השתמשו בממירי DC-DC חסונים עם תחום כניסות רחב עבור יישומי רכבות

הרכבות עוברות תהליך של חשמול גובר, החל ממערכת ההינע ועד לפונקציות מובנות ונוחות הנוסעים. אלה כוללים תקשורת, בטיחות, גישה לאינטרנט ושילוט בקרונות. נדרשים מספר ממירי DC/DC עבור הספקת-הכוח הנדרשת. עם זאת, צוותי תכנון אינם מצוידים בתכנים מותאמים-במיוחד של ממירי הספקת-כוח הפועלים בתנאים החשמליים, המכניים והתרמיים התובעניים של רכבות, תוך עמידה בדרישות מחמירות של התעשייה, רגולציה, גורם-צורה ועלות.

הפתרון טמון בממירי DC/DC ורסאטיליים מן-המדף העונים על מגוון רחב של דרישות מתח ותנאי פעולה.

מאמר זה בוחן את הדרישות הייחודיות העומדות בפני מתכנני ממירי הספק DC/DC ביישומי רכבות. לאחר מכן הוא מציג ממירי DC/DC בהספק של W‏ 150‏ ו-W‏ 200‏ של TRACO Power‏ ומראה כיצד ניתן ליישם אותם כדי לעמוד בסטנדרטים אלה.

חלוקת כוח עבור מסילות ברזל

מסלול הספקת-כוח טיפוסי עבור קטר או קרון חשמליים מגיע ממקורות מתח נמוך רבים שיש להפיקם מתוך קווי רשת DC עיליים עיקריים; עבור קטרי דיזל, הספקת-הכוח העיקרית מגיעה מהאלטרנטור/מיישר המובנים.

כמו עם כל יישום קריטי, ישנם תקני תעשייה הכרחיים המגדירים דרישות ביצועים מהיבטים רבים. המפרט הרגולטורי הדומיננטי עבור ציוד אלקטרוניקה לרכבות הוא EN 50155, Railway applications - Rolling stock - Electronic Equipment. המפרט מגדיר תנאים סביבתיים ושירות, ציפיות אמינות, בטיחות, תכנון ושיטות בנייה. הוא גם מכסה תעוד ובדיקות.

תקנים קריטיים נוספים כוללים:

• EN 61373, בדיקות זעזועים ורעידות
• EN 61000-4, בדיקות ומדידות תאימות אלקטרומגנטית (EMC)
• EN 50121-3-2‏, מגבלות פליטה וחסינות
• EN 45545-2, בטיחות אש
• תקן RIA 12‏ של איגוד תעשיות הרכבות הבריטי, מפרט כללי עבור הגנה על ציוד אלקטרוני של הינע ורכבות מפני תנודות וזעזועים במערכות בקרת DC‏.

עמידה בתקנים אלה מהווה אתגר תכנוני משמעותי, גם אם ממיר ההספק פועל כמתוכנן במהלך הסימולציה ואב-הטיפוס על שולחן-העבודה.

למרבה המזל, קיימים ממירי DC/DC סטנדרטיים העונים על דרישות הרכבות, החוסכים את הצורך של יצרן קרונות הרכבת לתכנן ולבנות גרסות מותאמות-במיוחד.

לדוגמה, משפחות TEP 150UIR ו-TEP 200UIR‏ הן שתי סדרות דומות של ממירי חצי-לבנה מורכבים על לוח, בהספק נומינלי של 150 ו-200 וואט, בהתאמה, עם נצילות של כ-90%. ממירים במארז סגור-במלואו אלה כוללים בידוד כניסה/יציאה (I/O) מחוזק של _AC‏V‏ 3,000‏ והגנה מובנית מפני קצר חשמלי, מתח-יתר וטמפרטורת-יתר.

לכל החלקים בשתי המשפחות אלו יש את אותה תצורת חיבור וגודל מארז של 60 מ"מ × 60 מ"מ × 13 מ"מ (איור 1), הם פועלים בתחום הטמפרטורות C‏°‏40‏- עד C‏°‏105‏+ ועומדים בתקנים המצוטטים.

