Появился интерактивный курс на базе flash технологии по основам Электропривода. Созданный на кафедре автоматизированного электропривода МЭИ. Нажимаем сюда и изучаем.
Альтернатива GTO тиристорам в тяговом электроприводе
Новые Press-pack IGBT компании WESTCODE, выполненные в стандартных таблеточных керамических корпусах, позволяют использовать стандартные конструкции модуля и системы охлаждения, обеспечивают самый высокий уровень надёжности в процессе эксплуатации, тем самым, обеспечивая новый уровень производительности современных IGBT-модулей. Упрощенная схема технологии изготовления Press-pack IGBT показана на рис. 1.
Рис. 1
Полное отсутствие проволочных соединений, сварки и пайки позволило принципиально улучшить режим эксплуатации силового кристалла. Каждый отдельный IGBT и диод выполнен в своей ячейке. Параллельное включение таких элементов позволяет получить нужные конечные характеристики модуля. На рис. 1 показан модуль на 900 А, 5200 В. Электроды затворов выполнены в виде прижимных золотых контактов, которые объединяются посредством общей печатной платы. Поскольку внутренние базовые элементы имеют одинаковую конструкцию для одного напряжения, то легко могут быть получены специальные конфигурации модуля в одном и том же корпусе. Границы определены только возможностями корпуса и величиной потерь, которые приведены на рис. 2.
рис. 2
Полученные характеристики надёжности значительно превосходят аналогичные параметры, получаемые при альтернативных методах изготовления модулей. Отсутствие проволочных соединений, пайки и сварки устранило основную причину повреждения модулей в процессе эксплуатации: неравномерное распределение тока, термоудар и механическую деформацию от перегрева. Принципиальным отличием данной технологии является возможность двустороннего охлаждения кристалла и удвоение эффективности охлаждающей системы. В дополнение, прямое охлаждение эмиттерного контакта подразумевает наличие области безопасной работы SOA в характеристике модуля. Герметичный корпус предлагает другую опцию - возможность погружения модуля во фреон или масло для более эффективного охлаждения.
Использование в тяговом электроприводе Press-pack IGBT позволяют произвести модернизацию существующего оборудования на GTO-тиристорах. При этом могут быть сохранены прежняя конструкция, схемы контроля и система охлаждения, с заменой только силовых модулей и драйверов управления. Press-Pack IGBT подходят как для приводов постоянного, так и переменного токов, поскольку там используется схожая топология. GTO-тиристоры обычно характеризуются максимальным значением контролируемого анодного тока, в то время как IGBT характеризуются номинальным значением постоянного тока коллектора при максимальной рассеиваемой мощности на заданной температуре. Однако IGBT может контролировать двойной ток коллектора при включении и выключении. Это означает, что для замены GTO-тиристора может быть использован IGBT, у которого токовая характеристика в 2 раза меньше.
Рассмотрим для примера 2-х уровневый трехфазный преобразователь с ШИМ на GTO-тиристорах. В данном проекте применены 500 А Press-pack IGBT (WESTCODE T0500NA25E) для замены GTO-тиристоров 1000 А (WESTCODE G1000LL250). Нормализованные величины потерь преобразователя показали увеличение потерь проводимости до 150%, но сокращение потерь переключения до 32% по сравнению с GTO-тиристорами. При этом, определяющими являются именно потери переключения, где IGBT имеют преимущество, начиная с частоты 140 Гц (рис. 2.). В большинстве случаев, приводная техника работает на частотах более 150 Гц, поэтому IGBT являются закономерным выбором для построения современного преобразователя. В дополнение отметим, что система крепления осталась без изменения, поскольку модули выполнены в одном конструктивном исполнении с GTO-тиристорами. Трамвай в Варшаве Начиная с сентября 2003 года, Институт Электротехники Польши применяет Press-pack IGBT в трамвае Варшавы. В этом случае при модернизации был заменен только драйвер управления и сам модуль, остальная же электроника и конструкция не изменились. Сейчас снятая с производства модель 2500 В, 1200 А GTO-тиристора (WESTCODE WG12025) была заменена на 2500 В, 500 А IGBT (WESTCODE T0500NA25E). Эти примеры замены стали возможны лишь потому, что изделия были в идентичных корпусах. Каждый трамвай имеет два силовых преобразователя и лишь один был заменен на IGBT, при этом сохранилась полная функциональность всего оборудования.
Тяговый электропривод (Польский проект) Немного более амбициозный проект был реализован в Польше для модернизации PKP локомотива (рис. 3).
Рис. 3
Данный локомотив работает от контактной сети 3000 В постоянного тока. Локомотив приводится в движение четырьмя двигателями, объединенными в две группы с последовательным соединением. Потребляемая мощность нормализуется с помощью входного фильтра, включенного сразу после контактной сети. Напряжение контактной сети может быть увеличено до 4 кВ с кратковременным значением 5 кВ, поэтому были использованы последовательно соединенные IGBT на 5200 В (WESTCODE T0850TA52B) с конденсатором для подавления пульсаций. Преобразователь состоит из трёх идентичных модулей, каждый из которых, в свою очередь, состоит из двух последовательно соединенных IGBT и двух диодов. Модуль управляется драйвером C0030BG400 с оптическим интерфейсом и изоляцией 10 кВ. RC снабберные цепи использованы совместно с диодами, IGBT работает без снабберных цепей. Один модуль контролирует ток двух последовательно соединённых двигателей, третий модуль используется для защиты от превышения напряжения.
Рис. 4
Каждый из модулей собран с использованием алюминиевых радиаторов с хорошей теплопроводностью и компактными размерами. Устройство собрано из двух суб-модулей: один состоит из IGBT, другой - из диодов, что позволило уменьшить собственную индуктивность структуры и унифицировать систему крепления элементов. Система охлаждения представляет собой огнебезопасную GPO3-конструкцию в виде трубы, которая обеспечивает прямое охлаждение элементов при отсутствии обдува критичных к воздействию поверхностей. При установке системы, два модуля, непосредственно управляющие моторами, были установлены перед трубой системы охлаждения, в то время как модуль контроля напряжения охлаждался естественной конвекцией. Ток двигателя контролировался с помощью ШИМ 400 Гц. Максимальный рабочий ток двигателя составил 320 А, пиковый ток - 400 А. Привод управляется микропроцессором, который обеспечивает нужные функции управления, разгона и торможения двигателей.
Рис. 5
Преобразователь был протестирован вместе с системой управления и контроля лабораторией IEL в Варшаве (рис. 5.), он обеспечил заданные характеристики во всех режимах и был установлен в локомотив для дальнейшего тестирования. Результаты тестирования в составе оборудования локомотива будут опубликованы в ближайшее время.
