Spesialiserte DC–DC-omformere møter de unike utfordringene forbundet med strømforsyning til jernbaner

Moderne jernbanesystemer har en økende mengde integrert elektronikk for funksjoner som internettilgang for passasjerer, satellittforbindelser, intercom-er og høyttaleranlegg (PA – public address), navigasjonsundersystemer, nødradioer, signalgiverskilt, lysdiodebelysning, informasjonssystemer, seteplasserte ladeuttak og annet tilbehør. Det er også undersystemer for batterilading, siden mange av disse funksjonene må drives under tilstander med forbigående strømmangel eller lengre perioder med strømbrudd. Hver av disse funksjonene har unike spenningskrav, noe som fører til distribusjon av mange DC–DC-omformere for å konvertere høyere DC-spenning til flere lavere spenninger.

Konstruktører som spesifiserer DC–DC-omformere for bruk med jernbaner, må imidlertid sørge for at disse omformerne kan fungere pålitelig i trange rom under utfordrende elektriske, mekaniske og termiske forhold. De må også oppfylle en lang liste med strenge bransje- og forskriftskrav og være enkle å implementere for å spare tid.

Denne artikkelen undersøker kort kravene til DC–DC-strømomformere for jernbaneutrustninger. Den introduserer deretter DC–DC-omformere fra TRACO Power, og viser hvordan de kan brukes til å oppfylle disse kravene.

Strømdistribusjon for jernbaner

En typisk strømfordelingsbane for et elektrisk lokomotiv eller en elektrisk tralle har mange lavere spenninger som er avledet fra den primære opphengte DC-kjøreledningen. I likhet med mange andre viktige konstruksjoner, er det pålagte bransjestandarder som definerer ytelseskrav over flere perspektiver.

Den dominerende regulatoriske spesifikasjonen for elektronikkutstyr for jernbaneskinner er EN 50155, Jernbaneutrustninger – Valsegods – Elektronisk utstyr. Denne definerer miljø- og serviceforhold, pålitelighetsforventninger, sikkerhet og utformings- og konstruksjonsmetoder. Den dekker også dokumentasjon og testing.

Andre viktige spesifikasjoner omfatter:

• NS-EN 61373: Jernbaneutrustninger, utstyr for valsegods, støt- og vibrasjonstester
• EN 61000-4, for elektromagnetisk kompatibilitet (EMC)
• EN 45545-2, europeisk jernbanestandard for brannsikkerhet
• British Railway Industries Association standard RIA 12, Generell spesifikasjon for beskyttelse av elektronisk utstyr i lokomotiv og valsegods fra transienter og spenningsstøt i DC-styringssystemer

Det å oppfylle disse forskriftsmessige mandatene er en stor konstruksjonsutfordring, selv om gjør-det-selv-strømomformingskonstruksjoner fungerer som tiltenkt under simulering og som en benkprototype. Heldigvis er det ikke nødvendig å velge denne gjør-det-selv-tilnærmingen. Utrustningsspesifikke DC–DC-standardomformere som er hyllevare, og som oppfyller jernbanekrav, er allerede tilgjengelige.

For eksempel er familiene TEP 150UIR / TEP 200UIR to lignende omformerserier med halvblokk (half-brick) og kortmontering, klassifisert til henholdsvis 150 og 200 watt. De har forsterket 3000 volt AC (V_AC) inngans-/utgangsisolasjon (I/O-isolasjon) og integrert beskyttelse mot kortslutning, overspenning og overtemperatur.

Alle medlemmer av disse to familiene har samme tilkoblingskonfigurasjon og kapslingsstørrelse på 60 mm × 60 mm × 13 mm (figur 1). Virkningsgraden er rundt 90 %.

Figur 1: Alle medlemmer i TEP 150UIR-familien og TEP 200UIR-familien har samme kabinettstørrelse og fysiske størrelse. (Bildekilde: TRACO Power)

TEP 150UIR-serien drives fra et ekstremt bredt inngangsspenningsområde på 14 til 160 volt DC (V_DC), og er tilgjengelig i fem utgangspar som varierer fra 5 volt / 30 ampere (A) til 48 volt / 3,2 A (figur 2).

Figur 2: TEP 150UIR-serien er tilgjengelig med spennings-/strømklassifiseringer fra 5 volt / 30 A til 48 volt / 3,2 A. (Bildekilde: TRACO Power)

Medlemmet med den laveste spenningen / høyeste strømmen i denne familien er TEP 150-7211UIR, som kan levere opptil 30 A ved 5 volt.

