Los convertidores de CC/CC especializados dan respuesta a los retos exclusivos del suministro eléctrico ferroviario

Los sistemas ferroviarios modernos tienen cada vez más componentes electrónicos a bordo para funciones como el acceso de los pasajeros a Internet, enlaces por satélite, intercomunicadores y sistemas de megafonía, subsistemas de navegación, radios de emergencia, carteles anunciadores, iluminación LED, sistemas de información, tomas de carga situadas en los asientos y otros accesorios. También hay subsistemas de carga de baterías, ya que muchas de estas funciones deben alimentarse durante cortes transitorios de energía o periodos prolongados de pérdida de suministro. Cada una de estas funciones tiene requisitos de voltaje únicos, lo que lleva al despliegue de muchos convertidores de CC/CC para convertir la CC de mayor voltaje en múltiples voltajes más bajos.

Sin embargo, los diseñadores que especifican convertidores de CC/CC para su uso en ferrocarriles deben asegurarse de que dichos convertidores pueden funcionar de forma fiable en espacios reducidos y en condiciones difíciles de estrés eléctrico, mecánico y térmico. También deben cumplir una larga lista de rigurosos requisitos industriales y normativos y ser fáciles de implantar para ahorrar tiempo.

Este artículo examina brevemente los requisitos de los convertidores de CC/CC para aplicaciones ferroviarias. A continuación, presenta los convertidores de CC/CC de TRACO Power y muestra cómo pueden aplicarse para satisfacer esos requisitos.

Distribución de energía para ferrocarriles

Una ruta de distribución de energía típica para una locomotora eléctrica o un trolebús tiene muchos voltajes más bajos derivados de la fuente primaria de catenaria aérea de CC. Como ocurre con cualquier aplicación crítica, existen normas industriales obligatorias que definen los requisitos de rendimiento desde múltiples perspectivas.

La especificación reglamentaria dominante para los equipos electrónicos ferroviarios es la EN 50155, Aplicaciones ferroviarias - Material rodante - Equipos electrónicos. En él se definen las condiciones ambientales y de servicio, las expectativas de fiabilidad, la seguridad y los métodos de diseño y construcción. También cubre la documentación y las pruebas.

Otras especificaciones críticas son:

• EN 61373, Aplicaciones ferroviarias - Material rodante - Ensayos de choque y vibración.
• EN 61000-4, para compatibilidad electromagnética (CEM)
• EN 45545-2, norma ferroviaria europea sobre seguridad contra incendios
• British Railway Industries Association standard RIA 12, General Specification for Protection of Traction and Rolling Stock Electronic Equipment from Transients and Surges in CC Control Systems (Especificación general para la protección de equipos electrónicos de tracción y material rodante contra transitorios y sobretensiones en sistemas de control de CC).

Cumplir estos requisitos normativos es un gran reto de diseño, incluso si el diseño del convertidor de potencia "hágalo usted mismo" (DIY) funciona según lo previsto durante la simulación y como prototipo de banco. Afortunadamente, no es necesario recurrir al bricolaje. Ya están disponibles convertidores de CC/CC estándar, específicos para cada aplicación, que cumplen los requisitos ferroviarios.

Por ejemplo, las familias TEP 150UIR/TEP 200UIR son dos series similares de convertidores de medio ladrillo para montaje en placa con potencias nominales de 150 y 200 vatios, respectivamente. Cuentan con aislamiento reforzado de entrada/salida (E/S) de 3000 voltios CA (V_CA) y protección integrada contra cortocircuitos, sobretensiones y sobretemperaturas.

Todos los miembros de estas dos familias tienen la misma configuración de conexiones y un tamaño de encapsulado de 60 mm × 60 mm × 13 mm (Figura 1). Su eficacia es de aproximadamente el 90%.

Figura 1: Todos los miembros de las familias TEP 150UIR y TEP 200UIR tienen el mismo tamaño de gabinete y factor de forma. (Fuente de la imagen: TRACO Power)

La Serie TEP 150UIR funciona con un amplísimo rango de voltaje de entrada de 14 a 160 voltios CC (V_CC), y está disponible en cinco pares de salida que van de 5 voltios/30 amperios (A) a 48 voltios/3.2 A (Figura 2).

Imagen 2: La serie TEP 150UIR está disponible con valores nominales de tensión/corriente que oscilan entre 5 voltios/30 A y 48 voltios/3.2 A. (Fuente de la imagen: TRACO Power).

El miembro de menor voltaje/corriente más alta de esta familia es el TEP 150-7211UIR, que puede suministrar hasta 30 A a 5 voltios.

La serie TEP 200UIR tiene el mismo rango de tensión de entrada y salida, pero corrientes más altas, que van de 5 voltios/40 A a 48 voltios/4.2 A (Figura 3).

Figura 3: La familia TEP 200UIR ofrece un 33% más de potencia, con los mismos valores de tensión de salida pero mayores corrientes de salida. (Fuente de la imagen: TRACO Power)

El miembro de mayor voltaje/menor corriente de esta familia es el TEP 200-7218UIR, que puede suministrar hasta 4.2 A a 48 voltios, frente a los 3.2 A de su homólogo de 150 vatios a ese voltaje.

Al mantener un tamaño y una huella comunes, los usuarios pueden actualizar fácilmente un circuito para atender necesidades diferentes o utilizar placas distintas con un mínimo de problemas de cableado y disposición. También pueden simplificar el inventario almacenando menos modelos únicos.

