Neste artigo, iremos discutir os requisitos dos conversores CC/CC em sistemas ferroviários, bem como uma visão geral das ferrovias de corrente constante, como os conversores CC/CC são utilizados nestes sistemas e as normas que permitem que estes dispositivos operem independentemente das condições.
Uma análise dos sistemas ferroviários elétricos de corrente contínua
Os primeiros sistemas de eletrificação ferroviária dependiam de corrente contínua de baixa tensão, fornecida por retificadores de díodo nas subestações de tração (ST) ao longo da linha férrea. A energia era então distribuída aos motores dos comboios através de uma única fonte de alimentação para as linhas aéreas e para os carris. As tensões mais comuns para os sistemas de tração são de 600 V para metros e elétricos mais antigos, 750 V para metros mais modernos e 1500 V para linhas suburbanas. Sistemas maiores, de 3000 V, são também utilizados em redes suburbanas.
Tendências para sistemas ferroviários elétricos de corrente contínua
Verifica-se uma tendência geral de aumento constante da tensão e da eficiência nos sistemas ferroviários. O aumento da tensão permite a utilização de correntes mais baixas quando cabos de maior calibre (mais finos) são suficientes. Os sistemas de baixa tensão requerem níveis de corrente mais elevados, o que leva a cabos mais grossos e a distâncias mais curtas entre subestações. O aumento da eficiência energética reduz tanto as emissões de CO2 como o consumo de energia da instalação. A recuperação de energia também pode ser conseguida através da travagem regenerativa, onde a energia cinética do rotor é convertida em eletricidade e devolvida à fonte de energia.
Como os conversores CC/CC são utilizados em sistemas ferroviários
A travagem regenerativa depende da utilização de um grande conversor CC/CC bidirecional para devolver energia da rede elétrica ao banco de baterias ou ao sistema de armazenamento de energia (SAE). Nas ferrovias modernas, é necessário um conversor CC mais pequeno para distribuir energia contínua a todos os dispositivos e subsistemas eletrónicos dentro do vagão. Estes sistemas auxiliares incluem sistemas críticos de alta tensão, como controlos de motores, controlos de acionamento de motores e sistemas de travagem, bem como sistemas secundários de baixa tensão, incluindo iluminação, carregamento de baterias, lâmpadas indicadoras, visores de informação e abridores elétricos de portas. A solução convencional envolve normalmente a utilização de um filtro de entrada, um inversor trifásico e um transformador de baixa frequência para fornecer isolamento elétrico entre a tensão da rede aérea e o equipamento de alimentação auxiliar. Normalmente, este transformador é grande e volumoso, acrescentando massa extra a uma aplicação já limitada por restrições de espaço e peso. Em vez disso, podem ser utilizados conversores CC/CC isolados para satisfazer os requisitos de tamanho, peso e potência das aplicações ferroviárias modernas. O objetivo é converter a alta tensão de entrada de 750V, 1500V e/ou 3000V numa saída regulada de 24, 28, 36, 48, 72, 96 ou 110V.
A distribuição de energia dentro do comboio, a partir da fonte principal, também requer uma cadeia de conversão CC-CC para os sistemas secundários. Como referido anteriormente, as tensões nominais de entrada podem variar entre 24 V a 110 V; a partir daí, é necessária uma saída regulada de 3,3 V, 5 V, 12 V, 15 V ou 24 V. A norma europeia EN 50155 para equipamentos elétricos ferroviários exige que a tensão nominal de entrada possa flutuar entre 0,7 e 1,25 vezes a tensão nominal. A norma permite ainda desvios de curto prazo entre 0,6 e 1,4 vezes a tensão nominal de entrada.
Por outras palavras, um sistema de 110 V exigiria uma gama de tensão contínua entre 67,2 V e 120 V, bem como uma gama de tensão flutuante de 66 V a 154 V. Os conversores CC/CC podem suportar amplas gamas de entrada para abranger mais do que uma tensão de entrada nominal. Por exemplo, um conversor para tensões de entrada ferroviárias comuns de 72 V e 110 V necessitaria de uma gama de tensão de entrada de funcionamento de 43,2 V a 154 V (consulte a Tabela 1). A OLFER Electronics e a P-DUKE disponibilizam as séries RHKW, RHMW e RHDW de conversores CC/CC para aplicações ferroviárias e industriais. Todos estes dispositivos oferecem um isolamento reforçado de 3000 V CA, bem como uma ampla gama de entrada de 36 V a 160 V, permitindo a sua utilização em aplicações ferroviárias de 72 V, 96 V e 110 V.
