Spośród wszystkich sektorów, w których zasilacze muszą działać niezawodnie, najbardziej wymagające są te narażone na działanie żywiołów. Wystarczy spojrzeć na transport kolejowy. Części instalacji elektrycznej w lokomotywie oraz wagonach pasażerskich i towarowych mogą być zamontowane na zewnątrz, przez co są narażone na działanie wody, oleju i różnego rodzaju pyłów. Jeśli znajdują się wewnątrz wagonu, narażone są na wstrząsy i silne wibracje. Dochodzą do tego warunki elektryczne, które często wiążą się z dużymi wahaniami napięcia, chwilowymi zanikami zasilania i silnymi stanami przejściowymi.
Poniżej opisano niektóre z wyzwań operacyjnych spotykanych w zastosowaniach kolejowych i wyjaśniono, dlaczego zrozumienie uwarunkowań technicznych jest niezbędne przy wyborze odpowiednich zasilaczy.
Niezawodne zasilanie w trudnym środowisku kolejowym
Z punktu widzenia pasażera, większość nowoczesnych wagonów kolejowych jest wygodna, dobrze oświetlona i wyposażona w nowoczesną technologię. Przy miejscach siedzących często spotyka się gniazda zasilania sieciowego oraz USB. Ekrany informują o postępach w podróży i możliwych opóźnieniach. Publiczne sieci Wi-Fi, systemy ogrzewania i wentylacji wagonów oraz internetowe systemy informacyjno-rozrywkowe uprzyjemniają czas podróżującym. Funkcje bezpieczeństwa, takie jak czujniki dymu i telewizja przemysłowa, są powszechnie wykorzystywane. Urządzenia sterujące drzwiami, mechanizmy otwierania drzwi i oświetlenie awaryjne – wszystkie są oparte na systemach elektronicznych i jak wszystkie wymienione powyżej elementy, wymagają zasilania. Co więcej, systemy elektronicznie i podłączone do nich zasilacze są podatne na wahania napięcia, zakłócenia i warunki środowiskowe.
Prąd to coś, co zapewne wszyscy uważamy za oczywiste w naszych domach i biurach. Przerwy w dostawie energii to rzadkość, a dostęp do niezawodnego i stabilnego głównego źródła zasilania stały się normą. Jednak, gdy mówimy o kolei i innych zastosowaniach transportowych, stabilność i niezawodność nie jest gwarantowana.
Elektryczne i środowiskowe wyzwania związane z kolejnictwem
Energia elektryczna dostarczana do pociągu pochodzi z generatora podłączonego do silnika głównego lub z pantografu napowietrznego. W obu przypadkach mogą wystąpić skoki, przepięcia i zaniki napięcia – niektóre z nich wynikają z licznych urządzeń elektrycznych i elektromechanicznych stosowanych w systemach taboru kolejowego, takich jak układy hamulcowe. Zdarzają się także chwilowe przerwy w dostawie prądu.
Kolejnym znaczącym aspektem zastosowań kolejowych są środowiskowe warunki pracy. Systemy montowane na zewnątrz narażone są na ekstremalne warunki pogodowe, deszcz, śnieg, lód i związane z tym wahania temperatury. Szczególne zagrożenie stanowi kusz, zwłaszcza w przypadku elementów przewodzących. Natomiast wewnątrz wagonów pasażerskich regularnie dochodzi do kondensacji pary wodnej. Dochodzą do tego liczne wstrząsy, wibracje i gwałtowne ruchy.
Przy wyborze zasilacza do zastosowań kolejowych należy zwrócić uwagę na kilka istotnych kwestii, zaczynając od napięcia zasilania.
