Specjalistyczne przetwornice prądu stałego radzą sobie z wyjątkowymi wyzwaniami związanymi z dostarczaniem energii w kolejnictwie

W nowoczesnych systemach kolejowych jest coraz więcej wbudowanych elementów elektronicznych obsługujących takie funkcje, jak dostęp pasażerów do Internetu, łącza satelitarne, interkomy i systemy nagłośnieniowe (PA), podsystemy nawigacyjne, radia awaryjne, tablice informacyjne, oświetlenie LED, systemy informacyjne, gniazda ładowania przy fotelach pasażerów i inne akcesoria. Istnieją również podsystemy ładowania baterii, ponieważ wiele z tych funkcji wymaga zasilania na czas przejściowych przerw w zasilaniu lub dłuższych okresów utraty zasilania. Każda z tych funkcji ma inne wymagania dotyczące napięcia, co wymusza wdrożenie wielu przetwornic prądu stałego do konwersji prądu stałego o wyższym napięciu na wiele niższych napięć.

Jednak projektanci określający specyfikacje przetwornic prądu stałego do użytku w kolejnictwie muszą mieć na uwadze niezawodność działania w ciasnych przestrzeniach i trudnych warunkach obciążeń elektrycznych, mechanicznych i termicznych. Muszą również spełniać długą listę rygorystycznych wymagań branżowych i regulacyjnych, a także zapewniać łatwość wdrożenia i oszczędność czasu.

W niniejszym artykule pokrótce przeanalizowano wymagania dotyczące przetwornic mocy prądu stałego do zastosowań kolejowych. Następnie przedstawiono przetwornice prądu stałego firmy TRACO Power oraz sposób ich stosowania umożliwiający spełnienie wspomnianych wymagań.

Dystrybucja zasilania w kolejnictwie

Typowa ścieżka dystrybucji zasilania dla lokomotywy elektrycznej lub wózka charakteryzuje się znacznie niższymi napięciami pochodnymi w stosunku do głównego źródła prądu stałego w postaci sieci trakcyjnej. Podobnie jak w przypadku każdego krytycznego zastosowania, istnieją obowiązkowe normy branżowe, które określają wymagania dotyczące parametrów działania z wielu perspektyw.

Dominującą specyfikacją regulacyjną dla kolejowych urządzeń elektronicznych jest norma EN 50155, Zastosowania kolejowe - Tabor - Wyposażenie elektroniczne. Definiuje ona warunki środowiskowe i serwisowe, oczekiwania dotyczące niezawodności, bezpieczeństwo oraz metody projektowania i budowy. Omawia ona również dokumentację i próby.

Inne specyfikacje o znaczeniu krytycznym obejmują normy:

• EN 61373, Zastosowania kolejowe - Wyposażenie taboru - Badania na drgania i wstrząsy
• EN 61000-4, dot. kompatybilności elektromagnetycznej (EMC)
• EN 45545-2, kolejowa europejska norma bezpieczeństwa przeciwpożarowego
• Norma RIA 12 Brytyjskiego Stowarzyszenia Kolei (British Railway Industries Association), „Ogólna specyfikacja ochrony elektronicznych urządzeń trakcyjnych i taboru kolejowego przed stanami nieustalonymi i udarami w układach sterowania prądu stałego”

Spełnienie tych wymogów regulacyjnych jest dużym wyzwaniem projektowym, nawet jeśli projekt przetwornicy mocy do samodzielnego montażu (DIY) działa zgodnie z założeniami podczas symulacji i jako prototyp na stanowisku badawczym. Na szczęście nie ma potrzeby samodzielnego majsterkowania. Dostępne są już gotowe, standardowe przetwornice prądu stałego do konkretnych zastosowań, które spełniają wymagania kolejowe.

Na przykład w grupie przetwornic TEP 150UIR/TEP 200UIR znajdują się dwie podobne do siebie serie przetwornic typu half-brick o mocy odpowiednio 150 i 200W przeznaczone do montażu na płytce. Posiadają one wzmocnioną izolację wejścia-wyjścia (I/O) 3000V_~ oraz wbudowane zabezpieczenia przed zwarciami, nadmiernymi napięciami i nadmierną temperaturą.

Wszystkie produkty należące do tych dwóch grup mają tę samą konfigurację połączeń i rozmiary obudowy 60mm × 60mm × 13mm (ilustracja 1). Ich sprawność wynosi około 90%.

Ilustracja 1: wszystkie produkty z grup TEP 150UIR oraz TEP 200UIR mają te same rozmiary obudowy i kształt. (Źródło ilustracji: TRACO Power)

Seria TEP 150UIR pracuje w bardzo szerokim zakresie napięć wejściowych od 14 do 160V₌) i jest dostępna z pięcioma parami wyjść w zakresie od 5V/30A do 48V/3,2A (ilustracja 2).

