Erikoistuneet DC/DC-muuntimet vastaavat rautatiesovellusten erityisiin tehonjakeluhaasteisiin

Nykyaikaiset rautatiejärjestelmät sisältävät yhä enemmän elektroniikkaa sisäänrakennettuna toiminnoille kuten matkustajien internetyhteys, satelliittilinkit, sisäpuhelimet ja PA (Public-Address) -järjestelmät, navigoinnin alijärjestelmät, hätäradiot, ilmoitustaulut, ledivalaistus, tietojärjestelmät, istuimiin sijoitetut latauspistorasiat ja muut varusteet. On myös akkujen lataukseen tarkoitettuja alijärjestelmiä, koska monet näistä toiminnoista tarvitsevat virtaa myös hetkellisten tai pitkien sähkökatkosten aikana. Kullakin näistä toiminnoista on omat jännitevaatimuksensa, mikä on johtanut useiden DC/DC-muuntimien käyttöön, jotta korkeampi DC-jännite voidaan muuntaa useiksi pienemmiksi jännitteiksi.

Suunnittelijoiden, jotka määrittelevät DC/DC-muuntimia rautatiekäyttöön, on kuitenkin varmistettava, että kyseiset muuntimet voivat toimia luotettavasti ahtaissa tiloissa vaikeissa sähköisissä, mekaanisissa ja lämpökuormitusolosuhteissa. Lisäksi muunninten tulee täyttää pitkä luettelo tiukkoja alakohtaisia vaatimuksia ja viranomaisvaatimuksia, ja niiden käyttöönoton tulee olla helppoa ajan säästämiseksi.

Tässä artikkelissa tarkastellaan lyhyesti rautatiesovelluksiin käytettävien DC/DC-tehomuuntimien vaatimuksia. Siinä esitellään sen jälkeen TRACO Powerin DC/DC-muuntimet ja näytetään, miten nämä vaatimukset voidaan täyttää niiden avulla.

Rautateiden tehonjakelu

Sähköveturin tai -vaunun tyypillisessä sähkönjakelupolussa on monia pienempiä jännitteitä, jotka saadaan ensisijaisesta DC-ajolankalähteestä. Kuten missä tahansa kriittisessä sovelluksessa, tähänkin on olemassa pakollisia teollisuusstandardeja, jotka määrittelevät suorituskykyvaatimukset useista eri näkökulmista.

Rautateiden elektroniikkalaitteiden hallitseva sääntelystandardi on EN 50155 Rautatiesovellukset - Rautatieajoneuvot - Elektroniset laitteet. Se määrittelee ympäristö- ja käyttöolosuhteet, luotettavuusodotukset, turvallisuustekijät sekä suunnittelu- ja rakennusmenetelmät. Se kattaa myös dokumentoinnin ja testauksen.

Muihin kriittisiin spesifikaatioihin kuuluvat:

• EN 61373 Rautatiesovellukset - Kiskoliikennekalusto - Värähtelyjen, iskujen ja tärinän mittaus
• EN 61000-4 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC)
• EN 45545-2 Eurooppalainen kiskoliikenteen paloturvallisuusstandardi
• Brittiläisen Railway Industries Associationin standardi RIA 12, General Specification for Protection of Traction and Rolling Stock Electronic Equipment from Transients and Surges in DC Control Systems (Yleinen spesifikaatio veto- ja kiskoliikennekaluston elektronisten laitteiden suojaamiseen transienteilta ja jännitepiikeiltä DC-ohjausjärjestelmissä)

Näiden viranomaismääräysten täyttäminen on merkittävä suunnitteluhaaste, vaikka tee-se-itse-tyyppinen (DIY) tehomuunninratkaisu toimisikin halutulla tavalla simuloinnissa ja prototyyppitestauksessa. Onneksi DIY-lähestymistapaa ei ole tarpeen käyttää. Rautatievaatimukset täyttäviä valmiita sovelluskohtaisia standardimallisia DC/DC-muuntimia on jo saatavilla.

