Convertoarele c.c./c.c. specializate răspund provocărilor unice ale alimentării cu energie electrică din domeniul feroviar

Sistemele feroviare moderne au la bord o cantitate tot mai mare de componente electronice pentru funcții precum accesul pasagerilor la internet, legături prin satelit, interfoane și sisteme de sonorizare, subsisteme de navigație, radiouri de urgență, panouri de semnalizare, iluminat cu leduri, sisteme de informare, prize de încărcare amplasate pe scaune și alte accesorii. Există, de asemenea, subsisteme de încărcare a bateriilor, deoarece multe dintre aceste funcții trebuie să fie alimentate în timpul întreruperilor tranzitorii de energie electrică sau al perioadelor prelungite de întrerupere a energiei electrice. Fiecare dintre aceste funcții are cerințe de tensiune unice, ceea ce duce la utilizarea mai multor convertoare c.c./c.c. pentru a converti c.c. de tensiune mai mare în mai multe tensiuni mai mici.

Cu toate acestea, proiectanții care specifică convertoare c.c./c.c. pentru utilizarea în sistemele feroviare trebuie să se asigure că aceste convertoare pot funcționa în mod fiabil în spații închise și în condiții dificile de solicitări electrice, mecanice și termice. De asemenea, trebuie să îndeplinească o listă lungă de cerințe riguroase din industrie și de reglementare și să fie ușor de implementat pentru a economisi timp.

Acest articol examinează pe scurt cerințele convertoarelor de putere c.c./c.c. pentru aplicațiile feroviare. Apoi, prezintă convertoarele c.c./c.c. de la TRACO Power și arată cum pot fi aplicate pentru a îndeplini aceste cerințe.

Distribuția energiei electrice pentru sistemele feroviare

Un traseu tipic de distribuție a energiei pentru o locomotivă sau un troleibuz electric are multe tensiuni inferioare derivate din sursa primară de curent continuu a catenarei aeriene. Ca în cazul oricărei aplicații critice, există standarde industriale obligatorii care definesc cerințele de performanță din mai multe perspective.

Specificația de reglementare dominantă pentru echipamentele electronice feroviare este EN 50155, Aplicații feroviare - Material rulant - Echipamente electronice. Aceasta definește condițiile de mediu și de funcționare, așteptările legate de fiabilitate, siguranța, precum și metodele de proiectare și construcție. De asemenea, acoperă documentația și testarea.

Alte specificații esențiale includ:

• EN 61373, Aplicații feroviare - Echipament pentru material rulant - Încercări la șocuri și vibrații
• EN 61000-4 pentru compatibilitate electromagnetică (CEM)
• EN 45545-2, standardul feroviar european pentru protecție împotriva incendiilor
• Standardul RIA 12 al British Railway Industries Association, Specificație generală pentru protecția echipamentelor electronice de tracțiune și a materialului rulant împotriva fenomenelor tranzitorii și a supratensiunilor în sistemele de control c.c.

Îndeplinirea acestor mandate de reglementare reprezintă o provocare majoră în materie de proiectare, chiar dacă proiectul convertorului de putere de tip DIY (do-it-yourself) funcționează așa cum a fost prevăzut în timpul simulării și ca prototip de banc. Din fericire, nu este nevoie să adoptați o abordare de tip DIY. Sunt deja disponibile convertoare c.c./c.c. standard, specifice aplicației, care îndeplinesc cerințele domeniului feroviar.

De exemplu, familiile TEP 150UIR/TEP 200UIR sunt două serii similare de convertoare half-brick, montate pe placă, cu o putere nominală de 150 și, respectiv, 200 de wați. Acestea au o izolare consolidată de intrare/ieșire (I/O) de 3.000 de volți c.a. (V_c.a.) și protecție încorporată la scurtcircuit, supratensiune și supratemperatură.

Toți membrii acestor două familii au aceeași configurație de conectare și aceeași dimensiune a capsulei, de 60 mm × 60  × 13 mm (Figura 1). Eficiența acestora este de aproximativ 90%.

Figura 1: Toți membrii familiilor TEP 150UIR și TEP 200UIR au aceeași dimensiune a carcasei și același factor de formă. (Sursă imagine: TRACO Power)

Seria TEP 150UIR funcționează într-o gamă extrem de largă de tensiuni de intrare, de la 14 la 160 de volți c.c. (V_c.c.) și este disponibilă în cinci perechi de ieșiri, de la 5 volți/30 de amperi (A) la 48 de volți/3,2 A (Figura 2).

Figura 2: Seria TEP 150UIR este disponibilă cu valori nominale de tensiune/curent de la 5 volți/30 A la 48 de volți/3,2 A. (Sursa imaginii: TRACO Power)

Membrul cu cea mai mică tensiune/cel mai mare curent din această familie este TEP 150-7211UIR, care poate furniza până la 30 A la 5 volți.

