De tous les secteurs dans lesquels les alimentations électriques doivent fonctionner de manière fiable, tout ce qui nécessite une exposition aux éléments doit être le plus exigeant. Prenons l’exemple du transport ferroviaire. Certaines pièces électriques d’un moteur, de voitures de passagers et de camions de marchandises peuvent être montées à l’extérieur et soumises à la pénétration d’eau, d’huile et de nombreux types différents de particules de poussière. Même s’ils sont montés à l’intérieur d’une voiture, ils peuvent subir quotidiennement des chocs et de fortes vibrations. Puis il y a les conditions électriques qui impliquent fréquemment de grandes variations de tension, des pertes momentanées de puissance et des transitoires puissants.
Cet article examine certains des défis opérationnels auxquels sont confrontées les applications ferroviaires et explique pourquoi il est indispensable de comprendre les aspects techniques avant de choisir une alimentation appropriée.
Fournir une alimentation fiable dans un environnement ferroviaire difficile
Du point de vue des passagers, la plupart des voitures ferroviaires modernes sont confortables, bien éclairées et équipées de technologies modernes. Les sièges sont généralement équipés de prises de courant et de prises USB. Des écrans d’information indiquent le déroulement du voyage et la probabilité d’un retard. Le Wi-Fi public, les systèmes de chauffage et de ventilation des voitures et les systèmes d’infodivertissement en ligne occupent les passagers et rendent le voyage agréable. Les dispositifs de sécurité tels que les détecteurs de fumée et les systèmes de vidéosurveillance sont omniprésents. Les commandes de portes, les ouvre-portes et l’éclairage de secours sont tous basés sur des systèmes électroniques aujourd’hui, et comme tout le reste, ils ont tous besoin d’énergie. De plus, les systèmes électroniques et les alimentations associées sont sensibles aux variations de tension, aux interruptions et aux conditions environnementales.
L’électricité est probablement quelque chose que nous considérons tous comme acquis dans nos maisons et nos bureaux. Les coupures de courant sont généralement peu fréquentes et l’accès à une alimentation principale fiable et stable devient la norme. Cependant, pour les applications ferroviaires et autres applications de transport, la stabilité et la fiabilité de l’alimentation électrique ne sont pas aussi assurées.
Comprendre les défis électriques et environnementaux des applications ferroviaires
L’électricité disponible dans un train provient d’un générateur fixé à la locomotive principale ou d’un pantographe suspendu. Tous deux sont soumis à des pics de tension, à des surtensions et à des chutes de tension, dont certaines résultent de la myriade d’équipements électriques et électromécaniques utilisés pour les systèmes de matériel roulant, comme le freinage. Des interruptions momentanées de courant se produisent également.
Les conditions environnementales de fonctionnement constituent un autre aspect important d’une application ferroviaire. Certains systèmes sont montés à l’extérieur, soumis à des conditions météorologiques extrêmes, à la pluie, à la neige, à la glace et aux variations de température qui en découlent. Les poussières, notamment celles qui contiennent des éléments conducteurs, constituent un danger particulier. Même à l’intérieur de la voiture des passagers, la condensation se produit régulièrement. Ensuite, il y a les nombreuses secousses, vibrations et forces de mouvement rapide que nous subissons tous.
Lors de la sélection d’une alimentation pour une application ferroviaire, examinons plusieurs considérations essentielles, à commencer par la tension d’alimentation.
Sources de tension ferroviaire
La plupart des alimentations ferroviaires pour les équipements basés sur l’électronique sont en courant continu, ce qui souligne l’application utilisant des convertisseurs DC/DC. Comme nous l’avons déjà souligné, l’alimentation en terminologie électrique est bruyante. Au fil de l’évolution des systèmes électriques ferroviaires, des normes sont apparues qui fournissent une spécification relativement bien définie dans le cadre de laquelle une alimentation électrique doit fonctionner. La norme EN 50155:2017 est la principale norme couvrant la plupart des équipements pour les caractéristiques de tension, d’environnement et de sécurité. La norme stipule plusieurs tensions de fonctionnement nominales (Vnom), dont trois sont illustrées à la figure 1. La plage de tension de fonctionnement continue est colorée en gris, et la tension de “brown out”, essentiellement une baisse ou une chute de courte durée de la tension d’entrée pendant 100 ms, en rouge. La barre noire définit une plage de tension de surtension.
Tout convertisseur DC/DC sélectionné pour une application ferroviaire doit être conforme à la norme EN 50155 et, par conséquent, de nombreux convertisseurs appropriés peuvent s’adapter à une plage de tension d’entrée d’au moins 4:1. Par exemple, sur la base d’un nominal de 24 VDC, la plage de tension d’entrée est de 9 VDC à 36 VDC. En dehors de ces spécifications, des condensateurs de maintien supplémentaires assurent une brève période de fonctionnement continu et doivent survivre aux surtensions. Dans une certaine mesure, les surtensions peuvent être supprimées avec un calage actif, bien que l’énergie impliquée puisse être substantielle. La norme ferroviaire RIA12 exige une immunité étendue aux surtensions jusqu’à 8,5 kV d’une durée de 100 ns.
