Stromversorgungen für Bahnanwendungen

Aufgrund der Vielfalt dieser Anwendungen verwenden Eisenbahnnetzwerke mehrere drahtgebundene und drahtlose Standards. Zu den kabelgebundenen Standards gehören der CAN-Bus, der für Netzwerke in Automobilen entwickelt wurde, und Ableitungen von industriellen Feldbusstandards. So werden beispielsweise ProfiNet und Industrial Ethernet (IE) Netzwerke (z.B. Cat 5e, Cat 6 und Cat 7) immer häufiger eingesetzt, und die Power over Ethernet (PoE) Technologie wird zunehmend übernommen.

Zu den drahtlosen Standards gehören kommerzielle Mobilfunksysteme (3G/4G/LTE/5G) oder kundenspezifische Systeme wie der GSM-R-Standard, der für das European Rail Traffic Management System (ERTMS) verwendet wird. Für die Kommunikation über mittlere und kurze Entfernungen können auch Low-Power-Funkgeräte wie LoRaWAN oder WiFi (IEEE802.11a/b/g/n/ac) eingesetzt werden.

Diese Kommunikationsnetzwerke spielen eine entscheidende Rolle für den Betrieb eines Zuges und das Fahrerlebnis der Fahrgäste. Da die Lebensdauer von Bahnausrüstungen in der Regel 20 Jahre beträgt, müssen die Kommunikationssysteme besonders zuverlässig und leicht aktualisierbar sein.

Dies ist jedoch eine große Herausforderung. Die Bahn ist eine stressige Umgebung mit extremen Temperaturschwankungen (-40°C bis +85°C), häufigen Stößen und Vibrationen und unkontrollierten EMV-Umgebungen. Daher müssen Stromversorgungen, die für Datenkommunikationssysteme in der Bahn bestimmt sind, strenge Leistungsstandards, wie z.B. die folgenden Normen, erfüllen:

• EN 50155 Bahnanwendungen - Elektronische Einrichtungen auf Schienenfahrzeugenk
• EN 61373 Betriebsmittel von Bahnfahrzeugen – Prüfungen für Schwingen und Schocken
• EN 50121-3-2 Elektromagnetische Verträglichkeit - Bahnfahrzeuge - Geräte
• EN 50124-1 Bahnanwendungen - Isolationskoordination
• EN 50125-1 Bahnanwendungen - Umweltbedingungen für Betriebsmittel
• EN 45545-2 Brandschutz in Schienenfahrzeugen

Die Norm EN 61373 beispielsweise definiert die Werte für Stöße, Vibrationen und Temperatur in der Schienenumgebung, abhängig von der Installationskategorie. Diese Werte reichen von den schwersten Belastungen auf den Drehgestellen bis hin zu den harmloseren in Bereichen, wie z.B. in den Gehäusen der Wagenkästen (Kategorie 1, Klasse B). Die Norm EN 50125-1 befasst sich mit dem Eintauchen in hohe Temperaturen, Salznebel und Temperaturwechsel. Diese Norm entspricht dem hoch beschleunigten Lebensdauertest (HALT), einer Kombination aus Schock/Vibration und Umgebungstemperatur (nicht obligatorisch).

Um diese anspruchsvollen Standards zu erfüllen, werden die Produkte von RECOM Power and RECOM Power Control Systems (PCS) durch Tests qualifiziert, die eine vollständige Leistungscharakterisierung mit hauseigenen Vibrationstestgeräten umfassen.

DC/DC Wandler sind ein wichtiger Bestandteil des Stromverteilungssystems des Kommunikationssystems. Schienenfahrzeuge verfügen über ein DC-Verteilungssystem, so dass bei einem Ausfall eines Generators oder Stromabnehmers Batterien zur Aufrechterhaltung der Stromversorgung eingesetzt werden können.

Die neueste Version der EN 50155 definiert sieben verschiedene standardisierte DC-Spannungen, obwohl 110VDC am häufigsten in Personenzügen verwendet wird. Nichtsdestotrotz sind die Spannungen von 24V bis 72VDC immer noch sehr verbreitet und weltweit im Einsatz. Sie werden am häufigsten bei Stadtbahnen, Straßenbahnen und Trolleybussen verwendet. Um diese Anforderungen an Nenneingangsspannungen zu erfüllen, entscheiden sich Entwickler von Bahnanwendungen für 4:1-Wandler wie die Serien RP20-FR und RP40-FR von RECOM, da sie den gesamten Nenneingangsspannungsbereich mit nur drei verschiedenen Wandlermodellen abdecken.

