DC/DC Wandler mit geringem Stromverbrauch im Eisenbahnumfeld
07.08.2019
Im komplexen internationalen Eisenbahnmarkt ist die effiziente Ausnutzung des Eisenbahnrollmaterials entscheidend. Das Messen und Berichten über Zustand, Status und Position ermöglicht ‘intelligente’ Entscheidungen, um die Verfügbarkeit des rollenden Materials zu verbessern und Kosten zu senken. Die vielen Sensoren und Transmitter benötigen Stromversorgungen, die preiswert, einfach zu integrieren und kompatibel zu den elektrischen und Umgebungsspezifikationen bei Schienenfahrzeugen sind, damit das rollende Material wirtschaftlich modernisiert werden kann. Dieser Artikel beschreibt die Implementierung solcher DC/DC-Wandler in typische Sensoranwendungen bei Schienenfahrzeugen und stellt eine einsatzfertige Baureihe vor, welche die nötigen Zertifizierungen aufweist.
Die Schienennetze wachsen weltweit und werden 2020 etwa 1,38 Millionen Streckenkilometer mit einem Marktwert von 180 Milliarden Euro erreichen [1]. Wachstumsregion ist besonders der Asiatisch-Pazifische Raum, wo China und Indien stark in die Eisenbahn-Infrastruktur investieren. Wachstumstreiber sind die Zunahme von Wohlstand und Mobilität in Schwellenländern, Eisenbahntourismus und das Drängen auf nachhaltigeren und umweltfreundlicheren Transport als der Straßenverkehr. Das derzeitige Schienennetz wird rasch überlastet und aufgrund der Nachfrage älteres rollendes Material betrieben, wobei alle Ausfälle zu Verzögerungen, Netzunterbrechungen oder gar katastrophalen Entgleisungen führen. Viele neue Linien werden entwickelt und neue Schienenfahrzeuge bestellt, aber Verzögerungen und Schwierigkeiten der Planung erhöhen die nötigen Kosten. Diese Kostenüberschreitungen erschweren den Ausbau des vorhandenen Schienennetzes.
Effiziente Ausnutzung des vorhandenen Materials ist entscheidend
Ein Weg für bessere Netzwerkkapazität ist es, die effiziente Nutzung neuer und vorhandener Schienenfahrzeuge zu maximieren, indem man diese ‘intelligent’ macht. Dazu gehören eine bessere Ortung der Position aktiver und ruhender Schienenfahrzeuge zur Erhöhung der Verkehrsdichte und die Integration von Sensoren zur Überwachung des Betriebsszustands. Zustandsfernüberwachung (Remote Condition Monitoring – RCM) ist die Technik zur Datenerfassung und zustandsbasierte Wartung (Condition Based Maintenance – CBM) der Prozess der Datenanalyse, um den Zeitpunkt nötiger Wartung oder Reparaturen vorherzusagen. Beide Techniken erhöhen die Zuverlässigkeit, verbessern die Verfügbarkeit und sparen Kosten, indem sie nötige Reparaturen einplanen und unnötige präventive Wartung vermeiden.
Die ‘Zustandsüberwachung’ enthält einfache Statusinformationen wie gefahrene Strecke und Waggonauslastung, die zur weiteren Passagieranalyse und für Effizienzeinsparungen verwendet werden können. Die Idee passt zum übergeordneten Trend hin zum Internet der Dinge (IoT) – ein Bericht von Cisco [2] prognostiziert, dass der Eisenbahnsektor in den nächsten 12 Jahren rund 30 Milliarden Dollar in IoT investieren wird.
Zustandsfernüberwachung braucht Sensoren
Zur Erfassung von Zustand und Status können viele Parameter wie Achszähler, Lagertemperatur, Stöße/Schwingungen, akustische Geräusche, Schwankungen der Versorgungsspannung, Türöffnungszyklen, Belegung, Beleuchtungsstufen, Luftqualität und mehr erfasst werden. Basissensoren wie Thermistoren für die Temperatur können passive Bauteile sein, der Trend geht aber hin zu intelligenten Sensoren oder ‘Edge Computing’ in Form eines digitalen Signalprozessors (DSP), Datenloggers und einer verkabelten oder drahtlosen Schnittstelle, etwa per Langstrecken- (LoRa) oder WLAN-Funk. Zur genauen Positionsverfolgung kann auf rollendem Material auch GPS zum Einsatz kommen. Ein eigenständiger und kommunizierender Sensor erleichtert Upgrades für ältere Schienenfahrzeuge. In neuen sind weniger Kabel nötig, und Funktionen können nach Bedarf ergänzt oder angepasst werden.
