In diesem Artikel werden wir die Anforderungen an DC/DC-Wandler in Eisenbahnsystemen sowie einen Überblick über Konstantstrom-Eisenbahnen, die Verwendung von DC/DC-Wandlern in diesen Systemen und die Normen, die den Betrieb dieser Geräte unabhängig von den Bedingungen ermöglichen, erörtern.
Ein Blick auf Gleichstrom-Elektroeisenbahnsysteme
Frühe Bahnstromsysteme nutzten Niederspannungs-Gleichstrom, der von Diodengleichrichtern in Traktionsunterwerken entlang der Strecke bereitgestellt wurde. Die Stromversorgung der Triebwagen erfolgte über ein einziges Netzteil für Oberleitung und Schienen. Die gängigsten Spannungen für Traktionssysteme sind 600 V für ältere U-Bahnen und Straßenbahnen, 750 V für neuere U-Bahnen und 1500 V für S-Bahnen. In S-Bahn-Netzen kommen auch größere 3000-V-Systeme zum Einsatz.
Trends für Gleichstrom-Eisenbahnsysteme
Es besteht ein allgemeiner Trend hin zu stetig steigender Spannung und Effizienz von Bahnsystemen. Höhere Spannungen ermöglichen geringere Stromstärken, da dickere Kabelquerschnitte (dünnere Kabel) ausreichen. Niederspannungssysteme erfordern höhere Stromstärken, was dickere Leitungen und kürzere Entfernungen zwischen den Unterwerken zur Folge hat. Eine gesteigerte Energieeffizienz reduziert sowohl die CO₂-Emissionen als auch den Energieverbrauch der Anlage. Energierückgewinnung kann auch durch regenerative Bremsung erreicht werden, bei der die kinetische Energie des Rotors in elektrische Energie umgewandelt und in das Stromnetz zurückgespeist wird.
Wie DC/DC-Wandler in Eisenbahnsystemen eingesetzt werden
Die regenerative Bremsung nutzt einen großen bidirektionalen DC/DC-Wandler, um Energie aus dem Oberleitungsnetz in die Batteriebank oder das Energiespeichersystem (ESS) zurückzuspeisen. Im modernen Schienenverkehr ist ein kleinerer DC/DC-Wandler erforderlich, um alle elektronischen Geräte und Subsysteme im Triebwagen kontinuierlich mit Strom zu versorgen. Zu diesen Hilfssystemen gehören kritische Hochspannungssysteme wie Motorsteuerungen, Antriebssteuerungen und Bremssysteme sowie Niederspannungs-Sekundärsysteme wie Beleuchtung, Batterieladung, Kontrollleuchten, Informationsanzeigen und elektrische Türöffner. Die konventionelle Lösung besteht häufig aus einem Eingangsfilter, einem Drehstromwechselrichter und einem Niederfrequenztransformator, um die elektrische Trennung zwischen Oberleitungsspannung und Hilfsstromversorgungsgeräten zu gewährleisten. Dieser Transformator ist typischerweise groß und sperrig und erhöht die Masse in einer Anwendung, die ohnehin durch Platz- und Gewichtsbeschränkungen eingeschränkt ist. Alternativ können isolierte DC/DC-Wandler eingesetzt werden, um die Anforderungen an Größe, Gewicht und Leistung moderner Bahnanwendungen zu erfüllen. Ziel ist es, die hohe Eingangsspannung von 750 V, 1500 V und/oder 3000 V in eine geregelte Ausgangsspannung von 24, 28, 36, 48, 72, 96 oder 110 V umzuwandeln.
Die Stromverteilung innerhalb des Zuges von der Hauptversorgung erfordert ebenfalls eine DC/DC-Wandlerkette zu den Sekundärsystemen. Wie bereits erwähnt, können die Nenneingangsspannungen zwischen 24 V und 110 V liegen; hierfür wird eine geregelte Ausgangsspannung von 3,3, 5, 12, 15 oder 24 V benötigt. Die europäische Norm EN 50155 für elektrische Bahnausrüstung schreibt vor, dass die Nenneingangsspannung zwischen dem 0,7- und 1,25-Fachen der Nennspannung schwanken darf. Kurzzeitige Abweichungen zwischen dem 0,6- und 1,4-Fachen der Nenneingangsspannung sind ebenfalls zulässig.
Anders ausgedrückt: Ein 110-V-System benötigt einen kontinuierlichen Spannungsbereich zwischen 67,2 V und 120 V sowie einen schwankenden Spannungsbereich von 66 V bis 154 V. DC/DC-Wandler unterstützen große Eingangsspannungsbereiche und decken somit mehrere Nenneingangsspannungen ab. Beispielsweise benötigt ein Wandler für die gängigen Bahn-Eingangsspannungen von 72 V und 110 V einen Betriebseingangsspannungsbereich von 43,2 V bis 154 V (siehe Tabelle 1). OLFER Electronics und P-DUKE bieten die DC/DC-Wandler der Serien RHKW, RHMW und RHDW für Bahn- und Industrieanwendungen an. Alle diese Geräte verfügen über eine verstärkte AC-Isolation von 3000 V sowie einen großen Eingangsspannungsbereich von 36 V bis 160 V und eignen sich daher für den Einsatz in 72-V-, 96-V- und 110-V-Bahnanwendungen.
