Av alle sektorene som strømforsyninger må fungere pålitelig i, må de som krever eksponering for elementene være de mest krevende. Ta for eksempel jernbanetransport. Deler av den elektriske installasjonen av en motor, personvogner og godsvogner må monteres eksternt og utsettes for inntrengning av vann, olje og mange forskjellige typer partikler. Og om de er montert inne i en vogn, vil de også der bli utsatt for fysiske støt og kraftige vibrasjoner daglig. I tillegg kommer de elektriske forholdene som ofte involverer store spenningssvingninger, plutselig bortfall av effekt og kraftige transienter.
Denne artikkelen tar for seg noen av de operasjonelle utfordringene som dukker opp ved installasjoner innen jernbane, og hvorfor forståelse av de tekniske hensynene er et must når du velger passende strømforsyninger.
Å sørge for pålitelig kraft i et krevende jernbanemiljø
Fra passasjerenes perspektiv er de fleste moderne jernbanevogner komfortable, godt opplyste og utstyrt med moderne teknologi. Sitteplasser har vanligvis strømuttak og USB-uttak. Informasjonsskjermer viser hvor langt man har kommet på reisen og sannsynligheten for forsinkelser. Offentlig Wi-Fi, oppvarmings- og ventilasjonssystemer i vognene og infotainmentsystemer gjør turen behagelig. Sikkerhetsfunksjoner som røykvarslere og sikkerhetskameraer er allestedsnærværende. Dørkontroller, døråpnere og nødbelysning er alle elektronisk styrt i dag, og som alt annet som er nevnt krever de strøm. Slike elektronikkbaserte systemer og tilhørende strømforsyninger utsatt for spenningsvariasjoner, avbrudd og miljøpåvirkning.
Strømforsyning er sannsynligvis noe vi alle tar for gitt i våre hjem og på arbeidsplassen. Strømbrudd er vanligvis uvanlig og tilgang til en pålitelig og stabil hovedstrømforsyning er normen. Men for jernbane- og andre transportapplikasjoner er ikke stabiliteten og påliteligheten til strømforsyningen like sikker.
Forstå de elektriske og miljømessige utfordringene ved jernbaneapplikasjoner
Strømmen som er tilgjengelig på et tog kommer fra en generator koblet til hovedmotoren eller via en overliggende strømavtaker. Begge er utsatt for spennings-topper, overspenninger og frafall -noen av disse skyldes et utall elektrisk og elektromekanisk utstyr som brukes til systemer for rullende materiell, for eksempel bremsing. Det oppstår også midlertidige avbrudd i forsyningen.
Et annet vesentlig aspekt ved jernbane er miljøforholdene. Noen systemer er montert eksternt, utsatt for ekstreme forhold som vær, regn, snø, is og temperatursvingninger. Støv, spesielt med elektrisk ledende partikler, er en spesiell fare. Og inne i en passasjervogn oppstår kondens regelmessig. I tilegg har har man stadige fysiske støt, vibrasjoner og raske bevegelseskrefter som vi alle legger merke til.
Når vi velger en strømforsyning for en jernbaneapplikasjon, la oss undersøke flere viktige hensyn, som starter med forsyningsspenningen.
Jernbanens spenningskilder
De fleste jernbaneforsyninger for elektronikkbasert utstyr er DC, med vekt på applikasjonen ved bruk av DC/DC-omformere. Som allerede fremhevet, er forsyningen innen elektrisk terminologi støyende. I løpet av utviklingen av jernbanelektriske systemer har det blitt utarbeidet standarder som gir en relativt veldefinert spesifikasjon som en strømforsyning skal fungere under. EN 50155: 2017 er hovedstandarden som dekker meste av utstyr for spenning, miljø og sikkerhet. Standarden fastsetter flere nominelle arbeidsspenninger (Vnom), hvorav tre er vist i figur 1. Det kontinuerlige driftsspenningsområdet er farget grått, og den “brune” spenningen, i hovedsak en kortsiktig nedgang eller drop i inngangsspenningen for 100 ms i rødt. Den svarte linjen definerer et overspenningsområde.
Enhver DC/DC-omformer valgt for en jernbaneapplikasjon må oppfylle EN 50155, og derfor kan mange egnede omformere ha et inngangsspenningsområde på minst 4: 1. For eksempel, basert på en 24 VDC nominell, er inngangsspenningsområdet 9 VDC til 36 VDC. Utenom disse spesifikasjonene gir ytterligere hold-up-kondensatorer en kort periode med fortsatt drift og må tåle overspenninger. Til en viss grad kan overspenninger undertrykkes med aktive demping, selv om energien som er involvert kan være betydelig. Jernbanestandard RIA12 krever utvidet immunitet mot overspenninger opp til 8,5 kV med 100 ns varighet.
