Erfüllung der erforderlichen Standards
Es versteht sich von selbst, dass Zulieferer von Komponenten und Systemen für Schienenfahrzeuge sichere und zuverlässige Lösungen liefern müssen, oft gemäß anspruchsvollen internationalen Normen. Da der Bahnverkehr jedoch nicht gerade schonend für die Technik ist, müssen robuste und widerstandsfähige Produkte eingesetzt werden, um vorzeitige Ausfälle zu vermeiden.
In jüngster Zeit wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, Normen auf europäischer Ebene zu harmonisieren. Dies führte zur Entstehung verschiedener, heute weit verbreiteter Vorschriften. Die etablierteste ist die EN 50155, die die Anforderungen an alle Arten elektronischer Geräte in Schienenfahrzeugen festlegt. Zur Veranschaulichung sind die wichtigsten Aspekte für Leistungsmodule (einschließlich DC/DC-Wandler) in Kategorien unterteilt, die Anforderungen an Eingangsspannung, elektromagnetische Verträglichkeit (EMV/EMI), mechanische/physikalische Eigenschaften, Temperatur und Luftfeuchtigkeit sowie elektrische Isolation definieren.
Individuelle Anforderungen
Die in EN 50155 genannten Anforderungen an die Eingangsspannung dienen der Kompensation von Spannungsschwankungen in Bahnstromanwendungen sowie von Spannungsspitzen und anderen unerwünschten Versorgungsstörungen. Bei direkter Stromversorgung eines Geräts über eine Batterie ohne Spannungsregelung ist ein korrekter und sicherer Betrieb bei Spannungen zwischen 701 µT und 1251 µT der Nenneingangsspannung (V) erforderlich.NErwähnenswert ist auch, dass Ausfälle bis hinunter zu 60% von V auftreten.N für 100 ms und Stoßspannungen bis zu 140% von VN für eine Sekunde, tritt häufig beim Einschalten von Geräten auf.
Die Norm EN50155 fordert zusätzlich die Behandlung von 50 ms dauernden Transienten bis zu 1800 V. Dies wird üblicherweise durch einen Überspannungsschutz (TVS) mit einer Kapazität von bis zu 1,5 J erreicht. Wichtig ist, dass die Klemmspannung des TVS mit der des DC/DC-Wandlermoduls kompatibel sein muss.
Obwohl die meisten nationalen Normen mit EN50155 harmonisiert sind, gibt es – ärgerlicherweise – einige Ausnahmen. Beispielsweise weicht die britische Norm RIA12 hinsichtlich des Überspannungsschutzes ab und schreibt vor, dass Geräte einer Überspannung von 3,5 V standhalten müssen.N bis zu 20 ms, was die Leistungsfähigkeit eines TVS-Sensors übersteigt. Daher ist in britischen Anwendungen ein aktiver externer Schutzschaltkreis erforderlich.
Auch im Hinblick auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) stellen Eisenbahnen eine Herausforderung dar. Oberleitungen, Bordtransformatoren, Hochleistungsmotoren sowie Smartphones und Laptops von Fahrgästen können elektromagnetische Störungen (EMI) verursachen. Daher behandelt die Norm EN 50155 die EMV-Anforderungen durch Verweise auf EN 50121-3-2, welche Grenzwerte für abgestrahlte und leitungsgebundene EMI festlegt. In den meisten Anwendungsfällen lassen sich diese Anforderungen durch den Einsatz eines externen EMV-Filters erfüllen.
Wie sieht es also mit den physikalischen Anforderungen aus? Nun, Vibrationen während der Zugfahrt sind nahezu konstant und können zu Materialermüdung führen. Hinzu kommt, dass beim Rangieren von fahrgastlosen Waggons Stöße von bis zu 5 G auftreten können. Die Norm EN 61373 regelt speziell die mechanischen Anforderungen an elektronische Geräte (einschließlich Leistungsmodule) für Bahnanwendungen. Sie berücksichtigt, dass die Positionierung der Geräte (im/am Wagenkasten, Drehgestell oder an der Achse) zu unterschiedlichen mechanischen Belastungen führt. Daher wurden vier Klassen definiert. Leistungsmodule sind typischerweise im Wagenkasten verbaut und fallen in die Klasse 1A oder 1B. Klasse 2 umfasst Geräte, die am Drehgestell montiert sind, während Klasse 3 Geräte auf der Achse abdeckt.
Die Unterbringung elektronischer Geräte hinter Verkleidungen oder unter Sitzen birgt einen wesentlichen Nachteil: In diesen beengten Räumen steigt die Temperatur. Ähnlich den physikalischen Anforderungen werden daher auch die Betriebstemperaturen in vier Klassen eingeteilt. Zusätzlich wird eine zehnminütige Übertemperatur von +15 °C gefordert, was eine weitere Herausforderung für die Stromversorgungssysteme darstellt.
Bezüglich der Luftfeuchtigkeit schreibt die Norm EN50155 vor, dass Leistungsmodule 30 Tage lang bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 95% getestet werden müssen. Vorsichtshalber ist jedoch zu beachten, dass diese Parameter je nach Land, insbesondere in Frankreich und Großbritannien, variieren können.
