Leistungssteigerung im Bahnsektor durch intelligente Sensoren

09.03.2020
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Weltweit werden die Bahnnetze ausgebaut, angetrieben durch zunehmenden Wohlstand und Mobilität, Tourismus und die Aufwertung von Infrastrukturen für einen nachhaltigeren und umweltfreundlicheren Verkehr. Insbesondere China und Indien investieren massiv in den Bahnsektor mit einem prognostizierten Wert von 180 Milliarden Euro in 2020, der 1,38 Millionen Streckenkilometer umfasst [1]. Da die Bereitstellung neuer Ausrüstung der Nachfrage noch hinterherhinkt, gibt es, um die Effizienz zu verbessern und den Transport in Bewegung zu halten, ein Programm zur Aufrüstung der bestehenden Infrastruktur und der Schienenfahrzeuge.

Inhaltsverzeichnis

Die effiziente Nutzung vorhandener Ressourcen ist entscheidend

Neue und vorhandene Schienenfahrzeuge können effizienter genutzt werden, wenn sie mit ‚intelligenten‘ Systemen ausgestattet werden, die stillstehende und in Betrieb befindliche Schienenfahrzeuge nachverfolgen können, um eine höhere Verkehrsdichte zu ermöglichen. Der Betriebszustand kann auch mit Techniken wie Remote Condition Monitoring (RCM) und zustandsorientierter Instandhaltung (CBM) überwacht werden. Entsprechende Technologien ermitteln die erforderlichen Reparatur- und Wartungsarbeiten bedarfsorientiert, was Kosten spart und die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit verbessert. Die Zustandsüberwachung kann weitere Daten wie Belegungsraten und zurückgelegte Wegstrecken erfassen, die analysiert werden können, um weitere Effizienzeinsparungen zu erzielen. Man geht davon aus, dass der Bahnsektor in den nächsten zwölf Jahren rund 27 Milliarden Euro für diese IoT-Technologie ausgeben wird [2].

Zustandsüberwachung aus der Ferne

Status und Zustand der Schienenfahrzeuge können mithilfe von Sensoren ermittelt werden, die die Achsanzahl, Lagertemperatur, Schwankungen der Versorgungsspannung, akustische Geräusche, Schock/Vibrationen, Türbetriebszyklen, Belegung, Luftqualität, Lichtstärke und vieles mehr messen. Während ein Sensor z. B. so etwas Einfaches sein kann wie ein Thermistor, der die Temperatur misst, wird immer mehr „Intelligenz“ eingebettet, etwa mit einem digitalen Signalprozessor (DSP), einem Datenlogger und einer drahtgebundenen oder drahtlosen Schnittstelle, möglicherweise unter Verwendung von Langstrecken- (LoRa) oder WLAN-Funk. Schienenfahrzeuge können außerdem mit GPS nachverfolgt werden. Da der Sensor in sich geschlossen ist und drahtlos kommuniziert, sind Upgrades bei Altanlagen einfacher, und bei neuen Fahrzeugen ist weniger Verkabelung nötig und die Flexibilität ist durch Remote-Updates und Anpassungen verbessert.

Spannungsversorgung für Sensoren

Abb. 1: Temperatursensor in einer Eisenbahnanwendung
Ein Sensor benötigt in der Regel nur wenige Watt für den Betrieb bei niedriger Spannung, die mithilfe eines DC/DC-Wandlers von der Hauptsystemschiene herunterkonvertiert wird. Die Nennspannung des Systems beträgt oft 110 VDC, manchmal aber auch nur 24V. Der Leistungsbedarf kann jedoch höher sein, bis zu etwa 40W, wenn mehrkanalige Sensoranordnungen vorliegen oder Aktuatoren angetrieben werden müssen.

Normalerweise werden für jeden Sensor einzelne isolierte DC/DC-Wandler verwendet, um die Ausgangsspannungsabfälle gering zu halten und Erdschleifen zu vermeiden, die EMV-Probleme, wie z. B. Querstörungen am Sender, verursachen könnten. Die Versorgungsschiene des Systems ist jedoch nicht ‚sauber‘. Die Norm EN 50155-2017 erlaubt Schwankungen von +25 %/-30 % im Normalbetrieb mit Einbrüchen bis 60 % und Spannungsspitzen bis 140 % des Nennwertes für 100 ms ohne ‚Funktionsabweichung‘ und 125 % bis 140 % des Nennwertes für eine Sekunde mit Leistungsabfall. Um diese Abweichungen abzudecken, müssen DC/DC-Wandler für 110-V-Systeme typischerweise bei 43 bis 160 VDC arbeiten.

Schnelle transiente Überspannungen sind auch auf der Systemschiene vorhanden, wie in der Normenreihe EN 61000-4-x definiert, jedoch können Unterdrücker und einfache LC-Filter diese dämpfen. Es kann jedoch auch ein vollständiger Versorgungsausfall auftreten; EN 50155 teilt Unterbrechungen in zwei Klassen, S1 und S2, ein, wobei die schwerwiegendste 10 ms Versorgungsverlust vom Nenneingang ohne Leistungsabfall beträgt. Bei einigen Geräten kann die Unterbrechung beim Umschalten der Versorgung 30 ms betragen (Klasse C2). Um dies auszugleichen, wird normalerweise eine außerhalb des Wandlers liegende Überbrückungskapazität nach einer Serien-Trenndiode hinzugefügt, die auch als Verpolungsschutz dienen kann – eine weitere Anforderung der Norm.

