铁路级电源转换器

2020-3-9
铁路级电源转换器 博客文章图片
随着人们生活水平的提升，出行机动性的增加，以及在旅游业和资产升级的推动下，全球的铁路网络正朝着可持续发展又兼具环保的方向不断扩大。特别是中国和印度，正在大力投资这一市场，预计到2020年，市场规模将达到1800亿欧元，总里程138万公里[1]。但是，新设备的供应却跟不上需求，因此，还有一项计划是升级现有的基础设施和铁路车辆，以提高运输效率。

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有效利用现有资源至关重要

借助“智能”系统，可以更有效的使用新的和现有的铁路车辆，跟踪掌握处于闲置和使用中的车辆能够提高车流密度，还可以通过远程状态监测（RCM）和基于状态的维修（CBM）技术来监测运行状态。这些技术能识别需要的维修和保养，从而节省成本并提高车辆的可靠性和使用性。状态监测还可以收集其他数据例如车辆占有率和行驶距离，对这些数据进行分析可进一步提升效率。预计未来12年，铁路部门将在这项 “IoT” 技术上花费约270亿欧元 [2]。

车辆状态的远程感应

列车状态可以通过传感器测量轴数、轴承温度、电源电压波动、噪声、冲击/振动、车门运转循环、占用情况、空气质量以及照明水平等数据来确定。传感器可以像热敏电阻一样简单地测量温度，还可以借助数字信号处理器（DSP）、数据记录器和有线或无线接口、远程（LoRa）或WLAN无线电的方式来增加“智能”性，如GPS可以用来定位车辆。独立的传感器和无线通信功能使得现有车辆的升级变的更加容易，能够减少新车辆的投入，远程更新和自定义功能可以提高使用的灵活性。

传感器供电

图1：铁路应用中的温度传感器
传感器由主系统电源轨的DC/DC转换器供电，通常只需要几瓦的电压即可运行。系统标称电压通常为110VDC，但有时可低至24V。多通道传感器或驱动执行器的功率要求可能更高，达到40W。

每个传感器通常都需要单独使用隔离式DC/DC，以保持较低的输出电压，并避免可能导致EMC问题的接地环路（例如传感器交叉干扰）。但是系统电源轨并非 “干净的” 。EN 50155-2017铁路标准规定，列车正常运行时，输入电压可以有+25%/-30%的变化，在100ms内下降至标称电压的60%或上升至140%，但不可以有 “功能偏差”， 或是在一秒内，输入电压从标称电压的125%升至140%而导致性能下降的情况。为了应对这些变化，110V系统的DC/DC转换器通常必须在43VDC至160VDC之间工作。

系统电源轨上也会出现EN 61000-4-x标准中定义的快速瞬态过电压，简单的抑制器和LC滤波器就可以减弱这些过电压，但也有可能造成彻底断电。EN 50155定义了S1和S2两种断电等级，最严重的是标称输入电压中断10ms，但不会对电源性能造成影响。对于某些设备来说，电源转换（Class C2）造成的中断可长达30ms。为了解决这个问题，常见的方法是在隔离串联二极管之后断电维持电容，该二极管还可以提供反极性保护，这也是标准中的另一项要求。

应用范例如图1所示，其中，风扇由车厢温度传感器激活，并通过WLAN发出温度和状态信号。图示中RECOM 8W DC/DC转换器的输入范围为43V至160V，可为传感器电路提供5V隔离的稳压电源轨。转换器尺寸紧凑，仅32 x 20 x 10mm。RECOM DC/DC转换器符合EN50121-3-2对铁路车辆EMC标准的要求，除此之外，延长的保持时间、反极性保护以及EMI滤波器的可选性，让转换器对瞬态和低频传导干扰具有较高的抵抗力。

符合RIA 12标准要求

铁路用DC/DC转换器有时需要符合UK RIA 12标准，该标准定义了110V系统在20ms内最高浪涌电压可达385V。但是在电源输入阻抗仅为0.2欧姆的情况下，用瞬态电压抑制器抑制输入电压会消耗过多电能。RECOM的解决方案是使用RSPxx-168前端瞬态电压抑制器（图2），将浪涌电压降至DC/DC转换器输入电压范围内的最大值，为DC/DC转换器提供浪涌保护。RECOM提供20W、150W和300W三种瞬态保护模块可供选择。



图2： RECOM瞬态保护器在RIA 12中的应用

大功率转换器

集中式铁路车辆系统和轨道装置也需要更高功率的转换器。RECOM的RPxxx-RW和RPxxxRUW系列“砖”型DC/DC转换器很受市场欢迎，模块具有12:1输入电压范围，涵盖了从24VDC至110VDC的所有铁路标准输入电压，并且涵盖了输入浪涌和欠压。DIN导轨型也是常见应用，例如RECOM的姊妹公司Power Control Systems（PCS）提供坚固耐用的120W SQ120模块，输入为110VDC，符合EN50155标准。Power Control Systems产品还包括铁路车辆和轨道应用的机架式AC/DC和 DC/DC转换器，具有单相或三相交流输入，功率范围从8W至高达10kW。另外还有符合EN 50155标准的300W AC/AC逆变器，和可调输出频率在30到600Hz之间满足轨道标准的专用转换器。

高应力铁路电源应用环境

EN 61373标准针对应用在列车不同位置的设备分别定义了铁路环境中的冲击、振动、温度和湿度等级，分布从最严重的转向架到良好的区域，例如直接装在车身上下的设备机柜中为1类 B级。虽然传感器的DC/DC转换器可能是安装在应力较小的环境中，但通常还是需要良好的封装和加固。铁路电源的使用寿命通常预计为20年，因此RECOM和PCS的产品均通过了包括完整的性能表征、高加速寿命测试（HALT）、高温浸泡和热循环在内的测试。

现成的解决方案

RECOM[3]及其子公司Power Control Systems [4]拥有一系列坚固的符合EN 50155标准的DC/DC转换器模块，以及从低功率（8W-240W）模块到10kW可定制的一站式铁路应用电源。

两家公司在铁路应用方面均具有丰富的经验，能够提供全面的技术支持，详细的环境测试以及EMC评估报告。我们也提供具有符合EN 50121-3-2要求的EMI滤波参考设计，适用于24-48V或72-110V DC额定输入的电压转换器（ 分别为R-REF04-RIA12-1和R-REF04-RIA12-2）。

RECOM和Power Control Systems公司现有的DC/DC转换器和电源不但符合铁路标准，还提供了一条经济高效又方便的途径，能够为传感器和集中式系统提供几瓦到千瓦的电力。RECOM的产品可由合作经销商Arrow Electronics [5] 提供。
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