Źródła napięcia stosowane w kolejnictwie
Większość zasilaczy kolejowych dla urządzeń elektronicznych to zasilacze prądu stałego DC, dlatego konieczne jest stosowanie przetwornic DC/DC. Jak już wspomniano, zasilanie w terminologii elektrycznej jest hałaśliwe. Wraz z rozwojem systemów elektrycznych wykorzystywanych w kolejnictwie, wprowadzano normy, które określają specyfikację, w ramach której powinien działać zasilacz. Główną normą obejmującą większość urządzeń pod względem charakterystyki napięciowej, środowiskowej i bezpieczeństwa jest norma EN 50155:2017. Norma ta określa kilka nominalnych napięć roboczych (Vnom), z których trzy przedstawiono na rysunku 1. Zakres ciągłego napięcia roboczego jest oznaczony kolorem szarym, a krótkotrwały spadek lub obniżenie napięcia wejściowego przez 100 ms – kolorem czerwonym. Czarny pasek przedstawia zakres napięcia udarowego.
Każda przetwornica DC/DC wybrana do zastosowania w kolejnictwie musi być zgodna z normą EN 50155, a co za tym idzie, wiele odpowiednich przetwornic może zapewnić zakres napięcia wejściowego co najmniej 4:1. Na przykład, w oparciu o wartość nominalną 24 VDC, zakres napięcia wejściowego wynosi od 9 VDC do 36 VDC. Dodatkowe kondensatory podtrzymujące zapewniają krótki okres ciągłej pracy i muszą być odporne na przepięcia. Do pewnego stopnia, napięcia udarowe mogą być tłumione przez aktywne zaciski, chociaż energia z tym związana może być dość wysoka. Norma kolejowa RIA12 wymaga zwiększonej odporności na przepięcia do 8,5 kV o czasie trwania 100 ns.
Odporność elektromagnetyczna (EMI), kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) i wyładowania elektrostatyczne (ESD)
Nanosekundowe, wysokonapięciowe stany przejściowe (duże dV/dt) o wartości tysięcy woltów mogą łatwo uszkodzić lub zakłócić działanie wrażliwych systemów elektronicznych. Wyładowania te mogą promieniować elektromagnetycznie lub być przewodzone przez szyny zasilające. Funkcjonowanie zasilacza nie powinno być źródłem problemów lub zakłóceń w pracy innych urządzeń. Jednocześnie zasilacz musi być odporny na wszelkie zakłócenia pochodzące z innych źródeł elektromagnetycznych.
EMC określa, czy na przykład przetwornica DC/DC wytwarza jakiekolwiek emisje elektromagnetyczne, a normy EN 61000-4 (dotycząca promieniowania) i EN 50121-3-2 (dotycząca przewodzenia) mają zastosowanie.
Norma EN 61000-4 obejmuje również odporność elektromagnetyczną na emisje promieniowane i przewodzone, przepięcia, szybkie stany przejściowe wysokiego napięcia i wyładowania elektrostatyczne.
Wstrząsy, wibracje i uwarunkowania środowiskowe
Wstrząsy i wibracje są chyba najbardziej znaczącymi siłami mechanicznymi, na jakie narażona jest przetwornica DC/DC. Norma EN 61373 obejmuje różne kategorie w zależności od miejsca montażu. Mniejsze siły występują na lub w nadwoziu taboru kolejowego, natomiast montaż na zespole osi jest najbardziej wymagający.
Wymagania środowiskowe, takie jak temperatura i wilgotność, są wyszczególnione w normie EN 50155 i podzielone na kategorie w zależności od miejsca montażu – w kabinie wewnętrznej lub na zewnątrz. Dodatkowym wymogiem tej normy jest wpływ nagłych wahań temperatury pomiędzy znacząco różnymi temperaturami, które mogą potencjalnie prowadzić do kondensacji.
Ze względu na bezpieczeństwo pasażerów, przetwornice DC/DC używane w kolejnictwie muszą również spełniać wymogi normy EN 45545-2. Norma ta określa materiały użyte do budowy konwertera, ryzyko zaprószenia ognia oraz sposób użytkowania.
