Di tutti i settori in cui gli alimentatori devono funzionare in modo affidabile, quello in cui è richiesta l’esposizione agli elementi deve essere il più esigente. Consideriamo il trasporto ferroviario, per esempio. Le parti dell’impianto elettrico di un motore, delle carrozze passeggeri e dei camion merci possono essere montate all’esterno e soggette all’ingresso di acqua, olio e molti tipi diversi di particelle di polvere. Anche se montati all’interno di una carrozza, possono comunque subire quotidianamente urti e forti vibrazioni. Ci sono anche condizioni elettriche che spesso comportano grandi sbalzi di tensione, perdita momentanea di potenza e violenti transienti.
Questo articolo esamina alcune delle sfide operative che le applicazioni ferroviarie sperimentano e spiega perché è necessario comprendere le considerazioni tecniche prima di selezionare gli opportuni alimentatori.
Fornire un’alimentazione affidabile nel complesso ambiente ferroviario
Dal punto di vista del passeggero, la maggior parte delle carrozze ferroviarie moderne sono confortevoli, ben illuminate e dotate di tecnologia moderna. I posti a sedere offrono in genere prese di corrente e alimentazione USB. I display informativi indicano i progressi del viaggio e la probabilità di ritardi. Dietro le quinte, il Wi-Fi pubblico, i sistemi di riscaldamento e ventilazione della carrozza e i sistemi di informazioni e intrattenimento online intrattengono i passeggeri e rendono il viaggio piacevole. Le caratteristiche di sicurezza come i rilevatori di fumo e le telecamere di sicurezza sono onnipresenti. I controlli delle porte, gli apri-porta e l’illuminazione di emergenza sono tutti basati su sistemi elettronici oggi, e come tutto il resto messo in evidenza, tutti richiedono energia. Inoltre, i sistemi basati sull’elettronica e gli alimentatori associati sono suscettibili alle variazioni di tensione, alle interruzioni e alle condizioni ambientali.
L’alimentazione è probabilmente qualcosa che tutti noi diamo per scontato nelle nostre case e uffici. Le interruzioni di corrente sono in genere poco frequenti e l’accesso a un’alimentazione principale affidabile e stabile diventa la norma. Tuttavia, per le applicazioni ferroviarie e altre applicazioni di trasporto, la stabilità e l’affidabilità dell’alimentazione non sono così scontate.
Comprendere le sfide elettriche e ambientali delle applicazioni ferroviarie
L’elettricità disponibile su un treno proviene da un generatore collegato al motore principale o tramite un pantografo aereo. Entrambi sono soggetti a picchi di tensione, sovratensioni e cadute – alcune di queste derivano dalla miriade di apparecchiature elettriche ed elettromeccaniche utilizzate per i sistemi del materiale rotabile, come la frenatura. Capita anche che si verifichino interruzioni momentanee della fornitura.
Un altro aspetto significativo di un’applicazione ferroviaria sono le condizioni ambientali di funzionamento. Alcuni sistemi sono montati all’esterno, soggetti a condizioni meteorologiche estreme, pioggia, neve, ghiaccio e alle relative oscillazioni di temperatura. La polvere, in particolare con elementi conduttivi, è un pericolo considerevole. Anche all’interno della carrozza passeggeri, la condensa si verifica regolarmente. Esistono inoltre molti scossoni, vibrazioni e forze di movimento rapido che tutti noi viviamo.
Quando si seleziona un alimentatore per un’applicazione ferroviaria, bisogna indagare su diverse considerazioni vitali, a partire dalla tensione di alimentazione.
Fonti di tensione ferroviaria
La maggior parte delle alimentazioni ferroviarie per le apparecchiature basate sull’elettronica sono in corrente continua, sottolineando l’applicazione con convertitori DC/DC. Come già evidenziato, l’alimentazione nella terminologia elettrica è rumorosa. Nel corso dell’evoluzione dei sistemi elettrici ferroviari, sono emersi degli standard che forniscono una serie di requisiti relativamente ben definiti in base ai quali un alimentatore dovrebbe funzionare. La norma EN 50155:2017 è lo standard principale che copre la maggior parte delle apparecchiature per le caratteristiche di tensione, ambientali e di sicurezza. Lo standard stabilisce diverse tensioni nominali di lavoro (Vnom), tre delle quali sono illustrate nella Figura 1. La gamma di tensione operativa continua è colorata in grigio, e il ‘brown out’, cioè un abbassamento o un calo breve della tensione d’ingresso per 100 ms, è colorato in rosso. La barra nera definisce una gamma di tensione di picco.
Qualsiasi convertitore DC/DC selezionato per un’applicazione ferroviaria deve essere conforme alla norma EN 50155, e di conseguenza, molti convertitori adatti possono ospitare una gamma di tensione d’ingresso di almeno 4:1. Per esempio, basandosi su un nominale di 24 VDC, la gamma di tensione d’ingresso è da 9 VDC a 36 VDC. Al di fuori di queste specifiche, i condensatori di mantenimento addizionali forniscono un breve periodo di funzionamento continuo e devono sopravvivere alle sovratensioni. In una certa misura, le tensioni di sovratensione possono essere soppresse con morsetti attivi, anche se l’energia coinvolta può essere sostanziale. Lo standard ferroviario, RIA12, richiede un’immunità estesa a sovratensioni fino a 8,5 kV di 100 ns di durata.
