Züge / Traktion
Wide Bandgap (WBG) treibt Züge/Traktionssysteme an
Zuglokomotiven können mit einem Diesel-Verbrennungsmotor, mit Dampf oder mit elektrischer Energie angetrieben werden. In diesem Artikel werden wir die Vorteile der elektrischen Energie diskutieren. Elektrisch angetriebene Züge können dank eines drehmomentstarken elektrischen Fahrmotors eine kilometerlange Reihe von Waggons ziehen.
Elektrischer Strom funktioniert, indem die Frequenz und die Spannung des elektrischen Stroms durch Manipulation der Magnetfelder verändert werden. Elektrische Antriebssysteme werden je nach Art der verwendeten Motoren in Gleichstrom- oder Wechselstromsysteme unterteilt, die beide ein sehr hohes Anlaufmoment aufweisen.
DC vs. AC Netzspannungen für Motoren
Die gängigen Gleichspannungen für Freileitungsnetze liegen bei 1.500 V und 3.000 V. Systeme für die dritte Schiene liegen überwiegend im Bereich von 600-750 V. Einige Vorteile von Gleichstrom sind Platz- und Gewichtsvorteile, schnelles Beschleunigen und Abbremsen von Gleichstrom-Elektromotoren, geringere Kosten im Vergleich zu Wechselstromsystemen und ein niedrigerer Stromverbrauch. Die Nachteile bei der Verwendung von Gleichstrom: Es werden teure Unterwerke in relativ kurzen Abständen benötigt und die Oberleitung oder dritte Schiene ist groß und schwer. Siehe Abbildung 1.
Abbildung 1: DC-Stromversorgungssystem für den Bahnbetrieb (Bild von GaN Systems)
Bei Stromschienensystemen besteht die Gefahr eines Stromschlags, da die Systemströme höher sind als die Netzwechselspannungen (Gleichstromschienen liegen über 1500 V), und sie gelten nicht als sicher. Es werden daher sehr hohe Ströme verwendet, was zu erheblichen Leistungsverlusten im System führt und daher relativ eng beieinander liegende Einspeisepunkte (Unterstationen) erfordert.
Wechselstrom (AC) kann hohe Freileitungsspannungen haben (10.000 Volt oder mehr), aber die Vorteile sind, dass weniger Umspannwerke benötigt werden, da die Ströme niedriger sind, was zu einem geringeren Spannungsabfall entlang des Stromverteilungsnetzes zwischen den Umspannwerken führt. Es können leichtere Oberleitungsdrähte verwendet werden, was das Gewicht der zu ihrer Befestigung erforderlichen Strukturen verringert. Infolgedessen kann die Elektrifizierung die Investitionskosten senken. Siehe Abbildung 2.
Abbildung 2: Wechselstromsystem für die Eisenbahntraktion. Ein elektrischer Triebzug oder EMU ist ein Triebzug, der mit Strom betrieben wird.
Der AC-Antrieb für Lokomotiven stellt eine große Verbesserung gegenüber den älteren DC-Systemen dar. Die Hauptvorteile der AC-Traktion sind bis zu 100 % höhere Adhäsionswerte als bei der DC-Traktion sowie eine höhere Zuverlässigkeit und geringere Wartungsanforderungen für AC-Traktionsmotoren. Sehen Sie hier, warum die Adhäsionswerte von AC größer sind als die von DC.
Je nach Bahnsystem werden heute sowohl Wechselstrom- als auch Gleichstrommotoren eingesetzt. AC-Traktionssysteme sind in der heutigen Zeit auf der Schiene sehr beliebt geworden. Wechselstrom wird in den meisten Traktionssystemen häufiger verwendet, da er mehrere Vorteile bietet, wie z. B. die schnelle Verfügbarkeit und Erzeugung von Wechselstrom, der leicht hoch- oder heruntergeregelt werden kann, die einfache Steuerung von Wechselstrommotoren, der geringere Bedarf an Unterwerken und das Vorhandensein von leichten Oberleitungen, die niedrige Ströme bei hohen Spannungen übertragen. Abbildung 3 zeigt Daten über die genaue Anzahl von Wechselstrom- und Gleichstrom-Traktionssystemen auf den Schienen.
Ende 2018 hatten 493 Städte in 72 Ländern und Regionen den Schienenpersonennahverkehr mit einer Gesamtkilometerleistung von mehr als 26.100 km1 eröffnet. Dies ist eine Verdoppelung gegenüber 2014 und wird bis 2020 und darüber hinaus weiter zunehmen.
