Elektronische Geräte, von der Beleuchtung über Fahrgastinformations- und Unterhaltungssysteme bis hin zu Sicherheits- und Maschinensteuerungssystemen, benötigen DC/DC-Wandler und müssen Sicherheits- und Zuverlässigkeitsaspekten entsprechen.
Historisch gesehen entwickelten viele europäische Länder ihre eigenen Eisenbahnnormen, wie beispielsweise BRB/RIA in Großbritannien und NF F 01-510 für Anwendungen in Frankreich. Mit der Privatisierung einiger Eisenbahnunternehmen und dem allgemeinen Bestreben nach einer Harmonisierung der nationalen Normen innerhalb der Europäischen Union haben zwei Normen für elektronische Geräte (EN 50155 und EN 50121) die älteren nationalen Normen weitgehend ersetzt. Es ist jedoch zu beachten, dass diese älteren Normen gelegentlich weiterhin erforderlich sind und nicht vollständig außer Acht gelassen werden können.
Die am häufigsten zitierte Spezifikation ist die europäische Norm EN50155 für „Elektronische Ausrüstung in Schienenfahrzeugen“ EN50155:2007.
Bei der Auswahl von DC/DC-Wandlern und ihren Leistungskomponenten sind die Eingangsspannung und die Umgebungsbedingungen entscheidend. Spannungsschwankungen, -unterbrechungen und -transienten müssen ebenso berücksichtigt werden wie elektrostatische Aufladung und EMV-bedingte Störungen (elektromagnetische Verträglichkeit). Zu den wichtigsten Umgebungsbedingungen
zählen Umgebungstemperatur, Stoß- und Vibrationsfestigkeit sowie relative Luftfeuchtigkeit.
Elektronische Geräte und Systeme im Bahnbereich sind erheblichen Eingangsspannungsschwankungen ausgesetzt, darunter plötzlichen Spannungsabfällen, Transienten und Spannungsspitzen. Sie müssen zudem auch bei Netzunterbrechungen von bis zu 10 ms Dauerbetrieb gewährleisten, was bei der Geräteentwicklung berücksichtigt werden muss. Die britische Norm BRB/RIA12, „General Specification for Protection of Traction and Rolling Stock from Transients and Surges in DC Control Systems“, fordert, dass Systeme einer Spannungsspitze von 3,5-facher Nennspannung für 20 ms standhalten müssen. Dies erfordert typischerweise den Einsatz eines zusätzlichen Filters zum Schutz der DC/DC-Wandler.
Tabelle 1 (unten) enthält für jede im Industriebereich verwendete Nennspannung die Eingangsspannungsbereiche, Spannungsabfälle und Transienten, die der Norm EN 50155 entsprechen müssen, und vergleicht diese mit den Werten von BRB/RIA12 und NF F 05-510.
Abbildung 2 zeigt beispielsweise die neue XP POWER RDC30-Serie, die für Nennspannungen von 72 V DC und 110 V DC ausgelegt ist.
Überspannungen, elektrostatische Entladungen, Transienten und EMV werden in EN 50121-3-2:2006 „Elektromagnetische Verträglichkeit – Schienenfahrzeuge – Ausrüstung“ beschrieben. Diese Normenreihe legt die Grenzwerte für elektromagnetische Emissionen von Bahnanlagen nach außen sowie die elektromagnetische Störfestigkeit und die Emissionen von Geräten fest, die in Bahnanwendungen eingesetzt werden.
Die Norm EN 50121-3-2:2006 definiert die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit von Schienenfahrzeugausrüstung. Ältere nationale Vorschriften in den einzelnen Ländern enthalten abweichende Anforderungen als die in EN 50121 festgelegten, die gegebenenfalls gesondert zu berücksichtigen sind.
Eine Zusammenfassung der leitungsgebundenen Störaussendungen und der Störfestigkeit finden Sie in den Tabellen 2 und 3. Die neuen Geräte der Serien XP POWER RDC30 und RDQ100/150 wurden umfassend geprüft und zertifiziert und erfüllen diese Vorschriften.
