Application de thyristors dans les systèmes de traction ferroviaire pour un contrôle efficace de l'énergie

Introduction aux thyristors

Les thyristors sont des dispositifs semi-conducteurs à quatre couches qui fonctionnent comme des interrupteurs bistables, ne conduisent le courant qu'après une gâchette et restent verrouillés jusqu'à ce que le courant tombe sous un seuil de retenue. Leur capacité à gérer des tensions et des courants élevés avec des pertes de conduction les rend indispensables dans les systèmes électriques lourds.

Rôle des thyristors dans la traction ferroviaire

Les systèmes de traction ferroviaire modernes exigent une gestion précise de l'énergie électrique des lignes caténaires supérieures ou des troisièmes rails vers les moteurs de traction. Les thyristors sont au centre de cette conversion électronique de puissance, permettant la conversion AC-to-DC et DC-to-AC avec tension et courant commandés. Ils sont utilisés dans les redresseurs, onduleurs et hélico-réducteurs, formant l'épine dorsale de la commande de propulsion dans les véhicules électriques à plusieurs unités (UMU), locomotives et rails légers.

Rectificateurs contrôlés

Les redresseurs à commande thyristor permettent de convertir l'alimentation en courant alternatif de la ligne aérienne en tension continue réglable pour les moteurs de traction à courant continu. En modifiant l'angle de tir du thyristor, les ingénieurs peuvent régler la tension du moteur, permettant une accélération et une décélération sans accrocs sans résistances de puissance importantes.

Onduleurs pour le freinage régénératif

Dans les systèmes de traction AC, les onduleurs source de tension (VSI) utilisant des thyristors convertissent le courant continu de la ligne ou d'une batterie en courant alternatif à fréquence variable pour induction ou en moteurs synchrones permanents à aimants. L'utilisation de thyristors de déclenchement de la barrière (GTO) et de thyristors intégrés à la barrière (IGCT) qui permettent la commutation forcée est un progrès important. Pendant le freinage régénératif, le moteur de traction agit comme un générateur, et l'onduleur fonctionne en mode inverse pour convertir le courant alternatif en courant continu. Cette énergie DC peut soit être alimentée en ligne aérienne pour être utilisée par d'autres trains, soit stockée dans des systèmes de stockage d'énergie embarqués.

Types de thyristors avancés dans la Traction Moderne

Alors que les thyristors classiques à commande de phase (SCR) sont encore utilisés dans certains systèmes existants, les onduleurs de traction modernes utilisent des dispositifs plus sophistiqués :

• Tyristeurs de coupure de vitesse (GTO):[ Peut être désactivé par une impulsion de porte négative, éliminant la nécessité de circuits de commutation volumineux. Les GTO sont largement utilisés dans les onduleurs de traction de haute puissance pour locomotives et trains à grande vitesse.
• Thyristors intégrés à glissière (IGCT):[ Combinez des pertes de faible conduction avec des vitesses de commutation rapides, ce qui les rend adaptés aux topologies d'onduleurs multiniveaux. Les IGCT offrent une fiabilité plus élevée que les GTO grâce aux unités intégrées de porte et aux exigences réduites en matière de stupéfaction.
• Récepteurs à commande de silicium (SCR):[ Toujours trouvés dans les circuits d'hélico DC pour les anciens VTR et certaines alimentations auxiliaires, bien qu'ils soient éliminés progressivement par les IGBT.

ABB=s haute puissance IGCT illustre l'état de la technique, manipulant plusieurs kV et kA avec des pertes de commutation faibles.

Avantages de l'utilisation de thyristors dans les systèmes ferroviaires

• High Power Handling: Thyristors peut gérer des courants de pointe de plusieurs milliers d'ampères et bloquer des tensions jusqu'à 10 kV, répondant aux exigences des trains à grande vitesse et à grande vitesse.
• Efficacité: Une baisse de tension à faible état d'ON (généralement de 1 à 2 V) entraîne des pertes de conduction minimes par rapport aux transistors bipolaires à des niveaux de courant similaires.
• Fiabilité:[ Construction robuste sans problèmes de panne vers l'avant et une capacité de courant de surtension élevée assurent une longue durée de vie en service continu et des défauts transitoires.
• Flexibilité de contrôle:[ Les circuits de tir à portail avancés permettent un réglage précis de la tension et de la fréquence de sortie, permettant un contrôle de traction et une récupération d'énergie par réglage fin.
• Coût-Efficacité:[ Pour les puissances très élevées (multi-MW), les thyristors restent plus économiques que les modules IGBT, en particulier dans les applications de fréquence de ligne.

Défis et solutions

Malgré leurs forces, les thyristors présentent des défis de conception. Leur nature verrouillée signifie qu'ils ne peuvent être désactivés par le contrôle de porte dans les SCR classiques, nécessitant une commutation forcée ou un passage à zéro naturel - limitant la fréquence de fonctionnement.Les onduleurs à haute puissance utilisant les GTO/IGCTs nécessitent des circuits de conduite à portails complexes et des réseaux de douille pour contrôler les di/dt et les dv/dt pendant la commutation. La gestion thermique est également critique : des densités élevées de courant génèrent une chaleur importante, des systèmes de refroidissement liquide exigeants dans les entraînements de traction modernes.

Tendances futures de la traction à base de thyristor

Les dispositifs à large bande comme les MOSFET de carbure de silicium (SiC) et les FET de nitrure de galle (GaN) sont en train de se développer pour les auxiliaires de traction à basse tension, mais pour la propulsion principale à des tensions supérieures à 3 kV, la technologie de thyristor reste compétitive. Les modules hybrides combinant les IGCT et les emballages à pression offrent des cotes de courant plus élevées et un mode de défaillance de court-circuit amélioré. Une autre tendance est l'adoption de convertisseurs multiniveaux (par exemple, à point neutre à pince ou à multiniveau modulaire) qui utilisent de nombreux commutateurs de thyristor pour synthétiser la sortie quasi sinusoïdale, réduisant ainsi les pertes de couple d'entraînement et les pertes harmoniques.