Введение в Thyristors

Тиристоры — четырёхслойные полупроводниковые устройства, функционирующие как бистабильные переключатели, проводящие ток только после спускового крючка затвора и оставающиеся зажатыми до тех пор, пока ток не опустится ниже порога удержания. Их способность обрабатывать высокие напряжения и токи с низкими потерями проводимости делает их незаменимыми в тяжёлых электрических системах.В железнодорожной тяге, где требования к мощности могут превышать несколько мегаватт, тиристоры обеспечивают надёжность, эффективность и управление, необходимые для надёжной работы.В отличие от механических переключателей, они предлагают быстрое переключение с минимальной дугой и износом, критическое преимущество в суровых условиях, подвергающихся вибрации, экстремальным температурам и электрическому шуму.

Роль тиристоров в железнодорожном тяге

Современные системы железнодорожной тяги требуют точного управления электрической энергией от воздушных линий или третьих рельсов до тяговых двигателей. Тиристоры являются центральными для этого преобразования мощности в электронике, позволяя преобразование переменного тока и постоянного тока с контролируемым напряжением и током. Они используются в выпрямителях, инверторах и вертолетах постоянного тока, образуя основу управления движением в электрических многократных единицах (EMU), локомотивах и легкорельсовых транспортных средствах. Ключевые области применения включают управляемые выпрямители для переменного выхода постоянного тока и инверторы для рекуперативного торможения и векторного управления двигателями переменного тока.

Контролируемые ректоры

Управляемые выпрямители на основе тиристора преобразуют подачу переменного тока от накладной линии в регулируемое напряжение постоянного тока для тяговых двигателей постоянного тока. Изменяя угол тиристорного обжига, инженеры могут регулировать напряжение двигателя, позволяя плавное ускорение и замедление без больших силовых резисторов. Ранние тиристорные приводы использовали фазово-управляемые мосты (например, однофазные или трехфазные полностью управляемые мосты) для производства без ряби постоянного тока. Современные конструкции включают последовательное управление для уменьшения гармонических искажений и улучшения коэффициента мощности. Возможность управления выходным напряжением непрерывно позволяет поездам эффективно обрабатывать различные градиенты и условия нагрузки.

Инверторы для регенеративного торможения

В системах тяги переменного тока инверторы с источником напряжения (VSI) с помощью тиристоров преобразуют DC из линии или батареи в переменно-частотный переменный ток для индукционных или синхронных двигателей с постоянным магнитом. Значительным продвижением является использование тиристоров с выключателем затвора (GTO) и интегрированных тиристоров с коммутацией затвора (IGCT), которые позволяют принудительное коммутирование. Во время регенеративного торможения тяговый двигатель действует как генератор, а инвертор работает в обратном режиме для преобразования переменного тока обратно в DC. Эта энергия постоянного тока может подаваться в верхнюю линию для использования другими поездами или храниться в бортовых системах хранения энергии. Тиристоры облегчают этот двунаправленный поток энергии с высокой эффективностью, снижая потребление энергии до 30% в некоторых системах метро.

Продвинутые типы тиристоров в современной тяге

В то время как обычные фазовые тиристоры (SCR) все еще используются в некоторых устаревших системах, современные тяговые инверторы используют более сложные устройства:

  • Выходные тиристоры (GTO): Могут быть выключены отрицательным импульсом затвора, устраняя необходимость громоздких коммутационных цепей.GTO широко используются в мощных тяговых инверторах для локомотивов и скоростных поездов.
  • Интегрированные гейт-коммутированные тиристоры (IGCT): Комбинируют низкие потери проводимости с быстрыми скоростями переключения, что делает их пригодными для многоуровневых инверторных топологий. IGCTs обеспечивают более высокую надежность, чем GTO, благодаря интегрированным гейт-блокам и сниженным требованиям к снубберу.
  • Silicon Controlled Rectifiers (SCRs): Все еще находится в контурах вертолетов постоянного тока для старых LRV и некоторых вспомогательных источников питания, хотя и постепенно отменяется IGBT.

