132 кВ, 162/

3 Гц

ASM SMω

∼≈ ∼

∼ ∼= =

50 АББ Ревю 3/2008

Питание рельсовых магистралей


Данное поколение преобразователей отличается

недостижимой ранее мощностью, а также ком-

пактностью и сокращенными сроками монтажа

и ввода в эксплуатацию. Положительные отзывы

заказчиков свидетельствуют, что унифицирован-

ные преобразователи от АББ полностью удовлет-

воряют их требованиям.

Базовый модульСердцем преобразовательного модуля является

прибор IGCT (см. рис. 2), объединяющий пре-

имущества GTO и IGBT (биполярный транзистор

с изолированным затвором), такие как надеж-

ность, низкие коммутационные и омические

потери, а также высокую скорость коммутации.

Характеристики этого полупроводникового

прибора в данной области применения (высокая

мощность и напряжение) остаются непревзой-

денными. Например, применяемые для этой

цели высоковольтные IGBT (IEGT) обладают

сравнимыми коммутационными потерями

при той же площади кремниевого кристалла,

но омические потери в них значительно выше.

Кроме того, применение IGCT позволяет мак-

симально упростить схему преобразователя.

Например, однофазный модуль требует очень

простого снабберного каскада, в то время как

для GTO данный каскад отличается большой

сложностью. Это обеспечивает выигрыш в цене,

компактности и величине потерь.

Потери в полупроводнике происходят и когда

он проводит ток, и когда он заперт. Подобные

В используемых с данной целью инверторах

напряжения для подавления второй гармоники

использовались фильтры, настроенные на удвоен-

ную частоту однофазной сети.

Еще одной проблемой стало то, что система

должна была не только управлять активной

и реактивной энергией, но в случае повреждения

трехфазной сети она должна была переходить

в автономный режим. Более того, она должна

была стать единственным источником питания

для отдельного участка железнодорожной тяго-

вой сети и быть способной войти в синхронизм

с другими участками после устранения поврежде-

ния (рис. 1).

Только после появления мощных полупроводниковых ключей на базе GTO (запираемых тиристоров) стало возможным создание инверторов напряжения.

Примеры преобразователей частотыПолупроводниковые преобразователи от АББ

имеют долгую историю. Первые тяговые пре-

образователи были введены в эксплуатацию

в Швеции. Однако данная технология не была

пригодна для центральной Европы, где структу-

ра тяговых электросетей была иной, требования

к качеству электроэнергии – более высокими.

Первые два современных преобразователя

частоты номинальной мощностью 25 МВА

каждый были введены в эксплуатацию в 1994 г.

в Гиубиаско (Швейцария). Вслед за этим ус-

пешным проектом технология GTO получила

дальнейшее развитие, и в 1996 г. в Бремене

(Германия) был введен в эксплуатацию пре-

образователь на 100 МВА. Он был построен

на «жесткоприводных» GTO. Это были GTO

с управляющим электродом концентрической

формы, соединенным с блоком управления

проводником со сверхнизкой индуктивностью.

В результате коммутационная способность

тиристоров значительно возросла. Построенная

по данной технологии железнодорожная преоб-

разовательная подстанция номинальной мощ-

ностью 2 х 50 МВт/67 МВА была введена в строй

в 1999 г. в Карлсфельде (Германия).

Следующим шагом стала разработка нового

полупроводникового прибора – запираемого

тиристора с интегрированным управлением

(IGCT)1). Он стал дальнейшим развитием GTO

и обладал еще большей коммутационной

способностью и меньшими потерями. Низкоин-

дуктивный блок управления стал его интегри-

рованной частью. Компактность конструкции

позволила разработать унифицированные

преобразовательные модули, из которых можно

строить преобразователи любой мощности.

Сегодня нашим клиентам “верой и правдой”

служит 21 преобразователь мощностью от 15

до 20 МВт. Благодаря модульному принципу,

на их основе можно построить более мощные

преобразователи с шагом приращения мощ-

ности в 15 МВт. Для этого преобразовательные

модули и составленные из них преобразователи

следует включать параллельно.

2 IGCT – запираемый тиристор с интегрированным управлением (слева) и блок управления (справа). Блок управления и тиристор установлены на многослойной печатной плате со сверхнизкой индуктивностью.

1) Дополнительные сведения о приборах IGCT можно

получить из статьи «Маленькая точка может изменить

мир» на сс. 15–18 этого выпуска АББ Ревю.




и GCT формируют общее устройство – IGCT.

Цепь ограничителя выполняет ограничение

di/dt и напряжения. Она включает токоогра-

ничивающие реакторы, конденсаторы и огра-

ничивающие диоды.

■ Схемотехника и способ управления.

Преобразователь на 50 Гц имеет 12-фазную

конфигурацию. Таким образом, гармоники

генерируются только 12 импульсами (n = 12k

±1; k = 1,2,3,4…). В зависимости от выбранной

частоты коммутации полупроводникового

ключа и метода модуляции, некоторые

из этих гармоник могут и не формироваться.

При необходимости гармоники могут быть

подавлены до требуемого уровня линейным

фильтром.

Преобразователь на 162/3 Гц

Преобразователь на 162/3 Гц характеризуется

следующим:

■ Конструкция. В состав преобразователя

входят четыре стандартных трехфазных

трехуровневых модуля. Два установленных

друг на друга однофазных инвертора состав-

ляют двухфазный модуль, который может

использоваться в качестве однофазного

Н-моста. Состав двухфазного модуля такой

же, как в описанном выше преобразователе

на 50 Гц.

■ Схемотехника и способ управления.

Преобразователь на 162/3 Гц имеет 8-ступен-

чатую конфигурацию. Уровни выходного

напряжения преобразователя суммируются

последовательно включенными входными

обмотками трансформаторов четырех сме-

щаемых импульсами 3-уровневых Н-мостов.

Каждый из Н-мостов работает в 3-уровневом

режиме, используя обычную ШИМ (широтно-

импульсную модуляцию).

Ограничитель напряженияКогда напряжение шины постоянного тока пре-

высит верхний предел, оно погасится до нижнего

предела на резисторе (рис. 5в). Таким образом,

напряжение постоянного тока постоянно удержи-

вается в заданных границах.

Шина постоянного токаСо стороны постоянного тока все двухфазные

модули соединены друг с другом общей шиной

с выводами для измерения напряжения и подклю-

чения конденсаторов и фильтров.

Шина постоянного тока формирует соединение

между преобразователями на 50 и 162/3 Гц. Она

включает следующие основные компоненты:

■ непосредственно подключенная батарея

конденсаторов, используемая для накопления

энергии,

■ фильтр на 33,4 Гц для демпфирования колеба-

ний частоты тяговой сети (рис. 5д),

потери могут быть минимизированы сниже-

нием частоты коммутации. С другой стороны,

частота коммутации не может быть слишком

низкой из-за генерируемых гармоник. Таким

образом, необходим разумный компромисс

между потерями и гармониками. Оригинальным

решением данной дилеммы является схема

с многоуровневой топологией. Она позволяет

преобразователю работать с относительно не-

высокой частотой коммутации и в то же время

обеспечивает низкий уровень гармоник.

Трехуровневые однофазные модули формируют

напряжение переменного тока из постоянного

напряжения. Эти модули можно рассматривать

в качестве трехпозиционных переключающих

контактов, подключающихся к положительному

(+), нулевому (0) или отрицательному (-) выво-

дам шины постоянного тока (рис. 3).

Два таких модуля объединяются в трехуров-

невый двухфазный модуль. Все IGCT охлажда-

ются с обеих сторон. Охлаждающая жидкость

(водно-гликолевая смесь) поступает в радиа-

торы по трубкам. Компактность конструкции

достигается за счет размещения модулей друг

над другом. При такой компоновке минимизи-

руется паразитная индуктивность, что позволяет

использовать полупроводниковые компоненты

с максимальной эффективностью. Кроме того,

легкий доступ к IGCT облегчает их замену

при необходимости. Замена IGCT производится

с помощью простых инструментов и не затраги-

вает контур охлаждения. Пример двухуровневой

компоновки показан на рис. 4.

IGCT объединяет достоинства GTO и IGBT: надежность, низкие коммутационные и активные потери, а также высокое быстродействие.

Пример: преобразователь мощностью 15–20 кВтСхема преобразовательной подстанции показана

на рис. 5.

Преобразователь на 50 Гц (SR50)Преобразователь на 50 Гц характеризуется сле-

дующим:

■ Конструкция. В состав преобразователя

входят два стандартных трехфазных трех-

уровневых модуля. Два однофазных инвер-

тора объединены в стойку и составляют

двухфазный модуль. Двухфазный модуль

трехуровневого преобразователя состоит

из восьми IGCT с подключенными к ним восе-

мью демпфирующими диодами, а также из че-

тырех демпфирующих диодов, подключенных

к нейтральному проводнику. Блок управления

+

U =

0

-

3 Принцип работы трехуровневого преобразователя (а) и схема включения полупроводниковых прибо-ров (б)

+

0

-

U =

AC

S1

S2

S3

S4

a б

4 Конструкция и электрическая схема двухфазного модуля

+

+

0

0 AC 1

AC 1-

-

52 АББ Ревю 3/2008



■ оба фильтра шины постоянного тока вместе

с непосредственно подключенными к ней

конденсаторами служат также накопителями

энергии, что необходимо для управления. Объ-

ем накопленной энергии достаточен для того,

чтобы в случае неожиданного полного (100 %)

отключения нагрузки не допустить резкого

возрастания напряжения шины постоянного

тока.

Многоуровневая схемотехника позволяет преобразователю работать с относительно невысокой частотой коммутации и в то же время обеспечивает низкий уровень гармоник.

Фильтр на 33,4 ГцПолосовой фильтр на 33,4 Гц предназначен

для демпфирования колебаний частоты тяговой

сети (рис. 5д). Несмотря на высокую добро-

тность, составляющую примерно 200 (крутая

АЧХ), полоса пропускания фильтра в стороны

от центральной частоты достаточно велика,

благодаря высокой емкости его конденсаторов.

Это позволяет демпфировать отклонения час-

тоты тяговой сети в пределах полосы пропус-

кания. Кроме того, вносимые фильтром потери

относительно невелики, поскольку потери

на конденсаторах значительно ниже потерь

на резисторах.

ФВЧФВЧ подавляет гармоники высших порядков,

формируемые в основном тяговой сетью

(рис. 5е). Он представляет собой второй каскад

фильтрации с полосой пропускания от пятой

гармоники частоты тяговой сети и ниже. Ярко

выраженные третья и пятая гармоники напряже-

ния тяговой сети соответствуют второй, четвер-

той и шестой гармоникам в шине постоянного

тока. Данный фильтр частично подавляет вы-

сшие гармоники, формирующиеся в трехфазной

и тяговой сетях, а также в результате пульсаций.

Основное же подавление производится конден-

саторами, подключенными непосредственно

к инвертору. Таким образом, при расчете пара-

метров данных компонентов следует учитывать

ожидаемый уровень гармоник в обеих сетях.

Контейнер с преобразователемПреобразователь с соответствующей системой

управления поставляется полностью собранным

и испытанным на заводе – в контейнере, стойком

к атмосферным воздействиям. Система охлаж-

дения поставляется в отдельном контейнере.

Оба контейнера смонтированы на общей раме.

Внутреннее устройство контейнера с преобразо-

вателем показано на рис. 6.

Трансформаторы преобразователя■ Трансформатор на 50 Гц. Трансформатор

на 50 Гц в 50-герцовом преобразователе запи-

тан от двух 3-фазных мостов, построенных

на IGCT. Трехфазный трансформатор состоит

или из 2-ярусного Ш-образного сердечника

с хомутом посередине или двух Ш-образных

сердечников, помещенных в один бак. На каж-

дом стержне сердечника имеется входная

(высоковольтная) и выходная (соединенная

с инвертором) обмотки. Две части высоковоль-

тной обмотки соединены последовательно.

5 Электрическая схема преобразовательной подстанции

20 кВ, 50 Гц 3-фаз-ная питающая сеть

110 кВ, 162/3 Гц

тяговая сеть

Возможные варианты: 3-фазная питающая сеть 110 кВ, 50 Гц тяговая сеть 15 кВ, 162/

3 Гц

a Два 3-фазных 3-уровневых инвертораб Четыре 1-фазных 3-уровневых инвер-

торав Ограничитель напряженияг Заземление, измерение

д Фильтр на 33,4 Гце ФВЧж Фильтр на 162/

3 Гц

з Трансформатор на 50 Гци Трансформатор на 162/

3 Гц

3 3

3

2

1

Стандартный преобразователь АББ мощностью 15 МВт

г

в

в

a

з

a

е д

б

б

б

б

ж

и




Выходные напряжения IGCT-преобразователя

представляют собой прямоугольные импульсы

управляемой ширины. По сравнению с типичны-

ми электрическими машинами спектр выходного

напряжения данного преобразователя отличается

крайне невысокими низшими гармониками.

По отношению к тяговой сети преобразователь

является источником гармоник напряжения.

Индуктивность трансформатора оказывает

Высоковольтные обмотки соединены звездой.

Две обмотки со стороны инвертора сдвинуты

относительно друг друга на 30° (соединение

звезда/треугольник), что позволяет инвертору

работать в 12-фазном режиме.

Общая формула соединения: YN y0 d11

■ Трансформатор на 162/3 Гц. Трансформа-

тор на 162/3 Гц преобразователя на 162/

3 Гц

служит для формирования четырех почти

синусоидальных парциальных однофазных

напряжений номинальной частотой 162/3

Гц. Трансформатор состоит из четырех

однофазных блоков. Прямоугольные парци-

альные напряжения формируются в шине

постоянного тока четырьмя однофазными

преобразовательными мостами IGCT, исполь-

зующими ШИМ и питающими четыре обмот-

ки трансформатора со стороны инвертора.

Суммирование парциальных напряжений

и формирования напряжения тяговой сети

производится в высоковольтной обмотке.

Фильтр подключается последовательно к тре-

тичным обмоткам или со стороны тяговой

сети.