Considerações sobre transformadores em conversores isolados
Os conversores CC/CC isolados utilizam um transformador para fornecer isolamento galvânico entre a entrada e a saída do dispositivo. Normalmente, a conversão CC/CC é realizada transformando primeiro o sinal em CA com um inversor, enviando o sinal através de um transformador e, em seguida, através de um retificador para uma saída CC regulada (portanto, não existe um caminho metálico ou condutor entre as duas partes do circuito). O grau de isolamento depende das distâncias de isolamento e de fuga, frequentemente definidas rigorosamente por normas relevantes. O isolamento é a distância no ar entre dois condutores, enquanto a fuga é a distância ao longo de uma superfície entre dois condutores. O isolamento impede a formação de arcos elétricos, e a fuga atenua a possibilidade de um curto-circuito caso a superfície se torne contaminada e condutora.
O transformador e o número de conversões CC-CA (e vice-versa) limitam o nível de eficiência que o conversor pode atingir. A barreira de isolamento impede o controlo direto da saída para uma melhor regulação. A eficiência do transformador também deve ser considerada, uma vez que pode limitar a eficiência do conversor. O design patenteado do transformador da P-DUKE, distribuído em Espanha e Portugal pela Electrónica OLFER, permite um funcionamento com eficiências até 90,5%, mesmo com a sua distância de fuga e isolamento de 4,5 mm (Figura 1).
Figura 1: O design patenteado do transformador permite eficiências até 90,5% apesar da distância de fuga e isolamento de 4,5 mm.
Atender às condições rigorosas das aplicações ferroviárias
Para além da norma EN 50155, a norma EN 61373 enumera os requisitos de ensaio para os equipamentos utilizados em veículos ferroviários. Estes dispositivos são sujeitos a vibrações quase constantes e, em alguns casos, a choques mecânicos. Os ensaios de vibração incluem simulações de longa duração, nas quais o dispositivo em teste é sujeito a pelo menos 15 horas de vibração com uma amplitude específica. Para os ensaios de choque, o dispositivo é submetido a uma sequência de impulsos semi-senoidais para reproduzir os efeitos do transporte.
As certificações e aprovações de segurança para equipamentos eletrónicos utilizados em sistemas ferroviários variam entre a EN 50155, EN 61373 e EN 44545-2 para garantir o desempenho destes sistemas independentemente dos riscos elétricos, ambientais ou de incêndio, respetivamente. Outras normas incluem a IEC/UL/EN 62368-1, que abrange os requisitos de segurança para equipamentos elétricos e eletrónicos na área dos sistemas de áudio, vídeo, informação e comunicação — sistemas que são invariavelmente utilizados em sistemas auxiliares ferroviários.
Não existem normas específicas de EMI para aplicações ferroviárias para além da EN 50121-2 para os níveis máximos de emissões. No entanto, o ambiente eletromagnético destes sistemas é exigente, com potenciais fontes provenientes de subestações, da rede elétrica principal, das linhas aéreas e do material circulante. Tanto para aplicações ferroviárias como industriais, é vantajoso dispor de um conversor com um certo nível de imunidade eletromagnética.
Conversores CC/CC ferroviários P-DUKE e OLFER Electronics
Os conversores CC/CC das séries RHKW (3/6/10 W), RHMW (20 W) e RHDW (40 W) da P-DUKE e OLFER Electronics são ideais para entradas de 72 V, 96 V e 110 V e estão em conformidade com as normas ferroviárias EN 50155, EN 61373 e EN 445545-2, bem como com a norma IEC/UL/EN 62368-1 para isolamento reforçado de equipamentos elétricos (Figura 2). Estes conversores possuem circuitos EMI integrados, concebidos de acordo com as normas IEC/EN 55032 Classe A e IEC/EN 50121-3-2. Isto simplifica bastante o design da placa de circuito impresso e poupa espaço na placa. O projeto do transformador permite uma eficiência até 90,5%, cumprindo os requisitos de segurança e isolamento de aplicações ferroviárias e industriais exigentes. São submetidos a testes de vibração e choque com uma ampla gama de temperatura de funcionamento, desde -40°C a +105°C, e operam a altitudes de 5000 metros em regiões montanhosas.
Figura 2: Série RHDW de conversores CC/CC para ferrovia.
Em conclusão
, os conversores CC/CC utilizados em aplicações ferroviárias apresentam uma série de considerações, desde os requisitos básicos de tensão até ao isolamento e construção. Isto permite que estes dispositivos operem independentemente das condições elétricas, mecânicas e ambientais adversas. Estes dispositivos não só devem estar em conformidade com as normas ferroviárias comuns, como também devem apresentar um certo grau de imunidade à interferência electromagnética.
Autor: Departamento de Marketing da P-DUKE.
Tradução: Departamento de Marketing da OLFER Electronics.
