Utilizzare robusti convertitori c.c./c.c. ad ampio intervallo di ingresso per applicazioni ferroviarie

Le ferrovie sono sempre più elettrificate, dall'organo di trasmissione fino alle funzioni di bordo e al comfort dei passeggeri, che comprendono comunicazioni, sicurezza, accesso a Internet e segnaletica di bordo. Per fornire questa potenza sono necessari più convertitori c.c./c.c.. Tuttavia, i team di tecnici non sono in grado di progettare convertitori di potenza personalizzati che funzionino nelle condizioni elettriche, meccaniche e termiche impegnative delle applicazioni ferroviarie, garantendo al contempo il rispetto dei rigorosi requisiti industriali e normativi, oltre che dei requisiti di fattore di forma e costi.

La soluzione è rappresentata da versatili convertitori c.c./c.c. di serie in grado di soddisfare un'ampia gamma di requisiti di tensione e condizioni operative.

Questo articolo esamina i requisiti unici che i progettisti di convertitori di potenza c.c./c.c. devono affrontare nelle applicazioni ferroviarie. Presenta quindi i convertitori c.c./c.c. da 150 W e 200 W di TRACO Power e mostra come utilizzarli per soddisfare questi standard.

Distribuzione dell'energia elettrica per le ferrovie

Un tipico percorso di distribuzione dell'energia per una locomotiva o un vagone elettrico prevede molte fonti a bassa tensione che devono essere derivate dalla catenaria aerea a corrente continua (c.c.) primaria; per le locomotive diesel, l'alimentazione c.c. primaria proviene dall'alternatore/raddrizzatore di bordo.

Come per qualsiasi applicazione critica, esistono standard obbligatori che definiscono i requisiti prestazionali da più punti di vista. Lo standard principale per le apparecchiature elettroniche ferroviarie è EN 50155, Applicazioni ferroviarie - Materiale rotabile - Apparecchiature elettroniche. Definisce le condizioni ambientali e di servizio, le aspettative di affidabilità, la sicurezza e i metodi di progettazione e costruzione. Inoltre, si occupa della documentazione e del collaudo.

Altri standard critici sono:

• EN 61373, test per urti e vibrazioni
• EN 61000-4, test e misurazione della compatibilità elettromagnetica (EMC)
• EN 50121-3-2, limiti di emissione e immunità
• EN 45545-2, sicurezza antincendio
• Standard della British Railway Industries Association RIA 12, Specifica generale per la protezione delle apparecchiature elettroniche di trazione e di materiale rotabile dai transitori e dalle sovratensioni nei sistemi di controllo a corrente continua.

Il rispetto di questi standard rappresenta una sfida progettuale significativa, anche se il convertitore di potenza funziona come previsto durante la simulazione e come prototipo al banco.

Fortunatamente, sono disponibili convertitori c.c./c.c. standard che soddisfano i requisiti ferroviari, eliminando la necessità per i costruttori di vagoni ferroviari di progettare e costruire versioni personalizzate.

Ad esempio, le famiglie TEP 150UIR e TEP 200UIR sono due serie simili di convertitori half-brick per montaggio su scheda rispettivamente da 150 e 200 W, con un'efficienza del 90% circa. Questi convertitori completamente incapsulati sono dotati di isolamento rinforzato a 3.000 V_c.a. tra ingresso e uscita (I/O) e protezione integrata da cortocircuito, sovratensione e sovratemperatura.

Tutti i componenti di queste due famiglie hanno la stessa configurazione di connessione e le stesse dimensioni di 60 × 60 × 13 mm (Figura 1), funzionano nell'intervallo da -40 a +105 °C e soddisfano gli standard menzionati.

Figura 1: Tutti i componenti delle famiglie TEP 150UIR e TEP 200UIR hanno la stessa configurazione di connessione e le stesse dimensioni (60 × 60 × 13 mm). (Immagine per gentile concessione di TRACO Power)

La serie TEP 150UIR funziona con un intervallo di tensione di ingresso estremamente ampio, da 14 V_c.c. a 160 V_c.c., ed è disponibile in cinque coppie di uscite che vanno da 5 V/30 A a 48 V/3,2 A. Il componente di questa famiglia con la tensione più bassa/la corrente più alta è TEP 150-7211UIR, che eroga 5 V fino a 30 A.

La serie TEP 200UIR presenta lo stesso intervallo di tensione di ingresso e di uscita, ma con correnti più elevate, da 5 V/40 A a 48 V/4,2 A. Il componente di questa famiglia con la tensione più alta/la corrente più bassa è TEP 200-7218UIR, che eroga 48 V fino a 4,2 A, rispetto ai 3,2 A della sua controparte da 150 W a parità di tensione.