Линейный фильтрСо стороны сети 162/

3 Гц фильтр используется

для подавления и без того невысоких гармони-

ческих искажений, вносимых преобразователем.

В некоторых случаях это требуется делать

и со стороны сети 50 Гц.

Цена

С учетом стоимости вспомогательных систем,

сборки и монтажа, капитальные и эксплуатаци-

онные расходы для полупроводниковых преоб-

разователей значительно ниже.

КПД

КПД полупроводниковых преобразователей

достигает 97 % (включая трансформаторы,

соединяющие их с обеими сетями) в широком

диапазоне мощностей. КПД вращающихся

преобразователей колеблется от 90 до 95 %

в зависимости от их мощности и рабочей

точки.

Коэффициент технической готовности

Коэффициент технической готовности враща-

ющихся преобразователей значительно ниже

из-за длительных простоев для выполнения

технического обслуживания и ремонта.

Характер работы

Из-за отсутствия массивных вращающихся

деталей полупроводниковые преобразователи

малоинерционны. Для них не существует про-

блемы поддержания стабильности напряже-

ния в случае помех со стороны тяговой сети,

вызванных колебаниями ротора.

Преимущества полупроводниковых пре-образователей частоты по сравнению с вращающимися преобразователями

6 Контейнер с преобразователем

а Агрегат охлажденияб Охлажденный воздухв Батарея конденсаторов и шина пос-

тоянного токаг Ограничитель напряженияд Преобразователь на 50 Гц

е Преобразователь на 162/3 Гц

ж Полупроводниковые ключиз Вспомогательное питаниеи Регулирование по разомкнутому

циклук Регулирование по замкнутому циклу

л Измерением Защитан Принтеро ИБПп Интерфейс оператора

Состав контейнера с преобразователем:■ Система охлаждения внутреннего объема■ Модули инверторов с электронным управлением и огра-

ничители напряжения■ Шины постоянного тока и конденсаторы, расположен-

ные за модулями инверторов■ Шины, питающие трансформаторы■ Системы распределения вспомогательного питания,

управления, измерения и защиты

■ Источник бесперебойного питания для систем измере-ния и управления

■ Место оператора с интерфейсом управления и прин-тером

a

б

в

гд

дд

ее

ее

жж

жж

жж

ж

з

и

к

л

м

о

п

н

7 Напряжения трех фаз в точке подключения к сети 50 Гц

мс

Напряжения

L1, 50 Гц L2, 50 Гц L3, 50 Гц

-46,9 -40,0 -30,0 -20,0 -10,0 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 46,9

кВ

50

40

30

20

10

0

-10

-20

-30

-40

-50

По сравнению с типичными электрическими машинами, спектр выходного напряжения данного преобразователя отличается крайне невысокими низшими гармониками.

54 АББ Ревю 3/2008



демпфирующий эффект, особенно заметный

для высших гармоник тока. Это положительно

влияет на качество электроэнергии в тяговой

сети. Положительное влияние индуктивности

трансформатора усиливается фильтром, осу-

ществляющим дальнейшее подавление гармоник.

В результате значения гармонических искажений

становятся даже ниже требуемых. На рис. 7 пока-

зана практически идеальная форма напряжения

в точке подключения тяговой сети к преобразова-

телю (осциллограмма, записанная во время ввода

в эксплуатацию).

ВыводыЦеленаправленное развитие преобразователей

отвечает современным требованиям и поэтому

продукция АББ занимает значительную долю

этого рынка. Модульная конструкция позволяет

легко собирать преобразователи различной мощ-

ности. В настоящее время компания АББ ведет

строительство преобразователей мощностью

30 МВт и выше. Мы прилагаем значительные

усилия к тому, чтобы оставаться первыми на этом

перспективном рынке.

Герхард Линховер

Филипп Майбах

Никлаус Умбрихт



gerhard. o. linhofer@ch. abb. com

philippe. maibach@ch. abb. com

niklaus. umbricht@ch. abb. com


[1] Gaupp, O., Linhofer, G., Lochner, G., Zanini, P. Powerful

static frequency converters for transalpine rail routes. ABB

Review 5/95, 4–10.

[2] Lönard, D., Northe, J., Wensky, D. Statische Bahnstrom-

richter – Systemübersicht ausgeführter Anlagen. Elektrische

Bahnen 6/95, 179–190.

[3] Mathis, P. Statischer Umrichter Giubiasco der Schweizeri-

schen Bundesbahnen. Elektrische Bahnen 6/95, 194–200.

[4] Steimer, P., Grüning, H., Werninger, J., Dähler, P., Linhofer,

G., Boeck, R. Series connection of GTO thyristors for

high-power static frequency converters. ABB Review 5/96,

14–20.

[5] Steimer, P., Grüning, H. P., Werninger, J., Carroll, E.,

Klaka, S., Linder, S. IGCT – a new, emerging technology

for high-power, low-cost inverters. ABB Review 5/1998,

34–42.

[6] Meyer, M., Thoma, M. Netzkompatibilitätsstudie und –

messungen für die Umrichteranlage Wimmis. Elektrische

Bahnen 12/2006, 567–574.

[7] Jampen, U., Thoma, M. Statische Frequenz-umrichteranla-

ge Wimmis. Elektrische Bahnen 12/2006, 576-583.

8 Преобразовательная подстанция мощностью 15–20 МВт, соединяющая национальную энергосисте-му на 50 Гц с тяговой сетью на 162/

3 Гц. Слева находится трансформатор на 50 Гц с установленными

сверху на мостике трехфазными фильтрами. Посередине – контейнер с преобразователем, спра-ва – однофазный НЧ трансформатор.




Вдали от берегаПреобразователь PCS6000 для 5-мегаваттной ветроустановкиМаркус Эйхлер

В последние годы ветроэнергетика пере-

живает значительный рост, характеризую-

щийся не только увеличением числа уста-

новок, но также увеличением их размеров

и мощности. Мощность крупнейших

агрегатов достигает 5 МВт, а их высота

сравнима с высотой шпилей всемирно

известного Кёльнского собора.

Ветровые электростанции все чаще

строятся в открытом море или малонасе-

ленных районах, что усложняет не только

само строительство, но и соединение

с энергосистемой. Для решения послед-

ней проблемы предназначен преобразо-

ватель PCS6000 от АББ. Он прекрасно по-

мещается внутри мачты ветрогенератора.

Помимо преобразования производимой

электроэнергии в ток требуемой частоты

и напряжения, он помогает поддерживать

слабые сети, подавая или потребляя ре-

активную мощность.

56 АББ Ревю 3/2008


строю в четыре ряда по три турбины в каждом,

на расстоянии примерно 800 метров друг

от друга.

Высота мачты с ветроколесом будет достигать

150 м, что почти равно высоте Кёльнского со-

бора. Все шесть турбин производства компании

Multibrid будут размещены на треножных опо-

рах, установленных на дне моря. Глубина моря

в месте установки составляет около 30 метров.

Площадь опорной поверхности треножника

составит 255 м2. Чтобы окружить его взявшись

за руки, потребуется 56 человек. Вес стальных

конструкций каждой турбины (около 100 т) ра-

вен весу 200 взрослых слонов или 22 железнодо-

рожных вагонов. Площадь круга, описываемого

лопастями ветроколеса, в полтора раза больше

площади футбольного поля. При максимальной

частоте вращения концы лопастей перемещают-

ся со скоростью 300 км/ч.

Технологии от АББВетроустановки снабжены синхронным гене-

ратором, возбуждаемым постоянным магнитом.

С наземной энергосистемой они должны быть

соединены через полнофункциональный преоб-

разователь.

Подобная конфигурация обеспечивает опти-

мальную работу турбин и максимально эффек-

тивную передачу электроэнергии в наземную

энергосистему. Для таких огромных и мощных

турбин необходимы мощные преобразователи

среднего напряжения. В качестве таковых ис-

Первым проектом, реализация которого

осуществляется компаниями E.ON Climate

& Renewables, EWE и Vattenfall Europe, стала

морская ветроэлектростанция Alpha Ventus. Рас-

положенная в 45 км севернее немецкого острова

Боркум в Северном море, в месте, где его глубина

достигает 30 м, Alpha Ventus станет первой

в Германии ветроэлектростанцией, построенной

в открытом море. Разработка, строительство, ввод

в эксплуатацию и интеграция Alpha Ventus в су-

ществующую энергосистему в ходе реализации

данного исследовательского проекта позволят

накопить бесценный опыт, необходимый для со-

здания будущих морских ветроэлектростанций

коммерческого назначения.

План включает постройку шести ветрогенера-

торов Multibrid M5000 и шести – Repower 5M.

Морская трансформаторная подстанция будет

расположена в юго-восточном углу ветроэ-

лектростанции. Работа турбин будет контро-

лироваться из берегового пункта управления.

Подача энергии в национальную энергосистему

Германии будет осуществляться электрической

компанией E.ON Netz GmbH.

Суммарная мощность морской ветроэлект-

ростанции составит от 20 до 40 ГВт. Подача

энергии в страны Европейского Союза начнется

в 2020 г.

Первые шесть из двенадцати турбин будут пост-

роены на участке площадью четыре квадратных

километра. Они будут стоять в прямоугольном

157 м Кёльнский собор

147 м Пирамида Хеопса

143 м Высота ветроколеса

116 м Диаметр ветроколеса

85 м Ступица

84 м Базилика Сакре-Кёр

28 м Морское дно

■ Число турбин: 12

■ Суммарная мощность: 60 МВт

■ Ожидаемое годовое производство электро-

энергии: 180 – 200 ГВтч (годовое потреб-

ление примерно 50 000 домов, в каждом

из которых проживает по три человека)

Общие сведения об Alpha Ventus

■ Диаметр ветроколеса: 116 м

■ Высота ступицы ветроколеса: 90 м

■ Расчетная мощность: 5 МВт

■ Частота вращения: 5,9–14,8 об/мин.

■ Начальная скорость ветра: 3,5 м/с (сила вет-

ра 3 балла)

■ Номинальная скорость ветра: 12,5 м/с (сила

ветра 6 баллов)

■ Максимальная скорость ветра: 25 м/с (сила

ветра 10 баллов)

■ Скорость конца лопасти: 90 м/с (= 324 км/ч)

■ Масса гондолы без ветроколеса и ступицы:

200 т

■ Масса гондолы с ветроколесом и ступицей:

309 т

■ Масса стальных конструкций опор, мачты

и гондолы: 1000 т

Технические характеристики Multibrid M5000

a г жб д зи

к ол пм рн с

в е 30 м Посадочная платфор-ма для вертолётов

25 м Основная палуба

21 м Кабельная палуба

а Системы управленияб Заземляющий трансфор-

маторв КРУ с элегазовой изоля-

циейг Оборудование низкого

напряжения и пост. токад Противопожарное обору-

дованиее Трансформаторж GISз Компенсационный реак-

тори Кранк Аппаратнаял Жилое помещение/убе-

жищем Мастерскаян Аккумулятор/выпрями-

тельо Емкость для отработанно-

го маслап Аварийный генераторр + с Дизельное топливо

Высота турбин почти равна высоте Кёльнского собора Преобразователи установлены на специальной платформе


Вдали от берега


нью защиты IP54 (частичная защита от пыли

и защита от струй воды с любого направления)

не пропускают внутрь конденсат, образующийся

внутри башни. При конструировании были при-

няты все возможные меры по защите оборудова-

ния от вибраций. Для обеспечения безопасности

обслуживающего персонала преобразователь

оборудован заземляющим разъединителем и уст-

ройствами блокировки с дверями шкафов.

Применение PEBB значительно повысило ре-

монтопригодность (рис. 3). Компоненты легко

и быстро заменяются без отсоединения шин

и труб охлаждения. Чтобы получить доступ к ус-

тановленным друг на друга инверторам, необхо-

димо спустить пружину, затем следует вытянуть

специальным инструментом радиаторы, и из-

влечь IGCT (рис. 4) из стойки. Интеллектуальная

система защиты не допускает механических

повреждений, вызываемых пробоем тиристоров,

который не приводит к образованию электри-

ческой дуги.

Данное дополнительное преимущество крайне

важно для морской ветроэнергетической уста-

новки, доступ к которой по погодным условиям

может быть невозможен в течение нескольких

дней.

Внутри ветроэнергетического преобразователяОсновными блоками преобразователя явля-

ются два инверторных модуля, соединенных

шиной постоянного тока. Кроме них в схему

входят вспомогательные цепи сетевого фильтра

и фильтра dv/dt на выходе генератора. 3-уров-

невые инверторы аналогичны используемым

в стандартных промышленных преобразова-

телях среднего напряжения. Трансформатор

предназначен для борьбы с dv/dt, вызываемым

Описание системыВ настоящее время ветроустановки мощностью

более 2 МВт представляют собой турбины

с переменной частотой вращения. В морских

установках, обслуживание которых сведено

к минимуму, предпочтительнее применять воз-

буждение генератора постоянным магнитом.

Данное решение требует наличия полнофункци-

онального преобразователя. В подобной системе

очень сложно обеспечить эффективное преоб-

разование, особенно при работе с частичной

нагрузкой.

Богатый опыт, накопленный компанией АББ

в данной области, позволяет выбрать для реше-

ния этой задачи стандартные промышленные

преобразователи. Простота данного решения

повышает отказоустойчивость ветрогенераторов

нового поколения.

Ветроэнергетический преобразователь PCS6000

построен из унифицированных силовых элект-

ронных модулей (PEBB), включающих мощные

полупроводниковые приборы. Благодаря этому

преобразователи получаются очень компакт-

ными.

Для 5-мегаваттных ветрогенераторов АББ вы-

пустила 4-квадрантный преобразователь на базе

PCS6000. Он состоит из стандартных PEBB,

построенных на IGCT (запираемых тиристорах

с интегрированным управлением). Преобразо-

ватель включает PEBB, устройства управления

и механическое оборудование. Подобное реше-

ние обладает большими преимуществами с точ-

ки зрения цены, качества и надежности. PCS6000

объединяет две фазы с общей нейтральной

точкой. Это обеспечивает выигрыш в удельной

мощности – важный фактор для преобразова-

телей, расположенных внутри ветроэнергети-

ческой установки. Размещение 5-мегаваттного

преобразователя PCS6000 (рис. 2) внутри мачты

показано на рис. 1.


