Potência em Sistemas ferroviários

Os sistemas ferroviários são uma das principais áreas de aplicação para conversores DC/DC robustos de alta potência, especificamente “material circulante”. O material circulante na indústria ferroviária refere-se a qualquer coisa que use rodas de aço, incluindo vagões, vagões de carga, vagões planos e locomotivas. Tradicionalmente, uma linha de energia para iluminação e uma conexão de sinal seriam suficientes, mas à medida que as expectativas de conforto aumentaram, o projeto e a seleção de fontes de alimentação se tornaram mais desafiadoras.

A energia no material circulante ferroviário era originalmente sobre tração, iluminação e sinalização rudimentar com 110VDC normalmente bruto das baterias a bordo conectadas a tudo. O conjunto de manobra no barramento CC não tinha limitadores de surto e transientes porque eles se degradam com o tempo e não podiam ser garantidos para funcionar continuamente. Assim, os equipamentos individuais tiveram que suportar todo o nível de sobretensões, quedas e surtos resultantes. Não importava, porém, que as luzes ocasionalmente aumentassem ou diminuíssem.

Como as baterias também eram conectadas a comutadores, relés e outras cargas elétricas pesadas, como motores de partida, a tensão do cabo estava sujeita a quedas e picos transitórios regularmente, bem como interferência eletromagnética e de radiofrequência (EMI/RFI). Os passageiros permaneceram amplamente alheios a esses efeitos, além de experimentar mudanças ocasionais nos níveis de iluminação da cabine.

Hoje é muito diferente – os veículos ferroviários modernos estão repletos de eletrônicos para comunicação e controle, com os passageiros também esperando cada vez mais repetidores de celular e serviços Wi-Fi® com alimentação CA ‘limpa’ e energia USB DC disponível em cada assento. Devido ao ambiente e à natureza diversa dos equipamentos conectados, a conversão de energia está se tornando cada vez mais distribuída. Cada conversor que faz a interface entre o barramento CC bruto, a eletrônica do trem e os dispositivos portáteis dos passageiros deve ser projetados para atender às especificações elétricas da tensão do barramento. Isso é essencial devido ao ambiente físico hostil de uma aplicação ferroviária.

Onde está o problema?

A norma EN 50155 – Aplicações ferroviárias – Material circulante – Equipamentos eletrônicos aplica-se a equipamentos elétricos fornecidos à indústria ferroviária e foi adotada pela maioria dos fabricantes de equipamentos ferroviários. Refere-se a sistemas alimentados por bateria e fontes de alimentação de baixa tensão que estão diretamente (ou indiretamente) conectados ao sistema de contato e abrange aplicações de controle, ajuste, proteção e alimentação. Os conversores DC-DC em equipamentos eletrônicos de potência no veículo devem cumprir a EN 50155 em cada uma das seguintes maneiras:

Faixa de tensão de entrada

As tensões de bateria mais usadas em aplicações ferroviárias são 24V, 48V, 72V, 96V e 110V. As inevitáveis quedas e oscilações causadas pela demanda de vários sistemas de bordo significam que esses níveis variam muito. A EN 50155 especifica que estes podem variar de 0,7 a 1,25 vezes o seu valor nominal, sendo também aceitáveis variações transitórias mais significativas de 0,6 a 1,4 nominais (para durações de até 100ms).

Compatibilidade eletromagnética

O requisito de Compatibilidade Eletromagnética (EMC) para equipamentos elétricos é definido pela forma como ele interage com o ambiente externo. Essas interfaces são conhecidas como portas. Portas diferentes têm requisitos de EMC diferentes. Não há limites de emissões para portas de bateria na frequência de 9kHz~150kHz. Os mesmos requisitos de EMC se aplicam a portas referenciadas por bateria, sinal e comunicação, medição de processo e portas de controle e são especificados na EN 50121-3-2.

Choque Mecânico e Vibração

O equipamento eletrônico deve ser capaz de suportar os níveis de choque e vibração experimentados por um trem em serviço regular sem degradação do desempenho. O fornecedor do trem pode definir esses níveis. Caso contrário, eles devem atender aos requisitos da norma EN 61373 categoria 1, classe B (Tabela 1).

Tabela 1: Testes de choque e vibração

Temperatura e Umidade

Os equipamentos eletrônicos devem ser projetados para operar de acordo com suas especificações completas com base em uma faixa de diferentes classes de temperatura (Tabela 2).

1. Os compartimentos do passageiro e do condutor são abrangidos pelas classes OT1 e OT2 (com uma temperatura de referência padrão de +25°C).
2. As classes OT3 e OT4 abrangem equipamentos em gabinetes técnicos (com temperatura de referência padrão de +45°C).
3. OT3 é a classe padrão.

Tabela 2: Testes de temperatura

Tensão de isolamento

Essas especificações garantem que os condutores dentro das fontes de alimentação tenham isolamento elétrico e espaçamento físico suficientes para que correntes de fuga e arco elétrico não sejam problemas. Este teste consiste em duas partes:

• Uma medição de resistência de isolamento que é realizada em 500 VCC. O nível mínimo de resistência de isolamento necessário é de 20 Megaohms.
• A segunda parte é um teste de resistência à tensão (Tabela 3). Os níveis de tensão são aumentados lentamente (normalmente em intervalos de 10 segundos) até o valor máximo. A tensão é mantida por dez segundos ou um minuto, dependendo da finalidade do teste.

