El mercado ferroviario
China es el mayor mercado nacional de tecnología ferroviaria, estimado en unos 33.000 millones de euros anuales, según la empresa especializada en investigación de transporte SCI Verkehr GmbH (https://sci.de/Sin embargo, aunque China ha acaparado muchos titulares por el despliegue a gran escala de ferrocarriles y, en particular, de redes de alta velocidad, el mercado nacional está en declive y se espera que el mercado de fabricantes de equipos originales (OEM) disminuya en 51 TP34 T cada año durante los próximos cinco años.
En Europa Occidental, la situación es algo diferente, con un mercado sólido estimado en 45.600 millones de euros y un crecimiento anual compuesto de 3,81 TP34T. Europa del Este es más pequeña, con 11.200 millones de euros, y un crecimiento ligeramente superior (CAGR de 4,31 TP34T). Alemania es el mayor mercado de Europa Occidental, representando casi una cuarta parte del mercado total con 11.000 millones de euros, y se reconoce como uno de los cinco principales mercados junto con China, Estados Unidos, Rusia y Francia.
Tecnología y trenes
Si bien el despliegue de más infraestructura y material rodante es un factor clave para el crecimiento del mercado ferroviario, la incorporación de mayores niveles de tecnología está teniendo un impacto en el aumento del valor de mercado.
Los consumidores modernos tienen altas expectativas y las compañías ferroviarias están implementando cada vez más tecnología para satisfacerlas. El material rodante moderno casi siempre incluye sofisticados sistemas de información para pasajeros (visuales y auditivos) que mantienen a los pasajeros informados sobre su viaje, así como iluminación y climatización para garantizar un habitáculo confortable. El acceso Wi-Fi fiable, que antes era un lujo, ahora se da por sentado. Al igual que en los aviones, algunos trenes ofrecen pantallas individuales con entretenimiento a la carta, proporcionando entretenimiento a los pasajeros y generando ingresos para las compañías.
Sin embargo, esta tecnología no solo beneficia a los pasajeros. El material rodante moderno incorpora múltiples sensores que miden parámetros importantes como la vibración lateral del vagón y la temperatura de los cojinetes, información útil para planificar el mantenimiento rutinario. Gran parte de los datos recopilados por los sensores se transmiten en tiempo real a receptores instalados en la vía, además de almacenarse en una caja negra similar a la de los aviones, que proporciona datos útiles a los operadores e información esencial a los investigadores en caso de incidente.
Considerada de forma aislada, toda esta tecnología representa un avance significativo para los ferrocarriles. Sin embargo, los Sistemas de Control y Gestión de Trenes (TCMS) permiten la interconexión de todos los sensores y funcionalidades, lo que proporciona una mayor sofisticación, así como redundancia y cumplimiento de los niveles de integración de seguridad (SIL), garantizando un funcionamiento a prueba de fallos.
Los sistemas de red como TCMS suelen ser modulares, compuestos por varias tarjetas que permiten configurarlos según las necesidades específicas de cada aplicación. Esta modularidad propicia el uso de arquitecturas de alimentación distribuida (DPA) de estilo telecomunicaciones, basadas en módulos de alimentación para suministrar energía a cada tarjeta. De forma similar, se utilizan módulos de alimentación para otras tecnologías en todo el material rodante, a menudo ubicados debajo de los asientos o en armarios en los pasillos.
Normas y reglamentos
Los ferrocarriles no son un entorno propicio para la tecnología, por lo que se deben utilizar dispositivos robustos para evitar fallos prematuros. Para garantizar la idoneidad de los dispositivos utilizados en los ferrocarriles, se crearon numerosas normas. En el pasado, estas se desarrollaron a nivel nacional, especialmente en países como Alemania (VDE), Francia (NFF), Reino Unido (RIA) e Italia (ST). Si bien existía un alto grado de uniformidad, también había diferencias notables que planteaban dificultades, sobre todo cuando el material rodante cruzaba fronteras.
