Giải pháp và Nghiên cứu tình huống

Công nghệ điện tử Fuji góp phần tiết kiệm năng lượng và mang lại sự thoải mái nhất cho tàu cao tốc Nhật Bản, "Shinkansen"

Hình ảnh được cung cấp bởi Công ty Đường sắt Trung ương Nhật Bản

Vào ngày 1 tháng 7 năm 2020, Tokaido Shinkansen N700S đã bắt đầu hoạt động thương mại sau khi trải qua một sự thay đổi toàn diện về mô hình lần đầu tiên sau 13 năm. Mỗi ghế ngồi đều được trang bị ổ cắm điện di động, nơi hành khách có thể sạc điện thoại thông minh và các thiết bị khác trong khi mỗi toa tàu đều có màn hình LCD lớn hiển thị thông tin như vị trí hiện tại của tàu và điểm đến. Khoảng để chân ở Green Car (Toa hạng nhất) đã được tăng thêm 15%.

Mục đích của Shinkansen là đưa hành khách đến đích trong thời gian ngắn hơn với sự an toàn và thoải mái hơn. Trong những năm gần đây, người ta cũng đã nỗ lực giảm mức tiêu thụ điện năng để ngăn chặn tình trạng nóng lên toàn cầu. N700S có thể chạy với mức tiêu thụ điện năng ít hơn một nửa* khi so sánh với 0 Series, thế hệ Shinkansen đầu tiên.

“Bộ biến tần chuyển đổi chính” là trái tim của Shinkansen

Fuji Electric đã đóng góp vào sự phát triển của Shinkansen bằng thiết bị điện tử công suất kể từ khi Shinkansen ra đời.

Điện tử công suất là công nghệ cung cấp khả năng kiểm soát điện tối ưu. Nó được sử dụng ở nhiều nơi cần điện như nhà máy, đường sắt, phương tiện giao thông và thiết bị gia dụng, và đảm nhiệm vai trò thay đổi loại điện (AC và DC) và mức độ của nó (dòng điện và điện áp) tùy thuộc vào ứng dụng.

Điện tử công suất chủ yếu phục vụ trong hai lĩnh vực trong quá trình phát triển Shinkansen. Nó góp phần tiết kiệm năng lượng và tạo ra chuyến đi thoải mái. Bộ biến tần chuyển đổi chính đã đạt được những yếu tố này, thường được gọi là trái tim của Shinkansen. Bộ phận này chuyển đổi điện lấy từ máy truyền động và điều khiển tối ưu động cơ dẫn động Shinkansen.

Các bộ biến tần chuyển đổi chính được đặt bên dưới sàn tàu Shinkansen, giúp điều khiển động cơ một cách tối ưu

Hình ảnh do Fuji Electric tạo ra với tài liệu được cung cấp bởi Central Japan Railway Company

“Chất bán dẫn công suất” quyết định hiệu suất của bộ biến tần chuyển đổi chính

“Chất bán dẫn công suất” là thiết bị chính trong điện tử công suất quyết định hiệu suất của bộ biến tần chuyển đổi chính. Fuji Electric là nhà sản xuất chất bán dẫn công suất hàng đầu thế giới và có lợi thế cạnh tranh là có thể phát triển tích hợp cả bộ biến tần chuyển đổi chính và chất bán dẫn công suất tại chỗ.

Chất bán dẫn công suất thay đổi điện áp và tần số bằng cách chuyển mạch (BẬT và TẮT) điện một cách tinh vi và liên tục ở tốc độ cao. Điều này cho phép bộ biến tần chuyển đổi chính có thể kiểm soát chính xác tốc độ quay của động cơ.

Làm thế nào để giảm tổn thất điện năng do chuyển mạch là một thách thức trong quá trình phát triển chất bán dẫn điện. Điều này là do nó được kết nối trực tiếp với việc tiết kiệm năng lượng tại bộ biến tần chuyển đổi chính. Hơn nữa, tổn thất điện năng được chuyển thành nhiệt, ảnh hưởng đến các thiết bị bán dẫn điện (chip) và các bộ phận xung quanh, bao gồm cả mạch điện, và điều quan trọng là phải cung cấp biện pháp đối phó với vấn đề này về mặt chất lượng.

Giảm tổn thất điện năng và kiểm soát nhiệt bằng công nghệ độc quyền

Chất bán dẫn công suất được tạo ra bằng cách tạo mạch điện tử chính xác trên các tấm wafer mỏng hình đĩa. Việc cắt wafer thành các ô vuông có kích thước vài milimét sẽ tạo ra các chip, sau đó các chip này được kết nối bằng dây điện và đóng gói bằng nhựa để tạo thành một mô-đun. Chúng được tích hợp vào bộ biến tần chuyển đổi chính dưới dạng một mô-đun.

Để giảm tổn thất điện năng, có một phương pháp xử lý chip để đảm bảo chúng mỏng và khoảng cách dòng điện được rút ngắn. Tuy nhiên, vì vật liệu wafer cứng và giòn nên wafer sẽ bị nứt trong quá trình sản xuất khi tiếp tục giảm độ dày.

