Johdanto tyristoreihin

Tyristorit ovat nelikerroksisia puolijohdelaitteita, jotka toimivat bistable-kytkiminä ja jotka johtavat virtaa vasta portin laukaisimen jälkeen ja pysyvät lukittuina, kunnes virta laskee odotuskynnyksen alapuolelle. Niiden kyky käsitellä suurjännitettä ja virtaa, joiden johtumishäviöt ovat vähäisiä, tekee niistä välttämättömiä raskaissa sähköjärjestelmissä. Raideliikenteen vetovoimassa, jossa tehontarve voi ylittää useita megawattia, tyristorit tarjoavat luotettavan toiminnan edellyttämän kestävyyden, tehokkuuden ja hallinnan. Toisin kuin mekaaniset kytkimet, ne tarjoavat nopean kytkimen, jossa on minimaalinen kaartelu ja kuluminen, kriittinen etu ankarissa olosuhteissa, joihin kohdistuu tärinää, lämpötilan ääriään ja sähkömelua.

Tyristorien rooli rautatien vetovoimassa

Nykyaikaiset rautatien vetojärjestelmät vaativat tarkkaa sähkönhallintaa yläjuoksun ajoradoista tai kolmannesta kiskosta vetomoottoreihin. Tyristorit ovat keskeisessä asemassa tässä sähköisessä voimanmuunnoksessa, mikä mahdollistaa AC-DC- ja DC-to-AC-muuntamisen ohjatulla jänniteellä ja virtalähteellä. Niitä käytetään tasasuuntaajissa, vaihtosuuntaajissa ja tasavirtakoptereissa, jotka muodostavat käyttövoiman hallinnan selkärangan sähköisissä monissa yksiköissä (EMU), vetureissa ja kevyissä raideajoneuvoissa. Keskeisiin sovelluksiin kuuluvat säädettävän tasavirtavirran ohjatut tasasuuntaajat ja vaihtosuuntaajat vaihtovirtamoottoreiden regenerointijarrutukseen ja vektorin ohjaukseen.

Hallitut tasasuuntaajat

Tyristoripohjaiset ohjatut tasasuuntaajat muuntavat AC:n virtalähteestä tasavirtamoottoreille säädettäväksi tasavirtajännitteeksi. Vaihtelemalla tyristorien laukaisukulmaa insinöörit voivat säätää moottorijännitteen, jolloin moottori kiihtyy ja hidastuu ilman suuria voimavastuksia. Aikaiset tyristoriajot, joita käytetään vaiheohjatuissa sildoissa (esim. yksi- tai kolmivaiheisissa täysin ohjatuissa sildoissa), tuottavat aaltovapaata DC:tä. Moderneissa malleissa on juokseva ohjaus, joka vähentää harmonista vääristymää ja parantaa tehokerrointa. Kyky hallita lähtöjännitettä jatkuvasti mahdollistaa junien käsitellä tehokkaasti vaihtelevia kaltevuuksia ja kuormitusolosuhteita.

Regeneratiivisen jarrun kääntyjät

Vaihtovirtavetojärjestelmissä jännite-lähtömuuntimet (VSI) käyttävät tyristoreita muuntavat tasavirtaa linjasta tai akusta vaihtelevan taajuuden vaihtovirtaa induktioon tai kestomagneetteihin synkronimoottorit. Merkittävä edistysaskel on portin kääntökatkaisijatyristorien (GTOs) ja integroitujen portin ohjatut tyristorit (IGCT), jotka mahdollistavat pakkomatkan. Regeneratiivisen jarrutuksen aikana vetomoottori toimii generaattorina ja vaihtosuuntaaja toimii käänteistilassa muuntaa AC takaisin DC:ksi. Tätä tasavirtaenergiaa voidaan joko syöttää muiden junien käyttöön tai varastoida junaan energian varastointijärjestelmiin. Tyristorit helpottavat tätä kaksisuuntaista virtavirtaa suurella hyötysuhteella, mikä vähentää energiankulutusta jopa 30% joissakin metrojärjestelmissä.

Kehittyneet tyristorityypit nykyaikaisessa vetoketjussa

Vaikka perinteisiä vaiheohjattuja tyristoreita (SCR) käytetään edelleen joissakin perinteisissä järjestelmissä, nykyaikaisissa vetomuuntimissa käytetään hienostuneempia laitteita:

  • Gate Turn-Off Thyristors (GTO):[] voidaan sammuttaa negatiivisen porttipulssin avulla, jolloin vältetään tarve kokoluokan kommutointipiireihin. GTO-piirejä käytetään laajalti veturien ja suurnopeusjunien suuritehoisissa vetomuuntimissa.
  • Integrated Gate-Commutated Thyristors (IGCT):[ Yhdistä alhaiset johtumishäviöt nopeisiin kytkentänopeuksiin, jolloin ne soveltuvat monitasoisiin invertteritopologioihin. HVKT:t tarjoavat suuremman luotettavuuden kuin GTO:t integroitujen porttiyksiköiden ja pienempien nubber-vaatimusten vuoksi.
  • Silicon Controlled Rectoriors (SCR):[] löytyy edelleen DC-kopteripiireistä vanhoille LRV-laitteille ja joillekin varavirtalähteille, vaikka ne poistetaan asteittain IGBT-laitteista.