вместе с необходимым вспомогательным обору-

дованием (системой водяного охлаждения, се-

тевым фильтром и фильтром dv/dt генератора)

установлен внутри мачты на одной платформе.

Очень компактная конструкция обеспечива-

ет доступ для обслуживания со всех сторон.

Преобразователь работает под управлением

программируемого логического контроллера

AC 800PEC1). Каналы измерения и управления

средневольтным оборудованием являются

оптическими. Для обмена данными со шка-

фом управления преобразователя PCS6000,

контролирующим охлаждение и фильтрацию,

необходимо всего два оптоволоконных канала.

Благодаря этому система полностью защищена

от электромагнитных помех. Шкафы со степе-

пользуются гибкие в применении полнофунк-

циональные промышленные преобразователи,

легко адаптируемые для решения различных

задач в различных условиях. Подобные силовые

электронные системы рассматриваются с точки

зрения трех главных параметров: надежности,

эффективности и цены.

1 Преобразователь PCS6000 помещается внут-ри мачты.

2 Полнофункциональный преобразователь сред-него напряжения PCS6000 со шкафом управ-ления.

4 IGCT для PEBB на 9 МВА

3 В PCS6000 используются 3-уровневые 2-фаз-ные модули.

1) См. также «Об одном способе разработки», AББ Ревю

2/2006, сс. 62–65.

58 АББ Ревю 3/2008


-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4

10

0

-10

100

0

-100

500

0

-500

2,8

2,6

2,4

2

1

0

2,52

1,51

0,50

20

19

18

17


коммутацией IGCT. Тем не менее, сетевой

фильтр также необходим. Его основное назна-

чение – подавление гармоник тока до уровня,

определенного IEEE 519-1992, даже при работе

с очень слабыми сетями. При дополнительной

фильтрации можно обеспечить соответствие

предписаниям Союза немецких электротех-

ников (VDEW). Сетевой фильтр представляет

собой LC-цепь со специальным демпфирующим

контуром для низших гармоник. Со стороны

генератора небольшой фильтр dv/dt ограни-

чивает резкое возрастание напряжение на его

выходных зажимах.

Общая схема 4-квадрантного 3-уровневого вет-

роэнергетического преобразователя показана

на рис. 5. Выходной ток выпрямляется инвер-

тором (INU) и поступает на шину постоянного

тока, откуда через активный выпрямитель (ARU)

подается в электросеть. Шина постоянного тока

защищена ограничителем напряжения (VLU)

обеспечивающим непрерывную работу и отсутс-

твие бросков напряжения генератора при ава-

рии в электросети. Благодаря этому авария

в электросети не приведет к резким изменениям

вращательного момента турбины.

Во время нормальной работы два полупровод-

никовых ключа в каждой фазе всегда находятся

в запертом состоянии. Это позволяет исполь-

зовать те же самые элементы при работе на уд-

военном напряжении шины постоянного тока

2-уровневого преобразователя. По сравнению

со схемой с последовательным включением

элементов, 3-уровневая конфигурация обладает

значительными преимуществами. Включенные

с общей нейтральной точкой диоды делят

напряжение между двумя запираемыми IGCT,

не требуя установки специальных делителей на-

пряжения. Кроме того, потенциал нейтральной

точки может быть также скоммутирован на вы-

ходные зажимы. Это приводит к уменьшению

перепадов напряжения на выходе и меньшей

пульсации тока. По сравнению с 2-уровневым

преобразователем с такой же частотой комму-

тации отдельных IGCT, пульсации уменьшатся

в четыре раза. Столь малые пульсации тока зна-

чительно уменьшают колебания вращательного

момента генератора и, следовательно, нагрузку

на планетарный редуктор.

Преимущества 4-квадрантного режима PCS6000Полнофункциональный ветроэнергетический

преобразователь АББ является 4-квадрантным,

то есть он позволяет энергии протекать в обоих

направлениях. Само по себе данное применение

не требует протекания энергии в двух направле-

ниях, то есть подключенная к генератору часть

преобразователя должна быть однонаправлен-

ной. Перед возведением морских ветроэнергети-

5 Общая схема 4-квадрантного 3-уровневого ветроэнергетического преобразователя

PCS 6000 Wind 2 x 5 МВт

INUШина пост.

тока

а Синхронный генератор с возбуждением постоянным маг-нитом

б Выключатель нагрузкив Фильтр dv/dtг Преобразователь 5-мегаваттного генератора

д Тормозной прерыватель на шине постоянного токае Сетевой 5-мегаваттный преобразовательж Сетевой фильтрз Выключатель на выходе трансформатора

3 320 кВ, 50 Гц

PMG

+

+

+

+

+

+

+ +

+

+

+

+

+

+

+

+

+

++

+

+

+

ARU

+ +

VLU

VLU

+

+

a б з

в ж

г д е

6 Осциллограммы процессов в сети E.ON, записанные регистратором переходных процессов DIAS

Напряжение в сети, кВ

Напряжение в сети (абс.), кВ

Ток в сети, А

Токи преобразователя, А

Взаимодействие с сетью EON

Фаза R Фаза S Фаза T

Напряжение в сети (абс.)



Положительное Отрицательное

Активная (МВт) Реактивная (Мвар)

Комп. реактивной мощности Напряжение сети < 90 % Отключение сети

Напряжение шины постоянного тока, кВ

Мощность в сети (+ получаемая, – отдаваемая)



2000

0

-2000

4

3

2

20

10

0

3

2,5

3,5

3

-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1


ти. При этом инвертор со стороны сети (ARU)

не подает в нее активную энергию от генера-

тора. Это может привести к перенапряжению

в шине постоянного тока преобразователя и сра-

батыванию защиты генератора от перегрузки.


снабжен ограничителем напряжения (тормоз-

ным прерывателем), который при аварии в сети

может рассеивать активную мощность, позволяя

генератору продолжать работать (рис. 7). Коле-

бания тока не будут воздействовать на генератор

(а именно величина тока является показателем

вращательного момента нагрузки).

Система управления PCS6000Контроллер силового преобразователя PCS6000

получает сигналы пуска/останова от контролле-

ра турбины (конфигурация ведущий-ведомый)

по цифровому каналу PROFIBUS. Команды регу-

лирования вращательного момента синхронно-

го генератора на постоянных магнитах (PMSG)

основаны на результатах измерения частоты

вращения и обновляются каждые 10 мс. Веду-

щее устройство – стандартный промышленный

ПЛК – соединен с контроллером преобразо-

вателя AC800 PEC (рис. 8) последовательной

линией.

Активный выпрямитель (ARU) должен обеспе-

чивать максимальный вращательный момент

(а следовательно и ток) до тех пор, пока вы-

ходное напряжение не достигнет предельно

допустимого для самого активного выпрямителя.

Начиная с этой точки, он должен ограничивать

выходное напряжение, в то время как генератор

будет продолжать поднимать мощность. Инвер-

тор (INU) фактически подает мощность в элек-

тросеть и управляет постоянным напряжением.

Для выполнения данных задач применяется

обратная связь без применения датчиков поло-

жения ветроколеса. Такое управление основано

ческих установок были проведены тщательные

испытания редуктора и генератора. Преобра-

зователь PCS6000 запускал генератор в режиме

электродвигателя, заставляя через приводной

фланец вращаться редуктор, и одновременно

обеспечивая реактивный ток в обмотках гене-

ратора, необходимый для испытания на нагрев

при работе. Во время заводских испытаний были

проверены и отрегулированы все системы защи-

ты и охлаждения. Двунаправленное протекание

энергии позволило найти такое положение

ветроколеса, при котором его можно заблоки-

ровать гидравлическим тормозом для проверки

состояния лопастей и системы их поворота.

Установкой ветроколеса в требуемое положение

управляет контроллер в гондоле ветроустановки.

Он обменивается данными с контроллером пре-

образователя с помощью протокола PROFIBUS.

Преобразователь PCS6000 может плавно и точно

перемещать ветроколесо в требуемое положение

даже при очень сильном ветре.

Известно, что датчики углового положения

часто являются причинами отказов. Ветроэнер-

гетический преобразователь PCS6000 работает

без датчиков положения, что обеспечивает

высокую надежность и снижает необходимость

в обслуживании. Он оснащен специальной фун-

кцией плавного пуска главного трансформатора.

В шину постоянного тока преобразователя

PCS6000 предварительно подается начальное

напряжение от специального устройства. Это

помогает поднять постоянное напряжение до но-

минального уровня. Затем инвертор со стороны

сети (ARU) медленно увеличивает напряжение

и синхронизирует трансформатор с сетью,

не вызывая бросков тока. Данная функция помо-

гает подключать мощные трансформаторы к сла-

бым сетям и предотвращает посадку напряжения,

возможную при непосредственном подключении

трансформаторов к ветроэлектростанции. Еще

одним важным преимуществом полнофункцио-

нального преобразователя является возможность

компенсации реактивной мощности. При этом

дополнительное оборудование для компенсации

реактивной мощности, необходимое для тра-

диционных ветроустановок с асинхронными

машинами двойного питания, не требуется.

Для поддержания заданного напряжения ветро-

энергетический преобразователь PCS6000 спо-

собен подавать и получать реактивную энергию

в электросеть или из неё.

Обеспечение работы электросетиВетроэнергетический преобразователь PCS6000

обеспечивает непрерывную работу электросети

даже при её авариях. Он оснащен функцией

быстрого динамического контроля напряжения

во время симметричных и несимметричных

аварий, необходимой для поддержания работы

сети. На рис. 6 показаны осциллограммы реально

измеренной посадки напряжения во время рабо-

ты прототипа турбины Multibrid M5000 в Бремер-

хавене, Германия.

Во время серьёзных аварий полнофункциональ-

ный силовой преобразователь может компенси-

ровать до 100 % реактивной энергии электросе-

8 Контроллер преобразователя AC800 PEC с оптоволоконными линиями

а Кабельный лотокб Оптоволоконные кабелив Модуль контроллера AC800 PECг Скоростной аналого-цифровой модуль ввода-вы-

вода

a

a

б

б

в

7 Работа тормозного прерывателя во время серьезной аварии электросети

Напряжение в сети, кВ

Напряжение в сети (абс.)

Напряжение генератора (абс.)

Положительное Отрицательное

Огр. положительного напряжения Огр. отрицательного напряжения


Напряжение генератора, кВ

Токи генератора (A)

Коммутационное состояние ограничителя напряжения (VLU)

Напряжение шины постоянного тока, кВ

г

60 АББ Ревю 3/2008



возможностями по имитации

процессов они прекрасно подходят

для интеграции даже очень мощных

ветроэнергетических установок

в электросети, предъявляющие

высокие требования к таким соеди-

нениям. Для более мощных турбин

будущего АББ уже сейчас готова

предоставить силовые преобразова-

тели мощностью до 14 МВА.

Маркус Эйхлер



markus. eichler@ch. abb. com

перспективных турбин будет составлять от 7

до 10 МВт. Для таких ветроэлектростанций

требования к управлению турбинами будут от-

личаться от существующих в настоящее время.

Сегодня ветроэнергетические установки обычно

используются с одной целью – подавать в сеть

как можно больше электроэнергии, даже при по-

рывистом ветре. Для турбин будущего определе-

ны более сложные задачи. Морские ветропарки

рассматриваются в качестве крупных электро-

станций. Например, при уменьшении частоты

в электросети турбины должны поддерживать

уровень мощности, необходимый для компенса-

ции последствий этой аварии. Еще одним требо-

ванием может быть ограничение генерируемой

мощности на уровне, меньшем фактического

максимального значения. Другим важным тре-

бованием является возможность продолжения

работы турбин при включении и отключении

нагрузки, например, в случае короткого замыка-

ния в сети.

В настоящее время серийно выпускаются турбины мощностью до 5 МВт, а турбины большей мощности разрабатываются или существуют в виде опытных образцов.

АББ успешно применяет надежные и эффектив-

ные преобразователи среднего напряжения в об-

ласти ветроэнергетики.

В сочетании с мощным программным обеспе-

чением, гибкой схемой управления и мощными

на фазовой автоподстройке частоты

(ФАПЧ), синхронизирующей возни-

кающую при вращении генератора

ЭДС по фазе и частоте с постоян-

ным магнитным потоком. Обратная

связь регулирует токи генератора

и через выходы управления модуля-

тором обеспечивает поддержание

заданных фазных напряжений

на зажимах статора. На случай

исчезновения напряжения вспомо-

гательного питания контроллеров

управления и плат ввода-вывода

предусмотрен источник беспе-

ребойного питания постоянного

тока. Контроллер преобразователя

PCS6000 подготовлен к длительным

перерывам в работе. После длитель-

ного отключения питания контрол-

лер AC800 PEC распознает наличие конденсата

и перед пуском турбины начинает процедуру

сушки.

Техническое обслуживание и ремонтВажнейшими качествами силового преобразова-

теля являются его высокая надежность и ремон-

топригодность даже при установке на морской

платформе. Мощное программное обеспечение

ветроэнергетического преобразователя PCS6000

позволяет обслуживать его дистанционно. Конт-

роль процессов осуществляется с помощью раз-

работанной АББ Системы анализа диагности-

ческой информации (DIAS). При возникновении

проблемы сервисные специалисты АББ могут

дистанционно оказать качественную поддержку

местному персоналу. Контроллер AC800 PEC

регистрирует все параметры и состояние преоб-

разователя вместе с отметками о дате и времени

аварии. Специалисты АББ могут исследовать

их на встроенном в систему анализаторе пе-

реходных процессов, который осуществляет

дистанционную запись событий, а затем выдать

рекомендации персоналу на месте установки.

