Transistorer och specialkablar är basen i ABBs nya likströmsteknik. Strömriktarna fungerar som stora likspänningsomvandlare. Nu provas tekniken i en kraftöverföring på 3 MW.

Den nya likströmstekniken är elektronisk rakt igenom. Strömriktarna kan närmast beskrivas som stora, styrbara likspänningsomvandlare. Det behövs inte ens transformatorer utan bara en ryslig massa släckbara transistorer samt några spolar och kondensatorer.

ABB kallar sin nya teknik för "HVDC Light", där HVDC betyder high voltage direct current, högspänd likström. Hittills har HVDC varit en dyr och invecklad teknik som bara har lönat sig för stora kraftöverföringar eller långa sjökablar. Utrustningarna har specialkonstruerats för varje anläggning.

HVDC Light ska bli raka motsatsen, en vardagsteknik för vart och vartannat energiverk. Standardtransistorer istället för exklusiva specialtyristorer och datoriserad styrutrustning ger en kompakt teknik som får rum i vilket ställverk som helst.

- Det borde gå att klämma in en anläggning på 20 MW på en yta av 12 x 18 m, säger projektledaren Kjell Svensson, ABB Power Systems i Ludvika.



Prov på historisk mark


Provanläggningen är en 10 km lång likströmslänk mellan kraftverket i Hellsjön och Grängesberg. Spänningen är ±10 kV och den överförda effekten 3 MW.

Platsen är väl vald. Det var just här som Jonas Wenström provade sin första kraftöverföring för trefas växelström för 104 år sen. Kraftverket är detsamma som då och ledningen har samma sträckning.

Istället för Wenströms provutrustning står där nu ett par blå containrar. I den ena finns strömriktarventilerna och i den andra styrelektroniken. I varje strömriktare finns sex ventiler, var och en med 14 seriekopplade IGBT, släckbara transistorer. Eftersom ventilerna är seriekopplade är det alltså 28 transistorer, som ger ±10 kV utspänning.

Seriekopplingen vållade mest huvudbry vid konstruktionen. Ingen hade gjort något liknande tidigare.

- Det var ju något helt nytt, att styra så många transistorer, säger Kjell Eriksson.

Den vanliga krafttyristorn kan tändas när som helst när den har en positiv spänning över sig, men den släcks bara när spänningens polaritet växlar. Denna inbyggda begränsning vil-le man komma ifrån. Med de släckbara komponenterna kan man i stället bygga pulsbreddsmodulerade strömriktare, där utspänningen kan styras lätt och noga. Den pulsbreddsmodulerade utspänningen kan styras både till amplitud och frekvens - från ren likspänning upp till långt över de 50 Hz som elnätet behöver.

I och med att spänningsnivån också kan styras behövs inga transformatorer. Det är en verklig revolution inom krafttekniken.



Tyristorer för dyra


Släckbara tyristorer, GTO (gate turn-off) var en alternativ lösning. Sådana använder ABB bland annat i snabbtåget X2000. Nackdelen med dem är att de kräver mycket energirika pulser för att släckas, vilket gör släckkretsarna stora och dyra.

- Vi hade nog kunnat lösa det tekniskt, men det hade blivit för dyrt och krångligt. Istället valde vi IGBT, som visserligen var en rätt ny komponent men ändå verkade lovande, säger Kjell Eriksson.

IGBT, integrated gate bipolar transistor, är en komponent som har funnits sedan 1980-talet. Men det är först nu som den har fått prestanda som duger till kraftteknik.

Det var noga med att transistorerna belastades med samma spänning. De måste också tända exakt samtidigt, annars skulle hela linjespänningen lägga sig över den eftersläntrande transistorn och förstöra den.

- Vi valde den IGBT som hade störst spänningstålighet, säger Kjell Svensson.

- Transistorerna utsätts för spänningsderivator på 500 V/ s, vilket ställer mycket stora krav på att de tänds samtidigt. De IGBTer som vi använder här har en spänningstålighet på 2,5 kV, men vi är försiktiga och kör bara med 1 kV.

En IGBT i den här storleken är uppbyggd som flera chips på samma kiselskiva. Vid ett fel, i praktiken en kortslutning i ett chips, går också hela strömmen genom felstället. Den ser inte heller ut som en transistor utan som en krafttyristor: en "puck" av porslin med över- och undersida av planslipad metall. Varje komponent är vattenkyld.



Helt ny sorts kabel


I provanläggningen ingår några stumpar av en helt ny typ av kabel. Vid ABB High Voltage Cables i Karlskrona utvecklades den som en modell för framtidens stora likströmskablar, men det visade sig snart att den passade som hand i handske med den nya kraftelektroniken för mindre överföringar. Kabeln är ett tekniskt genombrott som bygger på nya material och nya tillverkningsprocesser. Den väger futtiga 1 kg/m - i stort sett ingenting för kraftkablar - och den klarar utan vidare att överföra 30 MW.

Den nya elektroniken och kabeltekniken blir inte dyrare än vanliga kraftledningar, tror Bo Normark, VD för ABB Power Systems.

- Det finns en jättepotential för den här tekniken. Poängen är att man kan gräva ner kabeln och slippa det intrång och det krångel som vanliga luftledningar innebär.

Per Stymne



Strömriktare med 14 seriekopplade IGBTer


Ventilen är grundenheterna i strömriktaren. Ordet kommer från det engelska ordet valve, som egentligen betyder elektronrör. De första strömriktarna var uppbyggda med jonventiler, som var en sorts stora rör där laddningstransporten skedde med hjälp av kvicksilverjoner.

En strömriktarventil av typen HVDC Light är uppbyggd med 14 seriekopplade IGBTer. En IGBT tål inte att ta upp en spärrspänning, det vill säga en spänning i backriktningen, och därför ligger det en antiparallellkopplad diod vid varje IGBT. Hela strömriktaren består av sex ventiler, två för varje växelspänningsfas, och fasspänningarna tas ut via ett mittuttag mellan ventilerna.

På likspänningssidan håller en kondensator upp spänningen. På växelspänningssidan rundas den pulsbredsmodulerade utspänningen först av en linjereaktor, helt enkelt en spole, och sen tar ett filter bort övertonerna. Teknisk sett är strömriktaren en likspänningsomvandlare, men det är anslutning till 50 Hz eller 60 Hz växelspänningsnät som är kommersiellt intressanta.

Styrelektroniken för hela anläggningen ryms i två skåp samt en arbetsstation.