Aplicación de Tiristors en Sistemas de Tracción Ferroviaria para el Control de Poder Eficiente
Introducción a los tirisores
Los tirisores son dispositivos semiconductores de cuatro capas que funcionan como interruptores de bistagra, llevando corriente sólo después de un gatillo de puerta y permaneciendo a la espera hasta las gotas actuales debajo de un umbral de retención. Su capacidad para manejar altas tensiones y corrientes con bajas pérdidas de conducción los hace indispensables en sistemas eléctricos pesados. En la tracción ferroviaria, donde las demandas de energía pueden superar varios megavatios, los tirisores proporcionan la robustez, eficiencia y el interruptores y el control necesario para una operación de velocidad.
Función de los Tiradores en la Tracción Ferroviaria
Los sistemas de tracción ferroviaria modernos requieren una gestión precisa de la energía eléctrica de líneas catenarias superiores o de terceros carriles a los motores de tracción. Los tirisores son centrales para esta conversión electrónica de potencia, permitiendo la conversión de AC a DC y DC a AC con tensión controlada y corriente. Se emplean en rectificadores, inverters y helicópteros DC, formando la columna vertebral del control de propulsión en múltiples unidades eléctricas (EMUs), sistemas de frenos de motor
Rectificadores controlados
Los rectificadores controlados basados en tiristor convierten la oferta de AC de la línea superior en voltaje DC ajustable para motores de tracción DC. Mediante la variable ángulo de tiro tiristor, los ingenieros pueden regular la tensión del motor, permitiendo una aceleración suave y una desaceleración sin grandes resistencias de potencia.
Inversores para Frenado Regenerativo
En sistemas de tracción AC, inversores de fuente de tensión (VSIs) utilizando tirisores convierten DC de la línea o una batería en motores sincronómicos de frecuencia variable AC para inducción o para imán permanente. Un avance significativo es el uso de tirisores de desvío de puerta (GTO) y de tirisores integrados de conmutación por puerta (IGCT) que permiten la conmutación forzada.
Tipos de Tiristor avanzados en la tracción moderna
Mientras que los tirisores convencionales controlados por fases (SCR) todavía se utilizan en algunos sistemas heredados, los inversores modernos de tracción emplean dispositivos más sofisticados:
- Gate Turn-Off Thyristors (GTOs):] Puede ser apagado por un pulso de puerta negativo, eliminando la necesidad de circuitos de conmutación voluminosos. Los GTOs son ampliamente utilizados en los inversores de tracción de alta potencia para locomotoras y trenes de alta velocidad.
- Tirisadores integrados de puerta conmutada (IGCTs): Combina bajas pérdidas de conducción con velocidades de conmutación rápidas, haciéndolos adecuados para topologías de inversor de varios niveles. Los IGCT ofrecen mayor fiabilidad que los GTO debido a unidades de compuerta integradas y requerimientos de snubber reducidos.
- Recuperadores controlados por silicio (SCRs): Todavía se encuentra en circuitos de helicópteros DC para los LRV antiguos y algunos suministros auxiliares de energía, aunque siendo eliminados por IGBTs.
Los IGCTs de alta potencia de ABB ejemplifican el estado del arte, manejando varios kV y kA con bajas pérdidas de conmutación.
Ventajas de usar tirisores en sistemas ferroviarios
- Manejo de alta potencia: Los tirisores pueden gestionar las corrientes pico de varios mil amperios y bloquear tensiones de hasta 10 kV, cumpliendo las demandas de trenes pesados y de alta velocidad.
- Eficiencia:] La baja caída de tensión en el estado (normalmente 1–2 V) da lugar a pérdidas mínimas de conducción en comparación con los transistores bipolares a niveles similares de corriente.
- Reliability:] Construcción robusta sin problemas de desglose y alta capacidad de corriente de alta capacidad aseguran una larga vida útil bajo continua operación y fallas transitorias.
- Flexibilidad de control: Los circuitos avanzados de disparo de puerta permiten un ajuste preciso de la tensión de salida y la frecuencia, permitiendo un control de tracción fino y la recuperación de energía.
- Cost-Effectiveness: Para las calificaciones de potencia muy altas (multi-MW), los tiristors siguen siendo más económicos que los módulos IGBT, especialmente en las aplicaciones de frecuencias de línea.
Desafíos y soluciones
A pesar de sus fortalezas, los tirisores presentan desafíos de diseño. Su naturaleza latched significa que no pueden ser apagados mediante control de puertas en los SCR convencionales, necesitando conmutación forzada o cero-crossing natural - restringiendo la frecuencia de operación. Invertores de alta potencia utilizando GTO/IGCTs requieren circuitos de controlador de puertas complejos y redes de snubber para controlar di/dt y dv/dt durante el control de tu control de control.
Tendencias futuras en la Tracción Basada en Tiristor
Los dispositivos de ancho de banda como carburo de silicio (SiC) MOSFETs y nitruro de galio (GaN) están surgiendo para auxiliares de tracción de menor voltaje, pero para la propulsión principal a voltajes por encima de 3 kV, la tecnología de tisristor sigue siendo competitiva. Los módulos híbridos que combinan IGCT con salida de envase ofrecen mayores calificaciones actuales y modo de cortocirco mejorado
Conclusión
Los tirisores siguen siendo una piedra angular del control de potencia de tracción ferroviaria, desde las unidades de motor clásicas de DC hasta la propulsión avanzada de AC con el freno regenerativo. Su alta tensión y capacidad actual, combinado con la mejora del rendimiento de conmutación a través de IGCT y GTOs, asegura que continuarán siendo empleados en los sistemas de ferrocarril más exigentes del mundo.