Deniz Güç Dönüşümünde GTO Thyristors'un Temelleri

Kapı Turn-Off (GTO) yourristors, yüksek enerjili yarı iletken anahtarların bir sınıfıdır ve deniz tahrik sürücülerinde kullanılan bir kapı sinyali ile kapatılabilir.Bu, özellikle dere dönüş için bir koğuş devresinde, DC otobüs gücünü dönüştürmek için üç fazlı bir köprü konfigürasyonunda, yüksek frekanslı yük devreleri ve mevcut yük devreleri işlemek için çok uygun hale getirir.

GTO'nun arkasındaki fizik, bir sizin aristokrata benzer dört katmanlı bir yapı içeriyor, ancak azınlık taşıyıcılarının çıkarılmasına izin veren özel olarak tasarlanmış bir kapı bölgesi ile, cihazı devletten koparma yeteneği, yüksek ısıtımı ve yüksek sıcaklık düzeyine zorlayan bu kapı dönüş kazanç genellikle düşük (yaklaşık 3 ila 10), daha erken nesil cihazlar için büyük bir pul pul pulu gerektiren, ancak ticaretten çıkış yolu veya yüksek akımları doğrudan kesme yeteneğidir. Modern basın paketinin paketlemesi sağlar.

GTO neden Dominate Marine Propulsion

Deniz tahrik sistemleri güç elektroniklerinde olağanüstü talepler yerine getiriyor: sürekli tam yük işlemi, manevra sırasında sık tork gerisi ve tuz-laden, humid atmosferleri. GTO tabanlı dönüştürücüler bu konuda öne çıkıyor:

  • [FONT:0) Üst Güç Paralel olmadan Uygulama:[Dönetici:[Dönetici:0) Tek nokta hatalarının kabul edilemez olduğu deniz savaşlarında kontrol edilebilirliği azaltan daha basit dönüştürücü topolojilere kıyasla daha fazla, daha basit dönüştürücü topolojilere izin vermek.
  • [FONT:0]Robust Cerrahı Yetenek: [Dönetici: Motordaki kısa devreler sırasında, GTO'lar derhal imha olmadan yüksek zirve akımlara dayanabiliyor, koruma sistemleri için zaman satın almak için zaman alabilir. Bu, özellikle de büyük akımlara neden olabilir buz kırıcı gemilerde değerli.
  • [FONT:0)Familiarity ve Proven Life döngüsü: nakliye endüstrisi, ABB, Siemens ve GE gibi üreticilerden gelen GTO sürücüleri ile onlarca yıllık operasyonel verilere sahiptir ve GE. Yedek parçalar ve hizmet uzmanlığı, dünya çapında iyi kurulmuş, yaşam döngüsü yeni cihazlarla kıyaslanabilir, ancak daha az kanıtlanmış cihazlara kıyasla daha az kanıtlanmış cihazlara kıyasla maliyet azaltmaktadır.
  • [FONT:0) Low Speeds'te Etkili: GTO dönüştürücüleri, düşük frekanslarda PWM IGBT inverterlerinden daha düşük hızlarda, fikre ve yavaş hızlı geçişler sırasında ortak bir işletim koşulu üretir.

IGBTs daha düşük güç tahrik uygulamaları (daha büyük gemiler için 5 MW) elde ederken, ultra konteyner gemileri, LNG taşıyıcıları ve deniz imha edicileri - GTO teknolojisi varsayılan seçim olarak kalır. Örneğin, ABD Donanması DDG-1000 Zumwalt sınıfı, 78 MW'dan fazla ikiz poddedilen azimuthing iterlere teslim edilen gelişmiş bir tahrik sistemi kullanır.

Marine GTO Converter Systems'de Tasarım Meydanları

Deniz hizmeti için bir GTO dönüştürücüyü uygulamak doğru yarı iletkenliği seçmekten çok daha öteye gidiyor. Mühendisler eşsiz bir çevresel ve sistem düzeyinde kısıtlamalarla uğraşmak zorundalar.

Soğutma ve Termal Yönetim

Her GTO cihazı, elektrik ortamının izole edilmesi için kilovatları ısıtılır ve kayıpları geçmek zorundadır.Süre ısı değiştiricileri kullanarak deniz su döngüsündeki yedekleri genellikle orta derecede kullanılabilir.Su soğutma pompaları elektrik ortamını izole etmek için orta derecede kullanılır.

Kapı Sürücü ve Snubber Devre Tasarımı

GTO'ların düşük dönüş kazancı, birkaç mikrosaniyede yüzlerce amplitüdün tedarik edip batmasını gerektirir.Rektöre (resiste-kapı) snubbers, yüksek enerjideki tekrarlayan pul pul pul pul pulların azaltılması için gerekli olan bir kapı sürücüsü tekniğini içerir.