TEP 200UIR-serien har samme inngangs- og utgangsspenningsområde, men høyere strøm, som varierer fra 5 volt / 40 A til 48 volt / 4,2 A (figur 3).

Figur 3: TEP 200UIR-familien tilbyr 33 % mer effekt, med de samme utgangsspenningsverdiene, men høyere utgangsstrømmer. (Bildekilde: TRACO Power)

Medlemmet med den høyeste spenningen / laveste strømmen i denne familien er TEP 200-7218UIR, som kan levere opptil 4,2 A ved 48 volt, sammenlignet med 3,2 A for motparten på 150 watt ved samme spenning.

Ved å opprettholde en vanlig størrelse og monteringsflate, kan brukere enkelt oppgradere en krets slik at den kan håndtere ulike behov eller bruke forskjellige kort med så få kablings- og layoutproblemer som mulig. De kan også forenkle lagerbeholdningen ved å lagre færre unike modeller.

Tre viktige funksjoner

TEP 150UIR- og TEP 200UIR-enhetene tilbyr tre fremtredende funksjoner: Et bredt inngangsspenningsområde, en utvidet holdetid (holdup time) og aktiv begrensning av innkoblingsstrømstøt.

1) Bredt inngangsspenningsområde: Typisk industriell elektronikk kan oppfylle de generelle kravene til spenning/strøm, men DC–DC-strømomformere for denne bruken må tåle mye bredere inngangsspenningsvariasjoner og en rekke mulige nominelle verdier (figur 4).

Figur 4: DC-inngangsområdene for ulike skinnekonstruksjoner spenner over et ekstremt bredt område, spesielt når tillatte avvik fra nominelle verdier tas med i analysen. (Bildekilde: TRACO Power)

Dette inkluderer de tillatte variasjonene i inngangsspenning rundt hver nominelle verdi:

• Kontinuerlig område = 0,7 til 1,25, × V_NOM
• Spenningskollaps = 0,6 × V_NOM i 100 millisekunder (ms)
• Overspenning = 1,4 × V_NOM i ett sekund

Det er vanskelig å utvikle en strømomformer som kan håndtere spenningskollaps i 100 ms, mens overspenninger som varer ett sekund har for mye energi til å begrense. Derfor må omformeren fungere over hele området vist i figur 4, samtidig som den må ha en viss sikkerhetsmargin. I praksis betyr dette et inngangsområde på mer enn 2,33:1.

For å komplisere situasjonen ytterligere, kan den nominelle spenningen være alt fra 24 V_DC til 110 V_DC. Mange produsenter av DC–DC-omformere oppfyller disse kravene ved å tilby omformere med et bredere 4:1-inngangsområde (vanligvis 43 til 160 volt) for å dekke de fleste konstruksjonsbehovene, men én enkel omformer har vanligvis ikke vært i stand til å oppfylle alle.

For å løse dette støtter TRACO-enhetene en svært bred 12:1-inngang på 14 til 160 V_DC. Dette området gjør det mulig for systemteknikeren å målrette en rekke nominelle systemspenninger med én enkel strømforsyning.

2) Utvidet holdetid: DC-linjen er utsatt for raske transientspenninger på ±2 kilovolt (kV) med stigetider på 5 nanosekunder (ns), falltider på 50 ns og en repetisjonshastighet på 5 kilohertz (kHz). Det er også overspenninger på ±2 kV linje-til-jord og ±1 kV linje-til-linje med stigetider på 1,2 mikrosekunder (μs) og falltider på 50 μs fra en definert, AC-koplet kildeimpedans.

Noen krav går utover EN 50155 og krever immunitet mot overspenninger på opptil 1,5 x V_NOM i ett sekund og 3,5 × V_NOM i 20 ms fra en ekstremt lav kildeimpedans på 0,2 ohm (Ω). For et system på 110 V_DC (nominell) tilsvarer dette en spissverdi på 385 V_DC, som er utenfor normalområdet til en omformer, spesielt hvis den trenger å være virksom ned til minimum-spenningskollapsen på 66 V_DC.

