Перспективна елементна база електричних кіл електрорухомого складу залізниць України

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту

імені академіка В. Лазаряна

Перспективна елементна база електричних кіл електрорухомого складу залізниць України

Муха А.М.

Вступ

У наш час основним силовим напівпровідниковим приладом, який застосовується на електрорухомому складі (ЕРС), є тиристор. Застосування тиристорів дозволило плавно, з малими втратами змінювати режими роботи тягового електропривода й допоміжного устаткування. У теперішній час до електровозів та електропоїздів, на яких застосовуються тиристори, відносятся ВЛ60КУ, ВЛ80Т, ВЛ80С, ВЛ80Р, ЕР2Р [1].

Тиристор відносно нескладно вмикається подачею керуючого імпульсу струму в електрод керування, при позитивній напрузі між анодом і катодом. Вимикання тиристора забезпечується зниженням прямого струму, що протікає через нього, до величини, меншої струму утримання. Таке зниження відбувається або при зміні напівхвиль напруги змінного струму, або потрібні спеціальні індуктивно-ємнісні контури комутації, що не тільки збільшують вартість перетворювача, але й погіршують його масо-габаритні показники, знижують надійність [2].

Тому одночасно зі створенням тиристорів почалися дослідження, спрямовані на забезпечення його вимикання за керуючим електродом. Перші подібні тиристори з'явились в 1960 році в США. Вони одержали назву Gate Turn Off (GTO) - тиристори, що замикаються.

У середині 90-х років було розроблено тиристор з кільцевим виводом керуючого електрода. Він одержав назву Gate Commutated Thyristor (GCT).

Подальшим розвитком повністю керованих силових напівпровідникових приладів стали IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) транзистори й IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) тиристори.

Мета роботи. У представленій роботі розглянуті особливості застосування існуючих керованих силових напівпровідникових приладів, з метою визначення напрямку розвитку схемотехнічних рішень електричних кіл перспективного та модернізуємого електрорухомого складу залізниць України.

Матеріал і результати дослідження

Тиристори, що замикаються, висувають жорсткі вимоги до крутості фронту й амплітуди як відмикаючого, так і замикаючого імпульсів струму. Крім того, увесь час включення й провідного стану GTO тиристора система керування формує імпульси струму позитивної полярності, а при вимиканні й знаходженні в заблокованому стані, потрібно увесь час формувати імпульс струму негативної полярності. Вище зазначене приводить до необхідності створення порівняно складних систем керування GTO тиристорів з гальванічною розв'язкою силових кіл і кіл керування.

Основним недоліком GTO тиристора є значні втрати енергії в захисних колах приладу при його комутації, які збільшуються з підвищенням робочої частоти. На практиці частота комутацій не перевищує 250-300 Гц.

Подальшим розвитком GTO є GСТ. За рахунок більше швидкого вимикання GСТ (10 мкс проти 100 мкс) стало можливим відмовитися від снабберного кола (кола формування траєкторії перемикання), тобто прилад не є чутливим до ефекту . GСТ тиристор у фазах включення, провідності і блокованому стані управляється також як й GTO тиристор. При вимиканні GСТ має дві особливості:

- струм керування дорівнює або перевершує анодний струм (для GTO струм керування в 3-5 разів менше анодного струму);

- керуючий електрод має низьку індуктивність, що дозволяє досягти швидкості наростання струму керування рівної 3000 А/мкс (для GTO ця величина становить 30-40 А/мкс).

Подальшим розвитком концепції тиристорів, що замикаються, стало створення «тиристорів з інтегрованим блоком керування» (IGCT -Integrated Gate Commutated Thyristor).

Застосування нових технологій дозволило збільшити область безпечної роботи IGCT до межі лавинного пробою. Однак, потужність керування, у порівнянні з GTO, знижена в 5 разів.

Завдяки можливості паралельного й послідовного з'єднання IGCT використовують в установках потужністю до декількох сотень МВ·А.

Застосування в IGCT концепції «твердого» керування (вимикання здійснюється струмом керування, рівним струму навантаження) дозволило зменшити час вимикання до 1 мкс, при швидкості наростання струму керування 4000 А/мкс. Блок керування формує єдину конструкцію з охолоджувачем і підключається до системи керування по оптоволоконній лінії. Діапазон робочих частот IGCT лежить у межах 500-2000 Гц.

MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) транзистори, що з'явилися в 80-х роках 20-го століття, мають характеристики, близькі до характеристик ідеального ключа і дуже часто застосовуються в якості ключового елемента у складі електротехнічних установок. Однак виявилося, що головним параметром, що обмежує область їхнього застосування, є напруга стоку. Високовольтних МОП-транзисторов з досить гарними характеристиками створити поки не вдається, тому що опір відкритого МОП польового транзистора росте пропорційно квадрату пробивної напруги [3]. У цей час виробниками силових напівпровідникових приладів випускаються MOSFET транзистора, розраховані на робочі напруги до 1600 В. Однак напруга насичення в них становить порядку 7...10 В, відповідно й потужність, що розсіюється, в статичного режиму неприпустимо велика.