Reportlinker.com gab bekannt, dass der globale Markt für Bahnantriebsmotoren im Zeitraum von 2020 bis 2024 voraussichtlich um 1,66 Milliarden Dollar wachsen wird, mit einer CAGR von 3 % während des Prognosezeitraums. Market Watch berichtet, dass der globale Markt für elektrische Traktionsmotoren bis 2026 voraussichtlich 31,5 Milliarden Dollar erreichen wird.
Abbildung 3: Aufschlüsselung der AC- und DC-Traktionssysteme weltweit (Bild aus Referenz 5)
SiC- und GaN-FET-EV-Traktionssysteme im Vergleich zu Si-IGBT-basierten Traktionssystemen4
Der Gleichrichterteil des Bahnstromsystems wandelt in der Regel 480V, 60Hz Wechselstrom in Gleichstrom um 650VDC um.
Die schnelleren Schaltgeschwindigkeiten der SiC-Leistungskomponenten ermöglichen es den Konstrukteuren, Stromversorgungssysteme für Triebwagen zu entwickeln, die bis zu 50 % kleiner und 30 % leichter sind als bestehende Systeme mit anderen Leistungstransistoren wie Si IGBTs. Dadurch verringert sich das Gewicht des gesamten Motorsystems um bis zu 15 %, was vor allem auf kleinere Magnete mit höheren SiC-Frequenzen zurückzuführen ist. Die maximalen Spannungs- und Stromwerte von SiC-Bauelementen sind deutlich höher als die theoretische Kapazität von Si. SiC hat auch eine größere Sicherheit vor Ausfällen.
Leichtere Züge sind nicht nur effizienter, sondern können auch sicherer sein, da das geringere Gewicht den Zug schneller zum Stehen bringt. Wenn SiC- und/oder GaN-Bauelemente auch in den Hilfsstromversorgungen für die Komfortgeräte der Fahrgäste wie Klimaanlage, Wi-Fi und Innenbeleuchtung eingesetzt werden, verbrauchen diese Systeme außerdem weit weniger Energie.
Die höheren Betriebsgeschwindigkeiten von SiC und GaN ermöglichen es den Konstrukteuren, Stromversorgungssysteme für Triebwagen zu entwickeln, die bis zu 50 % kleiner und 30 % leichter sind als bestehende Systeme, wodurch das Gewicht des gesamten Motorsystems um bis zu 15 % reduziert werden kann. Leichtere Züge sind nicht nur effizienter, sondern können auch sicherer sein - weniger Gewicht bedeutet, dass sie schneller anhalten können.
GaN-Bauelemente haben den Vorteil, dass sie eine niedrige Gütezahl (FOM) aufweisen (wobei die Definition von FOM "ON-Widerstand x Gate-Ladung" ist) und keine Rückspeisekosten (Qrr) aufweisen. GaN-Transistoren sind weitaus besser als Si-Transistoren, da ihre Schaltfrequenz, ihr magnetisches Design und ihre Schaltverluste im System erheblich reduziert werden.
Si-MOSFETs haben je nach Größe und Eigenschaften eine typische Sperrschichtladung im Bereich von 50 bis 60 nC. Wenn sich der MOSFET ausschaltet, erzeugt die Qrr in der Body-Diode Verluste, die zu den Schaltverlusten des Gesamtsystems hinzukommen. Diese Verluste steigen proportional mit der Schaltfrequenz und machen MOSFETs für den Einsatz bei höheren Frequenzen in vielen Anwendungen, wie z. B. Antriebsstromrichtersystemen, unpraktisch.
Traktionsumwandlungssysteme
Es gibt viele verschiedene Arten von Energieumwandlungssystemen für Wechsel- und Gleichstromantriebe. Hier sind ein paar Typen:
Shinkansen Hochgeschwindigkeitszüge2
Das Umwandlungssystem der Shinkansen-Züge besteht aus einem PWM-Umrichter und einem PWM-Wechselrichter (siehe Abbildung 4).
Das Schlüsselkonzept dieses Traktionssystems für Hochgeschwindigkeitszüge war die Kombination von SiC-Leistungsbauelementen für das Traktionsumwandlungssystem. Das zusätzliche Zugluftkühlsystem und die 6-poligen Induktionsmotoren trugen zur zusätzlichen Gewichtsreduzierung, Kompaktheit und höheren Zuverlässigkeit bei. Laufende Tests des Prototyps des entwickelten Traktionssystems wurden durchgeführt und bestätigten seine soliden Leistungen. Diese SiC-Traktionsanwendung ist das erste Mal für Hochgeschwindigkeitszüge.