Seria TEP 200UIR are aceeași gamă de tensiuni de intrare și de ieșire, dar curenți mai mari, variind de la 5 volți/40 A la 48 volți/4,2 A (Figura 3).

Figura 3: Familia TEP 200UIR oferă cu 33% mai multă putere, cu aceleași valori ale tensiunii de ieșire, dar cu curenți de ieșire mai mari. (Sursă imagine: TRACO Power)

Membrul cu cea mai înaltă tensiune/cel mai mic curent din această familie este TEP 200-7218UIR, care poate furniza până la 4,2 A la 48 de volți, față de 3,2 A pentru omologul său de 150 de wați la această tensiune.

Prin menținerea unei dimensiuni și a unei amprente comune, utilizatorii pot actualiza cu ușurință un circuit pentru a răspunde unor nevoi diferite sau pentru a utiliza plăci diferite, cu probleme minime de cablare și de dispunere. De asemenea, aceștia pot simplifica inventarul prin stocarea unui număr mai mic de modele unice.

Trei caracteristici cheie

Unitățile TEP 150UIR și TEP 200UIR oferă trei caracteristici deosebite: o gamă largă de tensiune de intrare, un timp de reținere extins și o limitare activă a curentului de anclanșare.

1) Gamă largă de tensiune de intrare: Componentele electronice tipice de nivel industrial ar putea îndeplini cerințele generale de tensiune/curent, dar convertoarele de putere c.c./c.c. pentru această aplicație trebuie să reziste la variații mult mai largi ale tensiunii de intrare și la o gamă de valori nominale posibile (Figura 4).

Figura 4: Intervalele de intrare c.c. pentru diferite aplicații feroviare acoperă o gamă extrem de largă, în special atunci când în analiză sunt luate în considerare abaterile admisibile de la valorile nominale. (Sursă imagine: TRACO Power)

Aceasta include variațiile permise ale tensiunii de intrare în jurul fiecărei valori nominale:

• Interval continuu = De la 0,7 până la 1,25, × V_NOM
• Cădere de tensiune = 0,6 × V_NOM pentru 100 milisecunde (ms)
• Supratensiune = 1,4 × V_NOM pentru o secundă

Proiectarea unui convertor de putere care poate trece prin căderi de tensiune de 100 ms este dificilă, în timp ce supratensiunile care durează o secundă au prea multă energie pentru a fi limitate. Prin urmare, convertorul trebuie să funcționeze pe întreaga gamă prezentată în Figura 4, incluzând în același timp o anumită marjă de siguranță. În practică, acest lucru înseamnă o gamă de intrare mai mare de 2,33:1.

Tensiunea nominală poate fi cuprinsă între 24 V_c.c. și 110 V_c.c., ceea ce complică situația. Mulți producători de convertoare c.c./c.c. respectă aceste cerințe, oferind convertoare cu o gamă de intrare mai largă de 4:1 (de obicei, de la 43 la 160 de volți) pentru a acoperi majoritatea aplicațiilor, dar, de obicei, un singur convertor nu a fost capabil să le îndeplinească pe toate.

Pentru a rezolva acest aspect, unitățile TRACO acceptă o intrare ultra-largă de 12:1 de la 14 la 160 V_c.c. Această gamă permite inginerului de aplicații de sistem să vizeze o serie de tensiuni nominale de sistem cu o singură sursă de alimentare.

2) Timp de reținere prelungit: Linia de curent continuu este supusă unor fenomene tranzitorii rapide de ± 2 kilovolți (kV) cu timpi de creștere de 5 nanosecunde (ns), timpi de cădere de 50 ns și o rată de repetiție de 5 kilohertzi (kHz). Există, de asemenea, supratensiuni de ±2 kV de la linie la masă și de ±1 kV de la linie la linie, cu timpi de creștere de 1,2 microsecunde (μs) și timpi de cădere de 50 μs de la o impedanță de sursă definită, cuplată în curent alternativ.

Unele cerințe depășesc EN 50155 și necesită imunitate la supratensiuni de până la 1,5 x V_NOM timp de o secundă și 3,5 xV_NOM timp de 20 ms de la o impedanță de sursă extrem de scăzută de 0,2 ohmi (Ω). Pentru un sistem la 110 V_c.c. (nominal), acest lucru corespunde unei valori de vârf de 385 V_c.c., ceea ce este în afara domeniului normal al unui convertor, mai ales dacă acesta trebuie să lucreze până la valoarea minimă de 66 V_c.c. pentru căderi de tensiune.