Кроме того, сведения о состоянии преобразо-

вателя PCS6000 можно получить дистанционно

через простые в применении терминалы опера-

тора (HMI). Система может рассылать по задан-

ным адресам сообщения об авариях с прилагае-

мыми к ним файлами отчетов о неисправностях.

Схема контроля через интернет и программные

средства диагностики показаны на рис. 9.

Следующее поколение турбинВ настоящее время серийно выпускаются тур-

бины мощностью до 5 МВт, а турбины большей

мощности разрабатываются или существуют

в виде опытных образцов. Как ожидается боль-

шинство турбин следующего поколения найдут

применение в составе крупных ветроэлект-

ростанций, расположенных или в открытом

море, или в малонаселенных районах. Мощность

МодемПК оператора

9 Доступ к преобразователю PCS6000 через интернет




Ветер на сегодня является одним из самых важных источников во-

зобновляемой энергии. На конец 2007 года общая установленная

мощность ветрогенераторных установок в мире составила 94 ГВт,

из которых только 1 ГВт приходится на морские установки. Однако

в течение следующих пяти лет в морском сегменте ожидается рост

более чем на 1 ГВт в год, большая часть этого роста будет связана

с постройкой 100 запланированных ветропарков в Европе. Пос-

кольку многие из этих морских электростанций будут размещены

на значительном расстоянии от берега в районах с крайне небла-

гоприятными климатическими условиями, их проектирование,

строительство и эксплуатация требуют особых навыков.

Компания АББ, на основании более чем 20-летнего опыта в об-

ласти ветроэнергетики, располагает весомым багажом знаний

о ветровых турбинах и энергосистемах. Пользуясь этими знания-

ми, специалисты АББ разработали подробную концепцию проекта

по включению крупнейшего в мире и самого удаленного ветро-

парка в энергосистему Германии, впервые применив для этих

целей новую и экологически чистую технологию HVDC Light©.

Осваивая энергию ветраПрименение технологии HVDC Light® для интеграции крупномасштабных морских ветрогенераторных электростанций в энергосистему.Амбра Саннино, Петер Сандеберг, Ларс Стендиус, Рафаэль Гёрнер

62 АББ Ревю 3/2008


ропарков из-за высокой емкости кабеля. Иными

словами, вся пропускная способность линии бу-

дет расходоваться лишь на заряд кабеля, что де-

лает невозможной передачу энергии. Линия

передачи постоянного тока (HVDC) позволяет

решить проблему, а для крупных ветропарков,

расположенных на расстоянии от 50 до 100 км

от точки сопряжения с энергосистемой, ока-

зывается вполне подходящей технология АББ

HVDC Light.

Общие сведения о технологии HVDC LightТехнология HVDC Light основана на применении

инверторных преобразователей напряжения

(VSC), которые, благодаря последовательно

включенным силовым транзисторам, позволяют

подключаться к сетям с недостижимыми ранее

уровнями напряжения. Такое оборудование мо-

жет применяться для передачи электроэнергии,

компенсации реактивной мощности и подавле-

ния гармоник и пульсаций.

Станция HVDC Light состоит из преобразовате-

ля, распределительных устройств переменного

и постоянного тока, фильтров и системы охлаж-

дения (рис. 4 и 5). Преобразователь HVDC Light

построен по схеме двухполупериодного моста

дятся дорого, да и не всегда возможны по погод-

ным условиям.

Высокая емкость кабеля снижает привлекательность линии переменного тока по сравнению с линией постоянного тока при большой протяженности линии.

Турбины, применяемые в морских установках,

обычно крупнее наземных, а расстояние между

установками часто превышает 500 м. Подводная

высоковольтная кабельная сеть (обычно 24

или 36 кВ переменного тока) связывает турби-

ны между собой и осуществляет сбор энергии

для последующей передачи на подходящий

пункт на суше. В зависимости от размера ветро-

парка и расстояния до берега, передача выполня-

ется на разных напряжениях (например 130 кВ).

Однако линия переменного тока не пригодна

для передачи энергии с крупных удаленных вет-

К концу 2007 года установленная мощность

ветроэнергетических установок в Европе

составила 56 ГВт из общемировой суммарной

мощности 94 ГВт (рис. 2). В последние годы,

однако, крупнейшими рынками ветроэнергетики

стали США и Китай: в 2006 году только в США

суммарная мощность новых установок составила

около 2,5 ГВт, а в 2007 году этот показатель

превысил 5 ГВт. Из страны, где ветроэнергетика

отсутствовала или существовала лишь в малых

объемах, Китай превратился во второй по вели-

чине рынок в 2007 году, когда было введено бо-

лее 3 ГВт. По некоторым прогнозам [1] установ-

ленная мощность ветроэнергетических станций

в США и Азии в 2012 году в три раза превысит

нынешний уровень (рис. 3). В Европе установ-

ленная мощность к 2012 году тоже увеличится

более чем вдвое, частично из-за замены старых

турбин на более крупные новые, обладающие

лучшим кпд.

При совокупной мощности менее чем в 1 ГВт

на конец 2007 года, большая часть которой

сконцентрирована практически исключительно

в небольшом числе европейских стран (рис. 1),

сектор морских ветроэлектростанций опре-

деленно мал в масштабах отрасли. Здесь про-

гнозируется прирост более чем на 1 ГВт в год

на протяжении следующих 5 лет. Однако насто-

ящий взлет на рынке ожидается в 2011–2012

годах в связи с предполагаемым строительством

крупных ветропарков у северного побережья

Германии.

Морские и наземные установкиКак правило, для морской установки требуется

вводить больший объем новой инфраструктуры

на 1 МВт мощности, чем для размещенного

на суше ветропарка. Кроме того, проектирование

и монтаж электрических систем оказываются

гораздо более трудными в связи с условиями

эксплуатации и повышенными требованиями

к надежности, поскольку ремонт и замена обхо-

2 Суммарная установленная мощность ветроэнергетики на конец 2001, 2004 и 2007 гг. [1]

60,000

50,000

40,000

30,000

20,000

10,000

0

Суммарная мощность на конец 2001, 2004 и 2007 гг.

Европа

Источник: BTM Consult ApS, март 2008 г.

США Азия Остальной мир

Состояние ветроэнергетики в мире

2001 г. (24 297 МВт) 2004 г. (47 912 МВт) 2007 г. (94 005 МВт)

3 Суммарная установленная мощность по регионам на конец 2007 г. и к 2012 г. [1]

140,000

120,000

100,000

80,000

60,000

40,000

20,000

0

Суммарная мощность на конец 2007 г. и прогноз на 2012 г.


Прогноз объемов ветроэнергетики в мире

2007 г. (94 005 МВт) 2012 г. (287 940 МВт)

Страна

Введено

в 2006 г.

Общая

в 2006 г.

Введено

в 2007 г.

Общая

в 2007 г.

Дания 0 397,9 0 397,9

Ирландия 0 25 0 25

Нидерланды 108 126,8 0 126,8

Швеция 0 23,3 110 133,3

Великобритания 90 304 90 394

Общая мощность 198 877 200 1077


1 Установленная мощность морских ветроэнергетических установок в мире (2006 и 2007 гг.) [1]

МВ

т

МВ

т

Европа США Азия Остальной мир


Осваивая энергию ветра


с заземленной средней точкой, формируемой

конденсаторами, что позволяет обеспечить

крайне малые токи через землю при работе

как в установившихся, так и в переходных режи-

мах. Эта особенность крайне важна в том случае,

если оборудование HVDC размещается на море.

Установка при этом не нуждается в катодной

защите.

В системе передачи постоянного тока на ос-

нове VSC для генерации напряжения основной

частоты применяется широтно-импульсная

модуляция (ШИМ). Благодаря этому величину

и фазу напряжения можно менять свободно

и практически мгновенно в пределах расчет-

ных параметров системы. Это позволяет осу-

ществлять независимое и быстрое управление

активной и реактивной мощностью с низким

уровнем гармоник даже в слабых сетях. Обычно

каждая станция регулирует вырабатываемую ре-

активную мощность – как емкостную, так и ин-

дуктивную – независимо от другой станции. Ре-

гулирование активной мощности производится

непрерывно и практически мгновенно в диапа-

зоне от «полного экспорта» до «полного импор-

та». Однако распределение потоков активной

мощности через систему HVDC должно быть

сбалансированным1). При наличии разности

между уровнями входной и выходной мощности

быстро возрастет напряжение постоянного

тока. Баланс мощности достигается не посредс-

твом телеметрии, а просто за счет измерения

напряжения постоянного тока: одна из станций

регулирует напряжение путем регулирования

мощности, а другая – произвольно меняет пе-

редаваемую мощность в пределах, допускаемых

параметрами установки HVDC Light.

С системной точки зрения преобразователь

действует как безынерционный электродвига-

тель или генератор, способный регулировать

активную и реактивную мощности практически

мгновенно. Более того, он не увеличивает мощ-

ность при коротком замыкании, поскольку сила

переменного тока может быть ограничена.

Интеграция морских ветропарковПреобразовательная станция HVDC Light может

вырабатывать напряжение, амплитуда и фаза

которого легко регулируется. Эта возможность

особенно ценна при запуске удаленной сети.

Преобразователь, расположенный на морской

станции, изначально может работать как генера-

тор в режиме регулирования частоты. При этом

он создает переменное напряжение с желаемой

амплитудой и частотой, которые во избежание

перенапряжений в переходных режимах и брос-

ков тока меняются плавно. Ветротурбогенерато-

ры (ВТГ) автоматически подключаются к морс-

кому участку сети после обнаружения момента

с подходящим напряжением.

Эти возможности не могут быть реализованы

на основе классической тиристорной системы

HVDC, поскольку для коммутации тиристоров

необходимо высокое линейное напряжение.

Для решения этой проблемы систему переда-

чи необходимо дополнить вспомогательным

генератором, синхронным компенсатором

или статическим компенсатором STATCOM

непосредственно на ветропарке. Эти элементы

имеют большие габариты, а кроме того они

дорого стоят.

Независимое и быстрое регулирование активной и реактивной мощностей с помощью системы HVDC Light фирмы АББ.

Подобным же образом линия HVDC Light может

применяться для восстановления работы сети

после отключения. При отключении преобразо-

ватель автоматически отсоединяется от энерго-

системы и продолжает работать в автономном

режиме. Это оказывается возможным, поскольку

трансформатор преобразователя снабжен спе-

циальной обмоткой питания собственных нужд,

снабжающей энергией преобразовательную

станцию. Если необходимо, преобразователь

также может быть запущен вручную в режиме

черного пуска2.

Соблюдение строгих условий энергосистемПо мере увеличения доли ветроэнергетики

5 Принцип работы HVDC Light

Вентиль: IGBT + диод

Фазовый реактор

Фильтр перем. тока Кабель пост. тока

=150 кВ

Кабель пост. тока

Конденсатор пост. тока

~

4 Станция преобразователя HVDC

а Секция переменного токаб Реакторы преобразователяв Вентили HVDC Lightг Секция постоянного токад Система охлажденияе Резистор-ограничитель

a

бв

г

д

е

6 Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)

+Ud

+Ud

-Ud U

sw

Uac

-Ud

64 АББ Ревю 3/2008



линии HVDC. Эта современная экологически

чистая технология (она характеризуется низким

уровнем электромагнитного излучения, а также

использованием безмасляных кабелей и ком-

пактных преобразовательных станций) на 25 %

сокращает потери на передачу. Линия проект-

ной мощностью 400 МВт станет значительным

шагом на пути к поставленной Германией цели,

увеличить долю возобновляемых источников

энергии с нынешних 15 % до 25–30 % к 2030 го-

ду. Строительство займет лишь 24 месяца, и ожи-

дается, что линия будет запущена в промышлен-

ную эксплуатацию к сентябрю 2009 года.

Морская платформа показана на рис. 7. В секции

переменного тока находятся трансформаторы,

выключатели и фильтры гармоник. Трансформа-

торы HVDC Light нуждаются лишь в незначитель-

ных изменениях по сравнению со стандартными

силовыми трансформаторами такого размера,

поскольку фильтр гармоник практически пол-

ностью устраняет возмущения от преобразова-

теля. Реакторы преобразователя применяются

для фильтрации, а кроме того, обеспечивают

реактивное сопротивление для регулирования

работы системы HVDC Light. Выпрямление пере-

менного тока производится с помощью венти-

лей HVDC Light. Для каждой фазы предусмотрено

два контейнера, в которых размещаются вентили

IGBT, конденсаторы постоянного тока и вводные

изоляторы. Система защиты, измерения и управ-

ления MACH 2TM со встроенным резервировани-

ем располагается в двух контейнерах под венти-

лями. В секции постоянного тока выполняется

подключение кабельной линии от противопо-

ложной преобразовательной станции HVDC

Light протяженностью 128 км по морю и 74 км

по суше. Система охлаждения обеспечивает не-

обходимый температурный режим для вентилей

HVDC Light. Резистор-ограничитель применяется

для быстрого снижения активной мощности

в случае сбоев в сети переменного тока.

Перспективы применения линий HVDC на ветропаркахЗа прошедшие годы было достигнуто значитель-

ное улучшение характеристик систем преобра-

щем преобразователе посредством замкнутого

контура управления. Однако если быстро

снизить входную мощность выпрямляющего

преобразователя в относительно слабой сети

ветропарка, может резко возрасти напряжение

на шине ветропарка, что приведет к аварийному

отключению преобразователя или ветровых

турбин. Одно из возможных решений данной

проблемы заключается в подаче на ВТГ сиг-

нала (по напряжению сети ветропарка) о том,

что необходимо максимально быстро снизить

выходную мощность. Однако в связи с низкой

емкостью по постоянному току, напряжение

постоянного тока может достичь недопустимо

высоких значений – например, до 30 % сверх

номинала, когда сработает защита – всего за 5

или 10 мс после нарушения работы линии.

