A célirányos egyenáram-átalakítók megfelelnek a vasúti áramellátás támasztotta egyedi kihívásoknak

A korszerű vasúti rendszerekben egyre több elektronika található, például az utasok internet-hozzáférése, műholdas kapcsolatok, személyzeti kommunikációs rendszer és utastájékoztató rendszer, navigációs alrendszerek, vészhelyzeti rádiók, tájékoztató tablók, LED-es világítás, információs rendszerek, az üléseknél elhelyezett töltőcsatlakozók és egyéb tartozékok. Vannak akkumulátortöltő alrendszerek is, mivel a fenti rendszerek közül sokat árammal kell ellátni az átmeneti vagy hosszabb áramkimaradások idején. Ezen rendszerek mindegyikének egyedi feszültségigénye van, ami számos egyenáram-átalakító használatát teszi szükségessé, hogy a nagyobb feszültségű egyenáramot többféle kisebb feszültségűre alakítsák át.

A vasútra szánt egyenáram-átalakítók tervezőinek azonban biztosítaniuk kell, hogy ezek az átalakítók zárt térben, nehéz villamos, mechanikai és hőterhelési körülmények között is megbízhatóan működjenek. Emellett meg kell felelniük a szigorú iparági és szabályozási követelmények hosszú listájának, és könnyen beszerelhetőeknek kell lenniük, hogy a beszerelésük rövidebb ideig tartson.

Ez a cikk röviden megvizsgálja a vasúti rendszerek egyenáram-átalakítóival szemben támasztott követelményeket. Ezután bemutatja a TRACO Power egyenáram-átalakítóit, és megmutatja, hogyan lehet azokat ezen követelmények teljesítésére használni.

Energiaelosztás a vasút számára

A villanymozdony vagy a troli tipikus áramelosztási útvonalában sokféle kisebb feszültség megtalálható, miközben az elsődleges áramforrásuk az egyenáramú felsővezeték. Mint minden kritikus felhasználási terület esetében, itt is léteznek kötelező ágazati szabványok, amelyek több szempontból is meghatározzák a teljesítménykövetelményeket.

A vasúti elektronikai berendezésekre vonatkozó meghatározó szabályozási előírás az EN 50155, Railway applications - Rolling stock - Electronic Equipment (Vasúti rendszerek – Gördülőállomány – Elektronikus berendezések) szabvány. Ez meghatározza a környezeti és üzemi feltételeket, a megbízhatósági elvárásokat, a biztonságot, valamint a tervezési és megépítési módszereket. Emellett kiterjed a dokumentációra és a tesztelésre is.

Egyéb lényeges előírások:

• EN 61373, Railway applications - Rolling stock equipment - Shock and Vibration Tests (Vasúti rendszerek – A gördülőállomány berendezései – Lökés- és rezgésvizsgálatok)
• EN 61000-4, az elektromágneses összeférhetőség (EMC, electromagnetic compatibility) tekintetében
• EN 45545-2, európai vasúti tűzvédelmi szabvány
• A British Railway Industries Association (Brit Vasútipari Szövetség) RIA 12 szabványa, General Specification for Protection of Traction and Rolling Stock Electronic Equipment from Transients and Surges in DC Control Systems (Általános előírások a vontatási és gördülőállomány elektronikus berendezéseinek az egyenáramú vezérlőrendszerekben fellépő feszültség- és áramlökések, túláramok és túlfeszültségek elleni védelmére)

Az ezeknek a szabályozási előírásoknak való megfelelés komoly tervezési feladatot jelent, még akkor is, ha a barkácsolt áramátalakító a szimuláció során és a tesztelésre használt prototípusként a kívánt módon működik. Szerencsére nincs szükség semmiféle barkácsolásra. Már készen beszerezhetőek a vasúti követelményeknek megfelelő, felhasználásspecifikus, szabványos egyenáram-átalakítók.