Wybór zasilaczy do zastosowań w kolejnictwie
Firma Traco Power produkuje szeroką gamę przetwornic DC/DC zatwierdzonych do użytku w zastosowaniach kolejowych. Rysunek 2 przedstawia ofertę przetwornic DC/DC firmy Traco Power dla różnych zastosowań.
Na przykład seria THN obejmująca 20-watowe przetwornice DC/DC w obudowie metalowej, przeznaczone do stosowania w systemach kontroli klimatu, charakteryzuje się wysoką sprawnością przetwarzania, zwykle 91%, i zakresem napięć wejściowych 4:1. Przetwornica przedstawiona na rysunku 3, o wymiarach zaledwie 2,54 cm × 2,54 cm, jest wyposażona w izolację wejścia i wyjścia 3 kV i spełnia wymagania norm EN 50155, EN 61373 i EN 45545-2.
Seria TEQ przedstawiona na rysunku 4 spełnia wymagania wyższych obciążeń, takich jak zewnętrzne wyświetlacze i zapewnia zasilanie do 300 W i 900 W poprzez wykorzystanie trzech przetwornic w układzie podziału mocy. Przetwornica ta, o wysokiej gęstości mocy, chłodzona przez konwekcję, jest umieszczona w solidnej, szczelnej metalowej obudowie z żeberkami chłodzącymi.
Ze względu na wyjątkowo wysoki, bardzo szeroki zakres napięcia wejściowego 12:1, seria TEP 40UIR o mocy 40 W jest umieszczona w standardowej metalowej obudowie. Najczęściej stosowane są w układach sterowania hamulcami i sterowanie przełącznikami/sygnałami. Seria TEP 40 UIR zawiera dwa warianty napięcia wejściowego oparte na wejściach nominalnych 36 VDC lub 110 VDC. Obie wersje oferują popularne nominalne wartości napięcia wyjściowego 5 VDC, 12 VDC, 15 VDC, 24 VDC i 48 VDC.
Do zastosowań kolejowych wymagających kompaktowych, w pełni regulowanych i izolowanych przetwornic DC/DC o niskiej mocy, idealnym rozwiązaniem jest seria TMR 6WIR o mocy 6 W. Seria urządzeń montowanych na płytce drukowanej wykorzystuje metalową obudowę SIP-8, która zajmuje minimalną powierzchnię płytki PCB. Seria wykorzystywana jest głównie w systemach kontroli drzwi.
Kolejną kompaktową przetwornicą DC/DC o standardowych wymiarach 1 × 2 cale w niskoprofilowej metalowej obudowie jest seria TEN 20WIN o mocy 20 W. Typowymi zastosowaniami dla tej serii są pokładowe systemy komunikacyjne.
Na rysunku 5 przedstawiono TFI 300 – filtr przeciwprzepięciowy o mocy 300 W, spełniający wymagania normy RIA12. Umieszczony przed przetwornicą DC/DC, TFI chroni ją przed uszkodzeniem poprzez aktywne blokowanie napięcia wejściowego przekraczającego 168 VDC. Filtr jest zgodny z wyższą specyfikacją RIA12, która dopuszcza stany przejściowe o czasie trwania 20 ms przy 385 VDC.
Kolejnictwo wymaga niezawodnych i wytrzymałych źródeł zasilania
Zastosowania kolejowe należą do bardzo wymagających pod względem eksploatacji urządzeń zasilanych prądem stałym w wymagających warunkach środowiskowych. W tym artykule opisano niektóre z czynników, które inżynierowie powinni dokładnie przeanalizować przy wyborze odpowiednich produktów. Przestrzeganie specyficznych norm kolejowych dotyczących napięcia zasilania, EMI, EMC i ESD oraz warunków środowiskowych jest niezwykle ważne.
Elfa Distrelec jest autoryzowanym dystrybutorem przetwornic DC/DC do zastosowań w kolejnictwie firmy Traco Power.