Energien som er tilgjengelig fra en slik lavimpedanskilde resulterer i at spenningen ikke kan begrenses av en transientdemper (TVS – transient voltage suppressor). Avhengig av effektnivået kreves en forhåndsregulator på strømforsyningsinngangen eller en krets som slår av inngangen så lenge overspenningen er nødvendig. En holdefunksjon er nødvendig i DC–DC-omformeren for å opprettholde utgangen under denne tidsperioden.

For å løse dette problemet kommer TRACO-enhetene med en viktig funksjon i form av en BUS-pinneutgang. Denne utgangen gir en fast spenning for å lade en kondensator, slik at kondensatoren kan gi energien som trengs for en lengre holdetid (figur 5). Disse kondensatorene er betydelig mindre og billigere enn de som brukes i den konvensjonelle holdeplanen for inngangskondensatorer.

Figur 5: Dette er den anbefalte inngangskretsen som skal brukes med busskondensatoren C_BUS for å forenkle implementeringen av en forlenget holdetid. (Bildekilde: TRACO Power)

Vær oppmerksom på at en seriediode ikke trenger å legges til inngangskretsen, da disse omformerne har en integrert diode for å unngå kortslutning og holde på energien fra kondensatoren som strømmer inn i strømforsyningen.

Når det oppstår et avbrudd i forsyningsspenningen, vil inngangsspenningen falle til busspenningen (BUS-spenningen) før kondensatorene begynner å utlades for å levere energi til strømmodulen. På grunn av deres relativt høye effekttetthet, kan TEP 150UIR-serien og TEP 200UIR-serien gi en fast busspenning på opptil 80 volt inngangsspenning. Ved høyere inngangsspenninger øker busspenningen lineært med den faktiske inngangsspenningen (figur 6).

Figur 6: Omformerne gir en fast busspenning på opptil 80 volt inngangsspenning. Ved høyere inngangsspenninger øker busspenningen lineært med den faktiske inngangsspenningen. (Bildekilde: TRACO Power)

3) Aktiv begrensning av innkoblingsstrømstøt: Dette løser et vanlig problem forbundet med strømomformere: Når inngangsspenningen begynner å stige (ramp up), vil holdekondensatorene på inngangsterminalen forårsake et høyt innkoblingsstrømstøt. Dette kan få en sikring til å gå eller utløse en krets, og forårsake feil i tilkoblede enheter.

For å unngå dette vil en Pulse-pinne fra både TEP 150UIR- og TEP 200UIR-serien gi et firkantbølgesignal på 12 volt / 1 kHz, som kan brukes på begrensningskretsen for innkoblingsstrømstøt (figur 7).

Figur 7: TEP 150UIR- og TEP 200UIR-seriene tilbyr en enkel måte å begrense innkoblingsstrømstøt ved oppstart ved hjelp av en pulspinne (Pulse-pinne) med et firkantbølgesignal. (Bildekilde: TRACO Power)

Ved å koble den aktive begrensningskretsen for innkoblingsstrømstøt til Pulse-pinnen, blir innkoblingsstrømstøtet effektivt begrenset (figur 8). Innkoblingsstrømstøtet uten begrensning vil være ca. 120 A (venstre), men det faller til ca. 24,5 A (høyre) med begrensning.

Figur 8: Ved å drive den aktive begrensningskretsen for innkoblingsstrømstøt til omformerne med pulspinnen, kuttes innkoblingsstrømstøtet med en faktor på fem. Her vises et eksempel med V_in på 72 volt. Den horisontale skalaen til venstre er 50 volt/inndeling og den høyre er 10 volt/inndeling, med en transduserskalafaktor der 1 volt = 1 A. (Bildekilde: TRACO Power)

Konklusjon

DC–DC-omformere for jernbaneutrustninger med lavere spenning må gjøre mer enn å gi pålitelig, konsekvent effektytelse. De må også være kompakte, enkle å administrere og implementere, tilpasset en rekke bruksområder, egnet for å fungere i tøffe miljøer og i stand til å oppfylle en lang liste med utfordrende elektriske, termiske og mekaniske regulatoriske standarder og mandater. Som vist er TRACO Power TEP 150UIR- og TEP 200UIR-familiene klare for denne oppgaven, med funksjoner som inkluderer et bredt 12:1-inngangsspenningsområde på 14 til 160 V_DC, en holdepinne for å lade kondensatorer for å levere energi under spenningsfall, evnen til å motstå overspenning og mange paringer med utgangsspenning/utgangsstrøm, alt i én enkel formfaktor.