Таким образом, ВТГ должны обнаруживать та-

кую ситуацию и снижать выходную мощность

в указанный промежуток времени. Альтернати-

вой этому является применение ограничителя

постоянного тока4) для рассеивания излишков

энергии, которые не могут быть переданы ин-

верторным преобразователем. В таком случае

резкого скачка выходной мощности ВТГ не воз-

никнет, а воздействие на их режим работы будет

сведено к минимуму.

Первый коммерческий морской ветропарк Германии будет подключен с энергосистеме посредством линии HVDC.

Снижение вырабатываемой мощности ВТГ счи-

тается относительно быстрым и эффективным

методом, в зависимости, безусловно, от характе-

ристик реакции ВТГ на изменения напряжения.

Ограничитель постоянного тока, с другой сто-

роны, оказывается более надежным решением,

потому что его работа не зависит от типа ВТГ.

Более того, линия HVDC Light в сочетании с ог-

раничителем защищает сеть ветропарка от сбо-

ев и переходных токов, возникающих в основ-

ной системе, тем самым снижая механические

нагрузки на элементы ВТГ. Это инновационное

решение будет поставлено компанией АББ

для немецкого оператора E. ON на ветропарк,

который станет одним из крупнейших морских

ветропарков в мире.

NordE.ON 1: первый в своем родеПервый в Германии коммерческий морской

ветропарк, получивший название Borkum 2,

будет расположен приблизительно в 130 км

от североморского побережья страны. Это будет

первый проект, в котором морская электростан-

ция соединяется с энергосистемой посредством

технические условия энергосистем3) становятся

более жесткими. В большинстве современных

сетей установлены требования к бесперебой-

ной работе при сбоях или низком напряже-

нии в сети (fault ride through, low-voltage ride

through), подразумевающие, что ветровая

турбина или ветропарк должны переносить

резкие посадки напряжения до 15 % (а иногда

и до нуля) от номинального длительностью

до 150 мс. Ожидается, что будут введены также

требования к отклику на изменение частоты

(т. е. при падении частоты в системе вырабаты-

ваемая ветропарком мощность должна возрас-

тать и наоборот). При подключении ветропарка

к системе с помощью системы передачи HVDC

Light управление частотным откликом может

быть реализовано на основе канала телемет-

рии, по которому на ветропарк с берега также

передается мгновенная частота системы и дру-

гие параметры. Поскольку амплитуда, частота

и фаза напряжения ветропарка в полной мере

определяются преобразователем, частота сети

может быть «воспроизведена» в сети ветропарка

без значительных задержек.

Если в энергосистеме происходит снижение

напряжения, пропорционально снижается

и пропускная способность линии из-за наличия

ограничений по току на инверторном преоб-

разователе. В «стандартной» системе передачи

HVDC Light, связывающей две энергосистемы,

подобная проблема решается путем мгновенно-

го снижения входной мощности на выпрямляю-

1) Это означает, что активная мощность, отдаваемая ли-

нией постоянного тока, должна быть равна мощности,

поступающей на линию (за вычетом потерь в системе

HVDC Light).2) Линия передачи может быть запущена из полностью

отключенного состояния в отсутствие выработки

на морских ветровых турбинах.3) Это набор условий, регулирующий подключение вет-

ропарков к энергосистеме.4) Ограничитель – это резистор в цепи постоянного тока

с большой рассеиваемой мощностью, позволяющий

отвести избыток энергии при сбоях в сети, когда пере-

дача энергии оказывается невозможной.




разработчики морских ветропарков

при выборе подходящей и надежной

системы электропередачи.

Амбра Саннино

ABB Corporate Research


ambra. sannino@se. abb. com

Петер Сандеберг

Ларс Стендиус

ABB Power Systems

Людвика, Швеция

peter. sandeberg@se. abb. com

lstendius@imerapower. com

Рафаэль Гёрнер

ABB AG

Мангейм, Германия

raphael. goerner@de. abb. com

янного тока в настоящее время распространены

мало.

Прокладывая путь новым проектамПроектирование, строительство и эксплуатация

крупномасштабной электростанции, располо-

женной далеко в море и работающей в небла-

гоприятных климатических условиях, требуют

значительного опыта и большого объема знаний.

Для передачи энергии к месту потребления

необходимы самые современные технологии

и изобретения, а HVDC Light представляет

собой их удачное сочетание. Это уникальное

решение вскоре позволит только в Европе вы-

рабатывать на морских ветропарках несколько

ГВт энергии. Существует надежда, что ценные

уроки, полученные инженерами в этом проекте,

помогут сократить технические – а в итоге

и финансовые – риски, с которыми сталкиваются

зования энергии ветра. Это позво-

лило подключать ветровые турбины

к сети, обеспечивая при этом защи-

ту от бросков мощности. Однако

часть стандартного оборудования

современных ВТГ теперь оказывает-

ся излишней, поскольку технология

HVDC Light позволяет развязать тур-

бины с энергосистемой. Благодаря

преимуществам, связанным с высо-

кой управляемостью системы HVDC

Light и оптимизацией за счет нее

электрической системы ветропарка,

становится возможным применять

в турбинах более простые и надеж-

ные (и более дешевые) системы

преобразования энергии.

Поскольку HVDC Light дает возмож-

ность отключать ветропарк от сети,

появляется несколько способов

организации сети сбора в пределах

ветропарка. Преобразовательная

станция HVDC Light обычно пов-

торяет напряжение в общей сети.

Величина напряжения и его частота

определяются системами управле-

ния на генерирующих станциях.

Однако морская преобразователь-

ная станция может также оптимизи-

ровать выработку ветровой энергии

путем регулирования частоты

и напряжения в сети с выдержива-

нием значений, заданных системой управления

ветропарка. Для работы с регулированием час-

тоты на одной стороне линии и фиксированной

частотой энергосистемы на другом конце

не требуется дополнительного оборудования.

В целом принципы разработки, применяемые

для обычных линий передачи, также пригодны

и при разработке линий для ветропарков.

Для передачи энергии к месту потребления требуются самые современные технологии и изобретения.

Кроме того, внутренняя сеть ветропарка может

быть рассчитана на работу на постоянном токе

с подходящим напряжением. Это позволяет бо-

лее полно использовать возможности кабелей

и снизить потери вырабатываемой мощности,

в первую очередь благодаря отсутствию реак-

тивной мощности. Единственным недостатком

такого решения является большой объем конс-

трукторских работ, поскольку, за исключением

некоторых специальных областей, сети посто-

7 Морская платформа для ветропарка Borkum 2

а Секция переменного тока

б Реакторы преобразователяв Вентили HVDC Lightг Секция постоянного токад Система охлаждения

a

б

в

гд


[1] BTM Consult, World Market Update 2007, March 2008.

[2] Wensky, D., Hanson, J., Sandeberg, P., Grünbaum, R.(2006). FACTS and HVDC for grid connection of large offshore wind

farms. European Wind Energy Conference EWEC.

[3] Jones, P., Westman, B.(November 2007). From generation to grid. Renewable Energy Focus.

[4] Stendius, L., Sandeberg, P. (2008). Large scale offshore wind power energy evacuation by HVDC Light. European Wind Energy

Conference EWEC.

66 АББ Ревю 3/2008


Крупномасштабные системы управления,

контролирующие сложные промышленные

предприятия, состоят из миллионов строк

кода и включают в себя ряд стандартных

программных модулей с общей функцио-

нальностью, созданных сторонними раз-

работчиками. На рынке появляются новые

версии таких модулей, и специалисты,

отвечающие за системы управления

на предприятии, могут устанавливать эти

версии для соответствия современным

требованиям. Операторы также зачас-

тую устанавливают другое программное

обеспечение, напрямую не связанное

с системой управления. Такие изменения

в составе ПО предприятия могут служить

препятствием для стабильной работы

системы.

Несмотря на то, что продукты АББ не яв-

ляются исходной причиной нарушения

работы системы управления, компания АББ

отвечает за работу установленной системы

в целом. Инженеры службы поддержки АББ

находятся в круглосуточной готовности по-

мочь операторам в поисках причин отказов

программных комплексов клиентов.

Нахождение источника сбоев – процесс

трудоемкий, если учесть сложность

различных систем, обязанных работать

в одной среде, и может потребоваться

несколько недель интенсивной совместной

работы операторов предприятия, прежде

чем проблема будет решена. Это связано

с тем фактом, что по соображениям безо-

пасности важнейшие системы управле-

ния не связаны напрямую с Интернетом,

а следовательно, не позволяют проводить

оперативный удаленный анализ.

В стремлении улучшить ситуацию, которая

далека от идеала, компания АББ разра-

ботала набор интеллектуальных програм-

мных средств, позволяющий сократить

длительность устранения сбоев с недель

до нескольких часов с минимальным вов-

лечением операторов предприятия.

Ускоренное решение проблемНовое средство диагностики программного обеспечения помогает поддерживать стабильную работу систем управления.Мартин Олаусон, Магнус Ларсон, Ян Лагнелёв




методов сбора, поиска и анализа данных. Доступ

к ним осуществляется посредством пользователь-

ского интерфейса на основе задач, что повышает

удобство работы.

Удаленный сбор диагностических данныхДля решения проблем, связанных с невозмож-

ностью обеспечить инженеру службы поддержки

доступ к системе 800xA, в программе DCT

предусмотрена генерация конфигурационного

файла Auto Collector. При создании такого файла

указывается, какие диагностические данные

необходимо собрать. Файл Auto Collector можно

отправить по электронной почте или иным

способом пользователю системы 800xA, кото-

рый и запустит его на любом из узлов системы

(рис. 1). Программа DCT анализирует этот файл,

собирает необходимые данные и выдает файл

с запрошенной информацией. Пользователь

отправляет результат (один сжатый файл) инже-

неру службы поддержки.

Сопоставление установленного про-граммного обеспеченияИнженеру службы поддержки зачастую крайне

важно знать, какое ПО установлено в системе

пользователя. Для этого в DCT предусмотрена

функция просмотра и сравнения списков уста-

Представьте, что оператор на предприятии,

находящемся под управлением системы

800xA, разработанной АББ, сообщает о том,

что скорость работы системы резко упала. Опе-

ратор связывается со службой поддержки АББ

для получения экстренной помощи, поскольку

проблема требует скорейшего разрешения.

Однако без доступа к системе 800xA инженер

службы поддержки не может получить дополни-

тельную информацию о конфигурации системы,

требуемую для решения задачи.

Пользователь ПК, сталкивающийся с подобными

неисправностями, позвонит в службу поддерж-

ки, и специалист по сопровождению подклю-

чится к его компьютеру, чтобы найти причину

сбоя в режиме реального времени. С системами

управления дело обстоит иначе: они отвеча-

ют за управление всем производственным

процессом предприятия, и владельцы желают

исключить риск вирусного заражения, которое

потенциально может привести к значительным

убыткам. По этой причине непосредственный

доступ к системе извне не предусматривается.

Что же делать? Инженер службы поддержки

поручает оператору собрать данные с различ-

ных узлов системы, а этот процесс трудоемок,

сложен и не исключает ошибок. После сбора

данных пользователю необходимо отправить

данные с точки доступа к Интернету, и лишь пос-

ле этого специалист по сопровождению может

начать анализ ситуации. Как правило, все необ-

ходимые данные о сбое не могут быть собраны

за один прием, поэтому процесс приходится

повторять.

Описанный традиционный метод анализа не-

поладок в работе сложной системы управления

отнимает много времени и денег, но при этом

малоэффективен, иными словами – неприемлем.

Но что, если данные, необходимые для анализа

сбоев, собирались бы автоматически, требуя ми-

нимального внимания со стороны пользователя

или в полностью автономном режиме? Новое

средство сбора диагностической информации

(DCT, diagnostic collection tool) выполняет имен-

но такую функцию и представляет собой отлич-

ную альтернативу традиционному методу.

Разработка такого интеллектуального средства

сбора информации – задача не из простых:

число возможных неполадок в системе велико,

и для определения наиболее вероятных событий

необходимы совместные усилия инженеров

службы поддержки и операторов предприятия.

Поэтому разработка средства DCT шла при ак-

тивной командной работе специалистов подде-

ржки, операторов и разработчиков ПО, направ-

ленной на поиск практичных и эффективных

путей решения проблем.

При установке DCT в системе 800xA необходимая

информация о системе автоматически собирается

и сортируется по видам возникающих сбоев1).

Задача оператора при этом сводится лишь к тому,

чтобы отправить данные инженеру службы подде-

ржки – исключается утомительный и трудоемкий

поиск информации, отпадает необходимость

в повторных попытках.

Традиционный метод анализа неполадок в работе сложной системы управления отнимает много времени и денег, но при этом малоэффективен.

Согласованные действияЧтобы добиться успеха в решении проблемы

на предприятии клиента, требуется участие

различных специалистов. Разработчик програм-

много обеспечения обладает самыми полными

знаниями о продукте и точно знает, какая ин-

формация нужна при поиске неполадок. Однако

он не знает текущего состояния программного

обеспечения на конкретном предприятии, пос-

кольку оно может меняться ежедневно, а кроме

того, ему неизвестно, какие еще программные

пакеты функционируют на системе заказчика.

Инженеры службы поддержки, с другой стороны,

лучше всего знают, что происходит в конкретной

системе 800хA. Поэтому разработчикам и специ-

алистам поддержки необходимо в каждом случае

применять свои знания совместно.

Для ускорения доступа к необходимой информа-

ции при разработке средства DCT были заложены

возможности расширения. Программа построена

на базе встраиваемых модулей, собирающих ин-

формацию по отдельным элементам ПО, установ-

ленным в системе 800xA. Также был создан набор

инструментальных средств (SDK), максимально

облегчающий реализацию новых модулей.

К примеру, когда программист разрабатывает

новый элемент ПО, с помощью указанного SDK

создается специализированный модуль для про-

граммы DCT, устанавливаемый вместе с новыми

программными компонентами. Если позже воз-

никает проблема, DCT осуществляет вызов этого

модуля и собирает данные, с помощью которых

инженер службы поддержки находит подходящее

решение.

