Styrer megawatt-anlegg på skip

Utviklingsavdelingen i Trondheim har beholdt sin posisjon som eksperter på omformere og andre kraftkomponenter for skip, også etter at finske The Switch, eid av japanske Yaskawa, kjøpte omformerproduktene fra Wärtsilä i 2016. Sistnevnte er for øvrig fortsatt den største kunden.

Kraftelektronikk

– Den sentrale utviklingen foregår her, basert på kraftelektronikk, FPGAer, mikrokontrollere og utvikling av fastvare, sier FoU-sjef William Gullvik. – Tradisjonelt har vi laget omformere og motorstyringer for fremdrift av skip, og etter hvert utvidet tilbudet. For eksempel med såkalt aktiv front-end (AFE), som kan brukes til å hente bremseenergi tilbake til systemet, fremfor å brenne av energien med tradisjonelle bremsemotstander. Tilsvarende er det blitt mer interessant å bruke store batteribanker ombord, hvilket har ført frem til nye løsninger for kraftdistribusjon, fremholder han.

Batterier som del av nettet

– Batterier er blitt en viktig støttefunksjon på skip, sier sjefingeniør for kraftelektronikk, Terje Rogne, og trekker frem «North Sea Giant» som eksempel: – Dersom motoren stopper, kan vi raskt kople over til strøm fra omformer eller batterisystem, og dermed opprettholde nettet. Det er store gevinster ved denne metoden, spesielt ved lave belastninger ettersom dette reduserer forurensing og soting i dieselmotorer, påpeker Rogne.

Distribuert DC-nett

Et suksessprodukt fra The Switch er DC-Hub, et system som sørger for lokal distribusjon av DC-strøm, fremfor det tradisjonelle 3-fase AC-nettet med spredte likerettere, trafoer med mer, som gjerne blir stort og dyrt i forhold. DC-Hub består av flere komponenter: Motor/generator inverter (MI/GI), aktiv front end (AFE) for nettilkopling, elektronisk busslink (EBL) for å kople flere DC-Huber sammen, og DC/DC chopper for å knytte DC-kilder (batterier) til systemet.

– Verdens smarteste

– En fordel med DC-Hub er at den har en felles DC-tilkopling, eller link, som alt av utstyr, slik som flere invertere, likerettere osv. kan koples til. Dette skal forenkle kraftsystemet og gi høyere virkningsgrad, forteller Rogne. Selskapet har nettopp lansert en ny og oppdatert versjon av systemet, med forbedret design og ytelse. – The Switch sin DC-Hub er verdens smarteste teknologi for å distribuere DC-strøm på flere megawatt, mener Gullvik, som trekker frem to «revolusjonerende» halvlederbaserte byggeblokker: EBL og EDCB (electronic DC-breaker) – som skal sikre svært rask beskyttelse og drift ved full effekt for å unngå strømbrudd.

Lynrask omkopling

Dersom det oppstår en feil, slik som en kortslutning, i en av DC-Hubene, kan EBL sørge for å kutte ut denne i løpet av noen få mikrosekunder, og samtidig sikre videre drift i de andre. – Denne halvlederbasert elektroniske sikringen er utrolig rask, omkring 100 ganger raskere enn en god smeltesikring, påpeker Gullvik. Samtidig åpner løsningen for å kunne kople sammen flere ulike systemer på en trygg måte, f.eks. for å overføre energi til batterier. Dette er noe som også kan styres dynamisk under drift, ifølge Rogne.

Kortslutningstrømmen fra batteriene er ofte 150 kA og mere, men krotslutningen kuttes før den når 10 kA vha krafthalvlederene.

Overvåking

Det er bygget inn omfattende overvåkings- og diagnosemuligheter i systemene, slik at serviceoperatører på land kan se og få tilgang til skip i sjøen via satellittlink. – Det er et økende ønske om online tilgang til skip. Det krever imidlertid økt fokus på sikkerhet, noe vi har jobbet mye med, ikke minst i forbindelse med nye krav som vil bli innført, kommenterer Rogne.

Egenutviklet elektronikk

FPGA (feltprogrammerbare portmatriser) er en sentral komponent på de egenutviklede kretskortene, slik som gatedriverne, som f.eks. brukes i overvåking og styring av IGBTene. Strømmer og spenninger måles for aktiv regulering av gaten på IGBT. Via en optisk serielink samles det inn målinger for å gjøre filtrering og signalbehandling før resultatene sendes til programvare for analyse og styring tilbake. Kommunikasjon mellom modulene foregår via optisk fiber, for økt robusthet mot støy og økt sikkerhet.

Man har også implementert et digitalt oscilloskop på gatedriverne, som kan fjernmobiliseres for testing og måling, også under drift.

IGBT vs. SiC

Nevnte IGBTer er fortsatt en sentral komponent i kraftelektronikk, men også hos The Switch har spørsmålet meldt seg om tiden er inne for halvledere i silisiumkarbid (SiC). Svaret er vel i nærheten av «ikke helt ennå».

– Kommer

– Silisiumkarbid begynner å bli interessant industrielt, etterhvert som komponentene kommer i riktig størrelse og med høy nok isolasjon. I den rette sammenhengen kan de gi høyere effekter og mindre størrelse enn tradisjonelle IGBT, sier Rogne, som kan fortelle at utviklingsavdelingen allerede har jobbet med prøveprosjekter. – SiC kommer snart for fullt, men til å begynne med vil det være snakk om å finne spesialanvendelser. I mellomtiden har silisiumbaserte IGBTer fortsatt store volum/kost-fordeler, understreker han.