ABB.n suurtehoiset HVK:t[ ovat esimerkkejä nykytilanteesta, ja ne käsittelevät useita kV:itä ja kA:ta pienillä kytkentähäviöillä.

Edut Käyttämällä tyristoreita rautatiejärjestelmissä

  • High Power Handling:[] Tyristimet voivat hallita useiden tuhansien ampeerien huippuvirtoja ja estää jännitettä jopa 10 kV:iin asti, mikä vastaa raskaiden ja suurten nopeuksien junien vaatimuksia.
  • Tehokkuus:[ Matala ON-tilan jännitehäviö (tyypillisesti 1...2 V) aiheuttaa minimaalisia johtumishäviöitä verrattuna bipolaarisiin transistoreihin samanlaisilla nykytasoilla.
  • Luotettavuus:[] Kiintoinen rakenne, jossa ei ole eteenpäin hajoamisongelmia ja suuri virtavirta, takaa pitkän käyttöiän jatkuvassa käytössä ja ohimeneviä vikoja.
  • Ohjausjoustavuus:[] Edistyneet portin laukaisupiirit mahdollistavat lähtöjännitteen ja -taajuuden tarkan säädön, mikä mahdollistaa hienosäätyvän vetosäätimen ja energian talteenoton.
  • Kohdeteho:[] Erittäin suurten teholuokkien (multi-MW) tyristorit ovat yhä taloudellisempia kuin IGBT-moduulit, erityisesti linjataajuussovelluksissa.

Haasteet ja ratkaisut

Vahvuuksistaan huolimatta tyristorit asettavat suunnitteluhaasteita. Niiden lukollinen luonne tarkoittaa, ettei niitä voida sammuttaa portinhallinnan kautta tavanomaisissa SCR:issä, edellyttää pakkokommunikaatiota tai luonnollista nollaristikkoa . GTO:ita/IGCT:itä käyttävät suurtehomuuntajat vaativat monimutkaisia porttiohjainpiirejä ja nuuskaraverkkoja ohjaamaan di/dt:tä ja DV/dt:tä kytkimen aikana. Lämpöhallinta on myös kriittinen: korkeavirtatiheys tuottaa merkittävää lämpöä, vaativia nestejäähdytysjärjestelmiä nykyaikaisissa vetojärjestelmissä. Ratkaisuja ovat vesijäähdytteisten jäähdytysaltaiden käyttö deionisoituneen veden kanssa, kehittyneet lämpöliitäntämateriaalit ja liitäntälämpötilojen lämpötilan seuranta reaaliaikaisten anturien kautta. Lisäksi tyristorikytkimestä on vähennettävä sähkömagneettisia häiriöitä (EMI) ja niitä on vähennettävä suodattamalla ja suojaamalla.

Tyristor-perusvetovoiman tulevat suuntaukset

Tehopuolijohteiden kehitys jatkuu. Laajakaistaiset laitteet, kuten piikarbidi (SiC) MOSFETit ja galliumnitriitit (GaN) FET, ovat kehittymässä alemman jännitteen ajoavustajille, mutta pääkäyttövoima yli 3 kV:n jännitteillä, tyristoritekniikka pysyy kilpailukykyisenä. Hybridimoduulit, joissa HVC-pack-pakkaukset yhdistyvät, tarjoavat suurempia nykyarvoja ja parannettuja lyhytpiirivikoja. Toinen suuntaus on monitasoisten muuntimien (esim. neutraalipistopistoristit tai modulaariset monitasoiset) käyttöönotto, joissa käytetään useita tyristorikytkimiä, jotka syntetisoivat lähes sininoidisen ulostulon, mikä vähentää moottorin vääntömomentin aaltoja ja harmonisia häviöitä. IEE-konferenssit sähköelektroniikassa ] ovat usein edellä mainittuja edistysaskelia.

Päätelmät

Tyristorit ovat edelleen rautateiden vetovoiman hallinnan kulmakivi klassisista tasavirtamoottoreista edistykselliseen vaihtovirtakäyttöiseen hyötyjarrutukseen. Niiden suurjännite- ja virtakapasiteetti yhdistettynä HVK- ja GTO-järjestelmien kautta tapahtuvaan kytkentätehon parantamiseen varmistaa, että niitä käytetään jatkossakin maailmassa. Rautatieliikenteen harjoittajien työntäessä energiatehokkuutta ja elinkaarikustannuksiaan alemmalle tasolle tyristoripohjaiset sähköelektroniikka kehittyy digitaalisten ohjausalgoritmien ja laajakaistaisten ohjausvaihtoehtojen rinnalla, mikä pitää ne tulevaisuudessakin merkityksellisinä. Lisälukemista varten ks. Rautatieteknologia.[Satatietekniikan yleiskatsaus sähköelektroniikkaan[] tai kattava Siemensin vetovoimakäyttöportfolio .