Se ha realizado un gran esfuerzo para armonizar estas normas a nivel europeo, y actualmente existen varias normas de uso común. La más conocida es la EN 50155 “Equipos electrónicos para aplicaciones ferroviarias utilizados en material rodante”, si bien esta hace referencia a más de 25 normas EN e IEC sobre temas relacionados.
Como ocurre con muchas normas de este tipo, la EN 50155 pretende abordar los requisitos para todo tipo de dispositivos electrónicos que se utilizan en el material rodante ferroviario (los requisitos para las aplicaciones en vía son algo menos exigentes y están cubiertos por otros requisitos). Sin embargo, las consideraciones principales para los módulos de potencia (incluidos los convertidores CC-CC) se dividen en las siguientes categorías:
- Requisitos relativos a la tensión de entrada
- Requisitos de compatibilidad electromagnética (CEM/EMI)
- Requisitos mecánicos/físicos
- Requisitos relativos a la temperatura y la humedad
- Requisitos relativos al aislamiento eléctrico
Los requisitos de tensión de entrada se especifican en la norma EN 50155 y están diseñados para hacer frente a las amplias fluctuaciones de las fuentes de alimentación que suelen encontrarse en las aplicaciones ferroviarias, así como a la presencia de picos y otras perturbaciones en el suministro.
Cuando el equipo se alimenta directamente de una batería sin ningún tipo de regulación, se requiere un funcionamiento correcto con voltajes que van desde 70% hasta 125% del voltaje de entrada nominal (Vnorte). Además, se observaron caídas tan bajas como 60% de Vnorte durante 100 ms y sobretensiones transitorias de hasta 140% de Vnorte durante un segundo, algo común mientras se enciende el equipo.
Los voltajes de CC más comunes utilizados para la electrónica a bordo de los ferrocarriles en todo el mundo, y por lo tanto considerados principalmente en este documento, son 24 V, 72 V y 110 V.
La norma también exige que se gestionen los transitorios de 50 ms hasta 1800 V. Esto se suele lograr con un supresor de tensión transitoria (TVS) capaz de suprimir hasta 1,5 J de energía. El TVS debe seleccionarse de manera que su tensión de sujeción sea compatible con el módulo convertidor CC-CC.
Si bien la mayoría de las normas nacionales están armonizadas con la EN 50155, la norma británica RIA12 difiere de la EN 50155 en un aspecto importante relacionado con la protección contra sobretensiones. La norma RIA12 exige que los equipos soporten una sobretensión de 3,5 V.norte hasta 20 ms. Esto está fuera de las capacidades de un TVS y se requiere un circuito externo activo para la protección contra transitorios y picos tan rápidos.
En términos de compatibilidad electromagnética, los ferrocarriles constituyen un entorno complejo. Los altos voltajes de los cables aéreos son una fuente potencial de interferencia, al igual que los transformadores a bordo y los motores de alta potencia. Además, los pasajeros utilizan con frecuencia teléfonos inteligentes y ordenadores portátiles durante sus viajes, dispositivos que pueden emitir interferencias electromagnéticas.
La norma EN 50155 aborda los requisitos de compatibilidad electromagnética (CEM) mediante referencias a la norma EN 50121-3-2 “Aplicaciones ferroviarias – Compatibilidad electromagnética – Material rodante – Aparatos”, que define límites tanto para las perturbaciones eléctricas impuestas a los equipos electrónicos como para las emisiones que estos generan. En general, estos requisitos se cumplen mediante el uso de un filtro EMI externo. Las propuestas de filtros EMI para convertidores CC/CC suelen figurar en las especificaciones técnicas individuales, pero, por supuesto, deben realizarse pruebas a nivel de sistema en el equipo final en su conjunto para garantizar el cumplimiento total.
Además del ruido eléctrico, las aplicaciones ferroviarias a bordo de los trenes representan entornos físicamente exigentes para los sistemas electrónicos. La vibración es constante durante el trayecto, lo que provoca fatiga mecánica, y pueden experimentarse impactos de hasta 5G, especialmente durante las maniobras de trenes sin pasajeros.
