Specialiserede DC/DC-omformere håndterer de unikke udfordringer ved strømforsyning til jernbaner

Moderne jernbanesystemer har en stigende mængde elektronik om bord til funktioner som internetadgang for passagerer, satellitforbindelser, samtaleanlæg og højttalersystemer, navigationsundersystemer, nødradioer, meddelelsesskilte, LED-belysning, informationssystemer, sædeplacerede opladningsstik og andet tilbehør. Der er også delsystemer til batteriopladning, da mange af disse funktioner skal strømforsynes under forbigående strømafbrydelser eller længere perioder med strømsvigt. Hver af disse funktioner har unikke spændingskrav, hvilket fører til anvendelse af mange DC/DC-konvertere til at omforme højere DC-spænding til flere lavere spændinger.

Men designere, der specificerer DC/DC-omformere til brug i jernbaner, skal sikre, at disse omformere kan fungere pålideligt i trange rum under vanskelige elektriske, mekaniske og termiske belastningsforhold. De skal også opfylde en lang række strenge branche- og regulatoriske krav og være nemme at implementere for at spare tid.

Denne artikel undersøger i korte træk kravene til DC/DC-strømomformere til jernbaneapplikationer. Derefter introduceres DC/DC-omformere fra TRACO Power, og det vises, hvordan de kan anvendes til at opfylde disse krav.

Strømfordeling til jernbaner

En typisk strømfordelingsvej til et elektrisk lokomotiv eller en sporvogn har mange lavere spændinger afledt af den primære jævnstrømskilde til køreledningen. Som med alle kritiske applikationer er der obligatoriske industristandarder, der definerer krav til ydeevne på tværs af flere perspektiver.

Den dominerende regulatoriske specifikation for elektronisk udstyr til jernbaner er DS/EN 50155, Jernbaner - Rullende materiel - Elektronisk udstyr. Dette definerer miljø- og serviceforhold, forventninger til pålidelighed, sikkerhed og design- og konstruktionsmetoder. Den dækker også dokumentation og test.

Andre vigtige specifikationer omfatter:

• DS/EN 61373: Jernbaneanvendelser - Rullende materiel - Stød- og vibrationsprøvninger
• DS/EN 61000-4, for elektromagnetisk kompatibilitet (EMC)
• DS/EN 45545-2, Jernbaner - Brandbeskyttelse om bord på jarnbanekøretøjer
• British Railway Industries Association (den britiske brancheforening for jernbaner) standard RIA 12, General Specification for Protection of Traction and Rolling Stock Electronic Equipment from Transients and Surges in DC Control Systems (Generel specifikation for beskyttelse af elektronisk udstyr til trækkraft og rullende materiel mod transienter og overspændinger i DC-styresystemer)

Det er en stor designudfordring at opfylde disse regulatoriske krav, selv hvis gør-det-selv-designet af strømomformeren fungerer efter hensigten under simulering og som prototype på en testbænk. Heldigvis er der ingen grund til at gå gøre det selv vejen. Der findes allerede standardiserede anvendelsesspecifikke DC/DC-omformere, der opfylder jernbanekravene.

For eksempel er TEP 150UIR/TEP 200UIR-familierne to lignende serier af ”half-brick”-størrelse (2,3” x 2,4” x 0,35” - ca. 5,8 cm x 6,1 cm x 0,9 cm) printkortmonterede omformere med en nominel effekt på henholdsvis 150 og 200 watt. De har forstærket 3.000 volt AC (V_AC) input/output (I/O)-isolering og indbygget kortslutnings-, overspændings- og overtemperaturbeskyttelse.

Alle medlemmer af disse to familier har den samme tilslutningskonfiguration og pakkestørrelse på 60 mm × 60 mm × 13 mm (figur 1). Deres effektivitet er ca. 90 %.

Figur 1: Alle medlemmer af TEP 150UIR- og TEP 200UIR-familierne har samme kabinetstørrelse og formfaktor. (Billedkilde: TRACO Power)

TEP 150UIR-serien fungerer fra et ekstremt bredt indgangsspændingsområde på 14 til 160 volt DC (V_DC) og fås i fem udgangspar, der spænder fra 5 volt/30 ampere (A) til 48 volt/3,2 A (figur 2).