Универсальный инструмент с широкой функциональностьюПри запуске DCT возможен выбор различных

1 Функция Auto Collector позволяет собирать данные без вмешательства пользователя

Главное меню DCT

68 АББ Ревю 3/2008

Ускоренное решение проблем


новленного в системе ПО (рис. 2). Эталонный

список – это список, используемый при первой

установке, а все изменения относительно него

учитываются и вносятся в отчет. Подробное

описание служит основой для поиска возможной

несовместимости программных продуктов.

Сопоставление исполняемого программного обеспеченияИнженеру службы поддержки необходимо также

иметь возможность ознакомиться с тем, какое

программное обеспечение исполняется на оп-

ределенных узлах в данный момент времени.

Например, на двух дублирующих серверах, ве-

роятнее всего, должно всегда выполняться одно

и то же программное обеспечение.

Текстовый поиск, интегрированный с библиотекой АББПосле сбора всей запрошенной информации

с помощью DCT инженерам службы поддержки

необходимо ее изучать. Им для этого необходим

поиск в этих файлах определенных текстовых

строк, например, сообщений об ошибках и пре-

дупреждений. Функция поиска в этом случае

оказывается незаменимой. Она также ищет доку-

менты в библиотеке АББ (т. е. базе данных доку-

ментации АББ) и открывает их для дальнейшего

использования (рис. 3).

Плановый сбор диагностических данныхПрограмма DCT может автоматически собирать

данные через заданный интервал времени. Эта

функция используется в профилактических

целях – в таком случае к моменту обращения

в службу поддержки данные уже готовы.

Стандартные модули, независимые от системы 800xAВ состав DCT также входит ряд стандартных

модулей, которые могут применяться на узлах

под управлением Windows независимо от того,

установлена ли на них система 800xA. Компо-

ненты, собирающие информацию об исполь-

зовании общих библиотек, данные реестра

Windows и сведения из журналов событий

Windows – вот лишь несколько примеров таких

модулей.

При установке DCT в системе 800xA необходимая информация о работе системы может быть собрана и отсортирована в соответствии с видом сбоя.

Проблема решенаС использованием всех перечисленных возмож-

ностей процесс наладки системы становится

быстрым и простым: пользователь системы

800xA обнаруживает, что поведение системы

отличается от обычного. Ему срочно требуется

решить эту проблему, и он обращается в службу

поддержки АББ. Инженер службы с помощью

DCT указывает диагностические данные, которые

ему необходимо получить с системы пользовате-

ля. Программа DCT выдает конфигурационный

файл Auto Collector. Этот файл отправляется

пользователю и автоматически собирает необ-

ходимые данные. По завершении сбора данных

пользователю выдается информация о том,

как вернуть данные инженеру службы поддержки.

Инженер получает нужную ему информацию,

анализирует ее и решает проблему в кратчайшие

сроки.

Удовлетворение нужд заказчиковПрограмма DCT оказалась полезной не только

для инженеров службы поддержки, но и для за-

казчиков АББ. Ли Толман, системный админис-

тратор из корпорации Hemlock Semiconductor

группы Dow Corning, как регулярный пользова-

тель этого средства, делится впечатлениями: «В

нашей системе около 250 узлов, и программа

DCT позволяет удаленно собирать ценную ин-

формацию без необходимости индивидуально

подключаться к каждому из них. DCT экономит

время и позволяет собирать необходимую

информацию, не нарушая нормальной работы

системы».

Среди дальнейших задач – реализация про-

верки совместимости конфигураций систем,

автоматического контроля правильной уста-

новки ПО в соответствии с рекомендациями

АББ и выдачи аварийного сигнала при изме-

нении определенных данных на отдельных

узлах.

Мартин Олауссон

Магнус Ларссон

ABB Corporate Research


martin. olausson@se. abb. com

magnus. larsson@se. abb. com

Ян Лагнелов

ABB Process Automation


jan. lagnelov@se. abb. com

1) Средство DCT входит в состав системы, начиная

с версии системы 800xA SV5.0 Service Pack 1.

2 DCT отображает несоответствия в составе программного обеспечения 3 Встроенный поиск по множеству файлов, а также библиотеке АББ


Ускоренное решение проблем

Ни один аэропорт в настоящее время

не может безопасно функционировать

без системы радиолокационного контро-

ля. Такие системы излучают радиоимпуль-

сы высокой мощности и регистрируют

самолеты по отраженному сигналу. Важ-

нейшим элементом радиолокационной

станции является прибор, генерирующий

импульсы высокой мощности. Традицион-

но для выработки импульсов применялись

электронные лампы, такие как тиратроны.

Век электронных ламп, применяемых

также в ряде других областей, подходит

к концу – компания АББ недавно разрабо-

тала ключевые полупроводниковые при-

боры высокой мощности для импульсных

систем.

Новые приборы, обладающие рядом

значительных преимуществ, стали основ-

ными компонентами модернизированных

радиолокационных систем в США. Факт

заказа 300 систем для оснащения всех

132 гражданских аэропортов в США ука-

зывает на наличие большого рынка сбыта

новой техники.

Мягкая посадка, импульсное питаниеИмпульсные полупроводниковые приборы АББ позволяют усовершенствовать системы радиолокационного контроля в аэропортах США.Адриан Веллеман


70 АББ Ревю 3/2008


Импульсный полупроводниковый прибор обла-

дает, по сравнению с тиратроном, гораздо более

продолжительным сроком службы и практически

не требует обслуживания. Тиратроны необхо-

димо регулярно менять, что влечет за собой

эксплуатационные затраты на сами лампы

и обслуживающий персонал, а также простои

системы. Экономия при использовании полу-

проводниковых приборов компенсирует более

высокие начальные затраты на компоненты в те-

чение короткого срока окупаемости. Поскольку

приборы АББ построены на основе биполярных

монолитных тиристоров IGCT (одна кремниевая

пластина в приборе), они характеризуются очень

высокой надежностью по сравнению с прибо-

рами, изготовленными по другим технологиям,

в особенности в импульсных системах. Очевидно,

что высокая надежность крайне важна в систе-

мах управлении воздушным движением, однако

и в других областях, например, в медицинском

оборудовании и системах защиты окружающей

среды, ей также придается большое значение.

С помощью полупровод-никовой техники АББ были модернизированы РЛС во всех 132 гражданских аэропортах США.

Спрос на полупроводниковую импульсную тех-

нику быстро увеличивается, а компания АББ в на-

стоящее время участвует в ряде других проектов

с применением таких компонентов.

Адриан Веллеман

ABB Semiconductors


adriaan. welleman@ch. abb. com

1) IGCT (integrated gate-commutated thyristor) – запирае-

мый тиристор с встроенной схемой управления.

Электронная лампа отлично подходит

для формирования импульсов высокой мощ-

ности в электрической цепи, а для полупроводни-

ковых приборов, напротив, достижение нужных

характеристик долгое время представляло

значительные трудности. Обеспечение быстрого

нарастания тока в течение нескольких микросе-

кунд и поддержание высоких уровней тока через

полупроводниковый элемент является непростой

задачей.

Удачно подобранное сочетание запираемого

тиристора и быстродействующего генератора

управляющих импульсов (оба прибора – разра-

ботки АББ) позволяет одновременно добиться

высокой скорости коммутации и больших значе-

2 Импульсное устройство для аэропортовой РЛС

Импульсное полупроводниковое устройство

построено на основе трех IGCT, соединенных

последовательно. Приборы, обладающие

обратной проводимостью, включают в себя

запираемый тиристор (GTO, gate turn-off

thyristor) и шунтирующий диод, выполненные

интегрально на одной кремниевой пластине

диаметром 51 мм (рис. 1). Управляющая схема

разработана с учетом высокой скорости вклю-

чения, а поскольку устройство предназначено

для работы в связке с конденсатором, в отклю-

чении необходимости нет. Три компонента с за-

пирающим напряжением 4500 В для каждого,

чередуются при монтаже с воздушными тепло-

отводами. Все три схемы управления питаются

посредством индуктивной связи от одного

источника тока 25 кГц, 4 А по высоковольтному

кабелю. Устройство управления запускается

оптическим сигналом, поступающим с опто-

электронного распределительного устройства.

Диапазон рабочих параметров для такого клю-

ча составляет 6,5 кВ пост. тока при пиковом то-

ке 1,4 кА. Длительность импульса равна 2,5 мкс

при скорости нарастания тока 6 кА/мкс, часто-

та следования импульсов 1200 Гц, а допустимая

температура окружающей среды – в диапазоне

от – 10 до +50 °С.

Технические характеристики

1 Тиристор IGCT со схемой управления: ком-мутирующий элемент и шунтирующий диод выполнены интегрально на одной пластине

ний коммутируемого тока. Такие устройства могут

формировать передний фронт мощного импульса

(открываться), но не могут запираться с той же

скоростью, что вполне приемлемо при исполь-

зовании конденсатора. Задний фронт токового

импульса автоматически формируется при раз-

ряде конденсатора. С использованием такого

ключа становится возможным подавать импульсы

высокой энергии на нагрузку – импульсный

трансформатор или клистрон – для генерации

радиолокационных импульсов.

По такой схеме инженеры АББ изготовили

комплектный импульсный узел с тремя после-

довательно соединенными тиристорами IGCT1),

встроенным блоком питания, оптической схемой

запуска и воздушным охлаждением (см. вставку).

Устройство было тщательно испытано в лабора-

торных и промышленных условиях специалиста-

ми Массачусетского технологического института,

которые рекомендовали его компании Northrop

Grumman Corporation (США) – разработчику ра-

диолокационных станций для аэропортов.

Прорыв на рынокВ начале 2007 года компания АББ получила

от Northrop Grumman заказ на 296 устройств,

в состав каждого из которых входит по три при-

бора IGCT (рис. 2). Этот заказ на несколько мил-

лионов долларов является одним из крупнейших

для данной отрасли и указывает на явный прорыв

в использовании самой технологии. С помощью

новой полупроводниковой техники были модер-

низированы существующие РЛС во всех 132 граж-

данских аэропортах США: она заменила менее

долговечные тиратроны.


Мягкая посадка, импульсное питание

Представьте себе электронное устройс-

тво со 100 миллиардами переключа-

телей, которые должны одновременно

включать или отключать электрический

ток чуть более чем за одну микросекунду

и повторять эту операцию несколько

сотен раз каждую секунду. С учетом того,

что для правильной работы устройства

необходимо тщательное резервиро-

вание, чтобы при отказе части из этих

100 миллиардов элементов устройство

функционировало корректно, возмож-

но ли вообще заставить такое устройство

работать? Допустим, что оно существует,

тогда где бы его можно было встретить?

Наиболее вероятны ответы: супер-

компьютеры, военное оборудование

или большие научные центры, такие

как ЦЕРН.

Удивительно, но практически никто

не связывает полупроводниковые техно-

логии такого уровня с передачей элек-

троэнергии. На самом деле описанный

пример относится к преобразовательной

станции линии электропередачи пос-

тоянного тока, оборудованной высоко-

вольтными модулями IGBT производства

компании АББ.

Когда начиналась эпоха силовых полу-

проводников, никто даже в самых дерз-

ких мечтах не мог представить, что ког-

да-либо будет достигнут такой уровень

сложности и тонкой настройки. Никто

не мог предположить и того, что на пути

от электростанции до конечного потре-

бителя электрический ток однажды поте-

чет через кремниевые переходы.

Кристаллы-победителиИстория силовых полупроводниковых приборов в АББХансруди Целлер


72 АББ Ревю 3/2008

История силовых полупроводниковых при-

боров в родительских компаниях АББ – BBC

и ASEA началась через несколько лет после

создания транзистора. В то время выпрямители

и выключатели собирались из коммутационных

приборов на парах ртути. Такие приборы были

громоздкими и дорогими, а также создавали

большие потери. Существовала явная необходи-

мость в более совершенных решениях. Несмотря

на то что между уровнем полупроводниковой

техники 1950-х годов и развитой технологией

ртутных выпрямителей была огромная про-

пасть, приблизительно в 1955 году как в ASEA

(Людвика, Швеция), так и в BBC (Эннетбаден,

Швейцария) начались работы по созданию

силовых полупроводниковых приборов. Вскоре

стало ясно, что германий (Ge), преобладавший

в изготовлении транзисторов в начале 1950-х,

является не самым подходящим материалом.

Максимальная рабочая температура германиево-

го диода при обратном напряжении в несколько

сотен вольт оказывалась ограниченной прибли-

зительно 80 °C, что неприемлемо для промыш-

ленных условий. Физические свойства кремния

гораздо больше соответствуют задаче. Казалось

возможным достичь гораздо большего обратного

напряжения в приемлемом диапазоне рабочих

температур. Тем не менее, первым коммерческим

полупроводниковым прибором, разработанным

BBC, стал германиевый диод на 100 А, 100 В,

предложенный в 1956 году для применения

в электролизном производстве. Он применялся

в двух коммерческих выпрямительных станциях,

изготовленных BBC.

В то время технология кремниевых приборов

была развита слабо. Структурированная промыш-

ленная товарная цепочка отсутствовала. В ре-

зультате процесс начинался с кремниевого сырья

и включал в себя выращивание монокристалла,

распил кристалла на пластины и последующие

этапы по изготовлению прибора. Наибольшую

трудность представляло выращивание кристал-

лов кремния.

В 1961 году компании ASEA и BBC представи-

ли кремниевые диоды в диапазоне 100–200 А

и 600 В. Диод DS 200 производства BBC, рас-

считанный на 200 А, 600 В, нашел применение

в электролизных цехах алюминиевых заводов.

Примером может служить выпрямительный блок

напряжением 350 В на ток 34,5 кА, запущенный

в 1962 году и более крупный блок на 108 кА

с регулируемым вторичным напряжением

(85–485 В), сданный в 1963 году. Поскольку BBC

и ASEA концентрировали усилия на технологии

кремниевых приборов, они быстро вышли в ли-

деры в сегменте высоковольтной техники.

Приблизительно в 1958 году разработка по-

лупроводниковых устройств началась также

на предприятии BBC в Маннгейме (Германия),

и в развитие этого предприятия были вложены

значительные усилия. Вскоре BBC Germany также

предложила широкую номенклатуру изделий.