Sensoren brauchen Strom
Die meisten Sensoren brauchen zum Betrieb nur wenige Watt Leistung bei geringer Spannung, mit einem DC/DC-Wandler aus der Hauptstromversorgung des Systems abgeleitet. Typisch sind 110V DC, es können aber auch andere Nennwerte bis hinab zu 24V sein (Abbildung 1). Für Multikanal-Sensoranordnungen oder den Betrieb eines lokalen Stellelements können die Leistungsanforderungen mit bis zu vielleicht 40W noch höher sein. In der Praxis muss die geringe Versorgungsspannung für den Sensor und dessen Prozessor lokal abgeleitet werden – die Verteilung der Spannung von einem leistungsfähigen zentralen Wandler würde Probleme wie inakzeptable Transienten-Spannungen und Störeinflüsse verursachen. Zusätzlich ist in einem DC/DC-Wandler eine galvanische Trennung für jeden Sensor erforderlich, um Erdschleifen und gegenseitige Störungen zu vermeiden.
Abbildung 1. Mögliche Nennwerte und deren Variationen bei der Versorgung von Schienenfahrzeugen
Ein Problem besteht darin, dass die 110V Versorgungsspannung keineswegs ‘sauber’ ist; die Bahnnorm EN 50155-2017 besagt, dass die Spannung im normalen Betrieb um +25%/-30% mit Absenkungen bis zu 60% und Überspannungen bis zu 140% des Nennwertes für kurze Zeiträume schwanken darf – 100ms ‘ohne Abweichung der Funktion’ und eine Sekunde lang mit gewissen Leistungseinschränkungen. Praktisch muss der DC/DC-Wandler mit etwas Spielraum über den gesamten Bereich funktionieren, typisch von 43 – 160V DC. Abbildung 1 zeigt auch die ‘üblichen’ 4:1 Eingangsspannungsbereiche von DC/DC-Wandlern und veranschaulicht, wie einige Bauteile höchstens einen Teil der Bahnanforderungen abdecken können, wobei ein ‘idealer’ Wandler alle Variationen in einem Eingangsbereich von 10:1 abdeckt.
Der DC/DC-Wandler muss häufig schnellen transienten Überspannungen widerstehen, die in der Reihe von Normen EN 61000-4-x definiert sind. Einfache LC-Filter und Transienten-Entstörglieder können diese dämpfen. EN 50155 definiert zusätzlich Unterbrechungen der Versorgung in den drei Klassen S1, S2 und S3, wobei der schlimmste Fall eine 20ms dauernde Unterbrechung der Spannungsversorgung ohne Leistungsminderung ist. Das erfordert normalerweise externe Kondensatoren zur Aufrechterhaltung der Spannung nach einer isolierenden Diode in Reihenschaltung, die auch Verpolungsschutz bietet.
Abbildung 2 zeigt eine Beispielanwendung, wo ein Temperatursensor im Waggon den Betrieb eines Lüfters steuert und auch Temperatur und Status über eine Funkverbindung signalisiert. Hier sorgt ein sehr kompakter (32 x 20 x 10mm) RECOM 8W DC/DC-Wandler mit einem Eingangsbereich von 43V bis 160V für eine isolierte und geregelte Niederspannung im Sensor-Stromkreis. Verpolungsschutz und Überbrückung sind integriert. Der DC/DC-Wandler ist in hohem Maße EMV-konform gemäß EN 50121-3-2, der Norm für elektromagnetische Verträglichkeit auf rollendem Material. Für erhöhte Immunität gegenüber Transienten und noch geringere leitungsgeführte Störemissionen kann aber ein zusätzlicher EMI-Filter vorgesehen werden.
Abbildung 2: Ein Temperatursensor in einer Schienenfahrzeug-Anwendung
Compliance zu RIA 12
Manche Anforderungen verlangen, die alte UK RIA 12 Spezifikation einzuhalten, welche höhere Spannungsstöße als EN 50155 definiert – bis zu 385V für 20ms in Systemen mit 110V. Da die Quellimpedanz nur 0,2 Ohm beträgt, würde das einfache Klemmen des Eingangs mit einem Überspannungsbegrenzer zu viel Leistung verschwenden und entweder die Eingangssicherung auslösen oder den TVS beschädigen. Eine Lösung ist ein Vorregler (Abbildung 3), der die Überspannung auf einen voreingestellten Höchstwert runterregelt. RECOM bietet drei verschiedene Module für DC/DC-Wandler mit 20W, 150W oder 300W an.