Tabela 3: Testes de isolamento e resistência

Conversores de Energia Típicos

Dependendo do nível de potência e da aplicação, conversores DC/DC com vários fatores de forma são usados ​​no material circulante. As peças montadas no chassi são típicas em potência mais alta com robustez apropriada para atender aos requisitos de choque e vibração com quaisquer PCBs abertos lacados. Até cerca de 600W, o estilo Eurocassette é muito popular. Este produto de montagem em rack usa o conector padrão DIN 41612 H15 e está disponível em vários níveis de potência e com muitas opções. Ambos os produtos montados em chassis e em estilo cassete normalmente terão saídas de ‘barramento’ de 12, 24 ou 48V. Eles geralmente terão opções para incluir filtragem extra, proteção contra polaridade reversa e tempo de espera estendido. ‘Hold-up’ ou ‘ride through’ pode ser bastante desafiador para baixas tensões de entrada nominais. Por exemplo, para manter uma fonte de 100W com 80% de eficiência por 10ms para aplicações de ‘Classe 2’ com uma faixa de entrada de 16-36V em torno de 24V nominal, seria necessário um capacitor na entrada de cerca de 8.000µF classificado em 40V – cerca de 40 cm² de tamanho. Este é um tamanho e custo significativo e também o principal contribuinte para os cálculos gerais de confiabilidade e vida útil. A EN 50155 descreve as interrupções como sendo causadas por curtos-circuitos de entrada. Portanto, um diodo de entrada em série também é necessário para isolar o capacitor de retenção, o que causa perda de potência adicional e queda de tensão, exigindo que a faixa de entrada do conversor seja estendida. Outras soluções para hold-up podem ser aumentar internamente a entrada para uma tensão mais alta para que um capacitor menor possa ser usado para o mesmo armazenamento de energia, mas em qualquer caso, a corrente de inrush e a taxa de carga no capacitor devem ser controladas e podem limitar a taxa de repetição de desistências permitidas para 1 em 10 segundos ou mais.

Alguns produtos podem conectar as saídas do conversor em paralelo para potência extra ou redundância com sinalização associada. A faixa de tensão de entrada dos conversores geralmente será ampla para abranger o maior número possível de tensões nominais da bateria com seus declives e ondulações.

Os produtos montados em placas também são usados em até cerca de 100 W, fornecendo saídas de baixa tensão bem reguladas para circuitos digitais e analógicos. Estes também podem ser alimentados diretamente do barramento CC, muitas vezes precisarão de proteção contra surtos e transientes, bem como proteção ambiental. O isolamento é geralmente exigido de conversores CC/CC com níveis definidos pela aplicação, mas normalmente é BÁSICO ou REFORÇADO.

A EN 50155 inclui um diagrama que identifica as áreas EMC do sistema A, B e C mostradas de forma abreviada na Figura 1 com o posicionamento típico de um conversor DC-DC.

A série PRQE de conversores CC/CC isolados da CUI Inc. atende totalmente aos requisitos de teste EMC para EN 50121-3-2 e são projetados para permitir sistemas que atendem a EN 50155 em aplicações ferroviárias. Esses conversores de um quarto de tijolo, que também vêm com certificação EN 62368-1, são oferecidos em uma variedade de níveis de potência, incluindo 50W e 75W. Esses dispositivos são alojados em uma caixa de liga de alumínio totalmente encapsulada com um fundo de plástico preto e possuem uma classificação de inflamabilidade UL 94V-0. Eles são até 94% eficientes, têm uma faixa de entrada 4:1 ultra ampla e oferecem proteção contra sobrecorrente, sobretensão e curto-circuito.

Os conversores da série PRQ estão disponíveis em um pacote DIP com ou sem dissipador de calor ou placa base. Além de aplicações ferroviárias, elas são ideais para dados, telecomunicações, robótica e aplicações industriais – em qualquer lugar que você precise de uma grande quantidade de energia de um dispositivo em um pacote compacto.

Os conversores de um quarto de tijolo da série 0RQB-50Y05x da Bel Power Solutions fornecem 50 W de potência de saída de uma ampla faixa de entrada (24 V, 48 V, 72 V, 96 V, 110 V típico). Ele fornece alimentação auxiliar de 5V/5mA e, quando um grande capacitor de retenção é adicionado, a unidade ainda pode funcionar até 12 ms quando a alimentação de entrada é interrompida. Os conversores CC/CC isolados da série 0RQB-50Y05x da Bel Power Solutions apresentam liga/desliga remoto, proteção contra subtensão de entrada, proteção contra sobretensão de saída, proteção contra sobrecorrente e curto-circuito.

Os Conversores CC/CC Isolados de 100W RQB-100Y da Bel Power Solutions são dispositivos de alto desempenho projetados especificamente para aplicações ferroviárias e equipamentos associados. Os conversores DC/DC RQB-100Y oferecem uma tensão de saída única de 100W, uma ampla faixa de tensão de entrada de 14VDC a 160VDC e uma faixa de temperatura operacional de -40°C a +105°C. As proteções incluem subtensão de entrada, sobretensão de saída, sobrecorrente, curto-circuito e sobretemperatura. Os conversores CC-CC isolados de 100 W da Bel Power Solutions RQB-100Y também apresentam controle remoto liga/desliga, compensação de sensor remoto, bloqueio de subtensão programável, função de retenção e ajuste de ajuste de tensão de saída.

Conclusão

Projetar conforme a norma EN 50155 não é uma tarefa fácil em condições elétricas e ambientais que são tão hostis quanto possível. As soluções comerciais prontas, na maioria das vezes, simplesmente não se encaixam na especificação, especialmente para confiabilidade a longo prazo. Os conversores projetados por empresas como a Bel Power Solutions são uma solução com um longo histórico de segurança.

Artigo escrito por Marcel e publicado no blog da Mouser Electronics: Power on the Railway Track

Traduzido pela Equipe Embarcados. Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados

(*) este post foi patrocinado pela Mouser Electronics