איור 1: לכל החלקים במשפחות TEP 150UIR ו-TEP 200UIR יש את אותה תצורת חיבור וגודל מארז (60 מ"מ × 60 מ"מ × 13 מ"מ). (מקור התמונה: TRACO Power)

סדרת TEP 150UIR פועלת בתחום מתחי כניסה רחב ביותר של _DC‏V‏ 14‏ עד _DC‏V‏ 160‏, והיא זמינה בחמש זיווגי יציאות מ-A‏ 30‏/V‏ 5‏ עד A‏ 3.2‏/V‏ 48‏. החלק עם המתח הנמוך ביותר/הזרם הגבוה ביותר במשפחה זו הוא ה-TEP 150-7211UIR‏, המספק V‏ 5‏ עם עד A‏ 30‏.

לסדרת TEP 200UIR יש את אותו תחום מתחי כניסה ויציאה, אך זרמים גבוהים יותר, החל מ-A‏ 40‏/V‏ 5‏ עד A‏ 4.2‏/V‏ 48‏. החלק עם המתח הגבוה ביותר/הזרם הנמוך ביותר במשפחה זו הוא ה-TEP 200-7218UIR‏, המספק V‏ 48‏ עם עד A‏ 4.2‏, בהשוואה ל-A‏ 3.2‏ עבור החלק המקביל שלו עם W‏ 150‏ במתח זה.

על ידי שמירה על גודל וחתימת-שטח משותפים, שתי הסדרות מאפשרות למתכננים לשדרג מעגל כדי להתמודד עם צרכים שונים או להשתמש בלוחות שונים עם מינימום בעיות כבלים ופרישה. הם יכולים גם לפשט את המלאי על ידי אחסון פחות דגמים ייחודיים.

שלושת המאפיינים הבולטים של הסדרה

יחידות TEP 150UIR ו-TEP 200UIR מציעות שלושה מאפיינים בולטים: תחום מתחי כניסה רחב, זמן החזקה מורחב ומגבלת זרם-התנעה אקטיבית.

תחום מתחי כניסה רחב: אלקטרוניקה בדירוג-תעשייתי טיפוסית יכולה לעמוד בדרישות מתח/זרם כלליות, אך ממירי הספק DC/DC עבור יישומי רכבות חייבים לעמוד בשינויים רחבים בהרבה של מתח הכניסה DC ובתחום של ערכים נומינליים אפשריים (_Nom‏V‏) (איור 2).

איור 2: כניסות ה-DC עבור יישומי רכבות שונים משתרעות על פני תחום רחב ביותר, במיוחד כאשר הסטיות המותרות מהערכים הנומינליים נלקחות בחשבון בניתוח. (מקור התמונה: TRACO Power)

טולרנס זה כולל את הסטיות המותרות במתח הכניסה סביב כל ערך נומינלי:

• תחום רצוף = 0.7 עד 1.25, × _Nom‏V‏
• נפילת מתח = 0.6‏ ×‏ _Nom‏ למשך ms‏ 100‏
• נחשול = 1.4 × _Nom‏V‏ למשך שנייה אחת

תכנון ממיר הספקת-כוח היכול לעמוד בנפילות מתח של ms‏ 100‏ הוא קשה, בעוד שלנחשולי מתח הנמשכים שנייה אחת יש אנרגיה רבה מדי מכדי שניתן להדק (Clamp‏) את המתח שלהם. לכן, הממיר חייב לפעול על פני כל התחום המוצג באיור 2, עם מרווח ביטחון מסוים. בפועל, משמעות הדבר היא תחום כניסה של יותר מ-2.33:1.

מה שמסבך את המצב עוד יותר, המתח הנומינלי יכול להיות מ-_DC‏V‏ 24‏ עד _DC‏V‏ 110‏. יצרנים רבים של ממירי DC/DC עומדים בדרישות אלו על ידי היצע של ממירים עם תחום כניסות רחב יותר של 4:1 (בדרך כלל V‏ 43‏ עד V‏ 160‏) כדי לכסות את מרבית היישומים. ובכל זאת, ממיר יחיד בדרך כלל לא הצליח לעמוד בכולן.