Abbildung 3: Überspannungsschutz für RIA 12 Anwendungen
Umweltbelastungen
DC/DC-Wandler für Sensoranwendungen in Schienenfahrzeugen können Stößen und Schwingungen sowie extremen Temperaturen und Feuchtigkeit ausgesetzt sein. Der Grad hängt vom Gebiet ab, wo die Ausrüstung installiert ist, wobei die Norm EN 61373 die Kategorien und Grade definiert. Die meisten DC/DC-Wandler werden in der relativ moderaten Umgebung Kategorie 1, Class B installiert (fest montiert in einem Gehäuse), können aber dennoch zusätzliche Widerstandsfähigkeit und Verkapselung erfordern. Die erwartete Nutzungsdauer der Ausrüstung mag bei 20 Jahren liegen. Deshalb muss das Design mit umfangreichen Tests gründlich auf Zuverlässigkeit überprüft werden einschließlich voller Leistungscharakterisierung, HALT, Temperatur-Zyklen und Feuchtigkeit bei hohen Temperaturen. Da 110V DC eine ‘unsichere’ Spannung ist, müssen die Wandler zudem eine zertifizierte und verstärkte Isolation zum Schutz vor elektrischem Schlag haben, wenn sekundäre Anschlüsse zugänglich sind.
Qualifizierte Standardlösungen sind erhältlich
Das österreichische Unternehmen RECOM [3] und deren neu übernommene italienische Firma Power Control Systems (PCS) [4] offerieren viele robuste und zu EN 50155 konforme DC/DC-Wandler sowie schlüsselfertige Komplettlösungen für Schienenfahrzeuge von Modulen geringer Leistung (8W-240W) bis zu individuellen 2kW-Stromversorgungen mit einer breiten Auswahl an Eingangsspannungsbereichen für alle Nennwerte bei Schienenfahrzeugen einschließlich ultraweiter Eingangsbereiche von 16 – 160V.
Mit ihrer langen Erfahrung für Eisenbahnanwendungen bieten die Unternehmen auch umfangreiche technische Unterstützung, ausführliche EMV-Beurteilung und Berichte zur Umweltverträglichkeit. PCS liefert Kassetten, Karten und Produkte zur Rack-Montage für individuelle Kundenanforderungen, während sich RECOM auf platinenmontierte DC/DC-Module geringer Leistung konzentriert und Referenzdesigns inklusive der nötigen EMI-Filterung für die Konformität der Wandler mit EN 50121-3-2 für 24 - 48V sowie 72 - 110V DC Nenneingangsspannung anbietet. (R-REF04-RIA12-1 und R-REF04-RIA12-2).
DC/DC-Wandler und Stromversorgungen für Schienenfahrzeuge sind ein einfacher und kostengünstiger Weg, um Sensor- und Telemetrie-Anwendungen mit geringer Leistungsaufnahme in vorhandenes und neu gebautes rollendes Material zu integrieren und das IoT in die Welt der Eisenbahn zu bringen.
Literaturverweise
[1] Statista: https://www.statista.com/topics/1088/rail-industry/
[2] Cisco - The internet of Everything: Statista: PDF What is the internet of everything/
[3] RECOM: www.recom-power.com
[4] Power Control Systems: https://www.powercontrolsystems.com
RECOM: We Power your Products
Effiziente Ausnutzung des vorhandenen Materials ist entscheidend
Ein Weg für bessere Netzwerkkapazität ist es, die effiziente Nutzung neuer und vorhandener Schienenfahrzeuge zu maximieren, indem man diese ‘intelligent’ macht. Dazu gehören eine bessere Ortung der Position aktiver und ruhender Schienenfahrzeuge zur Erhöhung der Verkehrsdichte und die Integration von Sensoren zur Überwachung des Betriebsszustands. Zustandsfernüberwachung (Remote Condition Monitoring – RCM) ist die Technik zur Datenerfassung und zustandsbasierte Wartung (Condition Based Maintenance – CBM) der Prozess der Datenanalyse, um den Zeitpunkt nötiger Wartung oder Reparaturen vorherzusagen. Beide Techniken erhöhen die Zuverlässigkeit, verbessern die Verfügbarkeit und sparen Kosten, indem sie nötige Reparaturen einplanen und unnötige präventive Wartung vermeiden.
Die ‘Zustandsüberwachung’ enthält einfache Statusinformationen wie gefahrene Strecke und Waggonauslastung, die zur weiteren Passagieranalyse und für Effizienzeinsparungen verwendet werden können. Die Idee passt zum übergeordneten Trend hin zum Internet der Dinge (IoT) – ein Bericht von Cisco [2] prognostiziert, dass der Eisenbahnsektor in den nächsten 12 Jahren rund 30 Milliarden Dollar in IoT investieren wird.
