Trakční měniče

Trakční měnič

Trakční měnič je elektrické polovodičové zařízení, které slouží k regulaci výkonu elektrické lokomotivy. Trakční měnič je nejčastěji sestaven z většího množství tyristorů a diod. Takový měnič pracuje na bázi elektrických pulzů, proto tedy pulzní měnič. Pulzní měniče s tyristory jsou instalovány na modernějších lokomotivách (řady 111, 114.5, 163, 184.5, 210, 263, 363), resp. jednotkách (řady 470, 680), a vyznačují se bezkontaktní a maloztrátovou regulací výkonu. Menší ztráty a plynulá regulace klade pulzní regulaci oproti klasickému kontrolérovému řízení na mnohem vyšší úroveň. Trakční měniče jsou buďto prosávány chladicím vzduchem (řady 163, 363), nebo chlazeny olejem (řada 263).

Dalším typem trakčního měniče je střídač sestavený z IGBT tyristorů. Jedná se o nejmodernější řešení regulace pohonu. Užívá se výhradně pro regulaci třífázových asynchronních motorů. Tranzistorové měniče jsou instalovány na jednotkách řady 471 a budou je mít i lokomotivy řady 380. Chlazení je vodní.

Na lokomotivách je kromě trakčních měničů také řada dalších měničů - měniče buzení trakčních motorů (u lokomotiv s cize buzenými TM), měniče pomocných pohonů (u lokomotiv s řízenými pomocnými pohony), případně měniče elektrodynamické brzdy. Tyto měniče jsou obdobou trakčních měničů.

Tyristory

Zpětně blokující triodový tyristor

Zpětně blokující triodový tyristor je na lokomotivách nejrozšířenějším typem tyristoru a nejčastějším typem tyristoru vůbec, proto se častěji používá jednoduché obecné označení tyristor. Tyristor je polovodičový spínací prvek, tvořený čtyřmi vrstvami (a tedy třemi PN přechody) a řídicí elektrodou. Rozlišujeme katodu a anodu tyristoru. Tyristor může pracovat v závěrném, propustném a blokovacím režimu. Důležitý je zejména přechod z blokovacího stavu do stavu propustného. Změnu režimu řídí proud přiváděný na řídicí elektrodu tyristoru - pokud je na řídicí elektrodě proud a tyristor je orientován v propustném směru, začne tyristor pracovat (chová se jako dioda v propustném směru). V případě propustného zapojení tyristoru a absenci proudu na řídicí elektrodě tyristor nevede proud a připomíná tedy diodu orientovanou v závěrném směru. Tyristor je tedy výkonový spínač s velmi krátkou dobou spínání (řádově stovky ns). Střední efektivní hodnota napětí tedy leží mezi hodnotami napětí při propustném režimu (dáno regulací) a blokovacím režimu (0). To znamená, že bylo dosaženo požadovaného snížení napětí, a to bez nutnosti zapojení odporu a následným ztrátám díky přeměně el. energie na Jouleovo teplo. Tato regulace je tedy téměř bezeztrátová - k určitým ztrátám ale dochází i v tomto případě. Jsou způsobeny tím, že tyristor (ani žádný jiný spínač) nespíná za nulový čas - dochází k nezanedbatelným komutačním ztrátám.

Střední efektivní hodnota napětí je regulována změnou frekvence a šířkovou modulací pulzů. Např. u univerzálních lokomotiv ŠKODA (řady 163/263/363 ČD) pracují kotevní měniče na třech pevných frekvencích - 33 1/3 Hz, 100 Hz a 300 Hz, přičemž modulace pulzů je plynulá šířková. Tyto tři frekvence jsou ono známé "bzučení" pulzních lokomotiv (163/263/363) i některých tramvají (T6, T3P).

GTO tyristor

GTO tyristor (gate turn off thyristor) je vypínací tyristor, který je možné zapnout (kladný impulz) i vypnout (záporný impulz) proudem na řídicí elektrodě. Katoda tohoto tyristoru je rozdělena do velkého množství katodových elementů, které mají vlastní řídicí elektrody. Chod GTO tyristoru charakterizuje vypínací zesílení. Tento typ tyristoru je velmi vhodný pro trakční použití. Pulsní měniče osazené těmito tyristory jsou např. na moderních strojích řad 114.5, 184.5 a 680.

RCT tyristor

RCT tyristor (Reverse conducting thyristor) je zpětně vodivý tyristor, který má oproti klasickým zpětně blokujícím tyristorům řadu výhod - dvě antiparalelně řazené zpětné diody nahrazuje dioda integrovaná přímo v součástce, RCT tyristor má dále vyšší napěťové parametry. To znamená, že stačí menší počet těchto tyristorů v měniči, což přirozeně vede ke zjednodušení měniče a hmotnostní úspoře. Tyto tyristory jsou na lokomotivách 363.174-4 ČD a 363.175-1 ČD, které díky tomu patří k naším nejmodernějším lokomotivám.

IGCT tyristor

IGCT (Integrated gate-commutated thyristor - "velmi tvrdě komutovaný" tyristor) vznikly jako výsledek snahy o minimalizaci komutačních ztrát. IGCT tyristory jsou vypínací tyristory s velmi krátkou vypínací dobou. To je velice žádoucí, neboť dojde ke zmenšení ztrát vznikajících při vypínání tyristoru. IGCT tyristory nebyly z výroby instalovány do žádného vozidla ČD, ale dosazují se na elektrické jednotky řady 560 v rámci rekonstrukcí elektrovýzbrojí.

Tranzistory

IGBT tranzistor

IGBT tranzistor (Insulated gate bipolar transistor - bipolární tranzistor s izolovaným hradlem). Z unipolárního tranzistoru vznikne bipolární tranzistor přidáním vrstvy P+ ke kolektoru. To má za následek jakési "rozdělení" na dvě části tranzistoru, z nichž první je vpodstatě MOS strukturou (metal oxide semiconductor) a druhá výkonový bipolární tranzistor. IGBT tranzistor se vyznačuje schopností spínání vysokých proudů a blokace vysokých napětí při úbytcích. Řízení je napěťové. IGBT tranzistory se používají do trakčních střídačů a jsou tedy předurčeny pro regulaci asynchronních trakčních motorů. U ČD se střídače s IGBT tranzistory vyskytují na elektrické jednotce řady 471 a pro regulaci pomocných pohonů lokomotivy řady 114.5. Jedná se o vysoce moderní způsob regulace výkonu.