Energia disponibilă de la o astfel de sursă de impedanță scăzută înseamnă că tensiunea nu poate fi limitată de un supresor de tensiune tranzitorie (TVS). În funcție de nivelul de putere, este nevoie de un pre-regulator la intrarea de alimentare sau un circuit care să oprească intrarea pe durata supratensiunii. Este necesară o funcție de reținere în convertorul c.c./c.c. pentru a menține ieșirea în acest timp.

Pentru a rezolva această problemă, unitățile TRACO sunt prevăzute cu o caracteristică importantă sub forma unei ieșiri pentru pinul BUS. Această ieșire furnizează o tensiune fixă pentru încărcarea unui condensator, permițând condensatorului să furnizeze energia necesară pentru un timp de reținere mai lung (Figura 5). Aceste condensatoare sunt mult mai mici și mai puțin costisitoare decât cele utilizate în schema convențională de reținere a condensatorului frontal.

Figura 5: Acesta este circuitul de intrare recomandat pentru a fi utilizat cu condensatorul de magistrală C_BUS pentru a simplifica implementarea unui timp de reținere extins. (Sursă imagine: TRACO Power)

Rețineți că nu este necesar să se adauge o diodă în serie la circuitul de intrare, deoarece aceste convertoare au o diodă integrată pentru a evita scurtcircuitele și pentru a preveni ajungerea energiei de la condensator în sursa de alimentare.

Atunci când apare o întrerupere a tensiunii de alimentare, tensiunea de intrare va scădea până la tensiunea BUS înainte ca condensatoarele să înceapă să se descarce pentru a furniza energie modulului de alimentare. Datorită densității lor de putere relativ ridicate, seriile TEP 150UIR și TEP 200UIR pot furniza o tensiune BUS fixă la o tensiune de intrare de până la 80 de volți. La tensiuni de intrare mai mari, tensiunea BUS crește liniar cu tensiunea de intrare reală (Figura 6).

Figura 6: Convertoarele asigură o tensiune BUS fixă la o tensiune de intrare de până la 80 de volți; la tensiuni de intrare mai mari, tensiunea BUS crește liniar cu tensiunea de intrare reală. (Sursă imagine: TRACO Power)

3) Limitarea curentului de anclanșare activ: Aceasta abordează o problemă comună a convertoarelor de putere: atunci când tensiunea de intrare începe să crească, condensatoarele de reținere de la terminalul de intrare vor cauza un curent de anclanșare ridicat. Acest lucru poate să ardă o siguranță sau să declanșeze un circuit și să provoace erori și defecțiuni în dispozitivele conectate.

Pentru a evita acest lucru, un pin de impuls din seriile TEP 150UIR și TEP 200UIR furnizează un semnal de undă pătrată de 12 volți, 1 kHz, care poate fi utilizat în circuitul de limitare a curentului de anclanșare (Figura 7).

Figura 7: Seriile TEP 150UIR și TEP 200UIR oferă o modalitate simplă de limitare a curentului de anclanșare la pornire, utilizând un pin de impuls cu un semnal de undă pătrată. (Sursă imagine: TRACO Power)

Prin conectarea circuitului de limitare activă a curentului de anclanșare la pinul de impuls, curentul de anclanșare este limitat în mod eficient (Figura 8). Fără limitare, curentul de anclanșare este de aproximativ 120 A (stânga), în timp ce, cu limitare, scade la aproximativ 24,5 A (dreapta).

Figura 8: Acționarea circuitelor active de limitare a curentului de anclanșare ale convertoarelor cu pinul de impuls reduce curentul de anclanșare de cinci ori. Se prezintă un exemplu cu o valoare V_in de 72 de volți. Scara orizontală din stânga este de 50 de volți/diviziune, iar cea din dreapta este de 10 volți/diviziune, cu un factor de scalare al traductorului de 1 volt = 1 A. (Sursa imaginii: TRACO Power)

Concluzie

Convertoarele c.c./c.c. pentru aplicațiile feroviare de joasă tensiune trebuie să facă mai mult decât să ofere o performanță de putere fiabilă și constantă. Acestea trebuie să fie compacte, ușor de gestionat și de implementat, să se adapteze la o gamă variată de aplicații, să poată funcționa în medii dificile și să îndeplinească o listă lungă de standarde și mandate de reglementare electrice, termice și mecanice. După cum s-a arătat, familiile TRACO Power TEP 150UIR și TEP 200UIR sunt potrivite pentru acest lucru, având caracteristici care includ o gamă largă de tensiuni de intrare 12:1 de la 14 la 160 V_c.c., un pin de reținere pentru încărcarea condensatoarelor pentru a furniza energie în timpul căderilor de tensiune, capacitatea de a rezista la supratensiuni și numeroase perechi de tensiuni/curenți de ieșire, toate într-un singur factor de formă.