Elektromagnetisk immunitet (EMI), elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) og elektrostatisk utladning (ESD)
Høyspenningstransienter med kort varighet på nanosekunder (høy dV/dt) på tusenvis av volt kan lett skade eller forstyrre driften til følsomme elektroniske systemer. Slike transienter kan utstråles elektromagnetisk eller ledes gjennom strømforsyningsskinner. Funksjonen til en strømforsyning kan forårsake problemer eller forstyrre annet utstyr. På samme måte må en strømforsyning være immun mot utslipp fra andre elektromagnetiske kilder.
EMC angir om for eksempel en DC/DC-omformer skaper elektromagnetiske forstyrrelser, og standardene EN 61000-4 (utstrålt) og EN 50121-3-2 (ledet) gjelder.
EN 61000-4 dekker også elektromagnetisk immunitet mot utstrålt og ledet støy, overspenninger, raske høyspenningstransienter og elektrostatisk utladning.
Fysiske støt, vibrasjoner og miljøhensyn
Fysiske støt og vibrasjon er kanskje de betydeligste mekaniske kreftene som en DC/DC-omformer blir utsatt for. Standard EN 61373 fastsetter forskjellige kategorier avhengig av monteringsstedet. Mindre krefter oppleves på eller inne i togvognene, mens montering på en akselenhet medfører de kraftigste.
Miljøstandarder angående temperatur og fuktighet er beskrevet i henhold til EN 50155, kategorisert i henhold til monteringsstedet, enten i et internt skap eller eksternt. Påvirkningen av plutselig temperatursjokk mellom vesentlig forskjellige temperaturer som potensielt kan resultere i kondens er et annet krav i denne standarden.
Av sikkerhetsmessige årsaker må DC/DC-omformere som brukes i jernbaneapplikasjoner også være i samsvar med EN 45545-2. Denne standarden definerer materialene som brukes for konstruksjonen av omformeren, om den kan starte en brann og bruken av denne.
Velge passende strømforsyninger for jernbaneapplikasjoner
Traco Power produserer en rekke DC/DC-omformere sertifisert for bruk i jernbaneapplikasjoner. Figur 2 fremhever Tracos portefølje av DC/DC-omformere for en rekke bruksområder.
For eksempel passer THN-serien med metall-innkapslede 20 Watt DC/DC-omformere bruk i klimakontrollsystemer og tilbyr en høy konverteringseffektivitet, typisk på 91 %, og har et 4:1 inngangsspenningsområde. Se figur 3. Denne omformeren for kretskortmontering, som måler bare 2,54 cm x 2,54 cm, har inngang til utgangsisolasjon på 3 kV og er i samsvar med EN 50155, EN 61373 og EN 45545-2 standardene.
Oppfyller kravene til høyere belastning, for eksempel eksterne skjermer, TEQ-serien, se figur 4, gir opptil 300 watt og 900 watt ved å kombinere tre omformere i et strømdelingsarrangement. Denne konveksjonskjølte omformeren med høy effekttetthet er pakket i en robust forseglet metallkasse med kjøleribber.
Med et eksepsjonelt høyt, ultrabredt 12:1 inngangsspenningsområde, er TEP 40UIR-serien på 40 Watt inkapslet i et standard quarter-brick-hus. Typiske applikasjoner inkluderer bremsestyring og bryter/signalstyringsapplikasjoner. TEP 40 UIR-serien har to inngangsspenningsvarianter på nominelt 36 VDC eller 110 VDC. Begge versjonene har populære nominelle utgangsspenninger på 5 VDC, 12 VDC, 15 VDC, 24 VDC og 48 VDC.
For jernbaneapplikasjoner som krever kompakte, fullt regulerte og isolerte DC/DC-omformere med lav effekt, er TMR 6WIR-serien på 6 Watt en ideell løsning. Den kortmonterte serien har SIP-8 metallhus for å oppta minimalt med plass på kretskortet. En typisk bruksområde er dørkontrollsystemer på tog.
En annen kompakt DC/DC-omformer med industristandard 1-tommers x 2-tommers formfaktor i en lavprofilert metallkapsling er TEN 20WIN-serien på 20 Watt. Kommunikasjonssystemer er typiske bruksområder for denne serien.
TFI 300 er et overspenningsfilter på 300 Watt, som overholder RIA12-overspenningsstandarden -se figur 5. Plassert foran en DC/DC-omformer beskytter TFI omformeren mot skader ved aktivt å undertrykkke inngangsspenninger over 168 VDC. Filteret samsvarer med den høyere spesifikasjonen av RIA12 som tillater transienter på 20 ms ved 385 VDC.
Jernbaneapplikasjoner krever pålitelige og robuste strømforsyninger
Når det gjelder DC-drift av utstyr i krevende miljøer, er jernbaneapplikasjoner høyt på listen. Denne artikkelen belyser noen av de viktigste faktorene som ingeniører bør vurdere nøye når de velger passende produkter. Overholdelse av spesifikke jernbanestandarder som dekker spenningsforsyningsskinner, EMC, EMC og ESD, og miljøbetingelser er obligatoriske.
Elfa Distrelec er autorisert distributør av jernbanegodkjente DC/DC-omformere fra Traco Power.