От ртути к кремниюЭпоха высоковольтных коммутационных при-

боров началась в 1961 году, когда компания

BBC представила тиристор на 100 А, 1200 В

на ярмарке в Ганновере. В то же время компания

ASEA разработала первый преобразователь с ти-

ристорным управлением для промышленного

применения, а в 1962 году объявила о выпуске

тиристора на 130 А, 800 В. В последующие годы

ASEA и BBC лидировали в области силовых полу-

проводников на равных позициях (вставка 1).

Разработка силовых полу-проводниковых приборов в ASEA и BBC началась приблизительно в 1955 году.

После того как BBC приобрела женевскую

компанию Sécheron с практически идентичной

номенклатурой изделий (в том числе силовых

полупроводниковых приборов), компания плани-

ровала построить завод в г. Гланд на территории,

принадлежавшей Sécheron. Из-за политических

затруднений план был пересмотрен, и в конце

1960-х компания BBC построила хорошо обору-

дованный современный завод в Лампертхайме

(Германия).

С 1960 по 1970 год быстро росло разнообразие

силовых полупроводниковых приборов и рас-

ширялась область их применения. Ртутные при-

боры вскоре перешли в категорию устаревших.

Подразделения по выпуску силовой электроники

требовали все больших номиналов по напряже-

нию и току. Важнейшими параметрами в пре-

образователях для двигателей стали скорость

переключения и потери на переключение.

В постоянно усложняющихся схемах преобразо-

вателей требовались тиристоры со встроенным

встречным диодом (так называемые тиристоры

с обратной проводимостью) и защитные эле-

менты, такие как диоды с управляемым пробоем

(лавинно-пролетные диоды). Компания BBC

заняла лидирующие позиции в секторе защитных

полупроводниковых приборов. ASEA же впервые

представила тиристоры с линейной коммутаци-

ей, предназначенные для систем электропереда-

чи. Хотя еще несколько лет до того построение

подобных систем считалось практически

неосуществимым, ASEA смонтировала первую

в мире высоковольтную линию электропередачи

постоянного тока (HVDC) на полупроводниках,


Тиристор – это вентиль, включаемый подачей

импульса тока на управляющий электрод. За-

переть такой вентиль в произвольный момент

времени невозможно; запирание происходит

при следующем прохождении коммутируемого

тока через ноль. Работу вентиля можно срав-

нить со смывным устройством унитаза, которое

можно запустить в любой момент, но после это-

го поток воды прекратится только при опусто-

шении бачка. Тиристор, таким образом, может

применяться только в системах, где существует

переменный ток.

Тиристор

Кремниевые пластины и корпуса для 1,5 – и 5-дюймовых тиристоров на 5,5 кВ (1983 г.)

Рост коммутируемой мощности трех основных силовых полупроводниковых приборов

108

107

106

105

104

1960 1970 1980 1990 2000

PК,

ВА

Тиристор: PК = V

DRM I

TAVM

Запираемый тиристор: PК = V

DRM I

TGOM

Транзистор IGBT: PК = V

CES I

Cmax

Источник: Jaecklin, A., «Advanced Power Bipolar Devices»,

PRoc. 1988 Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology, Min-

neapolis, MN, Sept. 1998.

ТиристорЗапираемый

тиристор (GTO)

Транзистор IGBT


Кристаллы-победители

протянувшуюся до острова Готланд. Ее длина со-

ставила 96 км, рабочее напряжение +/ – 150 кВ,

мощность 30 МВт. Это достижение стало первым

шагом к занятию компанией ASEA лидирующих

позиций в технологии HVDC.

Компания ASEA смонтировала первую полупроводниковую высоковольтную линию электропередачи постоянного тока до острова Готланд.

Важнейшим техническим достижением BBC в об-

ласти силовых полупроводников в этот период

стала технология монтажа, при которой кремни-

евая пластина для обеспечения электрического

контакта прижимается молибденовым диском.

Другие технологии, такие как пайка или тер-

мокомпрессия, хорошо зарекомендовали себя

при работе с небольшими пластинами, но в слу-

чае крупногабаритных приборов не смогли обес-

печить достаточную прочность при циклических

тепловых нагрузках. Обеспечение прижимного

контакта, однако, на практике оказывается слож-

нее, чем в теории. Для него требуется тщательная

проработка механической части. Конкуренты

быстро осознали, что для устройств большой

площади применение прижимных контактов

не имеет альтернативы. Хорошая патентная

защита позволила BBC заключить соглашения

о сотрудничестве и лицензионные договоры

с конкурирующими компаниями.

Все крупные электротехнические компании при-

шли к выводу, что силовые полупроводниковые

приборы являются стратегическим направлением

их деятельности, и приступили к разработке

и производству таких приборов. Производство

в основном было нацелено на удовлетворение

внутренних нужд, а продажа сторонним потреби-

телям (по крайней мере, в BBC) считалась чуть ли

не противоречащей этике. Вследствие этого

производство полупроводников велось практи-

чески на проектной основе. Когда ASEA или BBC

участвовали в тендере на крупный проект, им

требовались полупроводниковые приборы с усо-

вершенствованными под требования проекта

характеристиками. Если компания получала

контракт, необходимый прибор разрабатывался

и производился в требуемом количестве. В сег-

менте передовых приборов стабильного объема

производства не было, и не предпринималось

даже попыток его добиться. Подразделение

BBC в Лампертхайме стало исключением: здесь

производство приборов средней мощности было

достаточно стабильным, а сами приборы пос-

тупали на открытый рынок. Взаимосвязь между

стабильностью технологического процесса,

процентом выхода годных изделий, надежностью

и постоянством объемов производства в то время

еще не была очевидной.

В конце 1960-х BBC некоторое время проявляла

интерес к карбиду кремния (SiC) – материалу,

показатели которого значительно превосходят

свойства кремния для устройств высокой мощ-

ности. Проект был прекращен, когда стало ясно,

что качество монокристаллов SiC необходимо

повысить на несколько порядков. Добиться рез-

кого улучшения качества кристаллов SiC удалось

после 1990 г., когда этот материал в больших

количествах стал применяться для производства

светодиодов.

Поэтому АББ в 1990-е годы предприняла новую

попытку разработки высоковольтных приборов

на SiC. Однако параметров, необходимых для со-

здания высоковольтных биполярных приборов,

достичь так и не удалось и программа была

свернута.

Важнейшими достижени-ями BBC в 1970-е годы оказались внедрение тех-нологии нейтронного леги-рования кремния, приме-нение численного модели-рования силовых полупро-водников и использование прямой медной пайки в силовых модулях.

В 1970 году в BBC было принято решение скон-

центрировать производство в немецком Лампер-

тхайме. Подразделение в Эннетбадене (Швей-

цария) было переведено в Бирр и переориенти-

ровано на разработку и опытное производство.

Серийное производство в Бирре, тем не менее,

также продолжалось, но в небольших объемах.

На заводе в Лампертхайме недоставало ряда

технологических этапов, необходимых для про-

изводства приборов, работающих в условиях

больших циклических тепловых нагрузок. Боль-


Тиристорный преобразователь первого поколения производства ASEA (для HVDC)

Рост запирающего напряжения и коммутируемой мощности тиристоров для HVDC производства ASEA (ASEA Journal 1983, № 2, с. 9).

YST 506000

5000

4000

3000

2000

1000

0

YST 45

YST 35

YST 14

YST 8

YST 5

1962 1964 1968 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984

UD, В P, кВт

1200

1000

800

600

400

200

Напряжение в закрытом состоянии

74 АББ Ревю 3/2008


чительным конкурентным преимуществом цеха

силовых модулей BBC в Лампертхайме.

Компания ASEA достигла впечатляющих успехов

в производстве тиристоров для подразделения

HVDC. С 1960 по 1980 гг. максимальное запира-

ющее напряжение и максимальная допустимая

мощность одного прибора росли приблизительно

линейно практически от нуля в 1960 г. до 6000 В

и 600 кВт в 1980 г.

Компания ASEA некоторое время занималась фо-

тотиристорами, но пришла к выводу, что управ-

ление светом не давало каких-либо преимуществ

по сравнению с электрическим.

Подразделения силовой электроники ASEA и BBC

неохотно внедряли запираемые тиристоры (GTO)

в схемах своих электродвигательных преобразо-

вателей. Они продолжали использовать все более

сложные быстродействующие тиристоры. В ре-

зультате производство запираемых тиристоров

отставало от конкурентов из Японии. В 1985 году

BBC заключила соглашение о передаче техноло-

гии с компанией Toshiba для ускорения внедрения

тиристоров GTO. Несмотря на запоздание, компа-

ния АББ стала мировым лидером в производстве

запираемых тиристоров в 1990-е годы и с тех пор

сохраняет позиции (вставка 2).

АББ объединяет ресурсыПосле слияния ASEA и BBC в 1987 году стало

ясно, что новые технологические трудности

и проблемы хозяйственного характера не удастся

преодолеть при наличии трех отдельных про-

изводственных объектов. Было решено продать

производство в Лампертхайме компании IXYS

(США). В 1991 году площадка в Вестеросе была

закрыта, а производство полупроводников АББ

сконцентрировано в швейцарском Ленцбурге.

Новая компания ABB Semiconductors быстро

шая часть внутренней потребности

в быстродействующих тиристорах

для электродвигательных преобразо-

вателей покрывалась производством

в Германии. На заводе в Бирре велась

разработка тиристоров для высоко-

вольтных линий электропередачи

постоянного тока (HVDC). В 1968 году

BBC вышла на рынок HVDC в составе

консорциума с AEG и Siemens. Это

партнерство позволило выполнить

два крупных контракта: проект Кабо-

ра-Басса в Мозамбике (1920 МВт, дли-

на кабельной линии 1450 км, начало

эксплуатации в 1977 году) и проект

на реке Нельсон в Канаде (длина

кабельной линии 940 км, первая оче-

редь мощностью 900 МВт запущена

в 1978 г., вторая очередь – 2000 МВт –

в 1985 г.). Объем производства полупроводни-

ковых приборов был поровну разделен между

партнерами. Производство устройств, отведенных

BBC, началось в Бирре, а затем было продолжено

на новом современном заводе, построенном

в Ленцбурге (Швейцария) в 1979 году.

Сегодня АББ является единственным в мире поставщиком, гарантирующим долговременное стабильное состояние отказавшего модуля в схеме с последовательным соединением.

Подразделение BBC Corporate Research начало

исследовательские и опытные работы в области

полупроводников в 1970 году. Важнейшими его

достижениями в 1970-е годы оказались внедрение

(впервые в Европе) технологии нейтронного

легирования кремния, применение численного

моделирования силовых полупроводников и ис-

пользование прямой медной пайки в силовых мо-

дулях. При нейтронном легировании монокрис-

талл кремния облучается потоком медленных

нейтронов. При этом часть ядер кремния превра-

щается в ядра фосфора, который представляет

собой легирующую примесь. В результате этого

процесса достигается гомогенное распределение

примеси. Прямая медная пайка основана на том

факте, что окись меди образует низкоплавкую эв-

тектическую смесь с медью и позволяет припаять

медные электроды непосредственно к керами-

ческой подложке. Прямая медная пайка стала зна-


Прибор GTO – это вентиль, подобный ти-

ристору. В отличие от последнего GTO (или

запираемый тиристор) может быть заперт

в произвольный момент времени. В связи

с присущим полупроводникам шнуровым эф-

фектом распределения тока при отключении,

такому прибору необходима защитная схема

(снаббер).

Запираемый тиристор (GTO)

Это биполярный транзистор, управление ко-

торым осуществляется током через МОП-ка-

нал. Если исключить экстремальные условия

работы, прибор характеризуется высокой

стабильностью и может эксплуатироваться

без защитных схем или с минимумом за-

щиты.

Биполярный транзистор с изолирован-ным затвором (IGBT)

Такой тиристор в сущности представляет собой

GTO, в котором шнуровой ток исключен за счет

перенаправления анодного тока при запирании

с катода на внешний конденсатор. Применение

защитной схемы необязательно.

Запираемый тиристор со встроенной схемой управления (IGCT)

и успешно вышла на открытый рынок.

В компанию были приглашены менед-

жеры, располагающие как большим

опытом руководства, так и знанием

технологии. Энди Ниларп, начавший

свою карьеру в ASEA и ставший впос-

ледствии одним из руководителей вы-

сшего звена в компании International

Rectifier Company (Эль-Сегундо, США),

оказался харизматичным и энергич-

ным президентом. Он изменил саму

культуру работы – от неустойчивого

проектного производства к отлажен-

ной крупносерийной линии с сов-

ременными методами управления

процессом.

Уже в 1995 году ABB Semiconductors

стала финалистом конкурса качества

European Quality Award, а в 1996 году завоевала

статус «поставщика года» от компании General

Electric (США).

Ориентация на высоковольтные тиристоры

и приборы GTO приводила и к курьезам. Напри-

Тиристоры в корпусе штыревого исполнения (1966 г.)



подобный GTO. По ряду фундаментальных при-

чин обе концепции оказались нереализуемыми.

Прибор QCT обладал низкими характеристиками

и малым процентом выхода годных изделий,

а разработка MCT остановилась в связи с неиз-

бежной нестабильностью при запирании.

В 1990 году было распространено мнение, что на-

пряжение в закрытом состоянии для транзисто-

ров IGBT будет ограничено 1500 В. Для разраба-

тываемого специалистами ABB Corporate Research

в Дэтвиле прибора MCT требовалось включать

несколько ячеек IGBT. Когда было обнаружено,

что ячейки IGBT на 4,5 кВ обладают приемлемыми

потерями мощности, это оказалось большим сюр-

призом. Разработка MCT была быстро свернута,

а вместо нее была запущена программа высоко-

вольтных IGBT. Успех пришел быстро. В 1992 году

был представлен первый в мире образец модуля

IGBT на 600 А с рабочим напряжением 4,5 кВ.