Zustandsfernüberwachung braucht Sensoren
Zur Erfassung von Zustand und Status können viele Parameter wie Achszähler, Lagertemperatur, Stöße/Schwingungen, akustische Geräusche, Schwankungen der Versorgungsspannung, Türöffnungszyklen, Belegung, Beleuchtungsstufen, Luftqualität und mehr erfasst werden. Basissensoren wie Thermistoren für die Temperatur können passive Bauteile sein, der Trend geht aber hin zu intelligenten Sensoren oder ‘Edge Computing’ in Form eines digitalen Signalprozessors (DSP), Datenloggers und einer verkabelten oder drahtlosen Schnittstelle, etwa per Langstrecken- (LoRa) oder WLAN-Funk. Zur genauen Positionsverfolgung kann auf rollendem Material auch GPS zum Einsatz kommen. Ein eigenständiger und kommunizierender Sensor erleichtert Upgrades für ältere Schienenfahrzeuge. In neuen sind weniger Kabel nötig, und Funktionen können nach Bedarf ergänzt oder angepasst werden.
Sensoren brauchen Strom
Die meisten Sensoren brauchen zum Betrieb nur wenige Watt Leistung bei geringer Spannung, mit einem DC/DC-Wandler aus der Hauptstromversorgung des Systems abgeleitet. Typisch sind 110V DC, es können aber auch andere Nennwerte bis hinab zu 24V sein (Abbildung 1). Für Multikanal-Sensoranordnungen oder den Betrieb eines lokalen Stellelements können die Leistungsanforderungen mit bis zu vielleicht 40W noch höher sein. In der Praxis muss die geringe Versorgungsspannung für den Sensor und dessen Prozessor lokal abgeleitet werden – die Verteilung der Spannung von einem leistungsfähigen zentralen Wandler würde Probleme wie inakzeptable Transienten-Spannungen und Störeinflüsse verursachen. Zusätzlich ist in einem DC/DC-Wandler eine galvanische Trennung für jeden Sensor erforderlich, um Erdschleifen und gegenseitige Störungen zu vermeiden.
Abbildung 1. Mögliche Nennwerte und deren Variationen bei der Versorgung von Schienenfahrzeugen
Ein Problem besteht darin, dass die 110V Versorgungsspannung keineswegs ‘sauber’ ist; die Bahnnorm EN 50155-2017 besagt, dass die Spannung im normalen Betrieb um +25%/-30% mit Absenkungen bis zu 60% und Überspannungen bis zu 140% des Nennwertes für kurze Zeiträume schwanken darf – 100ms ‘ohne Abweichung der Funktion’ und eine Sekunde lang mit gewissen Leistungseinschränkungen. Praktisch muss der DC/DC-Wandler mit etwas Spielraum über den gesamten Bereich funktionieren, typisch von 43 – 160V DC. Abbildung 1 zeigt auch die ‘üblichen’ 4:1 Eingangsspannungsbereiche von DC/DC-Wandlern und veranschaulicht, wie einige Bauteile höchstens einen Teil der Bahnanforderungen abdecken können, wobei ein ‘idealer’ Wandler alle Variationen in einem Eingangsbereich von 10:1 abdeckt.
Der DC/DC-Wandler muss häufig schnellen transienten Überspannungen widerstehen, die in der Reihe von Normen EN 61000-4-x definiert sind. Einfache LC-Filter und Transienten-Entstörglieder können diese dämpfen. EN 50155 definiert zusätzlich Unterbrechungen der Versorgung in den drei Klassen S1, S2 und S3, wobei der schlimmste Fall eine 20ms dauernde Unterbrechung der Spannungsversorgung ohne Leistungsminderung ist. Das erfordert normalerweise externe Kondensatoren zur Aufrechterhaltung der Spannung nach einer isolierenden Diode in Reihenschaltung, die auch Verpolungsschutz bietet.
Abbildung 2 zeigt eine Beispielanwendung, wo ein Temperatursensor im Waggon den Betrieb eines Lüfters steuert und auch Temperatur und Status über eine Funkverbindung signalisiert. Hier sorgt ein sehr kompakter (32 x 20 x 10mm) RECOM 8W DC/DC-Wandler mit einem Eingangsbereich von 43V bis 160V für eine isolierte und geregelte Niederspannung im Sensor-Stromkreis. Verpolungsschutz und Überbrückung sind integriert. Der DC/DC-Wandler ist in hohem Maße EMV-konform gemäß EN 50121-3-2, der Norm für elektromagnetische Verträglichkeit auf rollendem Material. Für erhöhte Immunität gegenüber Transienten und noch geringere leitungsgeführte Störemissionen kann aber ein zusätzlicher EMI-Filter vorgesehen werden.
