Przetwornice DC/DC używane w taborze kolejowym

Wraz z ciągłym rozwojem przemysłu kolejowego rośnie liczba podzespołów elektronicznych, które pracują w systemach transportu kolejowego w celu zwiększenia niezawodności, bezpieczeństwa oraz komfortu pasażerów. Podzespoły elektroniczne pojazdów są zasilane głównie z dodatkowych systemów zasilania, w tym wszystkie podzespoły i urządzenia niezasilane wprost z sieci trakcyjnej są dołączone do redundantnego zasilania niskonapięciowego lub akumulatorowego.

Zwykle urządzenia pobierają prąd z magistrali niskonapięciowej. System akumulatorowy w normalnych warunkach pracy wspomaga system sterowania pociągami (Train Control and Management System - TCMS), system oświetleniowy, komunikację radiową oraz inne systemy pomocnicze. Dodatkowo odgrywa rolę bufora energii niezbędnej w przypadku tymczasowej awarii ładowarki.

Elektronika pojazdu szynowego składa się głównie z systemów TCMS, PIS (Passenger Information System), PA (Public Address), ATC (Automatic Train Control). Systemy te są niezależnie zasilane przez magistrale w celu zapewnienia niezawodnego działania każdego podsystemu. Pomaga to również wyizolować obszary awarii w przypadku niepoprawnej pracy.

Urządzenia kolejowe połączone są za pośrednictwem magistrali komunikacyjnej z funkcją zapewniającą zdalne sterowanie. Tym samym umożliwiają maszyniście kontrolę nad każdym elektronicznym podzespołem za pośrednictwem sterownika pokładowego.

Wymagania dotyczące elektronicznego osprzętu pojazdów

Rys. 1. Schemat blokowy systemu zasilania w pojeździe szynowym

Urządzenia elektroniczne pojazdu różnią się od siebie. W celu zapewnienia, że sprzęt spełnia specjalne wymagania dotyczące obsługiwanych napięć, kompatybilności elektromagnetycznej (EMC), bezpieczeństwa ludzi i rozprzestrzenia się dalszych usterek spowodowanych awariami kontroli zewnętrznej, wszystkie produkty muszą spełniać normy EN50155.

Główne wymagania można podzielić na:

• środowiskowe - a więc temperaturę i wilgotność w miejscu pracy, odporność na wstrząsy i wibracje, wodoodporność oraz pyłoszczelność, a także wysokość instalacji,
• elektryczne - zakres napięć zasilania, wytrzymałość izolacji,
• przepięciowe, przeciążeniowe i elektrostatyczne - odporność na przeciążenia oraz przepięcia o wartości 1,4-krotnie większej niż napięcie zasilania,
• elektromagnetyczne - uwzględniające różne wymagania definiowane przez m.in. CE, RE, CS, RS, EFT, ESD,
• niezawodnościowe - szacowany czas pracy, weryfikacja niezawodności oraz sposób eksploatacji,
• inne - jak na przykład odporność na zaniki i zapady napięcia. Większości konwerterów, zwłaszcza wersji o niskim napięciu wejściowym, trudno spełnić wymagania na odporność na przerwy w zasilaniu o czasie trwania 10 ms i muszą mieć dodatkowe kondensatory podtrzymujące. Oprócz tego, w celu uniknięcia awarii przy uszkodzeniu akumulatora w instalacji zasilającej stosuje się diody przeciwprzepięciowe.

Dobór osprzętu zgodnego z wymaganiami

Tabela 1. Napięcie znamionowe akumulatora a wymagana wytrzymałość izolacji

Wysokiej jakości izolacja elektryczna jest jedną z efektywnych metod zapobiegania awarii w systemach zasilających oraz spełnia bardzo ważną funkcję zabezpieczania bloków funkcjonalnych i systemów elektronicznych przed wzajemnym zakłócaniem. Warunki pracy sprzętu w tym obszarze zmieniają się znacznie podczas pracy, na przykład występują nagłe wibracje czy temperatura otoczenia podlega szybkiej zmianie. Zwiększa to trudności techniczne w celu spełnienia wymagań dla zasilaczy. Zatem jakie wymagania dotyczące zasilania pojazdu są najważniejsze?

