{"id":9190,"date":"2021-10-20T12:25:01","date_gmt":"2021-10-20T11:25:01","guid":{"rendered":"https:\/\/knowhow.distrelec.com\/?p=9190"},"modified":"2023-02-02T09:39:23","modified_gmt":"2023-02-02T09:39:23","slug":"auswahl-von-stromversorgungen-fuer-bahn-und-transportanwendungen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/knowhow.distrelec.com\/de\/transportwesen\/auswahl-von-stromversorgungen-fuer-bahn-und-transportanwendungen\/","title":{"rendered":"Auswahl von Stromversorgungen f\u00fcr Bahn- und Transportanwendungen"},"content":{"rendered":"\n

Bekannterma\u00dfen gelten f\u00fcr Bahnanwendungen besondere Vorschriften, dies gilt auch f\u00fcr Stromversorgungen. Hinsichtlich elektronischer Bauteile und Komponenten sind lt. DIN EN 50155 vor allem die elektrischen Betriebsbedingungen zu ber\u00fccksichtigen, u.a.: Schwankungen und Unterbrechung der Spannungsversorgung, EMV (St\u00f6rfestigkeit und St\u00f6raussendung), Betriebsbedingungen (in Bezug auf Umwelt, Elektrik, EMV), Technische Konstruktionsmerkmale, Zuverl\u00e4ssigkeit, Wartbarkeit, Nutzungslebensdauer, Brandverhalten. Dar\u00fcber hinaus sind das Verhalten unter dem Einfluss von Temperatur, Vibration und Schock sowie bei (Luft-)Feuchte relevant.<\/p>\n\n\n\n

In diesem Artikel werden einige der betrieblichen Herausforderungen untersucht, denen Bahnanwendungen ausgesetzt sind, und es wird erl\u00e4utert, warum ein Verst\u00e4ndnis der technischen \u00dcberlegungen vor der Auswahl geeigneter Stromversorgungen unerl\u00e4sslich ist.<\/p>\n\n\n\n

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Traco Leistungsbereich ansehen<\/a><\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

Zuverl\u00e4ssige Stromversorgung in der anspruchsvollen Bahnumgebung<\/h2>\n\n\n\n

Aus Sicht der Fahrg\u00e4ste 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 Versp\u00e4tungen an. Hinter den Kulissen sorgen \u00f6ffentliches Wi-Fi, Heizungs- und Bel\u00fcftungssysteme sowie Online-Infotainment-Systeme f\u00fcr eine angenehme Reise f\u00fcr die Fahrg\u00e4ste. Sicherheitsmerkmale wie Rauchmelder und Video\u00fcberwachung sind allgegenw\u00e4rtig. T\u00fcrsteuerungen, T\u00fcr\u00f6ffner und Notbeleuchtung basieren heute alle auf elektronischen Systemen, und wie alles andere hervorgehoben wurde, ben\u00f6tigen sie alle Strom. Dar\u00fcber hinaus sind elektronikbasierte Systeme und die dazugeh\u00f6rigen Stromversorgungen anf\u00e4llig f\u00fcr Spannungsschwankungen, Unterbrechungen und Umweltbedingungen.<\/p>\n\n\n\n

Bei Schienenfahrzeug- und anderen Transportanwendungen ist die Stabilit\u00e4t und Zuverl\u00e4ssigkeit der Stromversorgung von besonderer Bedeutung, denn wegen hoher Geschwindigkeiten, hoher Fahrgastzahlen und eventueller Tunnelfahrten ist das Gefahrenpotenzial im Falle von Fehlern unermesslich hoch.<\/p>\n\n\n\n

Elektrische und \u00f6kologische Herausforderungen an Bahnanwendungen<\/h2>\n\n\n\n

In elektrischen Schienenfahrzeugen gibt es eine Unmenge elektrischer Ger\u00e4te, die f\u00fcr Spannungsspitzen und St\u00f6rungen verantwortlich sein k\u00f6nnen. Ausgehend von der 15 kV-Oberleitung den Frequenzumrichtern und den Fahrmotoren k\u00f6nnten Beeinflussungen in die Bordelektronik einwirken \u2013 dem gilt es durch die Bauart der Bauelemente entgegenzuwirken.<\/p>\n\n\n\n

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 leitf\u00e4higen Elementen, stellt eine besondere Gefahr dar. Kondenswasserbildung f\u00fchrt langfristig zu Korrosion. Hinzu kommen Vibrationen und Schock, die zu Erm\u00fcdungsbruch f\u00fchren k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n

Dezentrale Stromversorgungen f\u00fcr Bahnanwendungen \u2013 was zu beachten ist<\/p>\n\n\n\n