Grazie alle dimensioni e agli ingombri comuni, le due serie consentono ai progettisti di modificare un circuito per gestire esigenze diverse o utilizzare schede diverse con problemi minimi di cablaggio e layout. Inoltre, consentono di semplificare l'inventario, riducendo il numero di modelli unici in magazzino.

Tre caratteristiche salienti della serie

Le unità TEP 150UIR e TEP 200UIR offrono tre caratteristiche di spicco: ampio intervallo di tensione di ingresso, tempo di ritenzione prolungato e limitazione attiva della corrente di inserzione.

Ampio intervallo di tensione di ingresso: i tipici componenti elettronici di grado industriale possono soddisfare i requisiti generali di tensione/corrente, ma i convertitori di potenza c.c./c.c. per applicazioni ferroviarie devono sopportare variazioni di tensione di ingresso c.c. molto più ampie e molti possibili valori nominali (V_Nom) (Figura 2).

Figura 2: Gli intervalli di ingresso c.c. per le diverse applicazioni ferroviarie sono estremamente ampi, soprattutto se si tiene conto delle deviazioni consentite dai valori nominali. (Immagine per gentile concessione di TRACO Power)

Questa tolleranza include le variazioni consentite della tensione di ingresso intorno a ciascun valore nominale:

• Intervallo continuo = da 0,7 a 1,25, × V_Nom
• Interruzione temporanea dell'energia elettrica = 0,6 × V_Nom per 100 ms
• Picco transitorio = 1,4 × V_Nom per 1 s

È difficile progettare un convertitore di potenza in grado di tollerare interruzioni temporanee dell'energia elettrica di 100 ms, mentre i picchi transitori di 1 s hanno un'energia troppo elevata per essere bloccati. Pertanto, il convertitore deve funzionare nell'intero intervallo mostrato nella Figura 2, con un certo margine di sicurezza. In pratica, ciò significa un intervallo di ingresso superiore a 2,33:1.

A complicare la situazione, la tensione nominale può essere compresa tra 24 V_c.c. e 110 V_c.c.. Molti produttori di convertitori c.c./c.c. soddisfano questi requisiti offrendo convertitori con un intervallo di ingresso più ampio di 4:1 (in genere da 43 V a 160 V) per soddisfare la maggior parte delle applicazioni. Tuttavia, in genere un singolo convertitore non è in grado di soddisfarle tutte.

Per ovviare a questo problema, le unità di TRACO Power supportano un ingresso estremamente ampio di 12:1 da 14 V_c.c. a 160 V_c.c.. Questo intervallo consente ai progettisti di applicazioni di utilizzare un'ampia gamma di tensioni nominali con un unico alimentatore.

Tempo di ritenzione prolungato: la linea c.c. è soggetta a transitori veloci di ±2 kV con tempi di salita di 5 ns, tempi di discesa di 50 ns e una frequenza di ripetizione di 5 kHz. Sono presenti anche sovracorrenti transitorie di ±2 kV da linea a terra e di ±1 kV da linea a linea con tempi di salita di 1,2 μs e tempi di discesa di 50 μs da un'impedenza di sorgente definita e accoppiata in c.a..

Alcuni requisiti vanno oltre la norma EN 50155 e richiedono l'immunità a sovratensioni fino a 1,5 × V_nom per 1 s e fino a 3,5 × V_Nom per 20 ms da un'impedenza di sorgente estremamente bassa di 0,2 Ω. Per un sistema a 110 V_c.c. (nominale), ciò corrisponde a un valore di picco di 385 V_c.c., che è al di fuori del normale intervallo di un convertitore, soprattutto se deve operare fino al minimo di 66 V_c.c. durante una interruzione temporanea dell'energia elettrica.

La grande quantità di energia disponibile da una sorgente a bassa impedenza significa che la tensione non può essere bloccata solo da un soppressore di tensioni transitorie (TVS). A seconda del livello di potenza, è necessario un pre-regolatore sull'ingresso dell'alimentazione o un circuito che spenga l'ingresso durante il picco transitorio. Per mantenere l'uscita durante questo periodo è necessaria una funzione di tenuta nel convertitore c.c./c.c..

Per risolvere questo problema, le unità di TRACO sono dotate di un'importante caratteristica: l'uscita del pin BUS (Figura 3). Questa uscita fornisce una tensione fissa per caricare il condensatore (C_BUS) in modo che possa fornire l'energia necessaria per un tempo di ritenzione maggiore. Questi condensatori sono molto più piccoli e meno costosi di quelli utilizzati in uno schema convenzionale di ritenzione dei condensatori front-end.