A TEP 150UIR/TEP 200UIR termékcsaládot például két hasonló, 150 W, illetve 200 W névleges teljesítményű, nyomtatott áramköri lapra szerelhető, fizikailag fél szabványegység méretű egyenáram-átalakító sorozat alkotja. Megerősített 3000 V-os váltakozó áramú (V_AC) be- és kimeneti (I/O) szigeteléssel, valamint beépített rövidzárlat-, túlfeszültség- és túlmelegedés-védelemmel vannak ellátva.

E két termékcsalád minden tagjának azonos a csatlakozóelrendezése, és 60 mm × 60 mm × 13 mm-es a házmérete (1. ábra). Hatásfokuk körülbelül 90%.

1. ábra: A TEP 150UIR és TEP 200UIR termékcsalád minden tagja azonos méretű (kép: TRACO Power)

A TEP 150UIR sorozat rendkívül széles, 14 V és 160 V közötti bemenő egyenfeszültség-tartományban (V_DC) működik, és öt kimenőfeszültség/leadott áramerősség párosítással kapható 5 V/30 A és 48 V/3,2 A között (2. ábra).

2. ábra: A TEP 150UIR sorozat 5 V/30 A és 48 V/3,2 A közötti feszültség/áramerősség értékpárokkal kapható (ábra: TRACO Power)

A termékcsalád legkisebb feszültségű/legnagyobb áramerősségű tagja a TEP 150-7211UIR, amely 5 V kimenőfeszültség mellett akár 30 A-t is képes leadni.

A TEP 200UIR sorozatnak ugyanez a be- és kimenőfeszültség-tartománya, de nagyobb a leadott áramerőssége, 5 V/40 A-tól 48 V/4,2 A-ig (3. ábra).

3. ábra: A TEP 200UIR termékcsalád 33%-kal nagyobb teljesítményt kínál, azonos kimenőfeszültség-értékek, de nagyobb leadott áramerősségek mellett (ábra: TRACO Power)

A termékcsalád legnagyobb feszültségű/legkisebb áramerősségű tagja a TEP 200-7218UIR, amely 48 V kimenőfeszültség mellett maximum 4,2 A-t képes leadni, míg 150 W-os társa 3,2 A leadására képes ugyanezen a feszültségen.

Mivel mindegyik eszköz mérete azonos, a felhasználók könnyen fejleszthetik tovább az áramköröket, hogy különböző igényeket elégítsenek ki, vagy különböző nyomtatott áramköri lapokat használhassanak, minimális kábelezési és elrendezési problémákkal. A raktárkészlet is egyszerűsíthető, mert kevesebb egyedi típust kell raktáron tartani.

Három fő jellemző

A TEP 150UIR és TEP 200UIR tápegységeknek három kiemelkedő jellemzőjük van: széles bemenőfeszültség-tartomány, hosszabb feszültségfenntartási idő és aktív indulóáram-korlátozás.

1) Széles bemenőfeszültség-tartomány: A jellegzetes ipari minőségű elektronika megfelelhet ugyan a feszültségre és az áramerősségre vonatkozó általános követelményeknek, de az ezen a felhasználási területen használt egyenáram-átalakítóknak sokkal szélesebb bemenőfeszültség-változásokat és a lehetséges névleges feszültségértékek széles tartományát kell elviselniük (4. ábra).

4. ábra: A különböző vasúti felhasználási területeken szükséges bemenő egyenfeszültség-tartományok rendkívül széles skálán mozognak, különösen ha az elemzés során a névleges értékektől (Vnom) való megengedett eltéréseket is figyelembe vesszük (ábra: TRACO Power)

Ez magában foglalja a bemenőfeszültségnek az egyes névleges értékektől való megengedett eltéréseit is:

• Folyamatos tartomány = 0,7–1,25 × V_NÉVL.
• Feszültségesés = 0,6 × V_NÉVL. 100 ezredmásodpercig (ms)
• Túlfeszültség = 1,4 × V_NÉVL. egy másodpercig

Nehéz olyan áramátalakítót tervezni, amely képes átvészelni 100 ms-es feszültségeséseket, míg az egy másodpercig tartó túlfeszültség túl sok energiát tartalmaz, amelyet meg kell fogni. Ezért az áramátalakítónak a 4. ábrán látható teljes tartományban működnie kell, mégpedig némi biztonsági tartalékkal. A gyakorlatban ez több mint 2,33:1 arányú bemenőfeszültség-tartományt jelent.