Immunità elettromagnetica (EMI), compatibilità elettromagnetica (EMC) e scarica elettrostatica (ESD)
Brevi transitori ad alta tensione della durata di nanosecondi (alti dV/dt) di migliaia di volt possono facilmente danneggiare o interrompere il funzionamento di sistemi elettronici sensibili. Tali transitori possono essere irradiati elettromagneticamente o condotti attraverso i binari di alimentazione. La funzione di un alimentatore dovrebbe causare problemi o interferire con altre apparecchiature. Allo stesso modo, un alimentatore deve essere immune da qualsiasi emissione da altre fonti elettromagnetiche.
L’EMC si riferisce al fatto che, per esempio, un convertitore DC/DC crei delle emissioni elettromagnetiche, e si applicano gli standard EN 61000-4 (irradiato) e EN 50121-3-2 (condotto).
EN 61000-4 copre anche l’immunità elettromagnetica alle emissioni irradiate e condotte, sovratensioni, transitori veloci ad alta tensione e scariche elettrostatiche.
Shock, vibrazioni e considerazioni ambientali
Gli urti e le vibrazioni sono forse le forze meccaniche più significative a cui è esposto un convertitore DC/DC. La norma EN 61373 stabilisce diverse categorie a seconda del luogo di montaggio. Le forze minori sono sperimentate sul o nel corpo del materiale rotabile, mentre il montaggio su un gruppo di assi è il più severo.
Gli standard ambientali come la temperatura e l’umidità sono dettagliati dalla norma EN 50155, classificati in base al luogo di montaggio, in un cubicolo interno o esterno. L’impatto dello shock termico improvviso tra temperature significativamente diverse che può potenzialmente portare alla condensazione è un altro requisito di questo standard.
Per ragioni di sicurezza dei passeggeri, i convertitori DC/DC utilizzati nelle applicazioni ferroviarie devono anche essere conformi alla norma EN 45545-2. Questo standard definisce i materiali utilizzati per la costruzione del convertitore, se può innescare un incendio, e il suo utilizzo.
Selezione degli alimentatori adatti per le applicazioni ferroviarie
Traco Power produce una gamma di convertitori DC/DC certificati per l’uso in applicazioni ferroviarie. La Figura 2 evidenzia il portafoglio di convertitori CC/CC di Traco per una varietà di casi d’uso.
Per esempio, la serie THN di convertitori DC/DC incapsulati in metallo da 20 Watt si adatta all’uso nei sistemi di controllo del clima e offre un’alta efficienza di conversione, in genere il 91%, e si adatta a una gamma di tensione di ingresso 4:1. Vedere la figura 3. Questo convertitore montato su scheda, che misura solo 2,54 cm x 2,54 cm, ha un isolamento da ingresso a uscita di 3 kV ed è conforme agli standard EN 50155, EN 61373 e EN 45545-2.
Per soddisfare i requisiti di carichi più elevati, come i display esterni, la serie TEQ, vedi Figura 4, fornisce fino a 300 Watt e 900 Watt combinando tre convertitori in una disposizione di condivisione della potenza. Questo convertitore ad alta densità di potenza, raffreddato a convezione, è confezionato in un robusto contenitore metallico sigillato con alette di raffreddamento.
Con un intervallo estremamente ampio di tensione d’ingresso 12:1, la serie TEP 40UIR da 40 Watt è alloggiata in un compatto case metallico standard del settore. Le applicazioni tipiche includono il controllo dei freni e le applicazioni di controllo degli interruttori/segnali. La serie TEP 40 UIR comprende due varianti di tensione d’ingresso basate su ingressi nominali da 36 VDC o 110 VDC. Entrambe le versioni offrono la popolare tensione di uscita nominale di 5 VDC, 12 VDC, 15 VDC, 24 VDC e 48 VDC.
Per le applicazioni ferroviarie che richiedono convertitori DC/DC compatti, completamente regolati e isolati a bassa potenza, la serie TMR 6WIR da 6 Watt offre una soluzione ideale. La serie montata su scheda utilizza un formato di costruzione SIP-8 metal case per occupare un’area minima del PCB. Un tipico caso d’uso ferroviario è per i sistemi di controllo delle porte.
Un altro convertitore DC/DC compatto in un fattore di forma standard industriale di 1 pollice x 2 pollici in un contenitore metallico a basso profilo è la serie TEN 20WIN da 20 Watt. I sistemi di comunicazione a bordo sono applicazioni tipiche per questa serie.
Il TFI 300, un filtro per sovratensioni da 300 Watt, che fornisce la conformità allo standard RIA12 per le sovratensioni – vedi Figura 5. Posto davanti a un convertitore DC/DC, il TFI protegge il convertitore dai danni bloccando attivamente la sua tensione d’ingresso che supera i 168 VDC. Il filtro è conforme alla specifica superiore del RIA12 che permette transitori di 20 ms a 385 VDC.
Le applicazioni ferroviarie richiedono alimentatori affidabili e robusti
Quando si tratta di far funzionare apparecchiature alimentate in corrente continua in ambienti difficili, le applicazioni ferroviarie sono in cima alla lista. Questo articolo evidenzia alcuni dei fattori essenziali che gli ingegneri dovrebbero esaminare attentamente quando selezionano i prodotti adatti. La conformità con gli standard ferroviari specifici che coprono le rotaie di alimentazione di tensione, EMC, EMC & ESD, e le condizioni operative ambientali sono obbligatorie.
Distrelec è un distributore autorizzato di prodotti convertitori DC/DC a omologazione ferroviaria di Traco Power.
