Bekanntermaßen gelten für Bahnanwendungen besondere Vorschriften, dies gilt auch für Stromversorgungen. Hinsichtlich elektronischer Bauteile und Komponenten sind lt. DIN EN 50155 vor allem die elektrischen Betriebsbedingungen zu berücksichtigen, u.a.: Schwankungen und Unterbrechung der Spannungsversorgung, EMV (Störfestigkeit und Störaussendung), Betriebsbedingungen (in Bezug auf Umwelt, Elektrik, EMV), Technische Konstruktionsmerkmale, Zuverlässigkeit, Wartbarkeit, Nutzungslebensdauer, Brandverhalten. Darüber hinaus sind das Verhalten unter dem Einfluss von Temperatur, Vibration und Schock sowie bei (Luft-)Feuchte relevant.
In diesem Artikel werden einige der betrieblichen Herausforderungen untersucht, denen Bahnanwendungen ausgesetzt sind, und es wird erläutert, warum ein Verständnis der technischen Überlegungen vor der Auswahl geeigneter Stromversorgungen unerlässlich ist.
Zuverlässige Stromversorgung in der anspruchsvollen Bahnumgebung
Aus Sicht der Fahrgäste sind die meisten modernen Eisenbahnwaggons komfortabel, gut beleuchtet und mit moderner Technik ausgestattet. Die Sitze bieten in der Regel Netzsteckdosen und USB-Strom. Informationsdisplays zeigen den Reisefortschritt und die Wahrscheinlichkeit von Verspätungen an. Hinter den Kulissen sorgen öffentliches Wi-Fi, Heizungs- und Belüftungssysteme sowie Online-Infotainment-Systeme für eine angenehme Reise für die Fahrgäste. Sicherheitsmerkmale wie Rauchmelder und Videoüberwachung sind allgegenwärtig. Türsteuerungen, Türöffner und Notbeleuchtung basieren heute alle auf elektronischen Systemen, und wie alles andere hervorgehoben wurde, benötigen sie alle Strom. Darüber hinaus sind elektronikbasierte Systeme und die dazugehörigen Stromversorgungen anfällig für Spannungsschwankungen, Unterbrechungen und Umweltbedingungen.
Bei Schienenfahrzeug- und anderen Transportanwendungen ist die Stabilität und Zuverlässigkeit der Stromversorgung von besonderer Bedeutung, denn wegen hoher Geschwindigkeiten, hoher Fahrgastzahlen und eventueller Tunnelfahrten ist das Gefahrenpotenzial im Falle von Fehlern unermesslich hoch.
Elektrische und ökologische Herausforderungen an Bahnanwendungen
In elektrischen Schienenfahrzeugen gibt es eine Unmenge elektrischer Geräte, die für Spannungsspitzen und Störungen verantwortlich sein können. Ausgehend von der 15 kV-Oberleitung den Frequenzumrichtern und den Fahrmotoren könnten Beeinflussungen in die Bordelektronik einwirken – dem gilt es durch die Bauart der Bauelemente entgegenzuwirken.
Ein weiterer wichtiger Aspekt einer Bahnanwendung sind die Betriebsbedingungen. Einige Systeme sind im Freien montiert und extremen Witterungsbedingungen wie Regen, Schnee, Eis und den damit verbundenen Temperaturschwankungen ausgesetzt. Staub, insbesondere bei leitfähigen Elementen, stellt eine besondere Gefahr dar. Kondenswasserbildung führt langfristig zu Korrosion. Hinzu kommen Vibrationen und Schock, die zu Ermüdungsbruch führen können.