A helyzetet bonyolítja, hogy a névleges feszültség 24 V és 110 V egyenfeszültség (V_DC) között bárhol lehet. Számos egyenáram-átalakító-gyártó úgy tesz eleget ezeknek a követelményeknek, hogy szélesebb, 4:1 arányú (jellemzően 43 V – 160 V közötti) bemenőfeszültség-tartományú áramátalakítókat kínál a legtöbb felhasználási terület lefedésére, de egyetlen áramátalakító jellemzően nem tudja az összes követelményt teljesíteni.

Ennek megoldására a TRACO tápegységek 14 V és 160 V egyenfeszültség közötti, rendkívül széles, 12:1 arányú bemenőfeszültség-tartományt kínálnak. Ez a tartomány lehetővé teszi a rendszer adott területéért felelős mérnök számára, hogy egyetlen tápegységgel többféle névleges rendszerfeszültséget célozzon meg.

2) Meghosszabbított feszültségtartási idő: Az egyenáramú vezeték ±2 kV nagyságú, 5 ns felfutási és 50 ns lecsengési idejű, 5 kHz ismétlődési frekvenciájú gyors feszültséglökéseknek van kitéve. Vannak ezenkívül ±2 kV-os vonal és test, valamint ±1 kV-os vonal és vezeték közötti, 1,2 μs felfutási és 50 μs lecsengési idejű feszültséglökések is egy váltakozó áramból való kicsatolás következtében létrejövő meghatározott forrásimpedancia miatt.

Egyes követelmények túlmutatnak az EN 50155 szabványon, és egy rendkívül kis, 0,2 Ω-os forrásimpedancia miatti túlfeszültségekkel szemben 1 másodpercig 1,5 × V_NÉVL. és 20 ms-ig 3,5 × V_NÉVL. mértékű védettséget követelnek meg. Egy 110 V (névleges) egyenfeszültségű rendszer esetében ez 385 V egyenfeszültség-csúcsértéknek felel meg, ami kívül esik az áramátalakító normál tartományán, különösen akkor, ha az áramátalakítónak a 66 V egyenfeszültségű feszültségesési minimumértékig kell működnie.

Az ilyen kis impedanciájú forrásból átjutó energia azt jelenti, hogy a feszültséget nem lehet feszültséglökés-elnyomó (TVS, transient voltage suppressor) eszközzel megfogni. A teljesítményszinttől függően vagy egy előszabályozóra van szükség a tápegység bemenetén, vagy egy olyan áramkörre, amely a túlfeszültség időtartamára lekapcsolja a bemenőfeszültséget. A egyenáram-átalakítóban pedig valamilyen feszültségtartó funkcióra van szükség a kimenőfeszültség ezen idő alatti fenntartásához.

Ennek a problémának a megoldására a TRACO tápegységeknek van egy fontos jellemzőjük a BUS (Sín) kimeneti láb formájában. Ez a kimenet állandó értékű feszültséget szolgáltat egy kondenzátor feltöltéséhez, lehetővé téve, hogy aztán a feltöltött kondenzátor hosszabb időn át biztosítsa a feszültségtartáshoz szükséges energiát (5. ábra). Ezek a kondenzátorok lényegesen kisebbek és olcsóbbak, mint a hagyományos kondenzátoros bemeneti áramkörrel megoldott feszültségtartó megoldásokban használtak.

5. ábra: Ezzel a C_BUS sínkondenzátort használó javasolt bemeneti áramkörrel egyszerűbben valósítható meg a hosszabb feszültségtartási idő (ábra: TRACO Power)

Figyelje meg, hogy a bemeneti áramkörhöz nem kell soros diódát hozzáadni, mert ezek az átalakítók tartalmaznak egy beépített diódát a rövidzárlat elkerülésére és a kondenzátorban tárolt energiának a tápegységbe irányítására.

