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变流器改造解决方案
作者：Juan Munoz (AmePower) and Bryn Parry (Amantys电力电子有限公司)
介绍
机车运营公司要求他们的设备具有至少20年的寿命.在这20年的寿命中,部分电子元件组件会坏掉,遭遇供应链问题或者变成废品.通常在需要备件的时候,它们就买不到了或者变得相对于原价非常的昂贵.
升级大功率变流器通常被认为是只有设备的原厂家才能做的事情.但是,Amepower和Amantys电力电子有限公司合作了一个给牵引变流器升级IGBT模块和驱动板的项目.该项目为列车的运营和维护部门提供了一个低成本的解决方案.
IGBT模块的失效
IGBT模块在牵引领域的功率变流器中广泛应用.当IGBT到达使用寿命时,它们会由于如下因素导致失效：
焊线从半导体晶源上抬起使模块内部的连接断开
陶瓷底板或者半导体晶源上的裂缝扩大导致功率半导体过热
列车加速减速使功率半导体晶源重复的冷热循环导致焊线抬起和焊点开裂.晶源和陶瓷基板上的焊锡开裂增加了IGBT模块的热阻导致功率半导体过热并最终损坏.图1是一个失效的IGBT模块案例,这个案例损坏的很惨烈同时也损坏了IGBT模块,于此同时还会有一个对变流器的严重的并发破坏.
这些失效的机构是由IGBT模块重复的应力导致的,由于它们是逐渐累积的,很容易使变流器达到寿命尽头.
困难和挑战
在使用了15到20年后,IGBT模块和驱动板更换带来的挑战成为维护部门和机车运营公司的最主要的问题；直接影响到维护成本和盈利机车的可用性.
传统意义上,牵引变流器的维护和升级被认为是需要深厚的知识和技能的领域.然而,正如本项目所描述的,升级功率变流器并不是一个无法克服的障碍.
牵引变流器的翻新改造方案在已有功率模块的环境下工作,比如散热器,母排,电容和控制器仍然不变.具体含义如下：
变流器的寄生电感(Ls)是固定的；
相比于老的与固定的寄生电感配套的IGBT模块,一个新的开关速度更快的IGBT模块会产生一个大的过压冲击,可能会损坏IGBT模块；
控制器可能有一个专有的协议与门极驱动板通信；
变流器的散热控制是固定的,因此任何翻新的方案需要在变流器已有的热结构下工作,比如不会产生更多的损耗：
驱动板在变流器中的机械布置是确定的.
因此挑战就是提供一个满足这些约束条件、可靠并且低成本的解决方案.
解决方案
Amantys电力电子有限公司致力于研发生产商以及终端用户可配置的智能化驱动器产品.驱动板的配置通常用于使驱动板和IGBT模块的电气特性最优化,从而在目标功率模块中实现最低的开关损耗,满足寄生电感和过压冲击允许值的约束.
在这个替换的应用案例中,门极驱动板的配置功能现在能被用于配置驱动板去开关一个与老的IGBT模块相似的新的IGBT模块.Amantys提供了一个软件工具使配置过程更加简单,见图2.
控制过压冲击可以通过配置驱动板的门极电阻,使其关断新的IGBT时的dlc/dt与原来的相同.调整开通电阻用以限制二极管的反向恢复峰值能量使其始终在反向恢复的安全工作区内,这个工作也是很有必要的.Amantys的驱动板具有独立配置开通关断电阻以及软关断电阻的能力.
Amantys的门极驱动是经过处理的,因此光纤传输的协议通过配置可以和原有的一致.原有的协议是控制器与原装驱动板之间的协议.这点很大程度上简化将替代的驱动板集成在变流器上的过程.评估和配置新驱动板的工作几天内就可以完成.
Amepower和Amantys电力电子有限公司合作进行驱动板电气和机械结构上的调整保证替代的IGBT模块可以可靠的在已有的变流器上工作.图3展示了Amantys的驱动板安装在转接板上用于替代已有的门极驱动板方案.现场测试
机车的运营厂家采用替换的门极驱动和IGBT模块改造1 0辆车.机车进行1 2个月的现场实验.在现场试验结束后,对驱动板和IGBT模块进行检测,观察是否有任何失效的症状.结果是没有检测到任何失效症状.
现场试验一直在持续进行中,改造的牵引变流器并没有记录到任何故障.在改造之前,牵引变流器在某些情况下存在问题进而每周都会产生很多次告警；改造后,整个现场试验阶段没有一个警告.
相对于原有的变流器设计来说,最优化配置的驱动板降低了变流器的损耗.在运行中,散热器的平均温度降低了1 0摄氏度.温度降低了的散热器在已有的冷却系统中工作会直接增加变流器的寿命.
额外的优势
在牵引变流器中采用更先进的IGBT模块和驱动板还有其他在项目初期无法看到的优势.比如,Amantys采用一个叫Power Insight配置器的新的软件使驱动板的配置过程非常简单.以后,维护部门就可以自己配置驱动板.当IGBT模块再次报废了,需要第二次更换替代品时,它的优势就会体现出来.
Amantys驱动板的一个特点是驱动板会将检测到的整个生命周期内的所有故障都记录下来.检修部门可以在定期检修时看到这些故障.这些信息可用于追踪到非正常的运行情况,这些情况在某种程度上与变流器的寿命相关,图4是在阶段检修时从驱动板读取故障报告的例子.
结论
牵引变流器可以用较低的成本改造翻新,当试图更换将要报废元件时,节约了列车的运作支出.
新的IGBT技术和IGBT模块最优的开关表现降低了功率变流器整体的运行温度,从而起到节电和增加变流器寿命的作用.
电源安全防护的提高使新的IGBT模块能够被用于已有的牵引变流器同时驱动板的配置过程也可以在需要时多次进行.
新的驱动板让新IGBT技术和新特性的优势发挥成为可能.根据引用的研究,在常规的检修报告中加入故障计数能够提高向检修团队提供的信息的质量,用于识别变流器是否有问题.额外的信息可以加入到基于条件的维护项目中,从而最大化列车的可用性.
正如运营和维护公司汇报的那样,该项目其他的好处是：需要调查的故障数量降低了.先前,为了调查这些故障,列车需要停止工作,这会直接降低盈利列车的可用性.
新的驱动板和IGBT技术的使用为运营和维护公司提供了一个相对于购买新的牵引变流器或者列车的实实在在的替代方案.
改造论文范文结:
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