I convertitori c.c./c.c. specializzati rispondono alle sfide uniche dell'alimentazione ferroviaria

I moderni sistemi ferroviari sono dotati di una quantità crescente di elettronica per funzioni quali l'accesso a Internet per i passeggeri, i collegamenti satellitari, i citofoni e gli impianti di diffusione sonora (PA), i sottosistemi di navigazione, le radio di emergenza, le insegne luminose, l'illuminazione a LED, i sistemi informativi, le prese di ricarica dei sedili e altri accessori. Sono presenti anche sottosistemi di ricarica delle batterie, poiché molte di queste funzioni devono essere alimentate durante le interruzioni di corrente o i periodi prolungati di perdita di potenza. Ognuna di queste funzioni ha requisiti di tensione unici, che portano all'impiego di molti convertitori c.c./c.c. per convertire la tensione c.c. più alta in più tensioni più basse.

Tuttavia, i progettisti che specificano i convertitori c.c./c.c. per l'uso ferroviario devono assicurarsi che questi possano funzionare in modo affidabile in spazi ristretti e in condizioni di stress elettrico, meccanico e termico. Devono inoltre soddisfare un lungo elenco di rigorosi requisiti del settore e normativi ed essere facilmente implementabili per risparmiare tempo.

Questo articolo esamina brevemente i requisiti dei convertitori di potenza c.c./c.c. per le applicazioni ferroviarie. Presenta quindi i convertitori c.c./c.c. di TRACO Power e mostra come utilizzarli per soddisfare tali requisiti.

Distribuzione dell'energia elettrica per le ferrovie

Un tipico percorso di distribuzione dell'energia per una locomotiva o un vagone elettrico presenta molte tensioni inferiori derivate dalla fonte primaria di catenaria aerea a corrente continua. Come per qualsiasi applicazione critica, esistono standard obbligatori che definiscono i requisiti prestazionali da più punti di vista.

La specifica normativa dominante per le apparecchiature elettroniche ferroviarie è EN 50155, Applicazioni ferroviarie - Materiale rotabile - Apparecchiature elettroniche. Questa 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.

Altre specifiche critiche includono:

• EN 61373, Applicazioni ferroviarie Apparecchiature con materiale rotabile - Prova di urti e vibrazioni
• EN 61000-4, per la compatibilità elettromagnetica (EMC)
• EN 45545-2, standard ferroviario europeo per la 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.

Soddisfare questi requisiti normativi è difficile nella progettazione, anche se il progetto del convertitore di potenza fai-da-te funziona come previsto durante la simulazione e come prototipo al banco. Fortunatamente non è necessario ricorrere al fai-da-te. Sono già disponibili convertitori c.c./c.c. standard, specifici per l'applicazione, che soddisfano i requisiti ferroviari.

Ad esempio, le famiglie TEP 150UIR/TEP 200UIR sono due serie simili di convertitori half-brick, montati su scheda, rispettivamente da 150 e 200 W. 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). La loro efficienza è del 90% circa.

Figura 1: Tutti i componenti delle famiglie TEP 150UIR e TEP 200UIR hanno le stesse dimensioni e lo stesso fattore di forma. (Immagine per gentile concessione di TRACO Power)

La serie TEP 150UIR funziona con un intervallo di tensione di ingresso estremamente ampio, da 14 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 (Figura 2).

Figura 2: La serie TEP 150UIR è disponibile con valori di tensione/corrente che vanno da 5 V/30 A a 48 V/3,2 A (Immagine per gentile concessione di TRACO Power)

Il componente a bassa tensione/alta corrente di questa famiglia è TEP 150-7211UIR, che può erogare fino a 30 A a 5 V.

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 (Figura 3).

Figura 3: La famiglia TEP 200UIR offre il 33% di potenza in più, con gli stessi valori di tensione di uscita ma con correnti di uscita più elevate. (Immagine per gentile concessione di TRACO Power)

Il componente di questa famiglia con la tensione più alta e la corrente più bassa è TEP 200-7218UIR, che può erogare fino a 4,2 A a 48 V, rispetto ai 3,2 A della sua controparte da 150 W a parità di tensione.