Die DC-Versorgung der Bahn ist jedoch alles andere als eine saubere Spannungsquelle. Die Norm EN 50155 erlaubt im Normalbetrieb eine Schwankung von +25%/-30% mit Einbrüchen bis zu 60% für 100ms ohne „Funktionsabweichung“ und 125% bis 140% des Nennwerts für eine Sekunde ohne Leistungseinbußen. Um diese Schwankungen abdecken zu können, müssen DC/DC-Wandler für 110V-Systeme in der Regel zwischen 66 und 154VDC arbeiten. Darüber hinaus treten auf der Systemschiene auch schnelle transiente Überspannungen auf, wie sie in der Normenreihe EN 61000-4-x definiert sind, so dass die Stromversorgung in der Lage sein muss, zusätzliche Spannungen von bis zu 160 bis 200 V zu bewältigen.

Zudem kann es auch zu einem vollständigen Ausfall der Stromversorgung kommen. In diesem Zusammenhang definiert die Norm EN 50155 Unterbrechungen in den beiden folgenden Klassen: der übliche Fall von 10 ms (S2) und der schlimmste Fall eines Kurzschlusses am Eingang von 20 ms ohne Beeinträchtigung der Leistung (S3). Bei einigen Geräten kann die Unterbrechung bei der Umschaltung der Stromversorgung 30 ms betragen (Klasse C2). Zu den Spezifikationen für DC/DC-Wandler für den Schienenverkehr gehört manchmal auch die Einhaltung der britischen Norm RIA 12, die höhere Stromstöße bis zu 385 V für 20 ms in 110-V-Systemen definiert.

Eine Stromversorgung für die Datenkommunikation kann von einem DC/DC-Wandler mit geringem Stromverbrauch, der ein Modul versorgt, das sowohl Sensoren als auch einen WLAN-Knoten enthält, bis hin zu einer Hochleistungsinstallation an der Strecke reichen, die den Anforderungen eines Depot Ladeeinrichtung oder Fahrzeug-Batterieladegerät gerecht werden muss. Ein Low-Power-WLAN-System wie oben beschrieben kann von einem DC/DC-Wandler wie der RP08-AW-Serie versorgt werden, der eine geregelte Leistung von bis zu 8 W liefern kann. Diese nach EN 50155 zertifizierte Familie verfügt über einen Eingangsspannungsbereich von 4:1 und eine Isolierung von 1,6 kVDC. Außerdem weist sie einen Wirkungsgrad von bis zu 88% auf und verfügt über einen Überlastschutz (OLP), einen Überspannungsschutz (OVP) und einen Kurzschlussschutz (SCP).

DC/DC-Wandler im „Brick“-Format sind beliebt für Bahnanwendungen mit höherer Leistung. Beispiele hierfür sind die Serien RPxxx-RW und RPxxx-RUW, die über einen 12:1-Eingangsbereich mit Nennwerten verfügen, die alle Bahnstandards von 24 bis 110VDC abdecken, einschließlich Überspannungen und Spannungsabfällen. RECOM unterstützt dies mit seinen Designempfehlungen für externe Schaltungen. Es ist wichtig, dass man das Energiebudget auf der Grundlage des erwarteten Anwendungsfalls berechnet. Der typische Stromverbrauch eines PoE-Knotens wie z.B. einer IP-Kamera beträgt etwa 7-8W. Für einen Wagen mit sechs solcher Knoten wird ein PoE-Ausgangsbudget von insgesamt 60 W angegeben.

Man soll darauf achten, dass man die richtigen DC/DC-Wandler auswählt, um eine ausreichende Ausgangsleistung für den normalen Betrieb zu gewährleisten. Dabei sollten die Anforderungen an die Systemleistung und das Budget für die Ausgangsleistung berücksichtigt werden. Man darf auch nicht vergessen, dass die Ausgangsleistung der DC/DC-Wandler bei hohen Betriebstemperaturen herabgesetzt werden muss. Außerdem hängt die Systemspannung auch vom gewählten Netzwerk ab. Der CAN-Bus ist beispielsweise ein 5-Volt-System; dementsprechend kann der IEEE 802.3at PoE-Standard zwischen 42,5 und 57VDC verwenden.