Figur 2: TEP 150UIR-serien fås med nominelle spændinger/strømstyrker fra 5 volt/30 A til 48 volt/3,2 A. (Billedkilde: TRACO Power)

Enheden i denne familie med den laveste spænding/højeste strøm er TEP 150-7211UIR, som kan levere op til 30 A ved 5 volt.

TEP 200UIR-serien har samme indgangs- og udgangsspændingsområde, men højere strømme, fra 5 volt/40 A til 48 volt/4,2 A (figur 3).

Figur 3: TEP 200UIR-familien leverer 33 % mere effekt med de samme udgangsspændingsværdier, men højere udgangsstrømme. (Billedkilde: TRACO Power)

Enheden i denne familie med den højeste spænding/laveste strøm er TEP 200-7218UIR, som kan levere op til 4,2 A ved 48 volt, sammenlignet med 3,2 A for dens 150 watt modpart ved samme spænding.

Ved at fastholde en fælles størrelse og et fælles fodaftryk kan brugerne nemt opgradere et kredsløb til at håndtere forskellige behov eller bruge forskellige kort med minimale kabel- og layoutproblemer. De kan også forenkle lagerbeholdningen ved at have færre unikke modeller på lager.

Tre vigtige funktioner

TEP 150UIR- og TEP 200UIR-enhederne har tre enestående funktioner: et bredt indgangsspændingsområde, en forlænget holdetid og aktiv begrænsning af indkoblingsstrøm.

1) Bredt indgangsspændingsområde: Typisk elektronik i industrikvalitet kan opfylde de generelle krav til spænding/strøm, men DC/DC-strømomformere til denne anvendelse skal kunne modstå meget større variationer i indgangsspændingen og en række mulige nominelle værdier (figur 4).

Figur 4: DC-indgangsområderne for forskellige jernbaneanvendelser spænder over et ekstremt bredt område, især når tilladte afvigelser fra nominelle værdier tages med i analysen. (Billedkilde: TRACO Power)

Dette omfatter de tilladte variationer i indgangsspændingen omkring hver nominel værdi:

• Kontinuerligt område = 0,7 til 1,25, × V_NOM
• Underspænding (”brownout”) = 0,6 × V_NOM i 100 millisekunder (ms)
• Overspænding = 1,4 × V_NOM i et sekund

Det er svært at designe en strømomformer, der kan klare underspændinger i 100 ms, mens overspændinger, der varer et sekund, har for meget energi til at de kan klemmes. Derfor skal omformeren fungere i hele det område, der er vist i figur 4, og samtidig have en vis sikkerhedsmargen. I praksis betyder det et inputområde, der spænder over mere end 2,33:1.

Situationen kompliceres af, at den nominelle spænding kan være alt fra 24 V_DC til 110 V_DC. Mange producenter af DC/DC-omformere opfylder disse krav ved at tilbyde omformere med et bredere 4:1 inputområde (typisk 43 til 160 volt) for at dække de fleste applikationer, men en enkelt omformer har typisk ikke været i stand til at opfylde dem alle.

For at løse problemet understøtter TRACO-enhederne et ultrabredt 12:1 inputområde fra 14 til 160 V_DC. Dette udvalg gør det muligt for system-applikationsingeniøren at målrette en række nominelle systemspændinger med en enkelt strømforsyning.

2) Forlænget holdetid: DC-linjen udsættes for hurtige transienter på ±2 kilovolt (kV) med stigetider på 5 nanosekunder (ns), faldtider på 50 ns og en gentagelsesfrekvens på 5 kilohertz (kHz). Der er også overspændinger på ±2 kV linje-til-jord og ±1 kV linje-til-linje med stigningstider på 1,2 mikrosekunder (μs) og faldtider på 50 μs fra en defineret, vekselstrømskoblet kildeimpedans.

Nogle krav går længere end EN 50155 og kræver immunitet over for overspændinger på op til 1,5 x V_NOM i et sekund og 3,5 x V_NOM i 20 ms fra en ekstremt lav kildeimpedans på 0,2 ohm (Ω). For et 110 V_DC-system (nominelt) svarer det til en spidsværdi på 385 V_DC, hvilket er uden for en omformers normale område, især hvis den skal arbejde ned til et underspændingsminimum på 66 V_DC.