Esimerkiksi TEP 150UIR/TEP 200UIR -tuoteperheet ovat kaksi samankaltaista half-brick-kokoisten piirilevylle asennettavien muunninten sarjaa, joiden teholuokitukset ovat 150 ja 200 wattia. Niissä on vahvistettu 3000 voltin AC (V_AC) tulon/lähdön (I/O) erotus ja sisäänrakennettu oikosulku-, ylijännite- ja ylikuumenemissuojaus.

Kaikilla näiden kahden tuoteperheen jäsenillä on sama liitäntäkonfiguraatio ja kotelokoko 60 mm × 60 mm × 13 mm (kuva 1). Niiden hyötysuhde on noin 90 %.

Kuva 1: Kaikilla TEP 150UIR- ja TEP 200UIR -tuoteperheiden jäsenillä on sama kotelokoko ja muoto. (Kuvan lähde: TRACO Power)

TEP 150UIR -sarja toimii erittäin laajalla tulojännitealueella 14–160 volttia (V_DC), ja sitä on saatavana viitenä lähtöparina 5 voltista / 30 ampeerista (A) 48 volttiin / 3,2 ampeeriin (kuva 2).

Kuva 2: TEP 150UIR -sarjaa on saatavana jännite- ja virtaluokituksilla 5 voltista / 30 ampeerista 48 volttiin / 3,2 ampeeriin. (Kuvan lähde: TRACO Power)

Tämän sarjan pienin jännite / korkein virta on mallilla TEP 150-7211UIR, joka tarjoaa 5 voltin jännitteellä jopa 30 A.

TEP 200UIR -sarjalla on sama tulo- ja lähtöjännitealue, mutta korkeampi virta 5 voltista / 40 ampeerista 48 volttiin / 4,2 ampeeriin (kuva 3).

Kuva 3: TEP 200UIR -tuoteperhe tarjoaa 33 % enemmän tehoa samoilla lähtöjännitearvoilla, mutta korkeammilla lähtövirroilla. (Kuvan lähde: TRACO Power)

Tämän tuoteperheen korkein jännite / alhaisin virta on mallilla TEP 200-7218UIR, joka tarjoaa jopa 4,2 ampeeria 48 voltilla, verrattuna sen 150 watin vastineen 3,2 ampeeriin samalla jännitteellä.

Koska koko ja tilantarve pysyvät samoina, käyttäjät voivat päivittää piirin helposti eri tarpeisiin tai käyttää eri piirilevyjä minimaalisin johdotus- ja layoutkustannuksin. He voivat myös yksinkertaistaa varastonpitoa, koska erilaisia varastoitavia malleja on vähemmän.

Kolme keskeistä ominaisuutta

TEP 150UIR- ja TEP 200UIR -yksiköt tarjoavat kolme merkittävää ominaisuutta: laajan tulojännitealueen, pidennetyn pitoajan ja aktiivisen virtapiikkien rajoituksen.

1) Laaja tulojännitealue: Tyypillinen teollisuustason elektroniikka saattaa täyttää yleiset jännite- ja virtavaatimukset, mutta tähän sovellukseen käytettävien DC/DC-tehomuuntimien täytyy kestää paljon laajempia tulojännitevaihteluita ja mahdollisia nimellisarvoja (kuva 4).

Kuva 4: DC-tuloalueet ovat erittäin laajoja erilaisissa rautatiesovelluksissa, varsinkin jos analyysissä otetaan huomioon sallitut nimellisarvopoikkeamat. (Kuvan lähde: TRACO Power)

Tämä kattaa tulojännitteen sallitut vaihtelut kunkin nimellisarvon ympärillä:

• Jatkuva alue = 0,7–1,25, × V_NOM
• Jännitteenlasku = 0,6 × V_NOM 100 millisekunnin (ms) ajan
• Jännitepiikki = 1,4 × V_NOM yhden sekunnin ajan

On vaikeaa suunnitella tehomuunnin, joka kestää 100 ms:n pituisia jännitteenlaskuja, kun taas yhden sekunnin kestävissä jännitepiikeissä on liian paljon energiaa, jotta niitä voitaisiin rajoittaa. Tämän vuoksi muuntimen täytyy toimia koko kuvassa 4 esitetyllä alueella, tietty turvamarginaali mukaan lukien. Tämä tarkoittaa käytännössä tuloaluetta, joka ylittää suhteen 2,33:1.

