Av alla områden där strömförsörjningen behöver fungera pålitligt, måste det som kräver exponering för elementen vara det mest krävande. Ta järnvägstransport, till exempel. Delar av den elektriska installationen av en motor, personvagnar och godsvagnar kan monteras externt och utsättas för inträngning av vatten, olja och många olika typer av dammpartiklar. Även om de är monterade i en vagn kan de fortfarande kontinuerligt utsättas för stötar och svåra vibrationer. Sedan finns det de elektriska förhållandena som ofta innebär stora spänningssvängningar, tillfällig strömförlust och kraftfulla transienter.
Denna artikel undersöker några av de operativa utmaningar som järnvägsapplikationer upplever och varför förståelse för de tekniska övervägandena är ett måste innan du väljer lämplig strömförsörjning.
Tillhandahåller tillförlitlig försörjning i den utmanande järnvägsmiljön
Ur ett passagerarperspektiv är de flesta moderna järnvägsvagnar bekväma, väl upplysta och utrustade med modern teknik. Sittplatser erbjuder vanligtvis eluttag och USB-strömförsörjning. Informationsdisplayer visar framfarten längs resan och sannolikheten för förseningar. Bakom kulisserna, publikt Wi-Fi, värme- och ventilationssystem för vagnar och online-infotainmentsystem underhåller passagerare och gör resan trevlig. Säkerhetsfunktioner som rökdetektorer och säkerhetsövervakning är hela tiden närvarande. Dörrkontroller, dörröppnare och nödbelysning är alla baserade på elektroniksystem idag, och som allt annat påvisat kräver de alla ström. Dessutom är elektronikbaserade system och tillhörande strömförsörjningar mottagliga för spänningsvariationer, avbrott och miljöförhållanden.
Strömförsörjning är förmodligen något vi alla tar för givet i våra hem och kontor. Strömavbrott är normalt ovanliga, och tillgång till pålitlig och stabil huvudströmförsörjning är normen. För järnvägs- och andra transportapplikationer är dock strömförsörjningens stabilitet och tillförlitlighet inte lika säker.
Förstå de elektriska och miljömässiga utmaningarna för järnvägsapplikationer
Elen som finns på ett tåg kommer från en generator som är ansluten till huvudmotorn eller via en pantograf ovanför. Båda utsätts för spänningstoppar, överspänning och avbrott—några av dessa beror på en myriad av elektrisk och elektromekanisk utrustning som används för rullande materielsystem, till exempel bromsning. Även momentana avbrott uppstår i försörjningen.
En annan viktig aspekt i en järnvägsapplikation är miljöförhållandena. Vissa system är monterade externt, utsatta för extrema väderförhållanden, regn, snö, is och tillhörande temperatursvängningar. Damm, särskilt med ledande inslag, är en särskild fara. Även inne i passagerarvagnen uppstår regelbundet kondens. Sedan finns det de många rycken, vibrationerna och snabba rörelsekrafterna som vi alla upplever.
När vi väljer en strömförsörjning för en järnvägsapplikation, låt oss undersöka flera viktiga överväganden, som börjar med matningsspänningen.
Järnvägsspänningskällor
De flesta järnvägsförsörjningar för elektronikbaserad utrustning är DC, vilket betonar användandet av DC/DC-omvandlare. Som redan framhållits är försörjningen inom elektrisk terminologi störfylld. Under utvecklingens gång av järnvägselektriska system har standarder framkommit som ger en relativt väldefinierad specifikation enligt vilken en strömförsörjning ska fungera. EN 50155: 2017 är den huvudsakliga standarden som täcker mest utrustning för spänning, miljö och säkerhet. Standarden föreskriver flera nominella arbetsspänningar (Vnom), varav tre är illustrerade i figur 1. Det kontinuerliga driftspänningsområdet är färgat grått och spänningsfallet, i huvudsak en kortvarig nedgång eller minskning av inspänningen i 100 ms i rött. Den svarta stapeln definierar ett överspänningsområde.
Alla DC/DC-omvandlare som selekteras för en järnvägsapplikation måste uppfylla EN 50155, och därför kan många lämpliga omformare rymma ett inspänningsområde på minst 4:1. Till exempel, baserat på en nominell 24 VDC, är inspänningsområdet 9 VDC till 36 VDC. Utöver dessa specifikationer ger ytterligare hold-up-kondensatorer en kort period av fortsatt drift och behöver tåla överspänningar. I viss utsträckning kan överspänningar undertryckas med aktiv dämpning, även om den involverade energin kan vara betydande. Järnvägsstandard, RIA12, kräver utökad immunitet mot överspänning upp till 8,5 kV i 100 ns varaktighet.