Ilustracja 2: seria TEP 150UIR jest dostępna z kombinacjami wartości znamionowych napięcia i natężenia w zakresie od 5V/30A do 48V/3,2A. (Źródło ilustracji: TRACO Power)

W tej grupie produktów najniższe napięcie i najwyższe natężenie prądu ma przetwornica TEP 150-7211UIR, która może dostarczać prąd o natężeniu do 30A przy napięciu 5V.

Seria TEP 200UIR ma ten sam zakres napięć wejściowych i wyjściowych, ale wyższe prądy, od 5V/40A do 48V/4,2A (ilustracja 3).

Ilustracja 3: grupa TEP 200UIR oferuje o 33% większą moc przy tych samych wartościach napięcia wyjściowego, ale przy wyższych prądach wyjściowych. (Źródło ilustracji: TRACO Power)

Najwyższym napięciem i najniższym prądem w tej grupie charakteryzuje się przetwornica TEP 200-7218UIR, która może dostarczyć nawet 4,2A przy napięciu 48V w porównaniu do 3,2A dla jej 150-watowego odpowiednika przy tym samym napięciu.

Dzięki zachowaniu tych samych rozmiarów i zajmowanej powierzchni, użytkownicy mogą z łatwością modernizować obwody w celu obsługi różnych potrzeb lub stosować inne płytki przy minimalnych problemach z okablowaniem i układem. Mogą również uprościć zarządzanie zapasami, utrzymując w nich mniejszą liczbę modeli produktów.

Trzy kluczowe cechy

Przetwornice TEP 150UIR oraz TEP 200UIR posiadają trzy wyróżniające je cechy: szeroki zakres napięć wejściowych, wydłużony czas podtrzymania oraz aktywne ograniczanie początkowego prądu rozruchowego.

1) Szeroki zakres napięć wejściowych: typowa elektronika klasy przemysłowej może spełniać ogólne wymagania dotyczące napięcia i prądu, ale przetwornice mocy prądu stałego do omawianych zastosowań muszą wytrzymywać znacznie szersze wahania napięć wejściowych i zakres możliwych wartości znamionowych (ilustracja 4).

Ilustracja 4: zakresy wejściowe prądu stałego dla różnych zastosowań kolejowych są niezwykle szerokie, zwłaszcza gdy w analizie uwzględni się dopuszczalne odchylenia od wartości znamionowych. (Źródło ilustracji: TRACO Power)

Uwzględniono tutaj dozwolone odchylenia napięcia wejściowego od poszczególnych wartości znamionowych:

• Zakres ciągły = od 0,7 do 1,25 × V_NOM
• Spadek napięcia = 0,6 × V_NOM przez 100ms
• Udar = 1,4 × V_NOM przez jedną sekundę

Zaprojektowanie przetwornicy mocy, która wytrzyma spadki napięcia przez 100ms, jest trudne, natomiast udary trwające jedną sekundę mogą mieć zbyt dużą energię, aby ją zniwelować. Dlatego przetwornica musi działać w pełnym zakresie pokazanym na ilustracji 4, z pewnym marginesem bezpieczeństwa. W praktyce oznacza to zakres wejściowy przekraczający 2,33:1.

Sytuację komplikuje fakt, że napięcie znamionowe może wynosić od 24V₌ do 110V₌. Wielu producentów przetwornic prądu stałego spełnia te wymagania, oferując przetwornice o szerszym zakresie wejściowym 4:1 (zwykle od 43 do 160V) dla większości zastosowań, ale pojedyncza przetwornica zwykle nie jest w stanie spełnić wszystkich z nich.

Aby rozwiązać ten problem, urządzenia TRACO obsługują ultraszeroki zakres napięć wejściowych 12:1, od 14 do 160V₌. Zakres ten pozwala inżynierom zastosowań na obsługę szeregu napięć znamionowych za pomocą pojedynczego zasilacza.

2) Wydłużony czas podtrzymania: w linii prądu stałego występują krótkie stany nieustalone ±2kV charakteryzujące się czasami narastania 5ns, czasami opadania 50ns i częstotliwością powtarzania 5kHz. Występują również udary ±2kV między fazą i ziemią oraz ±1kV między fazami, charakteryzujące się czasami narastania 1,2μs i czasami opadania 50μs w przypadku zdefiniowanej impedancji źródła ze sprzężeniem prądu zmiennego.

Niektóre wymogi wykraczają poza normę EN 50155 i wymagają odporności na udary do 1,5 x V_NOM przez jedną sekundę i 3,5 × V_NOM przez 20ms przy ekstremalnie niskiej impedancji źródła 0,2Ω. Dla instalacji o napięciu 110V₌ (znamionowym) odpowiada to wartości szczytowej 385V₌, a wartość ta znajduje się poza normalnym zakresem przetwornicy, zwłaszcza jeśli musi ona pracować przy spadku napięcia do zaledwie 66V₌, o ile nie większym.

