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Auswahl eines DC/DC-Wandlers für Bahnanwendungen

21. Juni 2022 von Ron Stull – Lesezeit: 7 Minuten

Auswahl eines DC/DC-Wandlers für Bahnanwendungen

Einführung

In der Vergangenheit war der 110-V-Akku in der Hauptlokomotive die Quelle der Gleichstromversorgung für die meisten elektrischen Bahnanwendungen. Das bedeutete, dass für die Beleuchtung der Waggons Kabel über die gesamte Zuglänge verlegt werden mussten.

Da der Akku auch an Schaltgeräte, Relais und andere schwere elektrische Lasten wie Anlasser angeschlossen war, kam es regelmäßig zu Spannungseinbrüchen und Spannungsspitzen sowie zu elektromagnetischen und Hochfrequenzstörungen (EMI/RFI) auf dem Kabel. Die Passagiere bemerkten diese Auswirkungen kaum, abgesehen davon, dass sich die Beleuchtungsstärke im Abteil gelegentlich änderte.

Moderne Züge sind technisch viel ausgereifter als ihre Vorgänger und verfügen jetzt über viele fortschrittliche Sicherheitsfunktionen, die mehrere Niederspannungssensoren und -aktoren verwenden. Darüber hinaus erwarten Bahnreisende heute Annehmlichkeiten wie Klimaanlagen, drahtlose Kommunikation und hochentwickelte Infotainment-Funktionen. Die Gewährleistung von Sicherheit und Komfort wäre ohne die Verfügbarkeit mehrerer Stromversorgungen mit konstanter Gleichspannung, die nicht durch externe elektrische Störquellen beeinträchtigt wird, nicht möglich. Dieser Blog-Beitrag befasst sich mit einigen der spezifischen Anforderungen für den Einsatz von DC/DC-Wandlern in Bahnanwendungen.

Normen für Bahnstrom

Die Norm EN 50155 – Bahnanwendungen – elektronische Einrichtungen auf Schienenfahrzeugen gilt für elektrische Geräte, die an die Bahnindustrie geliefert werden, und wurde von den meisten Herstellern von Bahnausrüstungen übernommen. Sie bezieht sich auf batteriebetriebene Systeme und Niederspannungsstromversorgungen, die direkt (oder indirekt) mit dem Kontaktsystem verbunden sind, und deckt die Anwendungen Steuerung, Einstellung, Schutz und Versorgung ab. DC/DC-Wandler in elektronischen Geräten für den Einsatz in Fahrzeugen müssen die EN 50155 in jeder der folgenden Hinsichten einhalten:

Eingangsspannungsbereich

Die in Bahnanwendungen am häufigsten verwendeten Batteriespannungen sind 24 V, 48 V, 72 V, 96 V und 100 V. Aufgrund der unvermeidlichen Spannungseinbrüche und
-spitzen, die durch den Bedarf mehrerer Bordsysteme verursacht werden, variieren diese Werte stark. EN 50155 legt fest, dass diese Werte das 0,7- bis 1,25-Fache des Nennwerts betragen dürfen, wobei auch stärkere transiente Schwankungen von 0,6 bis 1,4 (Nennwert) (für eine Dauer von bis zu 100 ms) akzeptabel sind.

EN50155-Spannungsbereiche
Abb. 1: EN50155-Spannungsbereiche

Elektromagnetische Verträglichkeit

Die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) von elektrischen Geräten werden durch die Art und Weise definiert, wie sie mit der äußeren Umgebung interagieren. Diese Schnittstellen werden als Ports bezeichnet (Abbildung 1). Verschiedene Ports haben unterschiedliche EMV-Anforderungen.

Elektrische Schnittstellen für Lokomotiven (Ports)
Abb. 2: Elektrische Schnittstellen für Lokomotiven (Ports)

Für Batterieanschlüsse gibt es keine Grenzwerte für leitungsgebundene Emissionen im Frequenzbereich von 9 kHz bis 150 kHz. Die gleichen EMV-Anforderungen gelten für batteriebezogene, Signal- und Kommunikations-, Prozessmess- und
-steuerungsanschlüsse und sind in EN 50121-3-2 festgelegt. Anforderungen an die Störfestigkeitsprüfung sind in der EN 50121-3-2 festgelegt.

Mechanische Stöße und Vibrationen

Elektronische Geräte müssen den Erschütterungen und Vibrationen, denen ein Zug im regulären Betrieb ausgesetzt ist, ohne Leistungseinbußen standhalten können. Diese Stufen können vom Zuganbieter festgelegt werden. Andernfalls müssen sie die Anforderungen der EN–61373Kategorie 1, Klasse B (Tabelle 1) erfüllen.