Elektromanyetik Uyumluluk (EMC) ve Harmonics

Gemi makineleri navigasyon ve iletişim ekipmanlarını korumak için katı EMC gereksinimlerine sahiptir. Düşük geçiş frekanslarında (tipik olarak 150-500 Hz) etkin bir şekilde harmonikler (5, 7th, 11th). filtreleme olmadan, bu harmonikler, pervane jeneratörleri ve pervane milisleri kullanarak, gemi servislerinden çok-pulse dönüştürücü konfigürasyonları (tipik olarak 150-500 Hz) kullanan yüksek çözünürlükte sabit devreler oluşturabilir.

Titreşim ve Şok Direniş

Deniz gemisi sualtı patlamalarından veya ağır deniz eyaletlerinden ciddi şok yükleri yaşayabilir. GTO güç yığınları, kısa devreleri önlemek için tüm otobüs barlarına monte edilmelidir. PCB tabanlı kapı sürücü panjurları genellikle kapalı olarak kaplı ve ısıtılır -20°C'den +55°C'ye kadar.

GTO Marine Propulsion Drives için Kontrol Stratejileri

GTO tabanlı bir tahrik sürüşünün kontrol felsefesi, sıfır hızdan elde edilen hıza doğru düzgün bir ton kontrolü sağlamalı, kaza sonrası manevralar sırasında tekrarjeneratif frenleme ve geminin entegre otomasyon sistemi ile sorunsuz bir şekilde hareket etmelidir.

Pulse Genişlik Modulation (PWM) vs. Square-Wave Operasyon

Düşük hızlarda, sabit bir taşıyıcı frekansında (örneğin, 300 Hz) düşük tork dalgalanmalarını artırmak için modulation tekniği geçişleri senkronize PWM ve sonunda düşük gecikmeleri ortadan kaldırmak için sabit bir işlemden kaçınılmalıdır.Bu geçiş, GTO limitlerine zarar verebilecek şekilde sabit toparlanabilir.

Rejeneratif Braking ve Active Rectification

Bir gemi tam hızda hızlıca durmaya ihtiyaç duyduğunda, pervane motor bir jeneratör olarak çalışır, gemi jeneratörü onu absorbeeeeeeeeeeeeee eden bir yük olmadan (birkaç megawattın bir batarya veya direnen banka), gerilim yükselir ve hava sahasında aşırı ısıyı güvenle kullanmak için bir frenleme chopper içerir.

Hata-Tolerant ve Red dışı Mimarlık

Askeri standartlar tek bir dönüştürücü başarısızlığın, iki bağımsız GTO dönüştürücü ile iki bağımsız GTO dönüştürücü ile sabitlenmenin azalmasına neden olması gerekir: eğer bir dönüştürücü başarısız olursa, motor hala düşük güçte çalışabilir. Kontrol sistemi sürekli olarak şarj edilebilir zaman eğilimleri takip ederek, tahmin edici bir bakım meydana gelmeden önce kontrol sistemi.

Across Marine Gemi Sınıfları

Gemiler ve yardımcı Gemiler

Modern destroyerler, frigates ve uçak taşıyıcıları, düşük devre dışı işletim için programlanmış elektrikli tahrik (IEP) kullanıyor ve Birleşik Krallık Type 45 destroyerini ve Kraliçe Elizabeth-class taşıyıcılarını kullanan GTO tabanlı motorları kullanıyor, aynı zamanda gemi hizmeti yükleri tedarik ediyor.

Ticari Ticaret Gemileri

Yakıt verimliliği kritik olan sektörlerde, seyir gemileri ve servis tankerleri gibi, GTO dönüştürücüleri, optimum bir yönlendirme içinde çalışan orta hızlı dizel jeneratörlerin kullanımını mümkün kılar. Elektrikli tahrikli pod (Azipod) sistemi, ABB tarafından öncülenen GTO dönüştürücüleri tarafından güvenilir bir şekilde monte edilen, kalıcı bir şekilde şarj edilebilir bir yönlendirme içinde bir motora sahip olur.

Denizaltılar ve Sualtı Araçları

Submarines, ultra-quiet sürücülerinin algılamadan kaçınmasını talep ediyor. GTO dönüştürücüleri, yayılmacı gürültü ile çok düşük geçiş frekanslarında çalıştırılıyor, ayrıca derin denizlerin sert koşullarını - yüksek basınç, sınırlı soğutma - onunzonik olarak mühürlenmiş basın paketi GTO dönüştürücüleri ve petrol dolu dönüştürücü kabinleri gerektirir.

GTO'nun Alternatif Yarı iletken Teknolojilerle Karşılaştırılması

Deniz endüstrisi GTO'lardan IGBT'ye kademeli bir değişim yaşadı ve son zamanlarda, orta güç uygulamalarında silikon (SiC) MOSFETs'e kadar. Ancak, GTO'lar hala en yüksek güç seviyelerinde performans taç tutuyor.