Die Leistungskriterien in Tabelle 3 legen fest, ob das Gerät während des Tests betriebsbereit bleiben muss. Kriterium A besagt, dass das Gerät während und nach dem Test ohne Leistungseinbußen normal weiterarbeiten muss.
Kriterium B besagt, dass der normale Betrieb nach dem Test wieder aufgenommen wird und dass es während des Tests zu Leistungseinbußen kommen kann.
DC/DC-Wandler und Baugruppen gelten üblicherweise als Komponenten, während die Vorschriften für die Endausrüstung gelten, die für den Einbau in Schienenfahrzeuge vorgesehen ist.
XP-Wandler, die für Bahnanwendungen entwickelt wurden, werden anhand dieser Anforderungen separat bewertet, wobei Emissionen, elektromagnetische Verträglichkeit und elektrostatische Entladung in der Endausrüstung erneut geprüft werden müssen.
EN50155 spezifiziert 4 Betriebstemperaturstufen, die weiter unterteilt werden in die Innentemperatur des Gehäuses, die Übertemperatur im Inneren und die Umgebungstemperatur
Die Leiterplatten sind in Tabelle 4 unten dargestellt.
Elektrische Geräte müssen für die Grenzwerte der relativen Luftfeuchtigkeit zuzüglich der Gehäuseaußentemperatur ausgelegt sein, basierend auf einem Jahresmittelwert von 75 % relativer Luftfeuchtigkeit und bis zu 30 aufeinanderfolgenden Tagen pro Jahr mit 95 % relativer Luftfeuchtigkeit.
Geräte, die in oder in der Nähe von Schienenfahrzeugen eingesetzt werden, sind ständigen Vibrationen unterschiedlicher Frequenz und Stärke ausgesetzt. DC/DC-Wandler und Baugruppen sind in der Regel robust gebaut, ihre Montage am Endgerät erfordert jedoch besondere Aufmerksamkeit, da sie die schwersten Bauteile darstellen.
EN 50155 und frühere Normen legen die Anforderungen an elektrische Betriebsmittel in Abhängigkeit von ihrem Einbauort im Fahrzeug fest. EN 50155 und EN 61371:2010 definieren den Schweregrad der Prüfungen. EN 61371 unterscheidet drei Kategorien: Kategorie 1 für Betriebsmittel, die an der Fahrzeugkarosserie montiert sind, Kategorie 2 für Betriebsmittel, die im Fahrzeug montiert sind, und Kategorie 3 für Betriebsmittel, die an der Achse montiert sind. Kategorie 1 ist weiter unterteilt in Klasse A für Gehäuse, Baugruppen und Betriebsmittel und Komponenten, die direkt an oder unter der Fahrzeugkarosserie montiert sind. Klasse B gilt für Betriebsmittel, die in einer Einheit verbaut sind, welche wiederum direkt an oder unter der Fahrzeugkarosserie montiert ist.
Die Prüfanforderungen für Stoß- und Vibrationsfestigkeit steigen von Kategorie 1 zu Kategorie 3.
XP POWER blickt auf eine lange und erfolgreiche Geschichte als Anbieter von Stromversorgungslösungen für die Bahnindustrie zurück – von einzelnen DC/DC-Wandlern bis hin zu kompletten Netzteilen und Batteriesystemen. Im Vergleich zu den älteren Normen BRB/RIA und NF F unterscheiden sich die Eingangs- und Stoßspannungsbereiche der EN 50155. XP POWER hat Lösungen entwickelt, die all diese Normen und verschiedene Nenneingangsspannungen erfüllen, und diese in Zusammenarbeit mit seinen Kunden erfolgreich implementiert.
Die neuesten Umrichter von XP POWER werden vollständig evaluiert, getestet und nach Bahnnormen zertifiziert. Sie verfügen über eine vollständige Dokumentation für die Integration in Endanwender- oder vormontierte Geräte und bieten Engineering-Dienstleistungen zur Bereitstellung von schlüsselfertigen Lösungen für Systementwickler.
Autor:
Von Gary Bocock, Technischer Direktor, XP Power