Odporność na wstrząsy i wibracje. Pojazdy szynowe są narażone na wstrząsy i wibracje ze względu na charakter środowiska pracy. Użycie kleju do mocowania elementów na płytce drukowanej jest popularnym podejściem powodującym skuteczne zwiększenie odporności na wibracje i wstrząsy.

Przetwornice mocy firmy Mornsun serii R3 nie tylko spełniają wszystkie wymagania dot. odporności na wibracje w zakresie 10-55 Hz/10 g/30 min w każdej osi, ale również spełniają wymagania normy EN61371: 2010 (klasa B, kategoria 1) w zakresie szerokiego zakresu napięć zasilania.

Wejściowe napięcie zasilania. Pojazdy szynowe mają pięć znormalizowanych wartości napięć akumulatorów pokładowych, tj. 24, 48, 72, 96 oraz 110 V. Zasilacze z nimi współpracujące muszą wytrzymywać obniżenie wartości wejściowego napięcia zasilania do 0,6·UN w czasie 100 ms oraz jednosekundowe przepięcia do 1,4·UN, które mogą doprowadzić do uszkodzenia dodatkowego sprzętu podczas startu systemu oraz przełączania obciążeń indukcyjnych.

Przetwornice DC/DC z serii URB1-D24YMD-6WR3 zapewniają poprawną pracę przy zasilaniu z zakresu 40-160 V_DC, co jest równoznaczne z pokryciem aż trzech nominalnych napięć akumulatora: 72, 96 i 110 V.

Napięcie izolacji. Wytrzymałość napięciowa izolacji jest ściśle związana przepisami ze znamionowym napięciem akumulatora pojazdu (tab. 1).

Ponieważ napięcie akumulatora podczas pracy nie jest stałe, a jednostka 110 V może mieć do 125 V na zaciskach, zaleca się izolowanie konwerterów na poziomie 1500 V_AC w celu uzyskania gwarancji bezawaryjności. Taką wartością cechuje się przetwornica 6WR3.

Temperatura i wilgotność. Konwertery zasilające przeznaczone do prac w transporcie szynowym powinny normalnie pracować w przedziale temperatur od -40 do +85°C i w warunkach podwyższonej wilgotności. Zatem należy sprawdzić w testach wytrzymałość na takie narażenia. Jakość konwerterów kolejowych firmy Mornsun jest monitorowana już od etapu projektowania i produkcji przez ścisły system kontroli jakości. Wszystkie konwertery przechodzą specjalistyczne testy niezawodności.

Przepięcia. Różne kraje mają różne standardy ochrony przed przepięciami. W Europie norma RIA 12 definiuje, że osprzęt elektryczny zasilany akumulatorem musi wytrzymać przepięcia 1,5·UN trwające 1 s oraz 3,5·UN przez 20 ms dla impedancji źródła 0,2 Ω. Zakładając, że napięcie znamionowe akumulatora wynosi 110 V, oznacza to, że dla napięcia na zaciskach 160 V konwerter musi wytrzymać energię wyładowania równą 2475 J.

Zalecane są specjalistyczne obwody zasilaczy z filtrami na wejściu, które tworzą obwód ochronny pomagający obniżyć napięcie udarowe do poziomu bezpiecznego dla przetwornicy. Przykładowo, filtr aktywny EMC FC-CX3D ma zakres napięcia wejściowego 66-160 V_DC, moc wyjściową 100 W i maksymalne napięcie zacisku 165 V_DC, przy wysokiej sprawności do 98%.

Inne. Większości przetworników mocy trudno spełnić wymagania dot. pracy przy przerwie w zasilaniu trwającej do 10 ms i muszą mieć one dodatkowe kondensatory podtrzymujące. Należy też zwrócić większą uwagę na dopuszczalny zakres napięcia wejściowego, testy kompatybilności elektromagnetycznej, wibracji, izolacji i niezawodności przy wyborze przetwornicy DC/DC stosowanej w taborze kolejowym.

Elhurt Sp. z o.o.
www.elhurt.com.pl