כדי להתמודד עם פער זה, יחידות TRACO תומכות בתחום כניסות אולטרה-רחב של 12:1 של _DC‏V‏ 14‏ עד _DC‏V‏ 160‏. תחום זה מאפשר למהנדס יישומי מערכת לכוון למערך של מתחי מערכת נומינליים עם ספק כוח יחיד.

זמן החזקה מורחב: קו ה-DC‏ נתון לטרנזיינטים מהיריםשל kV‏ 2‏± עם זמני עלייה של ns‏ 5‏, זמני ירידה של ns‏ 50‏, וקצב חזרה של kHz‏ 5‏. ישנם גם נחשולי מתח של kV‏ 2‏± קו-להארקה ו-kV‏ 1‏± קו-לקו עם זמני עלייה של 1.2 מיקרו-שניות (μs) וזמני ירידה של 50 מיקרו-שניות מאימפדנס מקור מוגדר בצימוד-AC.

חלק מהדרישות חורגות מ-EN 50155 ודורשות חסינות מפני נחשולי מתח המגיעים ל-1.5 × _Nom‏V‏ למשך שנייה אחת, ו-3.5 × _Nom‏V‏ למשך ms‏ 20‏ מאימפדנס מקור נמוך ביותר של Ω‏ 0.2‏. עבור מערכת עם _DC‏V‏ 110‏, זה מתאים לערך שיא של _DC‏V‏ 385‏, שהוא מחוץ לתחום הנורמלי של ממיר, במיוחד אם הוא צריך לעבוד עד למינימום נפילת מתח של _DC‏V‏ 66‏.

כמות האנרגיה הגדולה הזמינה ממקור בעל אימפדנס נמוך שכזה פירושה שלא ניתן להדק (Clamp‏) את המתח אך ורק באמצעות משכך מתחים טרזיינטיים (TVS‏). בהתאם לרמת ההספק, נדרש גם קדם-מייצב בכניסת ההספקה או מעגל הממתג את הכניסה למצב כבוי במהלך נחשול מתח. פונקציית ההחזקה נחוצה בממיר DC/DC כדי לשמור על היציאה במהלך זמן זה.

כדי לפתור בעיה זו, יחידות TRACO מגיעות עם מאפיין חשוב: יציאת פין BUS (איור 3). יציאה זו מספקת מתח קבוע לטעינת הקבל (_BUS‏C‏), המאפשר לו לספק את האנרגיה הדרושה עבור זמן החזקה ארוך יותר. קבלים אלה הם קטנים וזולים משמעותית מאלה המשמשים בשיטת החזקת קבל קצה-קדמי קונבנציונלית.

איור 3: מוצג מעגל הכניסה המומלץ לשימוש עם _BUS‏C‏ כדי לפשט את מימוש זמן ההחזקה המורחב. (מקור התמונה: TRACO Power)

שימו לב שדיודה טורית (D4) אינה נדרשת במעגל הכניסה, מכיוון שלממירים אלה יש דיודה משולבת כדי למנוע קצרים ולחסום את זרימת האנרגיה מהקבל אל ספק הכוח.

כאשר מתח ההספקה נקטע, מתח הכניסה יירד למתח ה-BUS לפני שהקבלים מתחילים להתפרק כדי לספק אנרגיה למודול הספקת-הכוח. הודות לצפיפות ההספק הגבוהה יחסית שלהן, סדרות TEP 150UIR ו-TEP 200UIR יכולות לספק מתח BUS קבוע עבור כניסות של עד V‏ 80‏. במתחי כניסה גבוהים יותר, מתח ה-BUS עולה באופן ליניארי עם מתח הכניסה (איור 4).