Высокомощные IGCT ABB иллюстрируют современное состояние, обрабатывая несколько кВ и кА с низкими потерями переключения.

Преимущества использования тиристоров в железнодорожных системах

  • Высокое энергопотребление: Тиристоры могут управлять пиковыми токами в несколько тысяч ампер и блокировать напряжения до 10 кВ, удовлетворяя требования тяжесёлых и скоростных поездов.
  • Эффективность: Низкое падение напряжения в состоянии ON (обычно 1–2 В) приводит к минимальным потерям проводимости по сравнению с биполярными транзисторами на аналогичных уровнях тока.
  • Надежность: Прочная конструкция без проблем с передним выходом из строя и высокая способность тока скачка обеспечивают длительный срок службы при непрерывной работе и переходных неисправностях.
  • Контрольная гибкость: Расширенные схемы затвора позволяют точно регулировать выходное напряжение и частоту, обеспечивая точно настроенное управление тягой и восстановление энергии.
  • Эффективность: Для очень высоких рейтингов мощности (много-МВт) тиристоры остаются более экономичными, чем модули IGBT, особенно в линейно-частотных приложениях.

Проблемы и решения

Несмотря на свои сильные стороны, тиристоры представляют проблемы проектирования. Их защелкнутый характер означает, что они не могут быть отключены с помощью управления затвором в обычных SCR, что требует принудительной коммутации или естественного нулевого скрещивания - ограничения рабочей частоты. Высокоэнергетические инверторы с использованием GTO / IGCT требуют сложных цепей драйверов затвора и сетей снуббера для управления ди / дт и dv / дт во время переключения. Термическое управление также имеет решающее значение: высокая плотность тока генерирует значительное тепло, требуя жидких систем охлаждения в современных тяговых приводах. Решения включают использование теплоотводов с водяным охлаждением с деионизированной водой, передовые материалы теплового интерфейса и мониторинг температуры перехода через датчики реального времени. Кроме того, электромагнитные помехи (EMI) от переключения тиристора должны быть смягчены фильтрацией и экранированием.

Будущие тенденции в тракции на основе Тиристора

Эволюция силовых полупроводников продолжается. Для вспомогательных устройств с более низким напряжением тяги появляются устройства с широким разрывом, такие как карбид кремния (SiC) MOSFET и нитрид галлия (GaN), но для основной тяги при напряжениях выше 3 кВ технология тиристора остается конкурентоспособной. Гибридные модули, сочетающие IGCT с упаковкой для пресса, предлагают более высокие рейтинги тока и улучшенный режим отказа короткого замыкания. Другой тенденцией является принятие многоуровневых преобразователей (например, зажатых в нейтральной точке или модульных многоуровневых), которые используют многие тиристорные переключатели для синтеза почти синусоидального выхода, уменьшая пульсацию крутящего момента и гармонические потери. IEEE конференции по силовой электронике в транспорте часто показывают эти достижения.

Заключение

Тиристоры остаются краеугольным камнем управления мощностью железнодорожного тягового механизма, от классических приводов постоянного тока до продвинутой тяги переменного тока с рекуперативным торможением. Их высокая мощность и способность тока в сочетании с улучшением характеристик переключения через IGCT и GTO гарантируют, что они будут продолжать использоваться в самых требовательных железнодорожных системах в мире. Поскольку железнодорожные операторы стремятся к большей энергоэффективности и снижению затрат на жизненный цикл, силовая электроника на основе тиристора будет развиваться вместе с цифровыми алгоритмами управления и альтернативами с широким диапазоном пропуска, сохраняя свою актуальность на десятилетия вперед. Для дальнейшего чтения см. Обзор силовой электроники Железнодорожная технология или полный Портфолио тяговых приводов Siemens .