La norma EN 61373 “Equipos para material rodante: ensayos de choque y vibración” aborda específicamente los requisitos mecánicos para equipos electrónicos (incluidos los módulos de potencia) utilizados en aplicaciones ferroviarias. Reconoce que la ubicación del equipo en siete emplazamientos definidos (desde un área de operación eléctrica cerrada hasta ubicaciones exteriores altamente dinámicas) genera distintos niveles de tensión mecánica, y lo tiene en cuenta al definir las clases. Generalmente, los equipos que utilizan módulos de potencia se clasifican en la Clase 1B.
En las aplicaciones ferroviarias, los equipos electrónicos suelen ubicarse detrás de paneles o en espacios reducidos bajo los asientos, lo que puede generar temperaturas elevadas para el funcionamiento de los módulos. Al igual que los requisitos físicos, las temperaturas de funcionamiento también se clasifican en seis categorías con diferentes exigencias.
Tabla 1: Clases de temperatura de funcionamiento
Salvo que se especifique lo contrario, generalmente se aplican los requisitos de la categoría OT3, aunque el hecho de tener equipos dentro de gabinetes a menudo implica que, para los convertidores CC/CC, se debe tener en cuenta un aumento de temperatura adicional de 15 °C, lo que significa que se requiere un funcionamiento hasta 85 °C.
La humedad es otro factor medioambiental que preocupa, ya que la norma EN 50155 exige que los módulos de potencia se sometan a pruebas durante 30 días a una humedad relativa del 951% (TP34T). Sin embargo, a nivel nacional, la norma NFF 01-510 (Francia) exige una humedad relativa del 100% (TP34T), mientras que el Reino Unido especifica 56 días a una humedad relativa del 931% (TP34T).
El último requisito eléctrico clave es el aislamiento entre la entrada y la salida, que se define en la norma EN 50155 según la tensión de entrada nominal. Cabe destacar que, nuevamente, los requisitos franceses de la NFF son algo más estrictos, aplicando el nivel más alto (1500 V CA / 50 Hz / 1 min) a todas las tensiones de entrada.
Tabla 2: Los requisitos de aislamiento en EN 50155 dependen de la tensión nominal.
En mercados como el ferroviario, donde la aceptabilidad de los módulos de potencia para su uso está estrictamente definida por normas, los ingenieros pueden basarse en las hojas de datos de los fabricantes para comprobar su cumplimiento. Sin embargo, estas normas se actualizan periódicamente (como la importante actualización de la norma EN 50155 en 2017, a la que se hace referencia en este documento), por lo que los ingenieros deben asegurarse de que los dispositivos cumplan con la última versión de la norma (y, en el caso de la EN 50155, con todas las normas a las que hace referencia).
Módulos de potencia para aplicaciones de energía
Los módulos de potencia Flex ofrecen una amplia gama de módulos aptos para su uso en aplicaciones ferroviarias a bordo. Con un rango de potencia de 1,65 W a 300 W, se encuentran disponibles varias familias de dispositivos que cumplen con la norma EN 50155, lo que garantiza su idoneidad para aplicaciones ferroviarias.
La amplia gama de productos incluye soluciones tanto totalmente encapsuladas como de bastidor abierto, y ofrece diversas configuraciones, incluyendo salida simple y doble. Los rangos de entrada ultra amplios (de 9 V a 75 V y de 43 V a 160 V) brindan flexibilidad a los diseñadores y garantizan el cumplimiento de los requisitos de voltaje de entrada de la norma EN 50155.
Figura 1: Los módulos de potencia Flex ofrecen una amplia gama de módulos de potencia para aplicaciones ferroviarias.
La serie PKE-A de módulos de alimentación CC-CC, recientemente presentada, incluye los dispositivos PKE7000A, que presentan un formato estándar de 2" x 1". Ofrecen un rango de entrada de 43 V a 160 V, lo que permite su uso con rieles nominales de 72 V o 110 V, ambos comunes en aplicaciones ferroviarias. Con una potencia de hasta 30 W, los dispositivos PKE7000A cumplen con la norma EN 50155 y ofrecen un tiempo medio entre fallos (MTBF) de hasta 5 millones de horas, lo que garantiza su durabilidad incluso en aplicaciones exigentes.