Eine Beispielanwendung ist in Abbildung 1 dargestellt, bei der ein Lüfter durch einen Wagentemperatursensor aktiviert wird, wobei Temperatur und Status über eine WLAN-Verbindung übertragen werden. Die Abbildung zeigt einen RECOM 8-W-DC/DC-Wandler mit einem Eingangsspannungsbereich von 43 bis 160 V, der eine geregelte, isolierte 5V-Stromschiene für die Sensorschaltung bereitstellt. Mit Maßen von 32 x 20 x 10 mm ist der DC/DC-Wandler äußerst kompakt. Ebenfalls vorhanden ist ein erweiterter Hold-up- und Verpolungsschutz zusammen mit einem optionalen EMI-Filter für eine hohe Immunität gegen transiente Spannungen und geringe leitungsgebundene Emissionen, obwohl der RECOM DC/DC-Wandler bereits einen hohen Konformitätsgrad mit der Eisenbahn-EMV-Norm EN50121-3-2 aufweist.

Konformität mit RIA 12

Zu den Anforderungen an DC/DC-Wandler für Bahnanwendungen gehört in manchen Fällen die Einhaltung der britischen RIA-12-Norm, die höhere Energiespitzen bis zu 385 V für 20 ms @ 110Vnom (3,5 x Unom) in 110-V-Systemen festlegt. Bei einer Quellenimpedanz von nur 0,2 Ohm führt eine Begrenzung der Eingangsspannung mit einem Überspannungsbegrenzer jedoch zu einer übermäßigen Leistungsabgabe. Eine Lösung von RECOM hierfür ist der RSPxx-168- Vorregler (Abbildung 2), der die Stoßspannung innerhalb des Eingangsspannungsbereichs der DC/DC-Wandler auf einen Maximalwert absenkt. Es werden drei verschiedene Module für DC/DC-Wandler mit 20 W, 150 W oder 300 W angeboten.



Abb. 2: Funktionsweise des RECOM Überspannungsschutzes für RIA-12-Anwendungen

Umwandlung auf höheren Leistungsebenen

Zentralisierte Systeme für Schienenfahrzeuge und streckenseitige Einrichtungen benötigen auch Spannungswandler auf höheren Leistungsstufen. DC/DC-Wandler im Bausteinformat sind sehr beliebt, wie die Serien RPxxx-RW und RPxxxRUW von RECOM. Sie enthalten Teile, die über einen 12:1-Eingangsspannungsbereich mit Nennwerten arbeiten, die alle Bahnnormen von 24 bis 110VDC einschließlich Überspannungen und Spannungsabfälle abdecken. Das DIN-Format für Bahnanwendungen ist ebenfalls gängig. Ein Beispiel dafür ist das robuste 120-W-SQ120-Bauteil von Power Control Systems (PCS), der Schwesterfirma von RECOM. Es verfügt über einen 110-VDC-Eingang und entspricht der EN 50155-Norm. Das PCS Portfolio der Leistungssteuerungssysteme umfasst auch AC/DC- und DC/DC-Wandler zur Gestellmontage für Schienenfahrzeuge und streckenseitige Anwendungen mit dreiphasigen AC-Eingangsteilen mit einer Leistung von bis zu 10kW. Ein 300-W-AC/AC-Wechselrichter, der EN 50155-konform ist und eine einstellbare Ausgangsfrequenz zwischen 30 und 600Hz aufweist, ist ebenfalls erhältlich.

Hohe Belastungen im Schienenverkehr

Die Norm EN 61373 definiert abhängig von der Installationskategorie die Schock-, Vibrations-, Temperatur- und Feuchtigkeitsniveaus im Bahnumfeld. Diese variieren von den höchsten im Bereich der Fahrwerke bis hin zu niedrigeren Niveaus innerhalb von fahrzeugmontierten Gehäusen (Kategorie 1, Klasse B). DC/DC-Wandler für Sensoren werden wahrscheinlich in dieser weniger belasteten Umgebung eingebaut, benötigen aber oft noch eine Verkapselung und Vorrichtungen zur Erhöhung der Widerstandsfähigkeit. Die Lebensdauer beträgt in der Regel 20 Jahre. Produkte wie die von RECOM und PCS werden durch Tests wie die vollständige Leistungs-Charakterisierung, stark beschleunigte Lebensdauertests (HALT), Hochtemperatur-Soak-Tests und Temperaturwechselprüfungen qualifiziert.

Lösungen „von der Stange“ verfügbar

RECOM [3] und sein Schwesterunternehmen Power Control Systems [4] verfügen über ein breites Portfolio an robusten, EN-50155-konformen DC/DC-Wandlerprodukten und einbaufertigen Komplettlösungen (Plug & Play) für Bahnanwendungen, die von Modulen mit geringer Leistung (8 W–240 W), über Lösungen 300 W – 4000 W, bis zu 10-kW-Stromversorgungen reichen, wobei kundenspezifische Anpassungen möglich sind.

Beide Unternehmen verfügen über langjährige Erfahrung mit Bahnanwendungen und bieten umfassende technische Unterstützung und detaillierte Berichte über die Einhaltung von Umweltvorschriften und EMV-Bewertungen. Es sind Referenz-Designs erhältlich, die die erforderliche EMI-Filterung zur Einhaltung der EN 50121-3-2 für Eingangsnennspannungswandler mit 24–48 V oder 72–110 VDC enthalten (R-REF04-RIA12-1 bzw. R-REF04-RIA12-2).

Standardisierte DC/DC-Wandler und Stromversorgungen, die nach den Bahnstandards von RECOM und Power Control Systems qualifiziert sind, sind ein kosteneffizienter und einfacher Weg zur Stromversorgung von Sensoren und zentralen Systemen im Watt- wie im Kilowattbereich. RECOM Bauteile können über den Vertriebspartner Arrow Electronics [5] bezogen werden.
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