Vermogensconversie in maritieme omgevingen

Grotere schepen hebben een (diesel)generator en een eigen boordnet om alle elektrische gebruikers te voorzien van stroom met de juiste spanning en frequentie. Eenmaal in de haven is het om diverse redenen niet wenselijk om dit autonome systeem in te zetten. Geluids- en stankoverlast zijn de belangrijkste, maar ook emissies en kosten zijn redenen om in de haven zogenaamde walstroom af te nemen. Een probleem daarbij is dat de kwaliteit en specificaties van de walstroom per haven sterk kunnen verschillen. 1:1 gebruiken op het schip is hiermee meestal niet mogelijk. Walstroomomvormers bieden uitkomst om de walstroom om te zetten in stroom die geschikt is voor het specifieke schip.

Marpower is een bedrijf dat dergelijke walstroomomvormers ontwikkelt en bouwt. Twee jaar geleden startte het bedrijf de ontwikkeling van een nieuwe generatie, die voldoet aan de eisen en wensen van de huidige tijd. Buiten het feit dat de ‘installatie van nu’ compact en licht moet zijn, is er ook de wens om hem schaalbaar en universeel toepasbaar te maken én eenvoudig te installeren, met een lage onderhoudsbehoefte en uiteraard betaalbaar.

links komt de walstroom als wisselspanning binnen. Deze wordt eerst gelijkgericht en vervolgens ‘gechopt’ tot een blokgolf die uiteindelijk door een tweede trafo wordt omgezet naar de gewenste wisselspanning voor het schip. Hans Zijlstra, commercieel directeur van Elincom: “Met betrekking tot de benodigde transformatoren zijn er vele parameters die bepalen hoe betrouwbaar, efficiënt en effectief de uiteindelijke oplossing is. Denk daarbij in de basis aan warmteontwikkeling en afmetingen, maar meer technisch aan het behoud van voldoende inductie bij hoge stromen, parasitaire capaciteit, spreidingszelf-inductie en daarmee de mogelijkheid om zeer snel efficiënt te schakelen bij het choppen. In het ontwikkelingstraject is het zaak om keuzes zodanig te maken dat hierin een optimum wordt bereikt.”

Om Marpower optimaal te ondersteunen bij het ontwerpen van een compact, flexibel en universeel systeem, zonder concessies te doen aan kwaliteit, veiligheid en efficiëntie, betrok Elincom het Duitse bedrijf Block. Block is één van de bedrijven die Elincom in Nederland vertegenwoordigt en uiteenlopende componenten levert om een spanning te genereren die exact voldoet aan de specifieke wensen van een klant. Een perfecte partner om de klantwens nauwkeurig mee te specificeren, modellen te maken en deze te simuleren en uiteindelijk heel veel testen te doen om tot een effectieve,
efficiënte en betaalbare oplossing te komen. Danny Langbroek, algemeen directeur: “Buiten de uitdagingen die Hans al noemde, heb je bij ieder ontwerp ook te maken met productiekosten. Niet elke technische oplossing is effectief in een serieproduct om te zetten. Verder zijn de technisch beste materiaalkeuzes voor het kernmateriaal of de wikkeldraad ook niet altijd de beste prijstechnische keuze. In dat traject zoeken we de balans, in nauw overleg met de klant en de fabriek.”

Eén van de keuzes die Marpower maakte om de walstroomomvormer efficiënt te maken, is het toepassen van de nieuwste generatie SiC halfgeleiders. Daarmee is een hogere vermogensdichtheid te bereiken, maar dicteert ook waterkoeling. Dit resulteert uiteindelijk in de mogelijkheid tot een hogere schakelfrequentie van 40 kHz, waardoor de installatie tientallen malen kleiner en bijna 98% lichter kon worden uitgevoerd (11 kg voor de nieuwe omvormer ten opzichte van 500 kg voor een traditionele 50 kVA / 50 Hz trafo). Verder heeft er veel reken- en testwerk gezeten in het bepalen van de juiste wikkelconfiguratie. Voor de middenfrequent spoelen die in de walstroomomvormer worden gebruikt, heeft Block de eerste configuratie uit figuur 4 gekozen die is uitgevoerd met litze draad van 30 µm. Al met al een intensief project waarin de samenwerking tussen partners met ieder hun eigen kennis heeft geleid tot een walstroomomvormer met de juiste specificaties.