Tilannetta vaikeuttaa se, että nimellisjännite voi olla mikä tahansa alueella 24 V_DC – 110 V_DC. Monet DC/DC-muuntimien valmistajat täyttävät nämä vaatimukset tarjoamalla muuntimia, joilla on laajempi 4:1-tuloalue (tyypillisesti 43–160 volttia) ja jotka kattavat useimmat sovellukset. Yksi ainoa muunnin ei kuitenkaan ole yleensä pystynyt täyttämään kaikkia vaatimuksia.

Tämän ratkaisemiseksi TRACO-yksiköt tukevat erittäin laajaa 12:1-tuloaluetta 14–160 V_DC. Tämän alueen ansiosta järjestelmäsovellusinsinööri voi kattaa useita järjestelmän nimellisjännitteitä yhdellä ainoalla virtalähteellä.

2) Pidennetty pitoaika: DC-johto altistuu nopeille ±2 kilovoltin (kV) transienteille, joiden nousuajat ovat 5 nanosekuntia (ns), laskuajat 50 ns ja toistotaajuus 5 kilohertsiä (kHz). Määritelty AC-kytketty lähdeimpedanssi aiheuttaa myös ±2 kV:n jännitepiikkejä jännitelinjasta maatasoon ja ±1 kV:n jännitepiikkejä jännitelinjojen välillä, joiden nousuajat ovat 1,2 mikrosekuntia (μs) ja laskuajat 50 μs.

Jotkin vaatimukset menevät standardia EN 50155 pidemmälle ja edellyttävät jopa 1,5 x V_NOM -jännitepiikkien sietoa yhden sekunnin ja 3,5 × V_NOM -jännitepiikkien sietoa 20 ms:n ajan erittäin alhaisella 0,2 ohmin (Ω) lähdeimpedanssilla. Tämä vastaa 110 V_DC:n nimellisjännitettä käyttävässä järjestelmässä huippuarvoa 385 V_DC, joka on muuntimen normaalin toiminta-alueen ulkopuolella varsinkin, jos sen täytyy toimia jännitteenlaskuminimiin 66 V_DC saakka.

Koska energiaa syöttää näin matalaimpedanssinen lähde, jännitettä ei voi rajoittaa transienttijännitteen rajoittimen (TVS) avulla. Jännitetuloon tai tulopiiriin vaaditaan tehotasosta riippuen esisäädin, joka kytkee tulon pois päältä jännitepiikin keston ajaksi. DC/DC-muuntimeen tarvitaan pitotoiminto, jotta se voisi säilyttää lähtöjännitteen tämän ajan.

TRACO-yksiköt tarjoavat tämän ongelman ratkaisuun tärkeän ominaisuuden BUS-nastalähdön muodossa. Tämä lähtö tarjoaa kiinteän jännitteen kondensaattorin lataamiseen, jolloin kondensaattori pystyy tuottamaan pidemmän pitoajan vaatiman energian (kuva 5). Nämä kondensaattorit ovat huomattavasti pienempiä ja edullisempia kuin perinteisessä pitojärjestelmässä käytettävät etuastekondensaattorit.

Kuva 5: Tämä on suositeltu tulopiiri, jota tulisi käyttää väyläkondensaattorin C_BUS kanssa yksinkertaistamaan pidennetyn pitoajan toteuttamista. (Kuvan lähde: TRACO Power)

Huomaa, että tulopiiriin ei tarvitse lisätä sarjadiodia, sillä näihin muuntimiin on integroitu diodi, joka estää oikosulun sekä kondensaattorin energian virtaamisen virtalähteeseen.