RECOM und PCS verfügen über ein umfangreiches Portfolio an robusten, EN 50155-konformen DC/DC-Wandlerprodukte und bieten schlüsselfertige Lösungen für Bahnanwendungen, von Modulen mit geringer Leistung (8-240W) bis hin zu 10kW-Stromversorgungen, wobei kundenspezifische Anpassungen möglich sind. Das Chassis-mount-Format ist ebenfalls üblich; in dieser Hinsicht bietet RECOM/PCS Plug & Play Lösungen von 40W bis zu 1kW. Diese „On-Machine”-Lösungen stellen vollständig bahntaugliche Systemstromlösungen ohne Kompromisse dar. Die RECOM-Klassen RMD 500W und RMSD 1kW sind perfekte Lösungen für redundante n+1 Stromversorgungsmodule für sichere und zuverlässige Schienenfahrzeuganwendungen.

Ein weiteres Beispiel ist die robuste RMD-Serie (40/75W) mit 150-300 W und einem Eingang von 24V-110VDC im Verhältnis 12:1, die vollständig mit der Norm EN 50155 und allen oben aufgeführten untergeordneten Normen konform ist. Diese „einsatzbereiten“ Geräte benötigen keine externe Schaltung und sind mit Funktionen wie Ultra-Weitbereichseingang 14,4-154V/170V, Boost-Power, EMV/Störungsschutz, aktiver Einschaltstrombegrenzung, aktivem Eingangsverpolungsschutz, Überbrückungszeit (S2), verstärkter Isolierung auf der Basis von OVC3 und PD2, trimmbarem Ausgang und Ausgangs-ORing-Diode ausgestattet.

Aufgrund des hervorragenden Gesamtwirkungsgrads von typ. 95% und des ausgeklügelten thermischen Designs arbeiten diese Geräte mit natürlicher Konvektion unter OT4+ST1&ST2-Bedingungen von -40 bis +85°C ohne Derating und erlauben jede Einbaulage. Die umweltfreundliche RMD-Produktfamilie wurde ohne Verkapselung entwickelt; dadurch wird das Gewicht gegenüber vergossenen Produkten erheblich reduziert.

Darüber hinaus umfasst das PCS-Portfolio auch rackmontierte AC/DC and DC/DC Wandler für Schienenfahrzeuge und streckenseitige Anwendungen von geringer Leistung bis zu 18kW mit DC-, einphasigen oder dreiphasigen AC-Eingängen. Die Batterieladegerätefamilien sind als modulare Konzepte konzipiert. In den Klassen 1,5kW, 5kW oder 18kW sind alle Geräte kaskadierbar und können parallel betrieben werden, um die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit zu erhöhen. Außerdem sind sie die ideale Lösung für redundante n+1 Stromversorgungsmodule für sichere und zuverlässige Schienenfahrzeuganwendungen. Die Batterieladegeräte zeichnen sich durch einen hervorragenden Wirkungsgrad und Funktionsmerkmale wie temperaturgeregelte Ausgangsspannungen und analoge oder digitale Schnittstellen aus. Ein EN 50155-konformer 300W-AC/AC-Wandler mit einstellbarer Ausgangsfrequenz zwischen 30 und 600Hz ist ebenfalls erhältlich.

DC/DC-Wandler und Stromversorgungen von der Stange, die für Bahnstandards qualifiziert sind, bieten einen kosteneffizienten und einfachen Weg für die Stromversorgung von Sensoren, Datenkommunikationssystemen und zentralen Systemen von Watt bis Kilowatt.

Für kundenspezifische Designs können sowohl RECOM als auch PCS auf eine lange Erfahrung mit Bahnanwendungen zurückblicken und bieten umfassende technische Unterstützung, detaillierte Berichte über die Einhaltung von Umweltvorschriften und EMV-Bewertungen. Es sind Referenzdesigns verfügbar, die Funktionen wie die EMI-Filterung enthalten, die für die Einhaltung der EN 50121-3-2 mit 24-48V oder 72-110VDC Nenneingangsspannungswandlern erforderlich sind.