Stromversorgungen f\u00fcr Schienenfahrzeuge<\/h2>\n\n\n\n

Die Bordnetze von Schienenfahrzeugen werden im Regelfalle nicht mit Wechselstrom, sondern von einer Systembatterie mit Gleichspannung versorgt. Deshalb kommen unz\u00e4hlige DC\/DC-Wandler zum Einsatz, um die Bordelektronik und andere Verbraucher mit elektrischer Leistung zu versorgen. Die f\u00fcr Stromversorgungen ma\u00dfgebliche Norm ist EN 50155:2017 \u201eAnwendungen in Schienenfahrzeugen \u2013 Elektronische Ausr\u00fcstung auf rollendem Material\u201c. Danach k\u00f6nnen die Nennspannungen zwischen -30 und +25 Prozent variieren und Absenkungen auf bis zu 60 Prozent des Nennwertes sind m\u00f6glich, w\u00e4hrend \u00dcberspannungen bis zu 140 Prozent erreichen k\u00f6nnen. Die Norm legt mehrere Nennbetriebsspannungen (Vnom) fest, von denen drei in Abbildung 1 dargestellt sind. Der Bereich der Dauerbetriebsspannung ist grau eingef\u00e4rbt, die „Brown-out“-Spannung, d. h. ein kurzzeitiger Abfall der Eingangsspannung f\u00fcr 100 ms, rot. Der schwarze Balken definiert einen \u00dcberspannungsbereich.<\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 1 – Eingangsspannungsbereiche f\u00fcr verschiedene Nennspannungen gem\u00e4\u00df EN 50155:2017 (Quelle Traco Power)<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Wegen der in EN 50155 geforderten Funktionssicherheit bei hohen \u00dcber- oder Unterschreitungen der Eingangs-Nennspannung, muss ein DC\/DC-Wandler f\u00fcr Bahnanwendung in der Regel einen Eingangsspannungsbereich von mindestens 4:1 abdecken. Ausgehend von einer Nenn-Eingangsspannung von 24 VDC betr\u00e4gt der Eingangsspannungsbereich beispielsweise 9 VDC bis 36 VDC. Au\u00dferhalb dieser Spezifikationen sorgen zus\u00e4tzliche \u00dcberbr\u00fcckungskondensatoren f\u00fcr eine kurze Betriebsdauer und m\u00fcssen \u00dcberspannungen \u00fcberstehen. Bis zu einem gewissen Grad k\u00f6nnen \u00dcberspannungen mit aktiven Klemmen unterdr\u00fcckt werden, obwohl der Energieaufwand daf\u00fcr erheblich sein kann. Die Eisenbahnnorm RIA12 verlangt eine erweiterte St\u00f6rfestigkeit gegen \u00dcberspannungen bis zu 8,5 kV von 100 ns Dauer.<\/p>\n\n\n\n

Elektromagnetische St\u00f6rfestigkeit (EMI), elektromagnetische Vertr\u00e4glichkeit (EMV) und elektrostatische Entladung (ESD)<\/h2>\n\n\n\n

Kurze Hochspannungs-Transienten (hohe dV\/dt) von von mehreren Tausend Volt im Nanosekundenbereich k\u00f6nnen empfindliche elektronische Systeme besch\u00e4digen oder zumindest zeitweise st\u00f6ren. Solche Transienten k\u00f6nnen durch elektromagnetische Strahlung oder \u00fcber die Verdrahtung eingeleitet worden sein. Die Funktion eines Netzteils sollte keine Probleme verursachen oder andere Ger\u00e4te st\u00f6ren. Ebenso muss ein Netzteil unempfindlich gegen St\u00f6rungen aus anderen elektromagnetischen Quellen sein.<\/p>\n\n\n\n

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).<\/p>\n\n\n\n

Die EN 61000-4 deckt auch den elektromagnetischen Schutz vor gestrahlten und leitungsgebundenen Emissionen, \u00dcberspannungen, schnellen Hochspannungstransienten und elektrostatischer Entladung ab.<\/p>\n\n\n\n

Schock, Vibration und Umweltaspekte<\/h2>\n\n\n\n

Schock und Vibrationen sind vielleicht die wichtigsten mechanischen Kr\u00e4fte, denen ein DC\/DC-Wandler ausgesetzt ist. Die Norm EN 61373 sieht je nach Montageort verschiedene Kategorien vor. Die geringsten Kr\u00e4fte treten am oder im Wagenkasten auf, bei Montage an einem Drehgestell treten die schwersten auf.<\/p>\n\n\n\n

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 pl\u00f6tzlicher Temperaturschocks zwischen sehr unterschiedlichen Temperaturen, die zu Kondensation f\u00fchren k\u00f6nnen, sind eine weitere Anforderung dieser Norm.<\/p>\n\n\n\n

Aus Gr\u00fcnden der Fahrgastsicherheit m\u00fcssen DC\/DC-Wandler f\u00fcr Bahnanwendungen auch der Norm EN 45545-2 entsprechen. Diese Norm legt vor allem die aus Brandschutzgr\u00fcnden zu verwendenden Materialien und Sicherheitsvorkehrungen fest.<\/p>\n\n\n\n