Date le dimensioni e gli ingombri comuni, gli utenti possono facilmente aggiornare un circuito per gestire esigenze diverse o utilizzare schede diverse con problemi minimi di cablaggio e layout. Inoltre, possono semplificare l'inventario, riducendo il numero di modelli unici in magazzino.

Tre caratteristiche chiave

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

1) Ampio intervallo della tensione di ingresso: i tipici componenti elettronici di tipo industriale possono soddisfare i requisiti generali di tensione/corrente, ma i convertitori di potenza c.c./c.c. per questa applicazione devono sopportare variazioni di tensione di ingresso molto più ampie e molti possibili valori nominali (Figura 4).

Figura 4: 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)

Ciò 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 un secondo

È difficile progettare un convertitore di potenza in grado di tollerare una integrazione nella progettazione di 100 ms, mentre le sovracorrenti transitorie di un secondo hanno un'energia troppo elevata per essere bloccate. Pertanto, il convertitore deve funzionare nell'intero intervallo mostrato nella Figura 4, includendo 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 a 160 V) per soddisfare la maggior parte delle applicazioni, ma 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 a 160 V_c.c.. Questo intervallo consente ai progettisti di applicazioni di utilizzare un'ampia gamma di tensioni nominali con un unico alimentatore.

2) 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 un secondo 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.

L'energia disponibile da una sorgente a bassa impedenza significa che la tensione non può essere bloccata 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 per la durata del 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. Questa uscita fornisce una tensione fissa per caricare un condensatore in modo che possa fornire l'energia necessaria per un tempo di ritenzione maggiore (Figura 5). Questi condensatori sono molto più piccoli e meno costosi di quelli utilizzati nello schema convenzionale di ritenzione dei condensatori front-end.

Figura 5: Questo è il circuito di ingresso consigliato da utilizzare con il condensatore bus C_BUS per semplificare l'implementazione di un tempo di ritenzione esteso. (Immagine per gentile concessione di TRACO Power)

Si noti che non è necessario aggiungere un diodo in serie al circuito di ingresso, poiché questi convertitori integrano un diodo per evitare un cortocircuito e mantenere l'energia dal condensatore all'alimentazione.

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 con una tensione di ingresso fino a 80 V. Con tensioni di ingresso più elevate, la tensione BUS aumenta linearmente con la tensione di ingresso effettiva (Figura 6).

Figura 6: I convertitori forniscono una tensione BUS fissa fino a 80 V della tensione di ingresso; con tensioni di ingresso superiori, la tensione BUS aumenta linearmente con la tensione di ingresso effettiva. (Immagine per gentile concessione di TRACO Power)

3) Limitazione della corrente di inserzione attiva: risolve un problema comune ai convertitori di potenza. Quando la tensione di ingresso inizia a salire, i condensatori di ritenzione sul terminale di ingresso causano un'elevata corrente di inserzione. Questo può far intervenire un fusibile o far scattare un circuito e causare 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 nel circuito di limitazione della corrente di inserzione (Figura 7).

Figura 7: 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 limitatore di corrente di inserzione attiva al pin Pulse, la corrente di inserzione viene effettivamente limitata (Figura 8). Senza limitazione, la corrente di inserzione è di circa 120 A (a sinistra), mentre con la limitazione scende a circa 24,5 A (a destra).

Figura 8: Il pilotaggio del circuito limitatore di corrente di inserzione attiva dei convertitori con il pin Pulse riduce la corrente di inserzione di cinque volte. Un esempio è rappresentato da una V_in di 72 V. La scala orizzontale a sinistra è di 50 V/divisione e quella a destra di 10 V/divisione, con un fattore di scala del trasduttore di 1 V = 1 A. (Immagine per gentile concessione di TRACO Power)

Conclusione

I convertitori c.c./c.c. per le applicazioni ferroviarie a bassa tensione devono fare di più che fornire prestazioni di potenza affidabili e costanti. Devono essere compatti, facili da gestire e da installare, adatti a una vasta gamma di applicazioni, in grado di operare in ambienti difficili e di soddisfare un lungo elenco di norme e requisiti elettrici, termici e meccanici. Come dimostrato, le famiglie TEP 150UIR e TEP 200UIR di TRACO Power sono all'altezza del compito con caratteristiche che includono un ampio intervallo della tensione di ingresso 12:1 da 14 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.