Geri Dön

Highly modular and scalable power module platform for railway traction converter applications

Raylı ulaşım cer konverteri uygulamaları için modüler ve ölçeklenebilir güç modülü platformu

PDF İndir

  1. Tez No: 887946
  2. Yazar: EKREM RAUF GÜNEŞ
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. SALİH BARIŞ ÖZTÜRK
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 123

Özet

Günümüzde, elektrikli raylı ulaşım araçları, sıfır karbon emisyonu, yüksek verimlilik ve düşük işletme maliyetleri gibi üstünlükleri nedeniyle insan ve yük taşımacılığında buhar motorlu ve dizel motorlu demiryolu araçlarına göre geniş ölçüde kullanılmaktadır. Şehir içi ulaşımdan şehirlerarası taşımacılığa kadar elektrikli çekiş sistemleri güvenilirlik, düşük çevre kirliliği, hızlı dur-kalk gibi avantajlarıyla öne çıkmaktadır. Elektrikli çekiş sistemleri, katener hattı ile beslenen elektrikli demiryolu araçları için pantograflar, cer transformatörleri (AC-sistemlerde), cer konverterleri ve cer motorlarından oluşur. Elektrikli raylı araçlar hafif raylı araçlar, elektrikli çoklu üniteler (EMU) ve lokomotifler olarak üçe ayrılabilir. Hafif raylı araçlar genellikle DC katenerden beslenmekte ve cer transformatörü bulundurmamaktadır. DC bara gerilimi oluşturmak için bir doğrultucuya da gerek duymaması bu araçların diğer araçlara göre daha hafif olmasını sağlamaktadır. Cer gücü 1MW'a kadar olan hafif raylı araçlarda çekiş birden fazla araçta bulunan cer motorlarıyla sağlanmaktadır. Bu araçlar dağıtık çekiş sistemine sahiptirler. Hafif raylı araçlarda kullanılan cer konverterlerinin güç seviyeleri 400 kW'a kadar çıkmaktadır. EMUlar birden fazla araçtan oluşan elektrikli raylı ulaşım araçlarıdır. 120 km/s hızdan 350 km/s hıza kadar EMUlar bulunmaktadır. Banliyö trenlerinden yüksek hızlı trenlere farklı güç seviyeleri ve yapılarda EMUlar bulunmaktadır. EMUlar için 200 kW'dan 1.4 MW'a geniş bir aralıkta cer konverterleri bulunmaktadır. Lokomotifler tüm çekiş sistemini bulunduran, diğer araçları iten veya çeken raylı ulaşım araçlarıdır. Cer konverterleri 500 kW ile 1.4 kW arası güç aralığında olabilen lokomotifler, insan ve yük taşımacılığı veya manevra maksatlı kullanılabilmektedir. Raylı ulaşım araçlarında kullanılan cer konverterlerinin güç seviyeleri düşük, orta ve yüksek güç olarak sınıflandırılabilir. Hafif raylı araçlar 400 kW'a kadar olup düşük güçlü olarak sınıflandırılırken 400 kW-1000 kW arası cer konverterleri metrolara ve düşük-hızlı EMUlara hitap etmektedir. Yüksek hızlı EMUlar ve lokomotifler ise 1000 kW'ı aşan cer konverteri güç seviyeleriyle yüksek güçlü olarak nitelendirilmektedir. Cer konverteri güç seviyeleri cer transformatörü sargı sayısı ve çekişte kullanılan motor sayısına göre değişebilmektedir. Cer konverterleri temel olarak güç yarıiletkenleri, kapasitörler, kontrol üniteleri, filtre indüktörleri ve çeşitli sensörlerden oluşmaktadır. Güç yarıiletkenlerinin sınırları, enerji kayıpları ve kontrol gereksinimleri cer konverterinin verimliliğini, soğutma gereksinimlerini ve kontrol dinamiğini ciddi anlamda etkilediği için cer konverterleri açısından çok önemli bir alt eleman olarak öne çıkmaktadırlar. Günümüzde, IGBT teknolojisi geniş güç seviyelerine hitap etmekte olup birkaç kW'dan MW seviyelerine kadar güç konverterlerinde kullanılmaktadır. Raylı ulaşım araçları cer konverterlerinde ise düşük ve orta güç seviyelerinde