Cumplir con los estándares requeridos
Es evidente que los proveedores de componentes y sistemas para material rodante deben ofrecer soluciones seguras y fiables, a menudo conforme a exigentes normas internacionales. Sin embargo, el transporte ferroviario no es precisamente benévolo con la tecnología, por lo que es imprescindible emplear productos robustos y resistentes para evitar cualquier posible fallo prematuro.
En los últimos tiempos se han realizado importantes esfuerzos para armonizar las normas a nivel europeo, lo que ha dado lugar a la aparición de diversas normativas de uso común en la actualidad. La más consolidada es la EN50155, que aborda los requisitos para todo tipo de dispositivos electrónicos presentes en el material rodante ferroviario. A modo de resumen, las principales consideraciones para los módulos de potencia (incluidos los convertidores CC-CC) se clasifican en categorías que establecen requisitos relativos a la tensión de entrada, la compatibilidad electromagnética (CEM/EMI), las características mecánicas/físicas, la temperatura y la humedad, y el aislamiento eléctrico.
Requisitos individuales
Los requisitos de tensión de entrada a los que se hace referencia en EN50155 están destinados a abordar las fluctuaciones de las fuentes de alimentación utilizadas en aplicaciones ferroviarias, junto con la presencia de picos y otras perturbaciones de suministro no deseadas. Cuando el equipo se alimenta directamente de una batería sin ninguna regulación, se requiere un funcionamiento correcto y seguro para tensiones que van desde 70% hasta 125% de la tensión de entrada nominal (Vnorte). También vale la pena mencionar que se producen caídas tan bajas como 60% de Vnorte durante 100 ms y sobretensiones transitorias de hasta 140% de Vnorte Suelen ocurrir durante un segundo cuando se enciende el equipo.
La norma EN50155 exige además que se gestionen los transitorios de 50 ms de duración y hasta 1800 V, lo que se suele conseguir mediante un supresor de tensión transitoria (TVS) con capacidad para suprimir hasta 1,5 J de energía. Cabe destacar que el TVS debe tener una tensión de sujeción compatible con el módulo convertidor CC/CC.
Aunque la mayoría de las normas nacionales están armonizadas con la EN50155, existen, para nuestra frustración, algunas excepciones. Por ejemplo, la norma RIA12 del Reino Unido difiere en lo que respecta a la protección contra sobretensiones, estableciendo que los equipos deben soportar una sobretensión de 3,5 V.norte durante un máximo de 20 ms, lo cual supera las capacidades de un TVS. Por lo tanto, en las aplicaciones del Reino Unido se requiere un circuito externo activo para la protección.
Los ferrocarriles también representan un entorno complejo en lo que respecta a la compatibilidad electromagnética. Las tensiones de los cables aéreos, los transformadores a bordo, los motores de alta potencia y los teléfonos inteligentes y ordenadores portátiles de los pasajeros pueden emitir interferencias electromagnéticas (EMI). Por este motivo, la norma EN50155 aborda los requisitos de compatibilidad electromagnética mediante referencias a la norma EN50121-3-2, que establece límites tanto para las EMI radiadas como para las conducidas. En la mayoría de las aplicaciones generales, estos requisitos pueden cumplirse mediante el uso de un filtro EMI externo.
¿Y qué hay de los requisitos físicos? Bueno, la vibración durante el viaje en tren es casi constante, lo que puede provocar fatiga mecánica. Además, se pueden experimentar impactos de hasta 5G cuando se maniobra material rodante sin pasajeros. La norma EN 61373 aborda específicamente los requisitos mecánicos para equipos electrónicos (incluidos los módulos de potencia) utilizados en aplicaciones ferroviarias. La norma reconoce que la ubicación del equipo (en/sobre la carrocería, el bogie o el eje) dará lugar a diferentes niveles de tensión mecánica, por lo que se han definido cuatro clases. Normalmente, los módulos de potencia se instalan dentro de la carrocería y pertenecen a la Clase 1A o 1B. La Clase 2 es para dispositivos montados en el bogie, mientras que la Clase 3 cubre equipos montados en un eje.
La ubicación de equipos electrónicos detrás de paneles o en espacios debajo de los asientos presenta un inconveniente importante: el aumento de temperatura en espacios confinados. Al igual que con los requisitos físicos, las temperaturas de funcionamiento se dividen en cuatro clases, además de la necesidad de soportar un sobrecalentamiento de +15 °C durante 10 minutos, lo que supone otro reto para los sistemas de alimentación.
En lo que respecta a la humedad, la norma EN50155 exige que los módulos de potencia se sometan a pruebas durante 30 días a una humedad relativa (HR) de 95%. Sin embargo, cabe señalar que estos parámetros varían según el país, especialmente en Francia y el Reino Unido.