Dezentrale Stromversorgungen für Bahnanwendungen – was zu beachten ist
Stromversorgungen für Schienenfahrzeuge
Die Bordnetze von Schienenfahrzeugen werden im Regelfalle nicht mit Wechselstrom, sondern von einer Systembatterie mit Gleichspannung versorgt. Deshalb kommen unzählige DC/DC-Wandler zum Einsatz, um die Bordelektronik und andere Verbraucher mit elektrischer Leistung zu versorgen. Die für Stromversorgungen maßgebliche Norm ist EN 50155:2017 „Anwendungen in Schienenfahrzeugen – Elektronische Ausrüstung auf rollendem Material“. Danach können die Nennspannungen zwischen -30 und +25 Prozent variieren und Absenkungen auf bis zu 60 Prozent des Nennwertes sind möglich, während Überspannungen bis zu 140 Prozent erreichen können. Die Norm legt mehrere Nennbetriebsspannungen (Vnom) fest, von denen drei in Abbildung 1 dargestellt sind. Der Bereich der Dauerbetriebsspannung ist grau eingefärbt, die “Brown-out”-Spannung, d. h. ein kurzzeitiger Abfall der Eingangsspannung für 100 ms, rot. Der schwarze Balken definiert einen Überspannungsbereich.
Wegen der in EN 50155 geforderten Funktionssicherheit bei hohen Über- oder Unterschreitungen der Eingangs-Nennspannung, muss ein DC/DC-Wandler für Bahnanwendung in der Regel einen Eingangsspannungsbereich von mindestens 4:1 abdecken. Ausgehend von einer Nenn-Eingangsspannung von 24 VDC beträgt der Eingangsspannungsbereich beispielsweise 9 VDC bis 36 VDC. Außerhalb dieser Spezifikationen sorgen zusätzliche Überbrückungskondensatoren für eine kurze Betriebsdauer und müssen Überspannungen überstehen. Bis zu einem gewissen Grad können Überspannungen mit aktiven Klemmen unterdrückt werden, obwohl der Energieaufwand dafür erheblich sein kann. Die Eisenbahnnorm RIA12 verlangt eine erweiterte Störfestigkeit gegen Überspannungen bis zu 8,5 kV von 100 ns Dauer.
Elektromagnetische Störfestigkeit (EMI), elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und elektrostatische Entladung (ESD)
Kurze Hochspannungs-Transienten (hohe dV/dt) von von mehreren Tausend Volt im Nanosekundenbereich können empfindliche elektronische Systeme beschädigen oder zumindest zeitweise stören. Solche Transienten können durch elektromagnetische Strahlung oder über die Verdrahtung eingeleitet worden sein. Die Funktion eines Netzteils sollte keine Probleme verursachen oder andere Geräte stören. Ebenso muss ein Netzteil unempfindlich gegen Störungen aus anderen elektromagnetischen Quellen sein.
Bei der EMV geht es um die elektromagnetischen Emissionen des DC/DC-Wandlers. Es gelten die EN 61000-4 (gestrahlt) und EN 50121-3-2 (leitungsgebunden).
Die EN 61000-4 deckt auch den elektromagnetischen Schutz vor gestrahlten und leitungsgebundenen Emissionen, Überspannungen, schnellen Hochspannungstransienten und elektrostatischer Entladung ab.
Schock, Vibration und Umweltaspekte
Schock und Vibrationen sind vielleicht die wichtigsten mechanischen Kräfte, denen ein DC/DC-Wandler ausgesetzt ist. Die Norm EN 61373 sieht je nach Montageort verschiedene Kategorien vor. Die geringsten Kräfte treten am oder im Wagenkasten auf, bei Montage an einem Drehgestell treten die schwersten auf.
Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit werden in der Norm EN 50155 detailliert beschrieben und je nach Montageort – entweder in einem Innenraum oder im Freien – kategorisiert. Die Auswirkungen plötzlicher Temperaturschocks zwischen sehr unterschiedlichen Temperaturen, die zu Kondensation führen können, sind eine weitere Anforderung dieser Norm.
Aus Gründen der Fahrgastsicherheit müssen DC/DC-Wandler für Bahnanwendungen auch der Norm EN 45545-2 entsprechen. Diese Norm legt vor allem die aus Brandschutzgründen zu verwendenden Materialien und Sicherheitsvorkehrungen fest.