Immunité électromagnétique (IEM), compatibilité électromagnétique (CEM) et décharges électrostatiques (D.E.S)
Des transitoires haute tension (dV/dt élevé) de plusieurs milliers de volts, d’une durée de quelques nanosecondes, peuvent facilement endommager ou perturber le fonctionnement de systèmes électroniques sensibles. Ces transitoires peuvent être rayonnés électromagnétiquement ou conduits par les rails d’alimentation. La fonction d’une alimentation doit causer des problèmes ou interférer avec d’autres équipements. Le fonctionnement d’une alimentation électrique ne doit pas causer de problèmes ou interférer avec d’autres équipements.
La CEM consiste à déterminer si, par exemple, un convertisseur DC/DC génère des émissions électromagnétiques. Les normes EN 61000-4 (rayonnées) et EN 50121-3-2 (conduites) s’appliquent.
La norme EN 61000-4 couvre également l’immunité électromagnétique aux émissions rayonnées et conduites, aux surtensions, aux transitoires rapides à haute tension et aux décharges électrostatiques.
Chocs, vibrations et considérations environnementales
Les chocs et les vibrations sont peut-être les forces mécaniques les plus importantes auxquelles un convertisseur DC/DC est exposé. La norme EN 61373 prévoit différentes catégories en fonction de l’emplacement de montage. Les forces mineures sont subies sur ou dans le corps du matériel roulant, tandis que le montage sur un ensemble d’essieux est le plus sévère.
Les normes environnementales telles que la température et l’humidité sont détaillées par la norme EN 50155, classées en fonction de l’emplacement de montage, soit dans une cabine intérieure, soit à l’extérieur. L’impact d’un choc thermique soudain entre des températures fortement différentes qui peut potentiellement entraîner de la condensation est une autre exigence de cette norme.
Pour des raisons de sécurité des passagers, les convertisseurs DC/DC utilisés dans les applications ferroviaires doivent également être conformes à la norme EN 45545-2. Cette norme définit les matériaux utilisés pour la construction du convertisseur, la possibilité qu’il déclenche un incendie et son utilisation.
Comment choisir une alimentation pour les applications ferroviaires et de transport
Traco Power fabrique une gamme de convertisseurs DC/DC certifiés pour une utilisation dans les applications ferroviaires. La figure 2 met en évidence le portefeuille de convertisseurs DC/DC de Traco pour une variété de cas d’utilisation.
Par exemple, la série THN de convertisseurs DC/DC de 20 watts avec boîtier métallique convient aux systèmes de climatisation et offre un rendement de conversion élevé, généralement de 91 %, et s’adapte à une plage de tension d’entrée de 4:1. Voir la figure 3. Ce convertisseur monté sur carte, qui ne fait que 2,54 cm x 2,54 cm, présente une isolation entrée-sortie de 3 kV et est conforme aux normes EN 50155, EN 61373 et EN 45545-2.
Pour répondre aux exigences de charges plus élevées, telles que les écrans externes, la série TEQ, voir figure 4, fournit jusqu’à 300 watts et 900 watts en combinant trois convertisseurs dans un arrangement de partage de puissance. Ce convertisseur à haute densité de puissance, refroidi par convection, est logé dans un boîtier métallique étanche et robuste avec des ailettes de refroidissement.
Avec une plage de tension d’entrée exceptionnellement élevée et ultra-large de 12:1, la série TEP 40UIR de 40 watts est logée dans un boîtier métallique en format quarter brick conforme aux normes industrielles. Les applications typiques comprennent la commande de frein et les applications de commande de commutateur/signal. La série TEP 40 UIR comprend deux variantes de tension d’entrée basées sur des entrées nominales de 36 VDC ou 110 VDC. Les deux versions offrent la tension de sortie nominale populaire de 5 VDC, 12 VDC, 15 VDC, 24 VDC et 48 VDC.
Pour les applications ferroviaires nécessitant des convertisseurs DC/DC compacts, entièrement régulés et isolés de faible puissance, la série TMR 6WIR de 6 watts constitue une solution idéale. La série montée sur carte utilise un format de construction de boîtier métallique SIP-8 pour occuper une surface minimale de carte de circuit imprimé. Les systèmes de contrôle des portes constituent un cas d’utilisation typique dans le secteur ferroviaire.
Un autre convertisseur DC/DC compact dans un facteur de forme standard de 1 pouce x 2 pouces dans un boîtier métallique à profil bas est la série 20 Watt TEN 20WIN. Les systèmes de communication embarqués sont des applications typiques de cette série.
Le TFI 300, un filtre de surtension de 300 watts, est conforme à la norme de surtension RIA12 (voir la figure 5). Placé devant un convertisseur DC/DC, le TFI protège le convertisseur des dommages en bloquant activement sa tension d’entrée au-delà de 168 VDC. Le filtre est conforme à la spécification supérieure de RIA12 qui autorise des transitoires de 20 ms à 385 VDC.
Les applications ferroviaires exigent des alimentations fiables et robustes
Lorsqu’il s’agit de faire fonctionner des équipements alimentés en courant continu dans des environnements exigeants, les applications ferroviaires figurent en bonne place sur la liste. Cet article met en évidence certains des facteurs essentiels que les ingénieurs doivent examiner attentivement lors de la sélection des produits appropriés. La conformité aux normes ferroviaires spécifiques couvrant les rails d’alimentation en tension, la CEM, la CEM et l’ESD, ainsi que les conditions environnementales de fonctionnement sont obligatoires.
Distrelec est un distributeur agréé des convertisseurs DC/DC pour le secteur ferroviaire de Traco Power.
