Конструкция поезда должна обеспечивать высокую экономичность и качество услуг. Полупроводниковые силовые устройства, изготовленные из карбида кремния (SiC), достигли технологического уровня, позволяющего широко использовать их в преобразователях тяговой мощности. Транзисторы SIC, обеспечивающие экономию энергии, более тихую работу, повышенную надежность и снижение затрат на техническое обслуживание, стали выбором для железнодорожных преобразователей мощности следующего поколения и быстро заменяют технологию IGBT, которая использовалась десятилетиями. В статье описывается проектирование и разработка нового силового электронного тягового трансформатора постоянного тока на основе SiC (PETT), предназначенного для электрических агрегатов (EMU), работающих на рельсовой тяге постоянного тока 3 кВ.
Ключевые слова : карбид кремния, двухмостовой активный преобразователь постоянного тока в постоянный, силовой электронный тяговый трансформатор, железнодорожная тяга постоянного тока 3 кВ, электрический мультиплексный блок.
Железнодорожный транспорт является одним из наиболее эффективных видов транспорта с низким уровнем выбросов. Для того чтобы железные дороги могли более эффективно конкурировать с другими видами транспорта и привлекать больше пассажиров, им необходимо следующее поколение пассажирских поездов, которые будут легче, энергоэффективнее и экономичнее. Традиционные пассажирские поезда, состоящие из локомотива и нескольких вагонов, снижают производительность с точки зрения ускорения, поскольку они имеют ограниченное количество доступных ведущих колесных пар. Современные многоцелевые электрические агрегаты EMU не требуют локомотива, так как они состоят из нескольких самоходных агрегатов в фиксированном узле. Тяга распределена по длине поезда, а двигатели размещены на тележках разных вагонов. Это позволяет не только повысить эффективность и уменьшить размеры бортовых двигательных и энергетических систем, но и снизит уровень шума от механических и электрических компонентов.
Основная часть. Состав современного многоцелевого электрического агрегата EMU:
– Двухуровневый инвертор VSI (см. Рис.1), состоящий из шести 6,5 кВ IGBT, для генерации ШИМ;
– Дроссель линейного фильтра, который является самым массивным элементом инвертора и весит несколько сотен килограммов, служит для ограничения высокочастотных, высоких импульсных токов di / dt, протекающих между контактной сетью и тяговым транспортным средством, когда конденсатор заряжен.
– Источник питания инвертора. Оказывает большое влияние как на шум, так и на электромагнитные и тепловые свойства тяговых двигателей.
Гармонические напряжения, создаваемые ШИМ-инверторами, работающими с частотой от сотен Гц до 2 кГц, являются причиной значительных тепловых потерь тока в сопротивлениях обмоток тягового двигателя. Дополнительные потери из-за питания инвертора могут составлять несколько процентов от номинальной мощности двигателя, а также возникать в многослойном сердечнике тягового двигателя. Потери в обмотке и сердечнике, в первую очередь, влекут за собой тепловые проблемы, повышая температуру тягового двигателя в среднем на 30–50 К по сравнению с синусоидальным питанием, но также приводят к снижению эффективности. Основной причиной низкой частоты переключения IGBT являются относительно длительное время переключения порядка нескольких микросекунд и характерный ток при выключении. Увеличение частоты переключения IGBT будет происходить за счет неприемлемого увеличения потерь при переключении. По вышеуказанным причинам текущие исследования и разработки, проводимые производителями тяговых приводов для подвижного состава, сосредоточены на использовании силовых транзисторов нового поколения, изготовленных из карбида кремния (SiC).
Замена IGBT на SiC транзисторы нового поколения.
Преимущества использования SiC транзисторов нового поколения:
– Значительная достижимая экономия энергии;
– Более тихая работа;
– Повышенная надежность и снижение затрат на техническое обслуживание;
– МОП-транзисторы SIC идеально подходят для преобразователей тягового питания новых конструкций вместо IGBT, которые десятилетиями использовались в отрасли подвижного состава.
Наиболее очевидным преимуществом полевых транзисторов SIC на металлоксидных полупроводниковых транзисторах (MOSFET) по сравнению с IGBT является значительное снижение потерь при переключении до 55 % и общих потерь мощности до 80 %.
Рис. 1. Обычный электропривод тягового подвижного состава постоянного тока 3 кВ с асинхронным тяговым двигателем и двухуровневым инвертором на основе IGBT 6,5 кВ
Более низкие потери при переключении высоковольтных SiC-МОП-транзисторов дают возможность увеличить частоту ШИМ силовых преобразователей до десятков килогерц. Это, в свою очередь, позволяет уменьшить размеры пассивных компонентов тягового инвертора — в первую очередь громоздкого фильтра тяговой линии.