Kun syöttöjännite katkeaa, tulojännite laskee BUS-jännitteeseen ennen kuin kondensaattorit alkavat purkautua energian syöttämiseksi tehomoduuliin. TEP 150UIR -sarja ja TEP 200UIR -sarja voivat tarjota suhteellisen korkean tehotiheytensä ansiosta kiinteän BUS-jännitteen 80 voltin tulojännitteeseen saakka. Korkeammilla tulojännitteillä BUS-jännite kasvaa lineaarisesti käytettävän tulojännitteen kanssa (kuva 6).

Kuva 6: Muuntimet tarjoavat kiinteän BUS-jännitteen 80 voltin tulojännitteeseen saakka; korkeammilla tulojännitteillä BUS-jännite kasvaa lineaarisesti käytettävän tulojännitteen kanssa. (Kuvan lähde: TRACO Power)

3) Aktiivinen virtapiikkien rajoitus: Tämä ratkaisee tehomuuntimien yleisen ongelman: kun tulojännite alkaa nousta, tuloliitännän pitokondensaattorit aiheuttavat korkean virtapiikin. Tämä voi polttaa sulakkeen tai laukaista virtapiirin ja aiheuttaa virheitä ja vikoja liitetyissä laitteissa.

Jotta tämä voitaisiin välttää, sekä TEP 150UIR- että TEP 200UIR -sarjan impulssinasta tuottaa 12 voltin ja 1 kHz:n kanttiaaltosignaalin, jota voidaan käyttää virtapiikkien rajoituspiirissä (kuva 7).

Kuva 7: TEP 150UIR- ja TEP 200UIR -sarjat tarjoavat yksinkertaisen tavan rajoittaa virtapiikkejä käynnistyksen aikana käyttämällä impulssinastan tarjoamaa kanttiaaltosignaalia. (Kuvan lähde: TRACO Power)

Virtapiikkejä rajoitetaan tehokkaasti kytkemällä aktiivinen virtapiikkien rajoituspiiri impulssinastaan (kuva 8). Ilman rajoitusta virtapiikki on noin 120 A (vasemmalla), kun taas rajoitusta käyttämällä se laskee noin arvoon 24,5 A (oikealla).

Kuva 8: Muuntimien aktiivisen virtapiikkien rajoituspiirin ohjaus impulssinastalla vähentää kytkentäsysäysvirtaa viidesosaan. Kuvassa esitetään esimerkki, jossa V_in on 72 volttia. Vasemmanpuoleinen vaaka-asteikko on 50 volttia/jako ja oikeanpuoleinen 10 volttia/jako muuntimen asteikkokertoimella 1 voltti = 1 A. (Kuvan lähde: TRACO Power)

Yhteenveto

Rautateiden pienjännitesovelluksissa käytettäviltä DC/DC-muuntimilta vaaditaan enemmän kuin vain luotettavan ja tasaisen tehon tarjoaminen. Niiden täytyy olla kompakteja, helppokäyttöisiä ja helppoja ottaa käyttöön, soveltua monenlaisiin sovelluksiin, kyetä toimimaan vaativissa ympäristöissä ja täyttää pitkä luettelo haastavia sähkö-, lämpö- ja mekaanisista viranomaisstandardeja ja -määräyksiä. TRACO Powerin TEP 150UIR- ja TEP 200UIR -tuoteperheet tarjoavat näihin tehtäviin sopivat ominaisuudet. Näihin ominaisuuksiin kuuluvat laaja 12:1-tulojännitealue 14–160 V_DC, pitonasta kondensaattoreiden lataamiseen energian syöttämiseksi jännitteenlaskun aikana, kyky kestää jännitepiikkejä sekä lukuisat lähtöjännite- ja -virtaparit – ja kaikki tämä yhdessä koossa.