Auswahl geeigneter Stromversorgungen für Bahnanwendungen
Im Sortiment von Traco Power finden sich zahlreiche DC/DC-Wandler für diesen speziellen, herausfordernden Einsatzzweck in Bahnanwendungen (Abbildung 2).
Die 20 Watt-DC/DC-Wandler der THN-Serie im gekapselten Metallgehäuse eignen sich beispielsweise für den Einsatz in Klimatisierungssystemen und bieten einen hohen Wirkungsgrad von typischerweise 91 % sowie einen Eingangsspannungsbereich von 4:1. Siehe Abbildung 3. Der Wandler für PCB-Montage mit einem Footprint von 1″x1″ ist zwischen Ein- und Ausgang bis 3 kV isoliert und erfüllt die Normen EN 50155, EN 61373 und EN 45545-2.
Die TEQ-Serie (s. Abb. 4) besteht aus jeweils drei Wandlern in einer Power-Sharing-Anordnung. Sie sind für höhere Lasten geeignet mit 300 bis 900 Watt Nennleistung. Große Display usw. lassen sich mit diesem konvektionsgekühlten Wandler mit hoher Leistungsdichte speisen. Das robuste, gedichtete Metallgehäuse ist mit Kühlrippen ausgestattet.
Der ultraweite Eingangsspannungsbereich von 12:1 ist eine Besonderheit der 40-Watt-Wandler der Serie TEP 40UIR Im Quarter Brick Industriestandard-Metallgehäuse. Typische Anwendungen sind Bremsensteuerung und Schalt-/Signalsteuerungsanwendungen. Die TEP 40 UIR-Serie sind in 36 VDC oder 110 VDC Nenn-Eingängsspannung erhältlich. Sekundärseitig werden Varianten mit 5 VDC, 12 VDC, 15 VDC, 24 VDC und 48 VDC angeboten.
Für Bahnanwendungen mit geringer Leistungsaufnahme ist die TMR 6WIR-Serie mit 6 Watt eine kompakte Lösung. Der voll geregelte und isolierte DC/DC-Wandler im SIP-8-Metallgehäuse belegt nur wenig Leiterplattenfläche. Ein typischer Anwendungsfall im Eisenbahnbereich sind Türsteuerungssysteme.
Ein weiterer kompakter DC/DC-Wandler im 1″x2″ Industriestandard und mit flachem Metallgehäuse ist die 20-Watt-Serie TEN 20WIN. Typische Anwendungen für diese Serie sind On-Board-Kommunikationssysteme.
Der TFI 300, ein 300-Watt-Überspannungsfilter, erfüllt den RIA12-Überspannungsstandard – siehe Abb. 5. Vor einem DC/DC-Wandler platziert, schützt der TFI den Wandler vor Schäden, indem er Primärspannungen von mehr als 168 VDC aktiv unterdrückt. Der Filter erfüllt die höhere Spezifikation von RIA12, die Transienten von 20 ms bei 385 VDC zulässt.
Bahnanwendungen erfordern zuverlässige und robuste Stromversorgungen
DC/DC-Stromversorgungen für Bahnanwendungen müssen besondere elektrische Eigenschaften haben, insbesondere einen Weitbereichseingang. Denn primärseitig dürfen recht hohe Schwankungen der zumeist batteriegespeisten Eingangsspannung auftreten, so dass nur Hochleistungs-Wandler auch im Extremfall noch funktionieren. Dieser Artikel hebt einige der wesentlichen Faktoren hervor, die Ingenieure bei der Auswahl geeigneter Produkte sorgfältig prüfen sollten. Die Einhaltung der einschlägigen Bahnnormen, EMV, ESD und Umweltauswirkungen ist erforderlich.
Distrelec ist ein autorisierter Distributor für DC/DC-Wandler für Bahnanwendungen von Traco Power.