Figura 3: Il circuito di ingresso consigliato da utilizzare con C_BUS per semplificare l'implementazione di un tempo di ritenzione esteso. (Immagine per gentile concessione di TRACO Power)

Si noti che non è richiesto un diodo in serie (D4) nel circuito di ingresso, poiché questi convertitori hanno un diodo integrato per prevenire i cortocircuiti e bloccare il flusso di energia dal condensatore all'alimentatore.

Quando si verifica un'interruzione della tensione di alimentazione, la tensione di ingresso scende alla tensione BUS prima che i condensatori inizino a scaricarsi per fornire energia al modulo di alimentazione. Grazie alla loro densità di potenza relativamente elevata, le serie TEP 150UIR e TEP 200UIR possono fornire una tensione BUS fissa per ingressi fino a 80 V. A tensioni di ingresso più elevate, la tensione BUS aumenta in modo lineare con la tensione di ingresso (Figura 4).

Figura 4: I convertitori forniscono una tensione BUS fissa per tensioni di ingresso fino a 80 V; a tensioni di ingresso superiori, la tensione BUS aumenta in modo lineare con la tensione di ingresso. (Immagine per gentile concessione di TRACO Power)

Limitazione attiva della corrente di inserzione: risolve un problema comune ai convertitori di potenza: quando la tensione di ingresso inizia a salire, i condensatori di mantenimento sul terminale di ingresso causano un'elevata corrente di inserzione. Questa corrente può far saltare un fusibile o far scattare un interruttore automatico e indurre errori e guasti nei dispositivi collegati.

Per evitare questo problema, il pin Pulse delle serie TEP 150UIR e TEP 200UIR fornisce un segnale a onda quadra da 12 V e 1 kHz che può essere utilizzato in un circuito di limitazione della corrente di inserzione (Figura 5).

Figura 5: Le serie TEP 150UIR e TEP 200UIR offrono un modo semplice per limitare la corrente di inserzione all'avvio utilizzando un pin Pulse con un segnale a onda quadra. (Immagine per gentile concessione di TRACO Power)

Collegando il circuito di limitazione attiva della corrente di inserzione al pin Pulse, la corrente di inserzione viene effettivamente limitata. Senza limitazione, la corrente di inserzione è di circa 120 A, mentre con la limitazione scende a circa 24,5 A.

Considerazioni meccaniche a supporto delle prestazioni elettriche

Le prestazioni di questi convertitori di TRACO sono il risultato non soltanto della progettazione elettrica, ma anche di quella meccanica, poiché l'integrità meccanica è fondamentale ai fini della robustezza elettrica.

Occorre tenere presente che i vari punti di un veicolo ferroviario sono soggetti a entità differenti di urti, vibrazioni e temperature estreme. Lo standard EN 61373 stabilisce una serie di posizioni distinte e corrispondenti categorie di tolleranza per i veicoli ferroviari con sospensioni a uno o due livelli, essendo quest'ultimo il più comune (Figura 6).

Figura 6: La norma EN 61373 definisce gli standard relativi a urti e vibrazioni per le diverse posizioni all'interno e all'esterno del veicolo ferroviario, qui illustrati per i veicoli con sospensioni a due livelli; i punti del carrello sono quelli più impegnativi. (Immagine per gentile concessione di TRACO Power, modificata dall'autore)

Tutti i convertitori di TRACO soddisfano gli standard di Categoria 1, Classe A e di Categoria 1, Classe B per tutte le zone sopra l'asse, il carrello e il sottotelaio nei veicoli con due livelli di sospensione. Per ottenere questo risultato si utilizzano, tra le altre cose, incapsulamento della scocca, pin per uso intensivo per i collegamenti elettrici del circuito stampato, montaggio con viti di ritegno, test di shock termico oltre ai più semplici test di permanenza alle alte e alle basse temperature e attenzione alle modalità di raffreddamento.

Conclusione

I progettisti di sistemi di alimentazione per applicazioni ferroviarie hanno bisogno di convertitori c.c./c.c. affidabili e versatili, compatti, facili da gestire e da installare e in grado di operare in ambienti difficili, nonostante un lungo elenco di norme e requisiti elettrici, termici e meccanici. Come dimostrato, le famiglie TEP 150UIR e TEP 200UIR di TRACO Power rispondono alle sfide con caratteristiche che includono un ampio intervallo della tensione di ingresso 12:1 da 14 V_c.c. a 160 V_c.c., un pin di ritenzione per caricare i condensatori in modo che possano fornire energia durante eventi di diseccitazione di tensione, la capacità di resistere alle sovracorrenti transitorie e numerose coppie di tensione/corrente di uscita, il tutto in un unico fattore di forma.