Auswahl geeigneter Stromversorgungen f\u00fcr Bahnanwendungen<\/h2>\n\n\n\n

Im Sortiment von Traco Power finden sich zahlreiche DC\/DC-Wandler f\u00fcr diesen speziellen, herausfordernden Einsatzzweck in Bahnanwendungen (Abbildung 2).<\/p>\n\n\n\n

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Abb. 2 – Traco Power DC\/DC-Wandler f\u00fcr Bahnanwendungen (Quelle: Traco Power)<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Die 20 Watt-DC\/DC-Wandler der THN-Serie<\/a> im gekapselten Metallgeh\u00e4use eignen sich beispielsweise f\u00fcr den Einsatz in Klimatisierungssystemen und bieten einen hohen Wirkungsgrad von typischerweise 91 % sowie einen Eingangsspannungsbereich von 4:1. Siehe Abbildung 3. Der Wandler f\u00fcr PCB-Montage mit einem Footprint von 1″x1″ ist zwischen Ein- und Ausgang bis 3 kV isoliert und erf\u00fcllt die Normen EN 50155, EN 61373 und EN 45545-2.<\/p>\n\n\n\n

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Abb. 3 \u2013 THN-Serie, 20 Watt DC\/DC-Wandler von Traco Power (Quelle: Traco Power)<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Die TEQ-Serie<\/a> (s. Abb. 4) besteht aus jeweils drei Wandlern in einer Power-Sharing-Anordnung. Sie sind f\u00fcr h\u00f6here Lasten geeignet mit 300 bis 900 Watt Nennleistung. Gro\u00dfe Display usw. lassen sich mit diesem konvektionsgek\u00fchlten Wandler mit hoher Leistungsdichte speisen. Das robuste, gedichtete Metallgeh\u00e4use ist mit K\u00fchlrippen ausgestattet.<\/p>\n\n\n\n

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Abb. 4 – Die 300 Watt-DC\/DC-Wandler der Serie TEQ 300WIR von Traco Power (Quelle: Traco Power)<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Der ultraweite Eingangsspannungsbereich von 12:1 ist eine Besonderheit der 40-Watt-Wandler der Serie TEP 40UIR<\/a> Im Quarter Brick Industriestandard-Metallgeh\u00e4use. Typische Anwendungen sind Bremsensteuerung und Schalt-\/Signalsteuerungsanwendungen. Die TEP 40 UIR-Serie sind in 36 VDC oder 110 VDC Nenn-Eing\u00e4ngsspannung erh\u00e4ltlich. Sekund\u00e4rseitig werden Varianten mit 5 VDC, 12 VDC, 15 VDC, 24 VDC und 48 VDC angeboten.<\/p>\n\n\n\n

F\u00fcr Bahnanwendungen mit geringer Leistungsaufnahme ist die TMR 6WIR-Serie<\/a> mit 6 Watt eine kompakte L\u00f6sung. Der voll geregelte und isolierte DC\/DC-Wandler im SIP-8-Metallgeh\u00e4use belegt nur wenig Leiterplattenfl\u00e4che. Ein typischer Anwendungsfall im Eisenbahnbereich sind T\u00fcrsteuerungssysteme.<\/p>\n\n\n\n

Ein weiterer kompakter DC\/DC-Wandler im 1″x2″ Industriestandard und mit flachem Metallgeh\u00e4use ist die 20-Watt-Serie TEN 20WIN<\/a>. Typische Anwendungen f\u00fcr diese Serie sind On-Board-Kommunikationssysteme.<\/p>\n\n\n\n

Der TFI 300<\/a>, ein 300-Watt-\u00dcberspannungsfilter, erf\u00fcllt den RIA12-\u00dcberspannungsstandard – siehe Abb. 5. Vor einem DC\/DC-Wandler platziert, sch\u00fctzt der TFI den Wandler vor Sch\u00e4den, indem er Prim\u00e4rspannungen von mehr als 168 VDC aktiv unterdr\u00fcckt. Der Filter erf\u00fcllt die h\u00f6here Spezifikation von RIA12, die Transienten von 20 ms bei 385 VDC zul\u00e4sst.<\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 5 – Der RIA12-konforme \u00dcberspannungsfilter TFI 300 von Traco Power (Quelle: Traco Power)<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Bahnanwendungen erfordern zuverl\u00e4ssige und robuste Stromversorgungen<\/h2>\n\n\n\n

DC\/DC-Stromversorgungen f\u00fcr Bahnanwendungen m\u00fcssen besondere elektrische Eigenschaften haben, insbesondere einen Weitbereichseingang. Denn prim\u00e4rseitig d\u00fcrfen 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 sorgf\u00e4ltig pr\u00fcfen sollten. Die Einhaltung der einschl\u00e4gigen Bahnnormen, EMV, ESD und Umweltauswirkungen ist erforderlich.<\/p>\n\n\n\n

Distrelec<\/a> ist ein autorisierter Distributor f\u00fcr DC\/DC-Wandler f\u00fcr Bahnanwendungen von Traco Power<\/a>.<\/p>\n\n\n\n

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