Blog o Szczecinie - ciekawe miejsca, hotele i wydarzenia w Szczecinie

 Tranzystor IGBT

[dodane 08.07.2008, g. 19:59 przez –– Luke_Police, ostatnio modyfikowane: 10.09.2010, g. 00:53 przez –– djdark]
strona główna »
lista alfabetyczna »
baza danych »
księga taborowa »
drukuj »
« SprzęgTyrystor »
Aktualizacjepokaż szczegóły »

Aby silnik pojazdu elektrycznego mógł pracować z prędkością wymaganą przez kierującego pojazdem, ważne jest sterowanie energią elektryczną przekazywaną do niego przez urządzenie sterujące napędem. Z uwagi na niewielkie straty mocy własnej, w nowoczesnych pojazdach elektrycznych do sterowania silnikami trakcyjnymi dużej mocy używa się przekształtników lub falowników opartych o półprzewodnikowe elementy mocy, wśród których wiodącą rolę odgrywają obecnie: tranzystory i tyrystory. Zaletą tych elementów jest to, że za pomocą niewielkiego sygnału wejściowego, sterować można dużo większą energią elektryczną trafiającą z obwodu wysokiego napięcia do obciążenia (np. silnika asynchronicznego).

Budowa

W ogólności tranzystor opisać można jako półprzewodnikowy aktywny element przełączający. Zbudowany może być dwojako: w oparciu o 3 odmiennie domieszkowane warstwy półprzewodnika (NPN lub PNP – tranzystor bipolarny), lub kanał przewodzący z bryły półprzewodnika jednego typu (N lub P) sterowany polem elektrycznym bramki typu przeciwnego (P lub N) - tranzystor unipolarny. Definicja, że jest to element aktywny wynika z faktu, że do jego pracy potrzebne jest źródło zasilania, zaś bi- lub uni-polarność odnosi się do zróżnicowania ładunków elektrycznych w nim występujących. W tranzystorach bipolarnych za przepływ prądu odpowiadają zarówno ładunki ujemne, jak i dodatnie (prądy elektronowe i dziurowe), zaś w elementach unipolarnych są to zawsze ładunki jednego typu. W dosłownym tłumaczeniu skrót IGBT oznacza tranzystor bipolarny z izolowaną bramką (Insulated Gate Bipolar Transistor), jego nazwa ma swoje podstawy w budowie - tranzystor IGBT stanowi połączenie obu podstawowych typów tranzystorów w monolitycznie zespolonej bryle półprzewodnika, czyli w jednej obudowie. Baza elementu sterowanego prądowo (bipolarnego) jest zasilana przez źródło sterowanego napięciem elementu polowego (unipolarnego). Emiter zaś jest wspólny z drenem. Taka konstrukcja wynika z potrzeby, dla której skonstruowano ten element przełączający, czyli do napięciowego załączania i odłączania dużych mocy (rzędu kilkuset kilowatów) przy częstotliwości pracy kilkudziesięciu kiloherców. Obecnie największe tranzystory IGBT pracują z częstotliwością rzędu 30kHz, wytrzymują napięcia przebicia do 6kV i sterują przepływem prądów rzędu 1kA. W urządzeniach przetwarzających duże moce elektryczne tranzystory IGBT często pracują parami, dlatego często stosowane są monolityczne moduły IGBT zawierające 2 tranzystory w jednej obudowie. Zalety tych tranzystorów, to łatwość sterowania przepływem dużego prądu za pomocą zmiany potencjału izolowanej bramki oraz mniejsze straty mocy przy pracy impulsowej niż w zwykłym tranzystorze bipolarnym.

Zastosowania tranzystorów IGBT

Tranzystory IGBT są stosowane wszędzie tam, gdzie wymagane jest przełączanie dużych mocy elektrycznych z częstotliwościami rzędu dziesiątek kiloherców. Główne ich przeznaczenie to przekształtniki energoelektroniczne dużej mocy, czyli przetwornice napięcia, kształtowniki i falowniki. Coraz częściej stosowane są do sterowania układami napędowymi pojazdów z napędem elektrycznym z uwagi na umożliwienie zwiększenia ich sprawności względem konstrukcji starszych (np. opartych o rozrusznik oporowy – takie rozwiązanie stosowane jest w tramwajach rodziny 105N). Niestety tranzystory te, podobnie jak wszystkie półprzewodnikowe elementy przełączające, grzeją się podczas pracy. Dlatego też wymagają zastosowania dużych radiatorów oraz nierzadko wentylatorów w celu odprowadzenia ciepła. Urządzenia chłodzące zawsze towarzyszą układom napędowym pojazdów elektrycznych (tramwaje, lokomotywy, trolejbusy, autobusy z napędem hybrydowym).