Energia dostępna ze źródła o tak niskiej impedancji oznacza, że napięcie nie może zostać ograniczone przez ogranicznik przepięciowy (TVS). W zależności od poziomu mocy, wymagany jest regulator wstępny na wejściu zasilania lub obwód, który wyłącza wejście na czas trwania udaru. Aby utrzymać wyjście w tym czasie, w przetwornicy prądu stałego niezbędna jest funkcja podtrzymania.

Aby rozwiązać ten problem, urządzenia TRACO wyposażono w ważną cechę w postaci wtyku wyjściowego magistrali BUS. To wyjście dostarcza ustalone napięcie do ładowania kondensatora, dzięki czemu kondensator może dostarczyć energię potrzebną dla dłuższego czasu podtrzymania (ilustracja 5). Kondensatory te są znacznie mniejsze i tańsze niż kondensatory stosowane w konwencjonalnych konfiguracjach kondensatorów podtrzymujących w układach front-end.

Ilustracja 5: zalecany obwód wejściowy do użycia z kondensatorem magistrali C_BUS w celu uproszczenia implementacji wydłużonego czasu podtrzymania. (Źródło ilustracji: TRACO Power)

Należy pamiętać, że obwód wejściowy nie wymaga dodatkowej diody szeregowej, ponieważ omawiane przetwornice zawierają zintegrowaną diodę, która zapobiega zwarciom i utrzymuje przepływ energii z kondensatora do zasilacza.

W przypadku przerwy w zasilaniu napięcie wejściowe spadnie do wartości napięcia magistrali, po czym kondensatory zaczną się rozładowywać w celu dostarczenia energii do modułu zasilania. Ze względu na stosunkowo wysoką gęstość mocy, serie TEP 150UIR i TEP 200UIR mogą zapewnić stałe napięcie magistrali przy napięciu wejściowym do 80V. Przy wyższych napięciach wejściowych napięcie magistrali wzrasta liniowo wraz z rzeczywistym napięciem wejściowym (ilustracja 6).

Ilustracja 6: przetwornice zapewniają stałe napięcie magistrali przy napięciu wejściowym do 80V. Przy wyższych napięciach wejściowych napięcie magistrali wzrasta liniowo wraz z rzeczywistym napięciem wejściowym. (Źródło ilustracji: TRACO Power)

3) Aktywne ograniczanie początkowego prądu rozruchowego: rozwiązuje powszechny problem występujący w przetwornicach mocy, polegający na tym, że gdy napięcie wejściowe zaczyna rosnąć, kondensatory podtrzymujące na zacisku wejściowym powodują wysoki początkowy prąd rozruchowy. Może to spowodować przepalenie bezpiecznika lub wyłączenie obwodu i spowodować błędy oraz usterki w podłączonych urządzeniach.

Aby tego uniknąć, wtyk Pulse w urządzeniach serii TEP 150UIR oraz TEP 200UIR dostarcza sygnał o przebiegu prostokątnym 12V, 1kHz, który może być użyty w obwodzie ograniczenia prądu rozruchowego (ilustracja 7).

Ilustracja 7: serie TEP 150UIR oraz TEP 200UIR oferują prosty sposób ograniczania początkowego prądu rozruchowego przy użyciu wtyku Pulse z sygnałem o przebiegu prostokątnym. (Źródło ilustracji: TRACO Power)

Podłączenie obwodu aktywnego ograniczenia początkowego prądu rozruchowego do wtyku Pulse, pozwala na skuteczne ograniczenie początkowego prądu rozruchowego (ilustracja 8). Bez tego ograniczenia początkowy prąd rozruchowy wynosi około 120A (po lewej), natomiast z ograniczaniem spada do około 24,5A (po prawej).

Ilustracja 8: sterowanie obwodem aktywnego ograniczania początkowego prądu rozruchowego przetwornic za pomocą wtyku Pulse pięciokrotnie obniża początkowy prąd rozruchowy. Na ilustracji pokazano przykład o napięciu V_in = 72V. Skala pozioma po lewej stronie wynosi 50V na działkę, a po prawej 10V na działkę, przy współczynniku skali przetwornika wynoszącym 1V = 1A. (Źródło ilustracji: TRACO Power)

Podsumowanie

Przetwornice prądu stałego przeznaczone do niższych napięć w zastosowaniach kolejowych muszą nie tylko zapewniać niezawodne i powtarzalne parametry zasilania. Muszą być kompaktowe, łatwe w zarządzaniu i wdrażaniu, nadawać się do różnorodnych zastosowań, działać w trudnych warunkach i być w stanie spełnić długą listę rygorystycznych norm oraz wymagań dotyczących kwestii elektrycznych, termicznych i mechanicznych. Grupy TEP 150UIR oraz TEP 200UIR firmy TRACO Power są w stanie sprostać temu zadaniu i oferują między innymi szeroki zakres napięć wejściowych 12:1, od 14 do 160V₌, wtyk podtrzymujący do ładowania kondensatorów w celu dostarczenia energii podczas spadków napięcia, zapewniają odporność na udary oraz liczne kombinacje wyjściowych napięć i natężeń prądu - wszystko w jednej obudowie.