• Vontatási inverter tervezése SiC félvezetőkkel

Laskai Szilveszter

Debreceni Fazekas Mihály Gimnázium

Konzulens:
Csepregi Ákos

Vontatási inverter tervezése SiC félvezetőkkel

A villamos energia árának növekedése komoly kihívások elé állította a közlekedési vállalatokat. A veszteséges működés elkerülése érdekében jegyár-emeléseket, járatritkításokat, viszonylatok megszüntetését alkalmazhatják. Ezek a tényezők hozzájárulnak a tömegközlekedés népszerűségének csökkenéséhez. Szilveszter ezekre a problémákra kíván megoldást nyújtani, de nem gazdasági, hanem technológiai megközelítésből. A hajtásrendszerek hatékonysága kulcsfontosságú a villamos energiával meghajtott járművek esetén. A környezetbarát villamos közlekedés rengeteg előnnyel jár az emberek számára. A villamos járművek legfontosabb része a hajtásrendszer, ugyanis ennek segítségével mozgásba hozható az adott jármű. A hajtásrendszer legfőbb elemei a vontatómotor és a hozzá tartozó vezérlés. A vontatómotorok és meghajtásuk jelentős fejlődésen mentek keresztül az elmúlt században, kezdve az egyenáramú soros motoroktól az állandó mágneses szinkronmotorokig. A motorokat meghajtó villamos energiaátalakítók fejlődése sem volt elhanyagolható. Kezdetben, egyszerű és alacsony hatásfokú vezérléseket alkalmaztak. Az áttörést a félvezető elemek megjelenése tette lehetővé. A napjainkban közlekedő villamos járművek nagy része félvezető alapú hajtásrendszert (inverter) használ. (Stadler Flirt, Bombardier Traxx, Siemens Combino, CAF Urbos 3)
A szilícium-karbid - mint félvezető - kiválóan alkalmazható nagyteljesítményű kapcsoló tranzisztorok félvezetőjeként. Az anyag speciális tulajdonságainak köszönhetően nagyfeszültségű berendezésekben is használható. A SiC térvezérlésű tranzisztorok (SiC-MOSFET) gyors kapcsolása miatt sokkal magasabb kapcsolási frekvenciák érhetők el, akár nagyobb teljesítmények esetén is.
Az inverter egy olyan villamos energiaátalakító berendezés, amely az egyenáramból váltakozó áramot állít elő. Ezt csak félvezető elemek segítségével lehet megvalósítani. Kezdetben GTO tirisztorokat alkalmaztak, amelyek a leglassabb félvezetők voltak a villamos energiaátalakítókban. A szigetelt kapus bipoláris tranzisztorok (IGBT) a legelterjedtebb kapcsoló tranzisztorok a mai inverterekben. Ezek a tranzisztorok már sokkal gyorsabbak és megbízhatóbbak voltak. A legújabb teljesítmény tranzisztor a SiC-MOSFET, amellyel akár 10 kHz feletti kapcsolási frekvenciát is el lehet érni nagyteljesítményű felhasználásokban is. Magas kapcsolási frekvenciával csökkenteni lehet a hajtásrendszerben keletkező veszteségeket. A ma használatban lévő inverterek problémája a komplex, költséges hűtés, az alacsony energiasűrűség és a nagy tömeg.
A pályázó ezekre a problémákra egy vontatásra optimalizált SiC-MOSFET alapú invertert fejlesztett ki. Az inverter a prezentálhatóság érdekében 230 V-os hálózati feszültségről üzemel. Kiválóan alkalmazható, mint általános célú frekvenciaváltó. Az energiasűrűsége 60%-kal nagyobb, mint egy hasonló teljesítményű kereskedelmi forgalomban kapható frekvenciaváltónak. A moduláris rendszernek köszönhetően az inverter egyes részegységei cserélhetők, így az energiasűrűség jelentősen növelhető. Vontatási jellegéből adódik, hogy tökéletesen alkalmazható metrók, trolibuszok, villamosok és egyéb villamos járművek meghajtására. Az inverterhez kapcsolható egy menetszabályzó is, ami a vasúti járművek vezetőállásán található menetkapcsolót szimulálja. A berendezés magas hatásfokkal üzemel, kis méretű, és nagy energiasűrűséggel rendelkezik. A 21. századi inverterek követelményeinek maximálisan megfelel. A SiC inverter – mint energiahatékonyságot növelő innovatív eszköz – egyik lehetséges válasza lehet a gazdasági és ökológiai környezet változásaival kapcsolatos kérdéseknek.