Более высокое разрешение генерации ШИМ в тяговых инверторах на основе SiC оказывает положительное влияние на снижение гармонических потерь тяговых двигателей, что делает все тяговые системы более эффективными. Использование силовых модулей SIC в сочетании с расширением области управления, выдающей крутящий момент регенерации, позволило снизить уровень энергопотребления железнодорожного транспортного средства, эксплуатируемого на пригородной линии, более чем на 37 % по сравнению с обычными системами.
Применение силовых электронных тяговых трансформаторов PETTS .
Среди прочего, особый интерес представляют силовые электронные тяговые трансформаторы PETTS.
До сих пор основным назначением PETT на основе SIC были в основном тяговые приводы, питаемые от линий переменного тока: 15 кВ/16,7 Гц и 25 кВ/50 Гц. PETT переменного тока заменяет систему активного выпрямителя, а топология переменного тока не включает силовой инвертор, который остается таким же, как в классической силовой установке, и подключается к выходным клеммам PETT постоянного тока. Основным инновационным аспектом PETT является возможность эксплуатации с электрической системой высокого напряжения переменного тока, а также после реконфигурации на цепной линии постоянного тока. Технология PETT обеспечивает более высокое качество работы привода при нарушениях постоянного напряжения, которые обычно возникают при тяге постоянного тока 3 кВ, чем в обычных двигательных установках с двухуровневыми и трехуровневыми инверторами. Устройства SiC для этой цели кажутся отличным решением. Наличие встроенной гальванической развязки в ячейках низкого напряжения, позволяет последовательно подключать ячейки на стороне контактной сети для получения тягового напряжения на рельсах постоянного тока.
Однако использование низковольтных силовых устройств и электроники в сочетании с высокими требованиями к изоляции, предъявляемыми применением рельсовой тяги постоянного тока напряжением 3 кВ, является сложной темой исследований, касающихся прочности изоляции элементов, в частности силовых устройств SiC и MFTs.
Первый и единственный в мире тяговый агрегат, оснащенный установленным на крыше PETT 3 кВ постоянного тока на базе SiC, показан на рисунке 2.
Рис. 2. Электрический пассажирский вагон постоянного тока 3 кВ серии EN81, используемый для полевых испытаний с установленной крышей
Конфигурация топологии PETT постоянного тока 3 кВ
Общее описание тяговой двигательной установки постоянного тока 3 кВ с PETT постоянного тока на основе SiC показано на рисунке 3. Ключевые части системы включают:
– Девять силовых электронных элементов, каждый из которых состоит из восьми коммерчески доступных модулей питания SIC MOSFET 1,2 кВ и трансформаторов средней частоты размещены в отдельных камерах с воздушным охлаждением;
– Компактный входной тяговый LCL-фильтр небольшого размера имеет площадь небольшой камеры;
– Асинхронный тяговый двигатель среднего напряжения.
Предлагаемый PETT постоянного тока на основе SiC в полной мере использует преимущества технологии SiC, удовлетворяя при этом требованиям производителей поездов. Использование каскадной системы последовательно соединенных SiC 1,2 кВ МОП-транзисторы для переключения полного напряжения железнодорожной тяги обеспечивают гораздо более высокую рабочую частоту преобразователя мощности, чем при использовании высоковольтных аналогов.
Рис. 3. Общая схема PETT постоянного тока 3 кВ на основе SIC
Заключение. Транзисторы SIC, заменившие технологию IGBT, обеспечивают экономию энергии, более тихую работу, повышенную надежность и снижение затрат на техническое обслуживание железнодорожных преобразователей мощности следующего поколения. Разработка нового тягового трансформатора PETT постоянного тока на основе SiC обеспечит гораздо более высокую рабочую частоту преобразователя мощности, чем при использовании высоковольтных аналогов и более высокое качество работы привода при нарушениях постоянного напряжения, которые обычно возникают в обычных двигательных установках с двухуровневыми и трехуровневыми инверторами.
Литература:
- Марек Адамович, Януш Шевчик Силовой электронный тяговый трансформатор на основе SiC (PET) для рельсовой тяги постоянного тока 3 кВ [Текст] / Марек Адамович, Януш Шевчик // Энергия. — 2020. — № 13(21). — с. 1–6.