ParameterGTOIGBTSiC MOSFET
Voltage rating (typical)6 kV+1.7-6.5 kV1.2-3.3 kV
Current rating (single device)6 kA+≤3.6 kA (module)
Switching frequency≤500 Hz2-20 kHz20-100 kHz
Conduction loss (per device)~0.5-1% of rating0.3-0.5%0.1-0.3%
Gate drive complexityHigh (low gain)ModerateLow
Maturity / reliability dataExcellent (40+ years)Good (20+ years)Emerging (10 years marine)
Best fit (marine propulsion)>10 MW single drive2-15 MW (multi-parallel)<5 MW (future)

Örneğin, tek bir GTO dönüştürücü, bir yolcu gemisi için 50 MW teslim edebilir. Bir eşdeğer IGBT çözümü, SiC'nin daha düşük kayıpları ve karmaşık mevcut paylaşımını gerektirecek, genel güvenilirlikleri azaltacaktır. Ancak, IGBTs en yüksek güç nişinde en yüksek kontrol edilebilir kalır.

GTO dönüştürücüleri statik değildir; yeni gemi tasarımları ile gelişmeye devam ederler. Önümüzdeki on yıl içinde kullanımlarını şekillendirecektir.

Hybrid ve All-Elektrikli Bütünleştirme

Gelecekteki gemiler dizel-elektrik, batarya depolama ve yakıt hücreleri bir araya getirecek. GTO dönüştürücüler modüler multi seviyeli topolojileri (MMC) kullanarak daha esnek bir şekilde farklı gerilim seviyelerinden daha fazla esnek bir şekilde yararlanabileceklerdir. Geleneksel sabit iki seviyeli inverter yerine, MMC tabanlı GTO yığınları daha geniş bir güç aralığındaki kırmızı ve daha yüksek verimlilik sağlar - tam olarak hangi hibrit bitkilerin ihtiyaç duyduğu.

Yenilenebilir Kaynaklarla entegrasyon

Yelkenli kargo gemileri ve güneş paneli güvertedeki dağıtım, DC-DC dönüştürücüleri, propulsion DC otobüslerine beslemeleri gerektirir. GTO tabanlı adım dönüştürücüler, yenilenebilir girdi ve geleneksel jeneratörler arasında sorunsuz bir şekilde hareket eden çok sayıdaki yüksek güçle idare edebilir.

Dijital Twins ve Tahminsel Bakım

Gemi operatörleri, yüksek şarj sürücülerinden daha yüksek kullanılabilirlik talep ediyor. Dijital ikiz simülasyon, GTO aygıtının ısı döngüsündeki her GTO bağlantılarını tespit etmek için sinyal sistemlerini modellemek, port aramaları sırasında kalan yaşamı ve programları tahmin ediyor. ”Ücretsiz IEEE yayınları)Recent IEEE yayınları[Dönder: 1 belge makinesi öğrenme modelleri, yüksek çözünürlükte sabit planlayıcılar ile birlikte, bu paketler sabit planlanmamış sabit planlanmamış sabit planlanmamış sabit planlayıcılar için kritik bir avantaj.

Çevre Düzenlemeleri Araba Verimliliği

IMO'nun Enerji Verimliliği Tasarımı Endeksi (EEDI) ve önümüzdeki karbon yoğunluğu kuralları, yüksek modülasyon ve daha iyi kapı-kullanım devreleri ile ilgili tüm yüksek çözünürlükte %98'i elde edebilir.ABB'nin en son Azipod serisi), milisli mekanik tahrik için yakıt tüketimine göre% 95'i aşabilir.

Sonuç: GTO, Modern Deniz Elektrikleştirmesinin Köşetaşı olarak

GTO tabanlı güç elektronik dönüştürücüleri kendilerini on yıllar boyunca deniz tahriki için sağlam, yüksek kapasiteli bir çözüm olarak kanıtlamıştır. Sektörler aşırı güç seviyelerini ele alma yeteneğine sahiptir - 5 MW tunçtan 100 MW'dan 100 MW'a kadar deniz savaşçıları ve kapı sürücüsüne göre, bu sistemler, GTO'nun güvenli olmayan bir şekilde dağıtılmasına ve tüm elektrik gemilerine karşı yüksek enerjili bir şekilde dağıtımını sağlamak için yeni bir dağıtıma devam edecektir.

GTO dönüştürücü tasarım ilkeleri hakkında daha fazla okuma için, bakınızFLT:0)ScienceDirect'un mühendislik genel bakışı); bir deniz perspektifi için, ABD Donanması'nın [[ENFLT:2).Zumwalt-class programı sayfası[Dönemli-dünya başvuru ayrıntıları sunar.