Überlegungen zu Transformatoren in isolierten Umrichtern
Isolierte DC/DC-Wandler nutzen einen Transformator, um eine galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgang des Geräts zu gewährleisten. Typischerweise erfolgt die DC/DC-Wandlung, indem das Signal zunächst mit einem Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt, dann durch einen Transformator und anschließend durch einen Gleichrichter zu einem geregelten Gleichstromausgang geleitet wird (sodass keine metallische oder leitfähige Verbindung zwischen den beiden Schaltungsteilen besteht). Der Grad der Isolation hängt von den Luft- und Kriechstrecken ab, die häufig durch entsprechende Normen genau definiert sind. Die Luftstrecke ist der Abstand zwischen zwei Leitern, während die Kriechstrecke die Strecke entlang einer Oberfläche zwischen zwei Leitern ist. Die Luftstrecke verhindert Lichtbögen, und die Kriechstrecke verringert die Gefahr eines Kurzschlusses, falls die Oberfläche verschmutzt und leitfähig wird.
Der Transformator und die Anzahl der DC/AC-Wandlungen (und umgekehrt) begrenzen den Wirkungsgrad des Umrichters. Die Isolationsbarriere verhindert eine direkte Steuerung des Ausgangssignals für eine bessere Regelung. Auch der Wirkungsgrad des Transformators muss berücksichtigt werden, da er den Wirkungsgrad des Umrichters begrenzen kann. Das patentierte Transformator-Design von P-DUKE, das in Spanien und Portugal von Electrónica OLFER vertrieben wird, ermöglicht einen Betrieb mit Wirkungsgraden von bis zu 90,5 %, selbst bei einer Kriechstrecke und Luftlänge von 4,5 mm (Abbildung 1).
Abbildung 1: Das patentierte Transformator-Design ermöglicht Wirkungsgrade von bis zu 90,5 % trotz der Kriechstrecke und Luftlänge von 4,5 mm.
Den rauen Bedingungen von Eisenbahnanwendungen gerecht werden
Außerhalb der Norm EN 50155 legt die Norm EN 61373 die Prüfanforderungen für Ausrüstung in Schienenfahrzeugen fest. Diese Geräte sind nahezu konstanten Vibrationen und teilweise auch mechanischen Stößen ausgesetzt. Die Vibrationsprüfung umfasst Langzeitsimulationsprüfungen, bei denen das Prüfobjekt mindestens 15 Stunden lang Vibrationen mit einer bestimmten Amplitude ausgesetzt wird. Bei der Stoßprüfung wird das Gerät einer Folge von halbsinusförmigen Impulsen ausgesetzt, um die Transportbelastungen zu simulieren.
Die Sicherheitszertifizierungen und -zulassungen für elektronische Geräte in Bahnsystemen umfassen Normen wie EN 50155, EN 61373 und EN 44545-2, um die Funktionsfähigkeit dieser Systeme unabhängig von elektrischen, umweltbedingten oder Brandrisiken zu gewährleisten. Zu den weiteren Normen zählt IEC/UL/EN 62368-1, die die Sicherheitsanforderungen für elektrische und elektronische Geräte in Audio-, Video-, Informations- und Kommunikationssystemen abdeckt – Systeme, die in Bahnhilfssystemen üblicherweise eingesetzt werden.
Für Bahnanwendungen existieren außer der Norm EN 50121-2 für maximale Emissionspegel keine direkten EMV-Normen. Die elektromagnetische Umgebung dieser Systeme ist jedoch anspruchsvoll, mit potenziellen Störquellen wie Umspannwerken, der Hauptstromversorgung, Oberleitungen und Schienenfahrzeugen. Sowohl für Bahn- als auch für Industrieanwendungen ist ein Umrichter mit einer gewissen elektromagnetischen Störfestigkeit von Vorteil.
P-DUKE und OLFER Electronics Eisenbahn-DC/DC-Wandler
Die DC/DC-Wandler der Serien RHKW (3/6/10 W), RHMW (20 W) und RHDW (40 W) von P-DUKE und OLFER Electronics eignen sich ideal für Eingangsspannungen von 72 V, 96 V und 110 V und erfüllen die Bahnnormen EN 50155, EN 61373 und EN 445545-2 sowie die Norm IEC/UL/EN 62368-1 für verstärkte Isolierung elektrischer Betriebsmittel (Abbildung 2). Diese Wandler verfügen über eine integrierte EMV-Schaltung gemäß IEC/EN 55032 Klasse A und IEC/EN 50121-3-2. Dies vereinfacht das Leiterplattendesign erheblich und spart Platz. Die Transformatorkonstruktion ermöglicht einen Wirkungsgrad von bis zu 90,5 % und erfüllt gleichzeitig die Sicherheits- und Isolationsanforderungen anspruchsvoller Bahn- und Industrieanwendungen. Sie werden Vibrations- und Stoßtests unterzogen und decken einen breiten Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +105 °C ab. Sie sind für den Einsatz in Höhenlagen von 5000 Metern in Gebirgsregionen geeignet.
Abbildung 2: RHDW-Serie von DC/DC-Wandlern für die Bahntechnik.
Zusammenfassend lässt sich sagen
, dass bei DC/DC-Wandlern für Bahnanwendungen zahlreiche Aspekte berücksichtigt werden müssen, von den grundlegenden Spannungsanforderungen bis hin zu Isolierung und Konstruktion. Dadurch können diese Geräte unabhängig von rauen elektrischen, mechanischen und Umgebungsbedingungen funktionieren. Sie müssen nicht nur die gängigen Bahnnormen erfüllen, sondern auch eine gewisse Immunität gegenüber elektromagnetischen Störungen aufweisen.
Autor: Marketingabteilung P-DUKE.
Übersetzung: Marketingabteilung OLFER Electronics.