Elektromagnetisk immunitet (EMI), elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) och elektrostatisk urladdning (ESD)
Kortvariga nanosekunds högspänningstransienter (hög dV/dt) på tusentals volt kan lätt skada eller störa driften av känsliga elektroniska system. Sådana transienter kan utstrålas elektromagnetiskt eller ledas genom strömförsörjningsledningarna. Strömförsörjningens funktion bör ej orsaka problem eller störa annan utrustning. På samma sätt måste en strömförsörjning vara immun mot störningar från andra elektromagnetiska källor.
EMC avser huruvida till exempel en DC/DC-omvandlare skapar några elektromagnetiska störningar, och standarder, EN 61000-4 (utstrålad) och EN 50121-3-2 (via ledare) gäller.
EN 61000-4 täcker också elektromagnetisk immunitet mot strålad och ledningsledda emissioner, överspänningar, snabba högspänningstransienter och elektrostatisk urladdning.
Stötar, vibrationer och miljöhänsyn
Stötar och vibrationer är kanske de mest betydande mekaniska krafter som en DC/DC-omvandlare utsätts för. Standard EN 61373 anger olika kategorier beroende på monteringsplatsen. Mindre kraft upplevs på eller i rullande materielkropp, medan montering på en axelanordning är den tuffaste.
Miljöstandarder som temperatur och luftfuktighet är detaljerade enligt EN 50155, kategoriserade enligt monteringsplatsen, antingen internt i ett skåp eller externt. Effekten av plötslig temperaturchock mellan väsentligt olika temperaturer som potentiellt kan leda till kondens är ett annat krav i denna standard.
Av säkerhetsskäl för passagerare måste DC/DC-omvandlare som används i järnvägsapplikationer också uppfylla EN 45545-2. Denna standard definierar de material som används för konstruktionen av omvandlaren, om den kan starta en brand och dess användning.
Välja lämplig strömförsörjning för järnvägsapplikationer
Traco Power tillverkar en rad DC/DC-omvandlare som är certifierade för användning i järnvägsapplikationer. Figur 2 belyser Tracos portfölj av DC/DC-omvandlare för olika användningsfall.
Till exempel passar THN-serien metallinkapslade 20 Watt DC/DC-omvandlare för användning i klimatkontrollsystem och erbjuder en hög omvandlingsverkningsgrad, vanligtvis 91 %, och har 4:1 inspänningsområde. Se figur 3. Denna kortmonterade omvandlare, som bara mäter 2.54 cm x 2.54 cm, har ingång till utgångsisolation 3 kV och överensstämmer med standarderna EN 50155, EN 61373 och EN 45545-2.
För att uppfylla kraven på högre belastning, till exempel externa skärmar, ger TEQ-serien, se figur 4, upp till 300 Watt och 900 Watt genom att kombinera tre omvandlare i en kraftdelningslösning. Denna konvektorkylda omvandlare med hög effektdensitet är förpackad i en robust förseglad metallkapsling med kylelement.
Med ett exceptionellt högt, ultrabrett 12:1 inspänningsområde, är TEP 40UIR-serien på 40 Watt inrymd i en branschstandard kvartsmetallkapsling. Typiska tillämpningar inkluderar bromsstyrning och omkopplings-/signalstyrningsapplikationer. TEP 40 UIR-serien består av två inspänningsvarianter baserade på 36 VDC eller 110 VDC nominell inspänning. Båda versionerna erbjuder de vanliga nominella utspänningarna 5 VDC, 12 VDC, 15 VDC, 24 VDC och 48 VDC.
För järnvägsapplikationer som kräver kompakta, fullt reglerade och isolerade lågeffekt-DC/DC-omvandlare är TMR 6WIR-serien på 6 Watt en idealisk lösning. Den kortmonterade serien använder ett SIP-8 metallkapslingsformat för att uppta minimal kretskortsyta. Ett typiskt användarfall för järnväg är för dörrkontrollsystem.
En annan kompakt DC/DC-omvandlare i branschstandard 1 tum x 2 tum lågprofilmetallkapsling är 20 Watt TEN 20WIN-serien. Inbyggda kommunikationssystem är typiska tillämpningar för denna serie.
För att uppfylla RIA12-överspänningsstandarden är TFI 300, ett 300 W-överspänningsfilter – se figur 5. TFI placeras framför en DC/DC-omvandlare och skyddar omvandlaren från skador genom att aktivt dämpa ingångsspänning som överstiger 168 VDC. Filtret överensstämmer med den högre specifikationen för RIA12 som tillåter transienter på 385 VDC under 20 ms.
Järnvägsapplikationer kräver pålitliga och robusta strömförsörjningar
När det gäller drift av DC-driven utrustning i utsatt miljö står järnvägsapplikationer högt på listan. Denna artikel belyser några av de väsentliga faktorer som ingenjörer noggrant bör granska när de väljer lämpliga produkter. Överensstämmelse med specifika järnvägsstandarder som täcker strömförsörjningsledning, EMI, EMC & ESD och miljöförhållanden är obligatoriska.
Elfa Distrelec är en auktoriserad distributör av järnvägsgodkända DC/DC -omvandlare från Traco Power.