איור 4: הממירים מספקים מתח BUS קבוע עבור מתחי כניסה של עד V‏ 80‏; במתחי כניסה גבוהים יותר, מתח ה-BUS עולה באופן ליניארי עם מתח הכניסה. (מקור התמונה: TRACO Power)

הגבלת זרם כניסה אקטיבית: מטפלת בבעיה נפוצה בממירי הספקת-כוח: כאשר מתח הכניסה מתחיל לעלות, קבלי ההחזקה בהדקי הכניסה יכולים לגרום לזרם התנעה גבוה. זרם זה יכול לגרום לשריפת נתיך או להפעלת מנתק זרם, ולגרום לשגיאות ותקלות בהתקנים המחוברים.

כדי למנוע זאת, פין Pulse בשתי הסדרות TEP 150UIR ו-TEP 200UIR מספק אות גל מרובע V‏ 12‏, kHz‏ 1‏, שניתן להשתמש בו במעגל הגבלת זרם התנעה (איור 5).

איור 5: סדרות TEP 150UIR ו-TEP 200UIR מציעות דרך פשוטה להגביל את זרם ההתנעה בעת האתחול באמצעות פין Pulse עם אות גל מרובע. (מקור התמונה: TRACO Power)

על ידי חיבור מעגל הגבלת זרם התנעה אקטיבית לפין Pulse‏, זרם ההתנעה מוגבל ביעילות. ללא הגבלה, זרם ההתנעה הוא כ-A‏ 120‏; עם הגבלה, הוא יורד ל-A‏ 24.5‏ בערך.

שיקולים מכניים תומכים בביצועים חשמליים

הביצועים של ממירי TRACO אלה נובעים לא רק מהתכן החשמלי שלהם, אלא גם מהתכן המכני שלהם, שכן תקינות מכנית היא קריטית לעמידות חשמלית.

קחו בחשבון שמיקומים שונים של רכבות נתונים לעוצמות שונות של זעזועים, רעידות וטמפרטורות קיצוניות. תקן EN 61373 קובע מערך של מיקומים נפרדים וקטגוריות טולרנס מתאימות עבור קרונות רכבת עם מתלים חד-מפלסיים או דו-מפלסיים, כאשר האחרון הוא הנפוץ ביותר (איור 6).

איור 6: תקן EN 61373 מגדיר סטנדרטים של זעזועים ורעידות עבור מיקומים שונים בתוך ומחוץ לקרונות רכבת, כאשר כאן מוצג קרון עם מתלה דו-מפלסי; מיקומי המרכב התחתון הם המאתגרים ביותר. (מקור התמונה: TRACO Power, הותאם על ידי כותב המאמר)

כל ממירי TRACO עומדים בתקני קטגוריה 1, Class A וקטגוריה 1, Class B עבור כל האזורים מעל הסרן, הבוגי (Bogie‏) והשלדה התחתונה בקרון עם שני מפלסי מתלים. הם משיגים זאת באמצעות עטיפת הגוף, פיני עומס-כבד עבור החיבורים החשמליים של לוחות המעגלים, סידורי ההרכבה עם בורגי ריתוק, בדיקות הלם תרמי מעבר ל"השרייה" הפשוטה יותר בטמפרטורה גבוהה ונמוכה, ותשומת לב לאופני הקירור, בין היתר.

סיכום

מתכנני מערכות הספקת-כוח לרכבות זקוקים לממירי DC/DC ורסאטיליים ואמינים שהם קומפקטיים, קלים לניהול ופרישה והמסוגלים לפעול בסביבות קשות תוך ציות לרשימה ארוכה של תקנים ודרישות רגולטוריות מאתגרות בהיבטים חשמליים, תרמיים ומכניים. כפי שמוצג, משפחות TEP 150UIR ו-TEP 200UIR של TRACO Power עומדות באתגרים הודות למאפיינים הכוללים תחום מתחי כניסה רחב של 12:1 של _DC‏V‏ 14‏ עד _DC‏V‏ 160‏, פין החזקה לטעינת קבלים לאספקת אנרגיה במהלך נפילות מתח, יכולת עמידה בנחשולי מתח, וזיווגי מתח/זרם יציאה רבים, הכל בגורם צורה יחיד.