Abbildung 2: Ein konventionelles On-Board-EV-Ladegerät (Bild aus Referenz 1))
Tabelle 1: Verbesserung des Traktionssystems im Tokaido Shinkansen (Bild aus Referenz 2)
Beispiele für Traktionswandler3
Silizium-IGBTs waren in Bahnstromrichtern weit verbreitet, bis SiC-Leistungstransistoren aufkamen. SiC-Leistungsbauelemente bieten höhere Sperrspannungen, höhere Schaltgeschwindigkeiten und höhere Betriebstemperaturen als Si-IGBTs.
Abbildung 5 (rechts) zeigt die grundlegende Architektur eines Standard-Traktionsumrichters.
SiC ist für Bahnanwendungen größtenteils besser geeignet als GaN, da die höheren Spannungswerte der Bauelemente mit den gängigen Gleichspannungen für Oberleitungssysteme von 1.500 V und 3.000 V und Gleichstromsystemen der dritten Schiene übereinstimmen, die überwiegend im Bereich von 600 V bis 750 V liegen; Wechselstromsysteme der Bahn können hohe Oberleitungsspannungen (10.000 Volt oder mehr) aufweisen.
Wolfspeed bietet mit dem CAS300M17BM2 ein 1700-V-SiC-Modul mit 8,0 mΩ im Standard-62-mm-Gehäuse an. Dieses Modul kann parallel und in Reihe geschaltet werden, um die richtige Treiberspannung und den richtigen Strombedarf für Traktionswechselrichteranwendungen zu erreichen. Siehe Abbildung 6, rechts.
Höhere Spannungsmodule mit 3,3 kV, 6,5 kV und 10 kV sind ebenfalls in der Entwicklung, aber derzeit noch nicht im Handel erhältlich. Wir erwarten die Einführung dieser höheren Spannungsmodule, sobald sie verfügbar sind.
GaN-Leistungs-ICs können in einigen Fällen auch in der Eisenbahntraktion bei niedrigeren Spannungen bis zu 800 V4 oder bei geeigneter Stapelung für diese höheren Spannungen verwendet werden.
Abbildung 5: Grundlegendes Design eines Bahnstromrichters
(Bild aus Referenz 3)
Abbildung 6: CAS300M17BM2-Modul von Wolfspeed
Schlussfolgerung
Elektrische AC- und DC-Fahrmotoren mit hohem Drehmoment sind das Herzstück von Zugtraktionssystemen. Um diese Motoren zu betreiben, sind Hochgeschwindigkeits- und Hochspannungs-Leistungstransistoren in einem anspruchsvollen Gleichrichterdesign der Schlüssel zur optimalen Leistung leistungsstarker Züge, die schwere Güter zu ihren Zielen transportieren und die Wirtschaft am Laufen halten.
WBG-Halbleiter wie SiC, GaN und HVIGBTs sind die Arbeitspferde in Bahnsystemen. Sowohl SiC als auch GaN werden typischerweise in diesen Stromversorgungsarchitekturen verwendet, wobei SiC aufgrund der höheren Gleichstromoberleitungsspannung und des Gleichstrombedarfs der dritten Schiene in einem Bahnsystem die erste Wahl der Entwickler sein kann. SiC ist für die höheren Spannungsebenen zuständig, GaN für die niedrigeren Ebenen der Hochspannungsanforderungen. Die maximalen Spannungs- und Stromwerte von SiC-Bauteilen liegen deutlich über den theoretischen Möglichkeiten von Si. WBG-Leistungs-ICs ermöglichen kleinere und leichtere Systeme, da sie hohe Geschwindigkeiten und hohe Spannungen verarbeiten können. HVIGBTs kommen dort zum Einsatz, wo handelsübliche SiC-Bauelemente mit Spannungen über 1700 V nur schwer zu finden sind.
Referenzen
- UITP, "World metro figures - Statistics brief", Singapur, Rep. 2018
- Development of SiC Applied Traction System for Shinkansen High-speed Train, Kenji Sato1, Hirokazu Kato, and Takafumi Fukushima, The 2018 International Power Electronics Conference, IEEE 2018
- Outlook for SiC devices in Traction Converters, P. Ladoux, M. Mermet, J. Casarin, J. Fabre, ALSTOM Transport - Innovation and Research -Traction Components Engineering, IEEE 2012.
- GaN ermöglicht effiziente, kostengünstige 800V EV-Traktionswechselrichter
- Zuverlässigkeitsanalyse des DC-Traktionsstromversorgungssystems für elektrische Eisenbahnen, Hitoshi Hayashiya, Masayoshi Masuda, Yukihisa Noda, Koichiro Suzuki, Takashi Suzuki, Tokyo Branch Office, East Japan Railway Company, EPE'17 ECCE Europe, 2017