Ha a tápfeszültség megszakad, a bemenőfeszültség a BUS feszültségre esik, mielőtt a kondenzátorok elkezdenek kisülni, hogy energiát szolgáltassanak a tápegységnek. Viszonylag nagy teljesítménysűrűségüknek köszönhetően a TEP 150UIR és a TEP 200UIR sorozat tagjai akár 80 V bemenőfeszültségig képesek állandó értékű BUS feszültséget szolgáltatni. Nagyobb bemenőfeszültségek esetén a BUS feszültség lineárisan nő a tényleges bemenőfeszültséggel (6. ábra).

6. ábra: Az áramátalakítók 80 V bemenőfeszültségig állandó értékű BUS feszültséget szolgáltatnak, annál nagyobb bemenőfeszültség esetén pedig a BUS feszültség lineárisan nő a tényleges bemenőfeszültséggel (ábra: TRACO Power)

3) Aktív indulóáram-korlátozás: Ez a funkció az áramátalakítók egyik általános problémáját küszöböli ki: amikor a bemenőfeszültség emelkedni kezd, a bemeneti csatlakozónál lévő feszültségtartó kondenzátorok nagy bemenő áramerősséget idéznek elő. Emiatt kiolvadhat egy olvadóbiztosíték vagy kioldhat egy áramkör-megszakító, valamint meghibásodhatnak a csatlakoztatott eszközök.

Ennek elkerülése érdekében a TEP 150UIR és a TEP 200UIR sorozat tagjai a Pulse (Impulzus) lábon egy 12 V-os, 1 kHz-es négyszögjelet szolgáltatnak, amelyet az indulóáram-korlátozó áramkör tud hasznosítani (7. ábra).

7. ábra: A TEP 150UIR és a TEP 200UIR sorozat egyszerű megoldást kínál az bekapcsoláskor fellépő indulóáram korlátozására: ehhez a Pulse lábon egy négyszögjelet ad ki (ábra: TRACO Power)

Az aktív indulóáram-korlátozó áramkörnek a Pulse lábra kötésével hatékonyan korlátozható az indulóáram (8. ábra). Korlátozás nélkül az indulóáram körülbelül 120 A (balra) lenne, míg a korlátozással körülbelül 24,5 A-re csökken (jobbra).

8. ábra: Az áramátalakítók aktív indulóáram-korlátozó áramkörét a Pulse lábról meghajtva nagyjából az ötödére csökken az indulóáram. Az ábrán látható példán a V_in bemenőfeszültség 72 V. A bal oldali vízszintes skála léptéke 50 V/osztás, a jobb oldalié 10 V/osztás, a jelátalakító léptéktényezője pedig 1 V = 1 A. (kép: TRACO Power)

Összegzés

A kisebb feszültségű vasúti rendszerek egyenáram-átalakítóinak többet kell nyújtaniuk, mint pusztán megbízható, egyenletes teljesítményt. Kis méretűeknek, könnyen kezelhetőeknek és beszerelhetőeknek, valamint sokféle felhasználási területen használhatóaknak kell lenniük, képeseknek kell lenniük zord környezetben való működésre, és meg kell felelniük a kihívást jelentő villamos, hőterhelési és mechanikai szabályozási szabványok és előírások hosszú listájának. Mint látható, a TRACO Power TEP 150UIR és TEP 200UIR sorozat alkotta termékcsaládja megfelel ennek a feladatnak, olyan jellemzőkkel, mint a széles, 12:1 arányú bemenőfeszültség-tartomány (14 V – 160 V egyenfeszültség), a feszültségkimaradások során energiát szolgáltató feszültségtartó kondenzátorok töltésére szolgáló BUS láb, a feszültséglökések elviselése és számos kimenőfeszültség/leadott áramerősség párosítás, mindez egyetlen házmérettel.