До переваг MOSFET транзисторів варто віднести малу потужність керування, можливість керування однополярним сигналом, що більш прийнятно для кіл керування ЕРС, високі швидкості комутації.

Паралельно із силовими тиристорами поширення одержали «біполярні транзистори з ізольованим затвором» (IGBT).

Втрати IGBT у провідному стані вище в порівнянні з GTO й IGCT. Втрати при вимиканні - нижче, тому частота перемикання в IGBT вище.

Унікальна особливість всіх IGBT складається в можливості витримувати високовольтне коротке замикання (великий струм і висока напруга через прилад одночасно). При короткому замиканні струм через IGBT залишається обмеженим у межах даних приладу при розробці й існує можливість безпечного вимикання по керуючому електроді на протязі 10 мкс [9].

У табл. 1 представлена порівняльна характеристика різних силових напівпровідникових приладів [4].

електрорухомий електричний коло напівпровідниковий

Таблиця 1 -

Порівняльна характеристика різних силових напівпровідникових приладів

Таблиця 2 -

Основні параметри силових напівпровідникових приладів провідних виробників

Незважаючи на всі зазначені переваги сучасних силових приладів, фактором, що стримує їх широке застосування, є відносно висока вартість, оскільки вони імпортного виробництва (табл.. 2). Так для російських виробників питома вартість імпортних комплектуючих становить 150-330 USD/кВт (залежно від комплектів поставки), для установок потужністю 0,3-5 МВт [5].

Більшість країн-виробників ЕРС мають значний досвід у проектуванні й експлуатації статичних напівпровідникових перетворювачів різної напруги для ЕРС. Застосовуються перетворювачі для плавного регулювання швидкості й сили тяги, за необхідним законом регулювання тягових двигунів з діапазоном потужностей 250...1300 кВт (асинхронні, вентильні та колекторні постійного і пульсуючого струму з напругою на колекторі до 1500 В), а також для керування допоміжними машинами з діапазоном потужностей 30...50 кВт [6].

Крім того, можлива модернізація діючого ЕРС з метою поліпшення енергетичних характеристик і підвищення надійності. Зокрема модернізація систем енергопостачання кіл керування, де джерелом енергії служать генератори постійного струму й синхронні генератори, які вимагають застосування більше надійних регуляторів на сучасній напівпровідниковій елементній базі.

Таблиця 3 -

Сучасні напівпровідникові прилади для електричних кіл електрорухомого складу

Висновки

Відповідно до представленої в [8] класифікації функціональних суб'єктів електроустаткування ЕРС, на підставі вище викладеного та аналізуючи діапазон експлуатаційних параметрів сучасних силових приладів провідних фірм виробників [7, 10-12], представимо в табличному виді (табл. 3) перспективу застосування силових напівпровідникових приладів для різних кіл ЕРС.

Представлені рекомендації дозволяють визначитися при виборі сучасних силових приладів при модернізації електричних кіл діючого та при проектуванні перспективного ЕРС.

Література

Тихменев Б.Н., Трахтман Л.М. Подвижной состав электрифицированных железных дорог. - М.: Транспорт, 1980. - 471 с.

Сосков А.Г., Соскова И.А. Полупроводниковые аппараты: коммутация, управление, защита. - К.: Каравелла, 2005. - 344 с.

Уильямс Б. Силовая электроника: приборы, применение, управление. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 240 с.

Рогачев К.Д. Современные силовые запираемые тиристоры. Інтернет-сайт: www.gaw.ru.

Шамис М. А., Альтшуллер М.И., Ушаков И.И. Двигатели среднего напряжения (3-10 кВ) особенности автоматизированного електропривода. Інтернет-сайт: http://vniir.chuvashia.com.

Безрученко В.М., Марченко В.К., Чумак В.В. Тягові електричні машини електрорухомого складу. - Д.: Вид-во Дніпр. нац. ун-ту зал-го тран-ту ім. акад. Лазаряна, 2003. - 252 с.

Флоренцев С.Н. Состояние и перспективы развития приборов силовой электроники на рубеже столетий (анализ рынка) // Электротехника, 1999, №4. С. 2-10.

Беляев А.В., Вольвич А.Г., Федорова Н.Ю. Тенденция построения электрической части современного ЭПС // Электровозостроение, т.41. Сборник научных трудов ОАО «ВЭлНИИ». - Новочеркасск, 1999. С. 14-32.

Размещено на Allbest.ru