Tranzystory IGBT w tramwajach

Dążenie do maksymalnej oszczędności energii elektrycznej skłoniły projektantów pojazdów do zbudowania przetwornic napięcia o niewielkich własnych stratach mocy, a także układów umożliwiających odzyskiwanie energii w procesie elektrycznego hamowania dynamicznego. Obecnie najczęściej stosowanym rozwiązaniem są silniki prądu stałego, których sterownie oparto o przekształtnik napędowy z tyrystorami GTO oraz asynchroniczne silniki trakcyjne sterowane falownikiem z tranzystorami IGBT. Ten sposób przekazywania energii silnikom napędowym stosuje obecnie większość producentów wagonów tramwajowych. W oparciu o falowniki z tranzystorami IGBT budowane są zespoły napędowe tramwajów czeskiej Skody (14T, 16T), bydgoskiej Pesy (120N, 121N, 122N), poznańskiej FPS H. Cegielski (123N), wrocławskiego Protramu (204WrAs, 205WrAs), a także Bombardiera (NGT6), chorzowskiego producenta Alstom-Konstal (116Nd), również niektóre wersje czeskich Tatr (K2T, K2S) oraz wiele innych. Podobne moduły sterujące wózkami napędowymi oparte o tranzystory IGBT montowane są w wielu modernizowanych wagonach starszego typu. Przykładem mogą być tu zmodernizowane wagony 105NCh z Gdańska (4 składy w tym 2 potrójne), zmodernizowany we Wrocławiu skład 105NWrAs (będący elektrycznym prototypem wagonów 204WrAs), Tatry T5C5 eksploatowane i modernizowane w Budapeszcie, wreszcie skład 805N zmodernizowany przez firmę Woltan dla Łodzi oraz liczne modernizacje warszawskie wagonów rodziny 105N. Zarówno w łódzkich 805N, jak i warszawskich 105N-MW zamontowano impulsowy układ rozruchu z tranzystorami IGBT, pozostawiono jednak silniki prądu stałego. W innych warszawskich wagonach określonych oznaczeniem 105N-MWAs zamontowano już silniki asynchroniczne prądu przemiennego STDa-200L4, ciekawostką jest to, że wagony te przebudowano ze składu typu 106Na wyprodukowanego w 1992 roku. W szczecińskich tramwajach do 2008 roku tranzystory IGBT w układach napędowych nie występowały. Stosowane jednak były jedynie w mniejszych urządzeniach takich jak: przetwornice statyczne realizujące ładowanie akumulatorów oraz chłodzenie rozrusznika oporowego, a także nowszych wersjach przekształtników napięcia pokładowego 40/26V zasilających instalację kasowników, tablic elektronicznych i autokomputera. Sytuacja zmieniła się w 2008 roku, kiedy na szczecińskich torach pojawił się nowy skład, który zyskał oznaczenie 105N/S/HF/09. W tramwaju tym zastosowano co prawda napędowy przekształtnik tyrystorowy, jednak tranzystory IGBT pojawiły się w układzie hamowania. Warto wspomnieć również, że w 2011 roku w Tramwajach Szczecińskich pojawić się mają pierwsze wagony tramwajowe wykorzystujące nowe napędy z asynchronicznymi silnikami trakcyjnymi.

Największą konkurencję dla falowników energoelektronicznych opartych o tranzystory IGBT stanowią obecnie układy wykorzystujące zamiast nich tyrystory typu GTO (Gate Turn-Off – wyłączalny prądem bramki), jednak producenci napędów elektrycznych stopniowo odchodzą od tych elementów na korzyść tranzystorów IGBT, z uwagi na łatwiejsze sterowanie tymi elementami.

Opracował: Łukasz Faluta
Źródła: Politechnika Szczecińska Instytut Elektrotechniki - Materiały wykładowe Zakładu Maszyn i Napędów Elektrycznych, Wikipedia, Tramwaje w Polsce, Tramwaje Warszawskie, oraz wiedza własna.



Patrz także: Silnik elektryczny asynchroniczny, Tyrystor, Przetwornica, Rekuperacja energii elektrycznej, Škoda 14 T, Škoda 16 T, Pesa 120N, Pesa 121N, Protram 204WrAs, Protram 205WrAs, Protram 105NWr, Alstom 116Nd, Tatra K2, Konstal 106Na, MZK 105N/S/HF/09

Encyklopedia Szczecińskiej Komunikacji wersja 3.0
Wszelkie prawa zastrzeżone.

KOMIS wersja 6.3 | © 2001-2019 by KOMIS Team | grafika i skrypty: Marcin Stefanowicz
Wszelkie prawa zastrzeżone. Zasady użytkowania...
Hosting strony zapewnia PROSCAPE - www.netlook.pl
Ten serwis używa cookies i podobnych technologii (brak zmiany ustawienia przeglądarki oznacza zgodę na to)