Leistung EN50155 / IEC61373
Vibrationen Kategorie < 0,3 kg 5–150 Hz 5 g
Stöße Längs-/Trans.-/Vert.-Achse 5g/3g/3g 30mS/30mS/30mS
Tabelle 1: Stoß- und Vibrationstests

Temperatur und Luftfeuchtigkeit

Elektronische Geräte müssen so ausgelegt sein, dass sie in einer Reihe von verschiedenen Temperaturklassen (Tabelle 2) mit ihrer vollen Spezifikation arbeiten.

  • Fahrgast- und Fahrerräume fallen unter die Klassen OT1 und OT2 (mit einer Standard-Bezugstemperatur von +25 °C).
  • Die Klassen OT3 und OT4 umfassen Geräte in technischen Schränken (mit einer Standard-Bezugstemperatur von +45 °C).
  • OT3 ist die Standardklasse.
Klasse Betriebstemperaturbereich (°C)
OT1 -25 bis 55
OT2 -40 bis 55
OT3 -25 bis 70
OT4 -40 bis 70
OT5 -25 bis 85
OT6 -40 bis 85
Tabelle 2: Temperaturprüfungen

Isolationsspannung

Diese technischen Daten stellen sicher, dass die Leiter in den Netzteilen über eine ausreichende elektrische Isolierung und einen ausreichenden Abstand verfügen, so dass Leckströme und elektrische Lichtbögen kein Problem darstellen. Dieser Test besteht aus zwei Teilen:

  1. Eine Isolationswiderstandsmessung, die bei 500 VDC durchgeführt wird. Der erforderliche Mindestisolierwiderstand beträgt 20 Megaohm.

  2. Der zweite Teil ist eine Spannungsfestigkeitsprüfung (Tabelle 3). Die Spannung wird langsam (in der Regel in 10-Sekunden-Intervallen) bis zum Maximalwert erhöht. Die Spannung wird für zehn Sekunden oder eine Minute aufrechterhalten, je nach Zweck der Prüfung.
Fahrzeug-Batterie (V) Isolationsanforderung VAC (50 Hz) / DC
24 500/750
48 500/750
72 - 125 1000/1500
125 - 315 1500/2200
Tabelle 3: Isolations- und Widerstandsprüfungen

Zertifizierte Stromversorgungslösungen

Die isolierten DC/DC-Wandler der PRQE-Serie von CUI Inc. erfüllen die EMV-Prüfungsanforderungen der EN 50121-3-2 und wurden entwickelt, um Systeme zu ermöglichen, die die EN 50155 in Bahnanwendungen erfüllen.

EN50155-Spannungsbereiche
Abb. 3: PRQE Serie 50-W- und 75-W-Quarter-Brick-DC/DC-Wandler

Diese Quarter-Brick-Wandler, die auch über eine EN 62368-1-Zertifizierung verfügen, werden in einer Reihe von Leistungsstufen angeboten, darunter 50 W und 75 W. Diese Geräte sind in einem vollständig gekapselten Gehäuse aus Aluminiumlegierung mit einem schwarzen Kunststoffboden untergebracht und verfügen über die Brennbarkeitsklasse UL 94V-0. Sie haben einen Wirkungsgrad von bis zu 94 %, einen ultraweiten 4:1-Eingangsbereich und bieten Schutz vor Überstrom, Überspannung und Kurzschluss.

Die Wandler der PRQ-Serie sind in einem DIP-Gehäuse mit oder ohne Kühlkörper oder Grundplatte erhältlich. Abgesehen von Bahnanwendungen sind sie ideal für Daten-, Telekommunikations-, Robotik- und Industrieanwendungen – überall dort, wo Sie eine große Menge an Strom von einem Gerät in einem kompakten Design benötigen.

Kategorien: Produktauswahl, Sicherheit und Konformität


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Senden Sie eine E-Mail an powerblog@cui.com

Ron Stull

Ron Stull

Stromversorgungsingenieur

Seit Ron Stull 2009 zu CUI kam, hat er eine Reihe von Kenntnissen und Erfahrungen in den Bereichen der analogen und digitalen Stromversorgung sowie der AC/DC- und DC/DC-Energieumwandlung gesammelt. Er spielt eine Schlüsselrolle im Engineering-Team von CUI, mit Verantwortlichkeiten wie Anwendungsunterstützung, Test und Validierung sowie Design. Außerhalb der Energietechnik spielt Ron Gitarre, joggt und unternimmt mit seiner Frau Ausflüge in die Natur. Sie haben vor, alle US-Nationalparks zu besuchen.

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