Den tilgængelige energi fra en kilde med så lav impedans betyder, at spændingen ikke kan klemmes af en transientspændingsdæmper (transient voltage suppressor/TVS). Afhængigt af effektniveauet er det nødvendigt med en forregulator på forsyningsindgangen eller et kredsløb, der slukker for indgangen under overspændingens varighed. Det er nødvendigt med en holdefunktion i DC/DC-omformeren for at opretholde udgangen i dette tidsrum.

For at løse dette problem har TRACO-enhederne en vigtig funktion i form af BUS-output-ben. Dette output giver en konstant spænding til opladning af en kondensator, så kondensatoren kan levere den energi, der er nødvendig for en længere holdetid (figur 5). Disse kondensatorer er betydeligt mindre og billigere end dem, der bruges i det konventionelle front-end kondensator-holdesystem.

Figur 5: Dette er det anbefalede indgangskredsløb, der skal bruges sammen med C_BUS-buskondensatoren for at forenkle implementeringen af en forlænget holdetid. (Billedkilde: TRACO Power)

Bemærk, at det ikke er nødvendigt at tilføje en seriediode til indgangskredsløbet, da disse omformere har en integreret diode for at undgå kortslutning og sørge for at energien fra kondensatoren fortsat tilgår strømforsyningen.

Når der sker en afbrydelse af forsyningsspændingen, vil indgangsspændingen falde til BUS-spændingen, før kondensatorerne begynder at aflade for at levere energi til kraftmodulet. Grundet deres relativt høje effekttæthed kan TEP 150UIR-serien og TEP 200UIR-serien levere en fast BUS-spænding ved op til 80 volt indgangsspænding. Ved højere indgangsspændinger stiger BUS-spændingen lineært med den faktiske indgangsspænding (figur 6).

Figur 6: Omformerne leverer en fast BUS-spænding ved op til 80 volt indgangsspænding; ved højere indgangsspændinger stiger BUS-spændingen lineært med den faktiske indgangsspænding. (Billedkilde: TRACO Power)

3) Begrænsning af aktiv indkoblingsstrøm: Dette løser et almindeligt problem med strømomformere: når indgangsspændingen begynder at stige, vil holdekondensatorerne ved indgangsterminalen forårsage en høj indkoblingsstrøm. Det kan få en sikring til at springe eller udløse et kredsløb og forårsage fejl i tilsluttede enheder.

For at undgå dette giver et Pulse-ben fra både TEP 150UIR- og TEP 200UIR-serien et 12 volt, 1 kHz firkant-signal, som kan bruges på kredsløbet til begrænsning af indkoblingsstrøm (figur 7).

Figur 7: TEP 150UIR- og TEP 200UIR-serierne tilbyder en enkel måde at begrænse indkoblingsstrømmen ved opstart ved hjælp af et Pulse-ben med et firkant-signal. (Billedkilde: TRACO Power)

Ved at forbinde kredsløbet til aktiv begrænsning af indkoblingsstrøm til Pulse-benet begrænses indkoblingsstrømmen effektivt (figur 8). Uden begrænsning er indkoblingsstrømmen ca. 120 A (venstre), mens den med begrænsning falder til ca. 24,5 A (højre).

Figur 8: Ved at drive omformernes aktive kredsløb til begrænsning af indkoblingsstrøm med Pulse-benet reduceres indkoblingsstrømmen med en faktor fem. Her er vist et eksempel med en V_in på 72 volt. Den vandrette skala til venstre er 50 volt/inddeling, og den højre er 10 volt/inddeling, med en transducerskalafaktor på 1 volt = 1 A. (Billedkilde: TRACO Power)

Konklusion

DC/DC-omformere til jernbaneanvendelser med lavere spænding skal kunne mere end levere pålidelig, ensartet effektydelse. De skal være kompakte, lette at håndtere og implementere, kunne rumme en bred vifte af anvendelser, kunne fungere i barske miljøer og være i stand til at opfylde en lang række udfordrende elektriske, termiske og mekaniske regulatoriske standarder og mandater. Som vist er TRACO Power TEP 150UIR- og TEP 200UIR-familierne klar til opgaven med funktioner, der omfatter et bredt 12:1 indgangsspændingsområde på 14 til 160 V_DC, et holdeben til opladning af kondensatorer for at levere energi under spændingsudfald, evnen til at modstå overspændinger og adskillige udgangsspændings-/strømpar, alt sammen i én enkelt formfaktor.