El último requisito eléctrico clave es el aislamiento entre la entrada y la salida, que se define en la norma EN50155 de acuerdo con la tensión de entrada nominal. Cabe señalar nuevamente que los requisitos en Francia difieren y, de hecho, son algo más estrictos.
Los ingenieros pueden, por supuesto, consultar las hojas de datos del fabricante para comprobar el cumplimiento de las normas pertinentes. Sin embargo, cabe destacar que, dado que las normas se revisan periódicamente, como la importante actualización de la EN50155 en 2017, los ingenieros siempre deben asegurarse de que dispositivos como los módulos de potencia cumplan con la última versión. En el caso de la EN50155, esto incluye también todas las normas a las que hace referencia. Esta tarea puede parecer compleja, por lo que recurrir a un proveedor de confianza de tecnología de módulos de potencia resultará muy beneficioso en términos de asesoramiento y orientación.
Potencial de mercado
Las ventajas de elegir correctamente los módulos de potencia son evidentes. China es el mayor mercado nacional del mundo para la tecnología ferroviaria. La empresa especializada en investigación de transporte SCI Verkehr GmbH estimó recientemente el tamaño del mercado en 33.000 millones de euros. Y aunque se prevé que esta cifra se contraiga ligeramente en los próximos cinco años, sigue siendo sumamente atractiva.
En Europa Occidental, el mercado se estima en 45.600 millones de euros, con un crecimiento anual compuesto de 3,81 billones de euros (CAGR). El mayor mercado nacional de la región es Alemania, con 11.000 millones de euros, lo que la sitúa entre los cinco primeros del mundo, junto con China, Estados Unidos, Rusia y Francia.
Al seleccionar soluciones de proveedores de renombre como los módulos de potencia Flex, los fabricantes pueden tener la seguridad de adquirir tecnología altamente adecuada para su uso en aplicaciones de material rodante, lo que les permitirá ganar cuota de mercado.
Con una potencia de salida que abarca desde 1,65 hasta 300 W, se encuentran disponibles varias familias de dispositivos que cumplen con la norma EN50155. La gama incluye soluciones totalmente encapsuladas y de bastidor abierto, y ofrece diversas configuraciones, incluyendo salida simple y doble. Es importante destacar que los rangos de entrada ultra amplios (de 9 a 75 V y de 43 a 160 V) brindan flexibilidad de diseño y cumplen con los requisitos de voltaje de entrada de la norma EN50155.
Últimas soluciones CC/CC que cumplen con la norma EN50155
La serie PKE-A de módulos de alimentación CC/CC, introducida recientemente, incluye: PKE7000A Dispositivos con un formato estándar de 2 x 1 pulgada. Estos módulos de alimentación ofrecen un rango de entrada de 43 a 160 V, lo que permite su uso con rieles nominales de 72 o 110 V, ambos de uso común. Los dispositivos PKE7000A, que suministran hasta 30 W, cumplen con la norma EN50155 y ofrecen un impresionante tiempo medio entre fallos (MTBF) de hasta 5 millones de horas, incluso en aplicaciones exigentes.
Flex ha introducido recientemente el PKJ7200 y en PKJ7300 Serie de módulos de potencia. Estos dispositivos están diseñados específicamente para ofrecer una alta relación rendimiento-precio en un paquete compacto de medio ladrillo que ahorra espacio. Alta eficiencia La capacidad de hasta 92% ayuda a reducir la disipación de potencia, mientras que un amplio rango de voltaje de entrada y una protección integral de entrada/salida aumentan la confiabilidad en entornos difíciles.
Otra innovación que estará en el punto de mira será la PKM7500W y en PKM7100W Los convertidores CC-CC, dos de los módulos de un cuarto de ladrillo más recientes de la compañía, ofrecen un rango de voltaje de entrada ultra amplio de 12 a 160 V. Esto permite a los fabricantes estandarizar un único diseño, simplificando la instalación, la certificación y el soporte. Cabe destacar que los módulos están completamente encapsulados para mejorar la fiabilidad, mientras que la protección de entrada y salida evita daños a los convertidores y a los dispositivos alimentados.
Esta gama de convertidores CC/CC que cumplen con la norma EN50155 complementa la gama original. PKM-A Serie de módulos de un cuarto de ladrillo de 100 a 150 W diseñados para la industria ferroviaria.
En definitiva, si bien los pasajeros actuales dan por sentada la calidad de sus viajes en tren, los ingenieros no deberían hacer lo mismo con sus módulos de alimentación. Solo considerando cuidadosamente la idoneidad de un módulo de alimentación para su uso en aplicaciones de material rodante —y su conformidad con las normas pertinentes— se puede garantizar el éxito.
