DC/DC-Wandler mit geringem Stromverbrauch für Bahnanwendungen

07.08.2019
Hochgeschwindigkeitszug mit RECOM-Leistungsmodulen im Vordergrund
Im komplexen internationalen Eisenbahnmarkt ist die effiziente Nutzung des Rollmaterials entscheidend. Die Messung und Meldung von Zustands-, Status- und Positionsdaten ermöglicht intelligente Entscheidungen, um die Betriebseffizienz zu steigern und Kosten zu senken. Die vielen Sensoren und Transmitter benötigen kosteneffiziente, leicht integrierbare Stromversorgungslösungen, die den elektrischen und umwelttechnischen Anforderungen im Bahnsektor entsprechen. Dieser Artikel beschreibt die Integration von DC/DC-Wandlern in Überwachungsanwendungen und stellt einsatzbereite Lösungen mit den erforderlichen Zertifizierungen vor.

Inhaltsverzeichnis

Die weltweiten Schienennetze expandieren und sollen bis 2020 eine Strecke von 1,38 Millionen Kilometern mit einem Marktwert von 180 Milliarden Euro [1] erreichen. Besonders stark wächst die Region Asien-Pazifik, da China und Indien erheblich in die Eisenbahninfrastruktur investieren. Wichtige Wachstumstreiber sind steigender Wohlstand, Eisenbahntourismus und die Verlagerung hin zu umweltfreundlichen Verkehrsmitteln. Das bestehende Schienensystem ist zunehmend überlastet, was ältere Fahrzeuge länger im Betrieb hält. Dabei können Ausfälle zu Verspätungen, Netzunterbrechungen oder sogar Entgleisungen führen. Während neue Strecken und Fahrzeuge geplant werden, erschweren Finanzierungs- und Planungsprobleme die schnelle Expansion.

Effiziente Nutzung von Ressourcen ist entscheidend

Eine Möglichkeit, die Netzwerkkapazität zu verbessern, besteht darin, neue und bestehende Fahrzeuge effizienter zu nutzen, indem sie „intelligent“ gemacht werden. Dazu gehört die verbesserte Standortverfolgung sowie die Integration von Sensoren, um den Betriebszustand zu überwachen. Remote Condition Monitoring (RCM) sammelt Betriebsdaten, während Condition-Based Maintenance (CBM) diese analysiert, um Wartungs- oder Reparaturzeitpunkte vorherzusagen. Diese Techniken erhöhen die Zuverlässigkeit, verbessern die Verfügbarkeit und senken Kosten, indem unnötige Wartungen vermieden und Reparaturen rechtzeitig eingeplant werden.

Die Zustandsüberwachung umfasst Informationen wie gefahrene Strecken, Belegungsraten und Leistungsanalysen, die zur Optimierung beitragen. Dies passt zum wachsenden Internet of Things (IoT)-Trend. Laut Cisco [2] wird der Eisenbahnsektor in den nächsten 12 Jahren 30 Milliarden US-Dollar in IoT-Technologien investieren.

Fernüberwachung benötigt Sensoren

Verschiedene Parameter wie Achszähler, Lagertemperatur, Vibration, Geräusche, Spannungsschwankungen, Türzyklen, Licht- und Luftqualität können erfasst werden. Während einige Sensoren auf passiven Komponenten basieren, geht der Trend zu „Edge Computing“, mit digitalen Signalprozessoren (DSPs), Datenloggern und drahtlosen Schnittstellen wie LoRa oder WLAN. GPS kann zusätzlich für detaillierte Positionsverfolgung genutzt werden. Unabhängige, vernetzte Sensoren erleichtern Modernisierungen und reduzieren Verkabelung in Neubauten.

Sensoren benötigen Strom

Die meisten Eisenbahn-Sensoren benötigen wenige Watt bei niedriger Spannung, die über einen DC/DC-Wandler aus der Hauptstromversorgung gewonnen wird. Typisch ist 110VDC, aber auch andere Werte bis 24V sind möglich (Abbildung 1). Höhere Leistungsanforderungen – bis zu 40W – ergeben sich bei Mehrkanal-Sensoren oder Stellgliedern. Lokale Spannungswandlung ist unerlässlich, da eine zentrale Verteilung zu Störsignalen und Erdschleifen führen würde. Galvanische Trennung in jedem DC/DC-Wandler verhindert Interferenzen.

Mögliche Nennwerte und deren Variationen bei der Versorgung von Schienenfahrzeugen

Abb. 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 – 160VDC. 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.

Transientschutz und Normenkonformität

Ein Temperatursensor in einer Schienenfahrzeug-Anwendung
Abb. 2: Ein Temperatursensor in einer Schienenfahrzeug-Anwendung
DC/DC-Wandler müssen schnellen Spannungsspitzen nach EN 61000-4-x widerstehen. LC-Filter und Schutzschaltungen helfen, diese abzumildern. EN 50155 definiert zudem Versorgungsausfälle in den Klassen S1, S2 und S3, mit bis zu 20 ms Toleranz ohne Leistungsminderung, wofür externe Pufferkondensatoren erforderlich sind.

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.

RIA 12 Konformität

In Großbritannien erfordert RIA 12 eine Spannungsfestigkeit bis 385V für 20ms in 110V-Systemen. Einfache TVS-Dioden reichen nicht aus; eine Vorregelung ist die bessere Lösung (Abbildung 3). RECOM bietet 20W-, 150W- und 300W-Module, die diesen Anforderungen entsprechen.

Überspannungsschutz für RIA 12 Anwendungen

Abb. 3: Überspannungsschutz für RIA 12 Anwendungen

Umweltbelastungen

DC/DC-Wandler für Bahnsensoren müssen Schocks, Vibrationen, Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen gemäß EN 61373 standhalten. Die meisten werden in Kategorie 1, Klasse B (Gehäusemontage) installiert, können aber zusätzlichen Schutz benötigen. Mit einer Lebensdauer von 20 Jahren sind umfassende Tests erforderlich, darunter HALT, Temperaturzyklen und Langzeitbelastung. Da 110VDC als gefährliche Spannung gilt, ist verstärkte Isolierung zur Sicherheit notwendig.

Qualifizierte Standardlösungen sind erhältlich

RECOM und Power Control Systems (PCS) bieten EN 50155-konforme DC/DC-Wandler von 8W bis 240W sowie kundenspezifische 2kW-Lösungen. Ihre breiten Eingangsspannungsbereiche decken alle Bahn-Nennwerte ab, einschließlich 16–160VDC.

Mit umfangreicher Bahn-Erfahrung bieten RECOM und PCS technische Unterstützung, EMV-Prüfungen und Konformitätsberichte. Während PCS Kassettensysteme liefert, konzentriert sich RECOM auf niedrigleistungsfähige DC/DC-Module mit EMI-gefilterten Referenzdesigns für EN 50121-3-2-Konformität (R-REF04-RIA12-1 und R-REF04-RIA12-2).

DC/DC-Wandler für Bahnanwendungen ermöglichen eine kosteneffiziente IoT-Integration in bestehende und neue Schienenfahrzeuge, verbessern Überwachung und Telemetrie im Bahnnetz.
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