Với suy nghĩ này, Fuji Electric đã phát triển một công nghệ xử lý độc đáo. Bằng cách giảm thiểu tác động lên wafer, chúng tôi có thể sản xuất chip mỏng và do đó giảm tổn thất điện năng. Chúng tôi cũng đã tạo ra công nghệ đóng gói có thể làm mát hiệu quả cả hai bề mặt của chip được làm nóng bằng cách chuyển đổi để giảm tỏa nhiệt.

Nhìn chung, cần phải mở rộng các chất bán dẫn công suất để có thể truyền nhiều điện hơn (để tăng sản lượng). Tuy nhiên, cải tiến công nghệ này đã cho phép các mô-đun tăng sản lượng (cải thiện mật độ công suất) trong khi vẫn giữ nguyên kích thước. Mật độ công suất của các chất bán dẫn công suất được sử dụng trên tàu Shinkansen N700S mới nhất gần gấp đôi so với các chất bán dẫn được trang bị trên tàu Nozomi 300 Series đầu tiên bắt đầu hoạt động vào năm 1992.

Giảm mức tiêu thụ điện năng bằng cách làm cho bộ biến tần chuyển đổi chính nhẹ hơn 70%

Bộ biến tần chuyển đổi chính được trang bị một thiết bị làm mát để giảm nhiệt do các chất bán dẫn công suất tạo ra. Ban đầu, nó sử dụng quạt gió để làm mát (làm mát bằng không khí cưỡng bức), nhưng việc giảm tổn thất điện năng của các chất bán dẫn công suất để giảm tỏa nhiệt cho phép nó áp dụng làm mát tự nhiên (làm mát không cần quạt gió) bằng cách sử dụng không khí đập vào tàu khi tàu di chuyển.

Bằng cách cải thiện mật độ công suất của chất bán dẫn công suất và đạt được tiến bộ với các thiết bị làm mát, chúng tôi đã thay đổi đáng kể diện mạo của bộ biến tần chuyển đổi chính. Khi so sánh N700S với Dòng 300 mà bộ biến tần chuyển đổi chính được giới thiệu lần đầu tiên, đầu ra từ bộ biến tần chuyển đổi chính đã tăng hơn 40% trong khi trọng lượng của thiết bị đã giảm khoảng 70%. Điều này đã dẫn đến việc giảm mức tiêu thụ điện năng (để tiết kiệm năng lượng) trong khi tàu đang di chuyển.

■Sự thay đổi trong bộ biến tần chuyển đổi chính

Sử dụng công nghệ kiểm soát cao để mang lại chuyến đi an toàn và thoải mái hơn

Khi nói về thiết bị điện tử công suất của Fuji Electric, một yếu tố quan trọng là công nghệ điều khiển, hoạt động song song với chất bán dẫn công suất. Một loại công nghệ điều khiển là "điều khiển vector", được sử dụng trên bộ biến tần chuyển đổi chính.
Tàu bắt đầu di chuyển chậm và tăng tốc dần, sau đó chạy theo mức độ trơn trượt của đường ray do mưa hoặc các sự kiện tương tự khác. Điều này đạt được bằng cách phát hiện tình huống từ các yếu tố như cường độ dòng điện chạy đến động cơ và bằng cách cập nhật ngay lập tức thông tin này vào bộ điều khiển động cơ.

Tinh thần làm việc nhóm bền chặt giữa các phòng ban và cơ sở sản xuất
Tiếp tục phát triển Shinkansen

Để tăng cường sự thống nhất của các thành viên dự án trong sáu phòng ban của công ty nằm rải rác khắp các nhà máy và văn phòng, một biểu tượng logo được thiết kế với sáu ngôi sao đã được tạo ra và làm thành huy hiệu để các thành viên này đeo mọi lúc. Huy hiệu này nhấn mạnh mong muốn mạnh mẽ của các thành viên là cung cấp cho khách hàng chất lượng vượt quá năm sao.

N700S được trang bị bộ biến tần chuyển đổi chính sử dụng chất bán dẫn công suất SiC* mới nhất và Fuji Electric đang tham gia vào quá trình phát triển với tư cách là một trong những công ty thành viên cốt lõi. Bộ biến tần chuyển đổi chính của chúng tôi sẽ trở nên nhỏ gọn và nhẹ hơn nữa để tiếp tục phát triển Shinkansen trong tương lai.

Fuji Electric ủng hộ việc tạo ra các nhóm nguồn nhân lực đa dạng và đối mặt với những thách thức bằng cách sử dụng năng lực chung của các nhóm này trong Chính sách quản lý của chúng tôi. Các thành viên công ty của chúng tôi, cùng với khách hàng, sẽ tiếp tục trau dồi các kỹ năng đã phát triển cho đến nay và đóng góp vào việc đạt được một xã hội bền vững khi cùng nhau làm việc như một nhóm bằng cách sản xuất theo quan điểm của khách hàng.

*Silic cacbua (SiC)

Đầu trang