serbest geçiş diyotlarını da içeren çeşitli IGBT modülleri bulunmaktadır. Bu IGBT modülleri yarım köprü ve tam köprü gibi farklı devre topolojilerinde de olabilmektedir. Yüksek güçlü cer konverterlerinde ise yüksek akım ihtiyaçlarından dolayı 140x190 mm veya 140x130 mm ayakizine sahip tekli IGBT modüller kullanılabilmektedir. Hitachi ve Infineon'un IHM paketi ve Mitsubishi'nin std tipi X serisi IGBT modülleri bu ayakizine sahip paketlere örnek olarak gösterilebilir. Düşük komütasyon indüktansı, yüksek güç yoğunluğu, DC bara tasarımını kolaylaştıran terminal yapısı gibi özellikleri ile 100x140 mm ayakizine sahip IGBT modüller düşük ve orta güçlü uygulamalar için öne çıkmaktadır. Hitachi'nin nHPD², Mitsubishi'nin LV100, Infineon'un XHP3 ve Fuji Electric'in HPnC paketleri bu pakete örnektir. 1.7 kV, 3.3 kV, 4.5 kV ve 6.5 kV gerilim seviyeleri ve 225 A'den 1200 A'e akım seviyeleriyle bu paket geniş bir uygulama alanına sahiptir. 100x140 mm paketin bir avantajı ise düşük komütasyon indüktansı ve uygun terminal yapısı ile SiC yarıiletken anahtarlara uygun olmasıdır. SiC MOSFET'lerin bu pakette üretilmiş pek çok örneğini görmek mümkündür. Yapılan çalışmalar düşük anahtarlama kayıpları ile yüksek frekanslarda çalışmayı mümkün kılan geniş bant aralığına sahip SiC yarıiletken anahtarların bu pakette kullanılacağını göstermektedir. Dolayısıyla, güç modülü platformunu bu pakete uyumlu olarak tasarlamak SiC yarıiletken anahtarlara geçiş açısından da önemlidir. Güç elektroniği AC/DC konverterleri 2-seviyeli, 3-seviyeli ve çok seviyeli olarak sınıflandırılabilir. Raylı ulaşım cer konverterlerinde 2-seviyeli ve 3-seviyeli uygulamalar görülmektedir. 2-seviyeli konverterlerin basit kontrol, basit DC bara yapısı ve daha az devre elemanı gibi avantajları bulunurken 3-seviyeli konverterler düşük güç kaybı, düşük akım ve gerilim toplam harmonik bozunumu, devre elemanları için düşük güç seviyesi ve düşük ortak kip akım ve gerilimi gibi özellikleriyle öne çıkmaktadırlar. Bu tez kapsamında 2-seviyeli konverterler incelenmiştir. Basit devre yapısı ve kontrolüyle 2-seviyeli konverterler 1.8 kV DC bara gerilimi kullanan konverterlerde halen tercih edilmektedir. Öte yandan SiC yarıiletken anahtarların IGBT modüllerin yerini almasıyla düşük güç kayıpları ile yüksek frekansta anahtarlama mümkün olmakta ve 3-seviyeli yapının düşük güç kaybı ve düşük akım ve gerilim toplam harmonik bozunumu gibi özellikleri 2-seviyeli yapıda da sağlanabilmektedir. Dolayısıyla bu gerilim seviyeleri için 2-seviyeli yapının gelecekte de kullanılması öngörülmektedir. Cer konverterlerinin güç devrelerini tek bir yapı olarak oluşturmaktansa alt birimlerle oluşturmak montaj, bakım, test edilebilirlik ve hata durumunda daha az elemanın zarar görmesi gibi avantajlar sağlar. Tez kapsamında cer konverterlerini oluşturan alt birim olarak bir güç modülü platformu tanıtılmıştır. Güç modülü platformu, yarıiletken anahtarlar, kapasitörler, kapı sürme devreleri, soğutma plakası, DC bara, AC bara ve akım sensörü ve sıcaklık sensöründen oluşur. Platformda 100x140 mm paketinde 3.3 kV IGBT modüller kullanılmıştır. 