Die letzte wichtige elektrische Anforderung ist die galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgang, die gemäß EN 50155 in Abhängigkeit von der Nenneingangsspannung definiert ist. Es sei nochmals darauf hingewiesen, dass die Anforderungen in Frankreich abweichen und tatsächlich etwas strenger sind.
Ingenieure können selbstverständlich die Datenblätter der Hersteller konsultieren, um die Einhaltung der relevanten Normen nachzuweisen. Da Normen jedoch regelmäßig überarbeitet werden – wie beispielsweise die umfassende Aktualisierung der EN 50155 im Jahr 2017 –, sollten Ingenieure stets sicherstellen, dass Geräte wie Leistungsmodule der jeweils aktuellen Version entsprechen. Im Falle der EN 50155 umfasst dies auch alle darin referenzierten Normen. Eine solche Aufgabe kann zunächst komplex erscheinen. Daher lohnt es sich, sich an einen renommierten Anbieter von Leistungsmodultechnologie zu wenden, der kompetente Beratung und Unterstützung bietet.
Marktpotenzial
Die Vorteile einer sorgfältigen Auswahl der Leistungsmodule liegen auf der Hand. China ist der weltweit größte nationale Markt für Bahntechnik. Das spezialisierte Verkehrsforschungsunternehmen SCI Verkehr GmbH bezifferte das Marktvolumen kürzlich auf 33 Milliarden Euro. Und obwohl diese Zahl in den kommenden fünf Jahren voraussichtlich leicht sinken wird, ist sie nach wie vor äußerst beeindruckend.
In Westeuropa wird der Markt auf 45,6 Milliarden Euro geschätzt, was einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum von 3,81 Milliarden US-Dollar entspricht. Deutschland ist mit 11 Milliarden Euro der größte nationale Markt in dieser Region und zählt damit neben China, den USA, Russland und Frankreich zu den fünf größten Märkten weltweit.
Durch die Auswahl von Lösungen namhafter Anbieter wie beispielsweise Flex Leistungsmodulen können sich Hersteller darauf verlassen, dass sie eine Technologie erwerben, die sich hervorragend für den Einsatz in Schienenfahrzeuganwendungen eignet und ihnen somit gute Chancen bietet, Marktanteile zu gewinnen.
Mit einer Ausgangsleistung von 1,65 bis 300 W sind verschiedene Gerätefamilien erhältlich, die die Norm EN50155 erfüllen. Das Sortiment umfasst sowohl vollständig gekapselte als auch offene Lösungen und bietet verschiedene Konfigurationen mit Einzel- und Doppelausgang. Besonders hervorzuheben sind die extrem weiten Eingangsspannungsbereiche (9 bis 75 V und 43 bis 160 V), die Designflexibilität gewährleisten und die Anforderungen der EN50155 an die Eingangsspannung erfüllen.
Neueste EN50155-konforme DC/DC-Lösungen
Die kürzlich eingeführte PKE-A-Serie von DC/DC-Leistungsmodulen umfasst die PKE7000A Die Geräte entsprechen dem Industriestandard-Formfaktor 2 x 1 Zoll. Diese Leistungsmodule bieten einen Eingangsspannungsbereich von 43 bis 160 V und sind somit mit den gängigen Nennspannungen von 72 V oder 110 V kompatibel. Die PKE7000A-Geräte liefern eine Leistung von bis zu 30 W, erfüllen die Norm EN50155 und bieten selbst in anspruchsvollen Anwendungen eine beeindruckende mittlere Betriebsdauer (MTBF) von bis zu 5 Millionen Stunden.
Flex wurde kürzlich eingeführt PKJ7200 und PKJ7300 Leistungsmodulserie. Diese Geräte wurden speziell entwickelt, um ein hohes Leistungs-Preis-Verhältnis in einem kompakten, platzsparenden Gehäuse zu bieten. Hohe Effizienz. Die Verwendung von bis zu 92% trägt zur Reduzierung der Verlustleistung bei, während ein breiter Eingangsspannungsbereich und ein umfassender Eingangs-/Ausgangsschutz die Zuverlässigkeit in rauen Umgebungen erhöhen.
Eine weitere Innovation, die im Rampenlicht stehen wird, ist die PKM7500W und PKM7100W Die DC/DC-Wandler, zwei der neuesten Viertel-Brick-Module des Unternehmens, zeichnen sich durch einen extrem weiten Eingangsspannungsbereich von 12 bis 160 V aus. Dadurch können Hersteller auf ein einheitliches Design standardisieren, was Installation, Qualifizierung und Support vereinfacht. Die Module sind vollständig gekapselt, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen, während der Eingangs- und Ausgangsschutz Schäden an Wandlern und angeschlossenen Geräten verhindert.
Diese Reihe von EN50155-konformen DC/DC-Wandlern ergänzt allesamt das Original. PKM-A Serie von 100–150 W Viertelziegelmodulen, die für die Eisenbahnindustrie entwickelt wurden.
Letztendlich nehmen Fahrgäste die Qualität ihrer Bahnreisen heutzutage als selbstverständlich hin, Ingenieure sollten dies jedoch nicht auch bei ihren Leistungsmodulen tun. Nur durch sorgfältige Prüfung der Eignung eines Leistungsmoduls für den Einsatz in Schienenfahrzeugen – und dessen Konformität mit den relevanten Normen – kann der Erfolg sichergestellt werden.