Было ясно, что производство приборов с МОП-

управлением, таких как IGBT, на заводе в Ленц-

бурге невозможно. Ни технологическое обору-

дование, ни «чистая комната» не удовлетворяли

требованиям производства деликатных МОП-

структур. Было решено запустить совместный

проект с компанией International Rectifier Com-

pany (Эль-Сегундо, Калифорния) и использовать

ее производственную линию. В 1994 году мик-

ролаборатория ABB Corporate Research в Дэтвиле

была закрыта, а ведущие сотрудники переведены

на работу в Эль-Сегундо.

Производство IGBT на сторонних мощностях

никогда не рассматривалось как долгосрочное

решение. В 1998 году АББ открыла новый завод

в Ленцбурге (Швейцария), и изготовление IGBT

постепенно было переведено обратно из США

в Швейцарию. Завод в Ленцбурге – единствен-

ный в мире, предназначенный исключительно

для производства IGBT. В настоящее время АББ

является единственным поставщиком, предлага-

ющим полную номенклатуру изделий IGBT и дру-

гих биполярных приборов в диапазоне высоких

напряжений и мощностей.

Приборы GTO и IGBT различаются не только

способом управления коммутацией. Запираемый

тиристор GTO представляет собой чистый ключ,

и может находиться лишь в двух устойчивых

состояниях: открытом и запертом. Во время запи-

рания он проходит через потенциально деструк-

тивный неустойчивый режим. Для безопасной

коммутации применяется схема с защитными

устройствами, так называемыми снабберами.

Транзистор IGBT является не ключом, а линейным

элементом, и поэтому не проявляет нестабиль-

ности при переключении, если параметры работы

не выходят за допустимые пределы. Возможна

эксплуатация транзистора без защитной цепи.

как в биполярных вентилях, таких как тиристоры

и GTO. В 1988 году BBC Corporate Research орга-

низовала микролабораторию с «чистой комна-

той» и современнейшими технологическими ап-

паратами. Компания ASEA начала сотрудничество

с IXYS для получения доступа к технологическим

процессам МОП.

Для безопасной коммутации применяется схема с защитными устройствами, так называемыми снабберами. Прибор IGBT является не ключом, а линейным элементом, и поэтому не проявляет нестабильности при переключении, если параметры работы не выходят за допустимые пределы.

Однако было неясно, как должен выглядеть

высоковольтный прибор с МОП-управлением.

В технической литературе обсуждалось множест-

во концепций нового прибора. Специалисты АББ

работали над двумя из них. Один из вариантов

состоял из высоковольтного тиристора большой

площади со встроенной МОП-структурой, улуч-

шающей характеристики запирания (так называ-

емый QCT, тиристор с Q-управлением). Второй

вариант представлял собой тиристор MCT (тирис-

тор с МОП-управлением) – запираемый прибор,

мер, когда заказчикам было разослано уведомле-

ние о сборе последних заказов на быстродейс-

твующие тиристоры, поступил огромный заказ

на прибор, который ранее никто не заказывал,

и производство которого далее лаборатории

не зашло. Чтобы выполнить заказ клиента, уста-

ревший прибор пришлось разработать, придав

работам высший приоритет.

Нанометры и мегаваттыВ конце 1980-х стало ясно, что силовые полупро-

водниковые приборы на основе МОП-структур

могут в принципе достичь уровней мощности,

которые интересны АББ. Основное преимущество

прибора с МОП-управлением заключается в том,

что отпирание и запирание осуществляется

напряжением, а не током электрода управления,


Изготовление тиристоров

76 АББ Ревю 3/2008


при создании подходящих модулей IGBT. Чтобы

проиллюстрировать это утверждение, рассмот-

рим модуль на 2000 А, состоящий из 50 элемен-

тов IGBT, включенных параллельно. Для дости-

жения напряжения в закрытом состоянии свыше

100 кВ, большое число модулей соединяют

последовательно. Резервирование обеспечи-

вается за счет последовательного включения

нии с новым профилем легирования, что позво-

лило значительно уменьшить толщину прибора,

а следовательно, потери.

С целью создания устройства, сочетающего луч-

шие качества двух классов – биполярный ключ

с низкими потерями, но без нестабильного режи-

ма запирания – АББ представила тиристор IGCT.

В открытом и запертом состояниях прибор IGCT

ведет себя как GTO со всеми его преимущества-

ми. На несколько микросекунд при запирании

IGCT превращается в транзистор путем разряда

конденсатора через управляющий электрод. Это

позволяет избежать потенциальных неустойчи-

вых токов и выполнять коммутацию без сглажи-

вающей цепи. Это произошло в то время, когда

конкуренты пришли к выводу, что дальнейшее

развитие ветви GTO не имеет смысла, и направи-

ли усилия инженеров на другие задачи.

Компания АББ – лидер в производстве полупро-водниковых приборов IGBT и IGCT.

Сегодня IGBT и IGCT в области силовых и вы-

соковольтных систем конкурируют на равных.

Компания АББ лидирует в обеих областях.

Нанометры и мегавольтыПриблизительно в 1995 году компания ABB

Power Systems начала разработку технологии

HVDC Light®. Она предназначалась для пос-

троения ЛЭП постоянного тока в диапазоне

мощностей до 100 МВт, но сейчас она приме-

няется и для передачи большей мощности. Пре-

образователи строятся на основе модулей IGBT.

Разработчики полупроводниковых приборов

столкнулись с очень серьезными трудностями

Из учебников известно, однако, что для транзис-

тора (IGBT), в котором носители заряда вносятся

лишь через один электрод, характерно более

высокое падение напряжения в открытом состо-

янии, чем для ключа (GTO), в котором носители

поступают с обеих сторон. Разработчики в ABB

Semiconductors не согласились с общепринятым

мнением и представили высоковольтные транзис-

торы IGBT, обладающие потерями меньшими, чем

в среднем у GTO.

Приблизительно в 1995 году компания ABB Power Systems начала разработку технологии HVDC Light®. Она предназначалась для построения ЛЭП пос-тоянного тока в диапазоне мощностей до 100 МВт, но сейчас она применяется и для передачи большей мощности.

Напряжение на высоковольтном приборе в от-

крытом состоянии, в сущности, определяется

концентрацией электронно-дырочной плазмы.

В этом отношении четырехслойный прибор, та-

кой как GTO, обладает преимуществами по срав-

нению с трехслойным (IGBT). В тиристоре

GTO инжекция плазмы происходит как с анода,

так и с катода, тогда как в IGBT она происходит

лишь на аноде. Принятый в отрасли подход

к снижению потерь в IGBT сводился к созда-

нию щелевой структуры на катоде. Эта техника

хорошо зарекомендовала себя в производстве

силовых полевых транзисторов (MOSFET). Она

в самом деле позволила снизить и потери в IGBT,

но это давалось ценой снижения прочности

прибора и усложнения производства. Подход

специалистов АББ был иным. Тщательная про-

работка распределения плазмы внутри IGBT, на-

пример, за счет организации препятствий оттоку

дырок на катоде, привела к созданию планарных

приборов, обладающих меньшими потерями, чем

самые современные приборы с щелевыми струк-

турами. Те же методы также позволили довести

напряжение на закрытом IGBT до 6,5 кВ с со-

хранением низких уровней потерь в открытом

состоянии и потерь на переключение. Несколько

лет назад это казалось невозможным.

IGCT принимает вызов IGBTРазработчики тиристоров GTO в АББ приняли

вызов со стороны IGBT и предложили два значи-

мых усовершенствования. Был разработан анод

с низкой эффективностью инжекции в сочета-


Диоды АББ 1980-х годов



пропускной способностью по току. Сегодня АББ

является единственным в мире поставщиком,

гарантирующим долговременное стабильное

состояние отказавшего модуля в схеме с после-

довательным соединением.

Инновационный процесс в области силовых

полупроводниковых приборов идет полным

ходом. Потребность мировой экономики в элек-

троэнергии придала новый импульс даже старым

тиристорным технологиям HVDC. Проекты

новых линий постоянного тока требуют все

больших номинальных мощностей тиристоров,

а следовательно, растущих номинальных токов

и напряжений. Основной конкурент высоковоль-

тных IGBT производства АББ находится внутри

компании – это изделия GTO и IGCT. Поэтому

клиенты АББ располагают уникальной возмож-

ностью выбора между двумя передовыми техно-

логиями в силовой электронике.

Автор благодарит Курта Брисби, Андре Джаклина,

Стефана Линдера, Георгеса Келлера, Клауса Шу-

лера и Эриха Вайсхаара за помощь в подготовке

материала.

Хансруди Целлер

(ранее) ABB Semiconductors


вательного включения, отказ элемента должен

приводить к его замыканию, чтобы до следую-

щего регламентного обслуживания этот элемент

мог пропускать полный ток преобразователя.

Стандартная схема с прижимными контактами,

применяемая при изготовлении GTO, проблемы

не решает. Компонент нагревается, и между

кристаллом и молибденовой контактной пласти-

ной образуется хрупкое интерметаллическое со-

единение Si-Mo. Оно препятствует образованию

устойчивого пути для тока. Решение было найде-

но в установке контактной пластины, состоящей

из металла, формирующего с кремнием низ-

коплавкий эвтектический сплав. За счет этого

создается металлургический контакт с высокой

некоторого числа модулей сверх необходимого.

Однако этот подход работает только в том

случае, если отказавший модуль будет обладать

низким сопротивлением и сможет пропускать

ток, текущий через преобразователь.

Если прибор отказывает, весь ток величиной

2000 А потенциально может пойти через него.

В стандартных модулях применяются элементы

с проволочным соединением. В таких модулях

проволока мгновенно бы испарилась. При этом

образовалась бы электрическая дуга, ведущая

к отказу блока преобразователя и возможным

тяжелым последствиям для стабильности энер-

госистемы. В модуле, подходящем для последо-


Производство полупроводниковых приборов

78 АББ Ревю 3/2008


Анонс номера 4/2008

Инновационные достижения – 2008

Квартал за кварталом АББ демонстрирует не-

уклонный рост прибылей и доходности. Этот

успех обеспечивается усилием персонала нашей

компании и поставщиками, снабжающими нас

первоклассной продукцией и технологиями. Кро-

ме того, он обеспечивается нашими клиентами,

полностью доверяющими возможностям АББ.

Главным источником успеха компании являются

выпускаемые ею изделия и системы, целиком

удовлетворяющие требованиям заказчиков и сде-

лавшие АББ лидером практически во всех облас-

тях бизнеса, где она присутствует. АББ ежегодно

затрачивает более $1 млрд. на исследования

и разработки, поддерживающие ее продукцию

на самом передовом уровне.

Совместными усилиями всех подразделений

компании были достигнуты впечатляющие до-

стижения в области силового оборудования и ав-

томатизации производства. Следующий выпуск

АББ Ревю будет посвящен некоторым из них.

АББ Ревю приглашает вас посетить крупнейшую

в мире ветроэлектростанцию, оборудованную

продукцией АББ. Мы опишем устройство под-

станции с КРУЭ на напряжение 1 МВ, а также

систем HVDC Light®, способных передавать более

1 ГВт электроэнергии. В этом выпуске вы узнаете,

как компания решает проблемы безопасности

в больших системах управления, а также о том,

какими впечатляющими способностями облада-

ют наши новые роботы.

Мы расскажем об истории HVDC – технологии,

которую АББ успешно вывела на рынок 50 лет

назад, и о том, сколько сил и труда необходимо

для практической реализации самой замечатель-

ной идеи.

И это только часть инноваций, которым посвящен

этот выпуск. Коллектив АББ Ревю надеется, что чи-

татели разделят его энтузиазм по поводу успехов,

достигнутых компанией в 2008 году, а также от-

кроют для себя много нового и интересного.

Editorial BoardPeter TerwieschChief Technology OfficerGroup R&D and Technology

Clarissa HallerHead oTf Corporate Communications

Ron PopperManager of Sustainability Affairs

Frank DugganRegion Manager, Middle East & Africa

Friedrich PinnekampChief Editor, ABB [email protected]

Andreas MoglestueDeputy Chief Editor, ABB [email protected]

PublisherABB Review is published by ABB Group R&D and Technology.

ABB Asea Brown Boveri Ltd.ABB Review/REVCH-8050 ZürichSwitzerland

ABB Review is published four times a year in English, French, German, Spanish, Chinese and Russian. ABB Review is free of charge to those with an interest in ABB’s technology and objectives. For a sub scription, please contact your nearest ABB representative or subscribe online at www.abb.com/abbreview

Partial reprints or reproductions are per-mitted subject to full acknowledgement. Complete reprints require the publisher’s written consent.

Publisher and copyright ©2008ABB Asea Brown Boveri Ltd. Zürich/Switzerland

PrinterVorarlberger Verlagsanstalt GmbHAT-6850 Dornbirn/Austria

LayoutDAVILLA Werbeagentur GmbHAT-6900 Bregenz/Austria

DisclaimerThe information contained herein reflects the views of the authors and is for informa-tional purposes only. Readers should not act upon the information contained herein without seeking professional advice. We make publications available with the under-standing that the authors are not rendering technical or other professional advice or opinions on specific facts or matters and assume no liability whatsoever in connec-tion with their use. The companies of the ABB Group do not make any warranty or guarantee, or promise, expressed or im-plied, concerning the content or accuracy of the views expressed herein.

ISSN: 1013-3119



Может ли город потреблять на 30 % меньше энергии?

Конечно!

Являясь ведущим производителем энергосберегающего оборудования, компания АББ может обеспечить снижение энергопотребления без снижения производительности. Наши системы управления освещением помогут сэкономить до 50 %, а системы автоматики зданий – до 60 % энергии. Чтобы ни говорили о высоких ценах и нехватке электроэнергии, изменении климата и т. п., АББ придет к вам на помощь прямо здесь и прямо сейчас. www. abb. com/energyefficiency

Power and productivityfor a better world™

ABB Review 3 2008 03...эффекты. Сложная поперечная структура...

Documents

Transcript of ABB Review 3 2008 03...эффекты. Сложная поперечная структура...