450 A, 600 A ve 800 A seviyelerinde üç farklı IGBT modül kullanılmış ve bu modüllerin ikili ve dörtlü konfigürasyonlarıyla 6 farklı güç modülü oluşturulmuştur. Güç modülleri IGBT modülü akım seviyeleri ve paralelleme sayısına göre isimlendirilmiştir. Örneğin 450A IGBT modülü dörtlü paralel olarak bulunan güç modülü PM454 olarak isimlendirilirken, 600 A IGBT modülü ikili paralel olarak bulunan güç modülü PM602 olarak isimlendirilmiştir. Bu güç modüllerini kullanarak farklı güç seviyelerindeki konverterleri oluşturmak mümkündür. Örneğin 1250 kW güç değerinde bir cer konverterinin evirici devresi dört adet PM454 kullanarak veya iki adet PM802 kullanarak oluşturulabilir. 800 kW ve 1250 kW cer konverterlerinin elektriksel, termal ve kontrol modelleri PLECS benzetim programında oluşturulmuştur. Elektriksel modellemede giriş ve çıkış tarafında ideal gerilim kaynakları ve indüktörler basit ve hızlı benzetim amacıyla kullanılmıştır. IGBT modüllerin güç kaybı ve termal modellemesinde doküman parametrelerinden yararlanılmaktadır. Soğutucu ve modül taban plakası termal modellemesinde, hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) analiz sonuçları kullanılarak elde edilen basitleştirilmiş termal modeller kullanılmaktadır. Tez kapsamında tanıtılan güç modülleri cer konverterleri modellerinde kullanılarak benzetim sonuçları elde edilmiştir. Doğrultucu ve evirici modüller için güç kayıpları, çip jonksiyon sıcaklıkları konverter anma çalışma noktalarında elde edilmiştir. Bu sonuçlara göre jonksiyon sıcaklıkları bakımından PM452 ve PM454 800 kW cer konverterleri için en uygun iken PM802 ve PM804'ün 1250 kW için en uygun olduğu görülmüştür. Ayrıca benzetimler 25°C pay hesaba katılarak jonksiyon sıcaklıkları limitlerinde de gerçekleştirilmiştir. PM452'nin 800kW cer konverteri için 31% ile en yüksek akım payı varken PM802'nin 1250 kW cer konverteri için sadece 2% payı vardır. Bunların yanında sürekli çalışma testlerinde (COT) kullanılan yöntemin de benzetimi gerçekleştirilmiş, bu testlerde oluşan jonksiyon sıcaklıklarının tahmini bu benzetim ile gerçekleştirilmiştir. Güç modüllerine çift darbe testi (DPT) ve sürekli çalışma testi (COT) yapmak amacıyla kurulan bir test düzeneği tanıtılmıştır. Çift darbe testinde, test edilen yarıiletken anahtarın istenen gerilim ve akım değerlerinde anahtarlama karakteristiği incelenmiştir. Sürekli çalışma testinde ise güç modülleri anma akım değerlerinde yüklenmiş ve güç modüllerinin elektriksel ve termal özellikleri incelenmiştir. Güç modüllerindeki paralel her bir IGBT modülünün komütasyon indüktansı, çift darbe testi sonuçlarından elde edilmiştir. Sonuçlar her bir IGBT modülü için üreticinin doküman test değeri olan 40 nH'nin altında veya bu civardadır. Akım paylaşımı farkı her bir IGBT modül için 5%'nin altındadır. Kesime geçme anındaki gerilim aşımları 500 V'un altında iletime geçme anındaki akım değişim oranları 5 kA/us'nin altındadır. Sürekli çalışma deneyleri güç modüllerinin termal başarımını ve soğutmanın yeterli olduğunu göstermektedir. Sonuç olarak, elektrikli raylı ulaşım araçlarında cer konverterleri düşük, orta ve yüksek güçlü olarak üçe ayrılabilir. Bu tezde, 400 kW, 800 kW ve 1250 kW cer konverterlerini farklı IGBT modülü akım seviyesi ve paralelleme sayısı ile oluşturmaya imkan sunan bir güç modülü platformu tanıtılmıştır. Cer konverteri elektriksel ve termal benzetimleri farklı güç modülü konfigürasyonlarıyla gerçekleştirilmiştir. Deneysel sonuçlar güç modüllerinde yapılan testlerle elde edilmiştir. Yapılan benzetimler ve testler bu güç modülünün modüler ve ölçeklenebilir bir şekilde farklı güç seviyelerindeki cer konverterlerinde kullanılabileceğini göstermiştir.