Abbildung 2: Ein Temperatursensor in einer Schienenfahrzeug-Anwendung
Compliance zu RIA 12
Manche Anforderungen verlangen, die alte UK RIA 12 Spezifikation einzuhalten, welche höhere Spannungsstöße als EN 50155 definiert – bis zu 385V für 20ms in Systemen mit 110V. Da die Quellimpedanz nur 0,2 Ohm beträgt, würde das einfache Klemmen des Eingangs mit einem Überspannungsbegrenzer zu viel Leistung verschwenden und entweder die Eingangssicherung auslösen oder den TVS beschädigen. Eine Lösung ist ein Vorregler (Abbildung 3), der die Überspannung auf einen voreingestellten Höchstwert runterregelt. RECOM bietet drei verschiedene Module für DC/DC-Wandler mit 20W, 150W oder 300W an.
Abbildung 3: Überspannungsschutz für RIA 12 Anwendungen
Umweltbelastungen
DC/DC-Wandler für Sensoranwendungen in Schienenfahrzeugen können Stößen und Schwingungen sowie extremen Temperaturen und Feuchtigkeit ausgesetzt sein. Der Grad hängt vom Gebiet ab, wo die Ausrüstung installiert ist, wobei die Norm EN 61373 die Kategorien und Grade definiert. Die meisten DC/DC-Wandler werden in der relativ moderaten Umgebung Kategorie 1, Class B installiert (fest montiert in einem Gehäuse), können aber dennoch zusätzliche Widerstandsfähigkeit und Verkapselung erfordern. Die erwartete Nutzungsdauer der Ausrüstung mag bei 20 Jahren liegen. Deshalb muss das Design mit umfangreichen Tests gründlich auf Zuverlässigkeit überprüft werden einschließlich voller Leistungscharakterisierung, HALT, Temperatur-Zyklen und Feuchtigkeit bei hohen Temperaturen. Da 110V DC eine ‘unsichere’ Spannung ist, müssen die Wandler zudem eine zertifizierte und verstärkte Isolation zum Schutz vor elektrischem Schlag haben, wenn sekundäre Anschlüsse zugänglich sind.
Qualifizierte Standardlösungen sind erhältlich
Das österreichische Unternehmen RECOM [3] und deren neu übernommene italienische Firma Power Control Systems (PCS) [4] offerieren viele robuste und zu EN 50155 konforme DC/DC-Wandler sowie schlüsselfertige Komplettlösungen für Schienenfahrzeuge von Modulen geringer Leistung (8W-240W) bis zu individuellen 2kW-Stromversorgungen mit einer breiten Auswahl an Eingangsspannungsbereichen für alle Nennwerte bei Schienenfahrzeugen einschließlich ultraweiter Eingangsbereiche von 16 – 160V.
Mit ihrer langen Erfahrung für Eisenbahnanwendungen bieten die Unternehmen auch umfangreiche technische Unterstützung, ausführliche EMV-Beurteilung und Berichte zur Umweltverträglichkeit. PCS liefert Kassetten, Karten und Produkte zur Rack-Montage für individuelle Kundenanforderungen, während sich RECOM auf platinenmontierte DC/DC-Module geringer Leistung konzentriert und Referenzdesigns inklusive der nötigen EMI-Filterung für die Konformität der Wandler mit EN 50121-3-2 für 24 - 48V sowie 72 - 110V DC Nenneingangsspannung anbietet. (R-REF04-RIA12-1 und R-REF04-RIA12-2).
DC/DC-Wandler und Stromversorgungen für Schienenfahrzeuge sind ein einfacher und kostengünstiger Weg, um Sensor- und Telemetrie-Anwendungen mit geringer Leistungsaufnahme in vorhandenes und neu gebautes rollendes Material zu integrieren und das IoT in die Welt der Eisenbahn zu bringen.
Literaturverweise
[1] Statista: https://www.statista.com/topics/1088/rail-industry/
[2] Cisco - The internet of Everything: Statista: PDF What is the internet of everything/
[3] RECOM: www.recom-power.com
[4] Power Control Systems: https://www.powercontrolsystems.com
RECOM: We Power your Products
Anwendungen