Özet (Çeviri)

Electrical railway vehicles are widely used for public and good transportation with the advantages of zero carbon emission, great efficiency, and low operating costs. They can be categorized as light rail vehicles (LRVs), electrical multiple units (EMUs) and locomotives considering vehicle speed, power and vehicle configuration. In terms of traction converter power requirement, railway vehicles can be roughly divided into three segments: low-, mid- and high-power segments. LRVs traction converters power levels are up to 400 kW which is in the low-power segment. The mid-power segment consists of metros and low-speed EMUs with >400 kW and 1000 kW power rating comprises locomotives and high-speed EMUs. IGBT modules are one of the most critical components of traction converters which are critical systems for electric railway vehicles since they control and convert electrical power for traction to traction motors. In high-power traction converters, single IGBT modules with a footprint of 140x190 mm or 140x130 mm are used due to the need for high current. For low- and mid-power applications, IGBT modules with a footprint of 100x140 mm are widely utilized due to features like low commutation inductance, high power density, and terminal design that simplifies DC busbar design despite that 140x130 mm footprint IGBT modules are also applicible in low- and mid-power levels. These packages have a wide range of applications with voltage levels of 1.7 kV, 3.3 kV, 4.5 kV, and 6.5 kV and current levels ranging from 225 A to 1200 A. Traction converters can be generally classified into 2-level, 3-level and multi-level converters. 2-level and 3-level converters are mostly used in railway traction converters. 2-level converters offer advantages such as simple control, simpler DC bus structure, and fewer circuit components, making them preferred in converters using up to 1.8 kV DC bus voltage. 3-level converters are known for lower power loss, lower current and voltage total harmonic distortion, and lower voltage levels for circuit components along with low common-mode currents and voltages. On the other hand, 2-level converter employing SiC semiconductors can be preferable since it allows higher switching frequencies with lower power losses. Some of the advantages of the 3-level converter can also be achieved in the 2-level converter, indicating that the 2-level converter will likely continue to be used for railway traction converters. In this thesis, a power module platform is proposed as a subassembly for traction converters including IGBT modules, gate drivers, DC-link capacitors, heatsink, DC busbar, AC busbars, current sensor and temperature sensor. 100x140 mm footprint 3.3 kV IGBT modules with the current ratings of 450 A, 600 A and 800 A are applicable to the platform. Using these IGBT modules by no-paralleling, two-in-parallel and four-in-parallel, the power module platform can be utilized to build the rectifier and inverter circuits of the traction converters by only changing IGBT module type, gate driver configuration and AC busbar. Using appropriate power module configurations, 400 kW, 800 kW and 1250 kW traction converters that correspond low, mid- and high-power traction converters can be built up. The 800 kW and 1250 kW traction converter electrical and thermal simulation models are created using PLECS. The power modules are used in traction converter models to obtain power module electrical and thermal performances. Power losses and chip junction temperatures for rectifier and inverter modules are determined at the nominal operating points of the traction converters. According to the results, PM452 and PM454 (power modules with two-in and four-in-parallel 450 A IGBT modules) are found to be the most suitable for 800 kW traction converters while PM802 and PM804 (power modules with two-in and four-in-parallel 800 A IGBT modules) are found to be the most suitable for 1250 kW in terms of junction temperatures. A test setup is introduced to execute double-pulse tests (DPT) and continuous operation tests (COT). DPT results are evaluated considering commutation inductances, current sharing deviations, switching losses, voltage overshoots during turn-off and rate of change of current (di/dt) during turn-on. COT results are evaluated in terms of power losses and thermal performance. By means of the experimental results, it has been shown that this power module platform is applicable to mid- and high power traction converters considering the limits of semiconductor junction temperatures, current sharing deviations, power losses and commutation inductances.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    472827

    Development of polymer based fibers with photovoltaic effect

    Fotovoltaik etki oluşturan polimerik liflerin geliştirilmesi

    KÜBRA İLGEN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2011

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİ DEMİR

  2. Tez No

    421183

    Ortak mimarili yapılar ile insansız araçlarda veri iletişimi

    Data communication in unmanned systems using joint architecture

    OKAN BOSTAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HAKAN TEMELTAŞ

  3. Tez No

    676518

    Açık hatla istasyon bölgelerinin hatada güvenli anklaşman tasarımı ve PLC de gerçeklenmesi

    Fail-safe interlocking design of open line and station areas and implementation with PLC

    MUHAMMED İKBAL YILDIZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Ulaşımİstanbul Teknik Üniversitesi

    Raylı Sistemler Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET TURAN SÖYLEMEZ

  4. Tez No

    606500

    Designing and implementing a game development framework for interactive stories and role playing games

    İnteraktif hikaye ve rol yapma oyunlarına odaklı bir oyun geliştirme sisteminin tasarlanması ve implementasyonu

    OZAN EMİRHAN BAYYURT

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Çokluortam Bilişimi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. YUSUF SAHİLLİOĞLU

  5. Tez No

    275517

    Uyarlanır Laguerre kanal dengeleyici ve yankı yok edicilerinin kafes kademeleri ile tasarımı

    Design of adaptive Laguerre equalizer and echo canceller using lattice stages

    ALİ GÜL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2009

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiDeniz Harp Okulu Komutanlığı

    Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. M. TAHİR ÖZDEN

Geri Dön