Tres características principales

Las unidades TEP 150UIR y TEP 200UIR ofrecen tres características destacadas: un amplio rango de voltaje de entrada, un tiempo de retención ampliado y una limitación activa de corriente de irrupción.

1) Amplio rango de voltaje de entrada: La electrónica típica de grado industrial podría cumplir los requisitos generales de tensión/corriente, pero los convertidores de CC/CC para esta aplicación deben soportar variaciones de tensión de entrada mucho más amplias y un rango de posibles valores nominales (Figura 4).

Figura 4: Los rangos de entrada de CC para diferentes aplicaciones ferroviarias abarcan una gama extremadamente amplia, especialmente cuando se tienen en cuenta en el análisis las desviaciones admisibles de los valores nominales. (Fuente de la imagen: TRACO Power)

Esto incluye las variaciones permitidas en el voltaje de entrada alrededor de cada valor nominal:

• Rango continuo = 0.7 a 1.25, × V_NOM
• Caída de tensión = 0.6 × V_NOM durante 100 milisegundos (ms)
• Sobretensión = 1.4 × V_NOM durante un segundo

Diseñar un convertidor de potencia capaz de soportar caídas de tensión de 100 ms es difícil, mientras que las sobretensiones que duran un segundo tienen demasiada energía para sujetarse. Por lo tanto, el convertidor debe funcionar en todo el rango mostrado en la Figura 4 incluyendo cierto margen de seguridad. En la práctica, esto significa un rango de entrada de más de 2.33:1.

Para complicar la situación, el voltaje nominal puede oscilar entre 24 V_CC y 110 V_CC. Muchos fabricantes de convertidores de CC/CC cumplen estos requisitos ofreciendo convertidores con un rango de entrada 4:1 más amplio (normalmente de 43 a 160 voltios) para cubrir la mayoría de las aplicaciones, pero normalmente un solo convertidor no ha sido capaz de satisfacerlas todas.

Para solucionarlo, las unidades TRACO admiten una entrada ultraancha 12:1 de 14 a 160 V_CC. Esta gama permite al ingeniero de aplicaciones de sistemas seleccionar una matriz de tensiones nominales del sistema con una sola fuente de alimentación.

2) Tiempo de retención prolongado: La línea de CC está sometida a transitorios rápidos de ±2 kilovoltios (kV) con tiempos de subida de 5 nanosegundos (ns), tiempos de bajada de 50 ns y una frecuencia de repetición de 5 kilohercios (kHz). También hay sobretensiones de ±2 kV de línea a tierra y ±1 kV de línea a línea con tiempos de subida de 1.2 microsegundos (μs) y tiempos de bajada de 50 μs a partir de una impedancia de fuente definida y acoplada a CA.

Algunos requisitos van más allá de la norma EN 50155 y exigen inmunidad a sobretensiones de hasta 1.5 x V_NOM durante un segundo y 3.5 × V_NOM durante 20 ms a partir de una impedancia de fuente extremadamente baja de 0.2 ohmios (Ω). Para un sistema a 110 V_CC (nominal), esto corresponde a un valor pico de 385 V_CC, que está fuera del rango normal de un convertidor, especialmente si tiene que trabajar hasta el mínimo de caída de tensión de 66 V_CC.

La energía disponible de una fuente de tan baja impedancia significa que la tensión no puede ser sujetada por un supresor de tensión transitoria (TVS). Según el nivel de potencia, es necesario un prerregulador en la entrada de alimentación o un circuito que desconecte la entrada mientras dure la sobretensión. Es necesaria una función de retención en el convertidor de CC/CC para mantener la salida durante este tiempo.

Para resolver este problema, las unidades TRACO vienen con una característica importante en la forma de una salida de pin/clavija BUS. Esta salida proporciona un voltaje fijo para cargar un condensador, lo que permite que éste proporcione la energía necesaria para un mayor tiempo de retención (Figura 5). Estos condensadores son significativamente más pequeños y menos caros que los utilizados en el esquema convencional de retención de condensadores front-end.

Figura 5: Este es el circuito de entrada recomendado para ser utilizado con el condensador de bus C_BUS para simplificar la implementación de un tiempo de retención extendido. (Fuente de la imagen: TRACO Power)

Tenga en cuenta que no es necesario añadir un diodo en serie al circuito de entrada, ya que estos convertidores tienen un diodo integrado para evitar un cortocircuito y mantener la energía del condensador fluyendo hacia la fuente de alimentación.

Cuando se produce una interrupción de la tensión de alimentación, la tensión de entrada caerá hasta la tensión del BUS antes de que los condensadores empiecen a descargarse para suministrar energía al módulo de potencia. Gracias a su densidad de potencia relativamente alta, las series TEP 150UIR y TEP 200UIR pueden proporcionar un voltaje de bus fijo con una tensión de entrada de hasta 80 voltios. Con tensiones de entrada más altas, el voltaje de bus aumenta linealmente con la tensión de entrada real (Figura 6).

Figura 6: Los convertidores proporcionan una tensión de BUS fija con una tensión de entrada de hasta 80 voltios; con tensiones de entrada superiores, la tensión de BUS aumenta linealmente con la tensión de entrada real. (Fuente de la imagen: TRACO Power)

3) Límite de corriente de irrupción activo: Esto soluciona un problema común de los convertidores de potencia: cuando la tensión de entrada empieza a aumentar, los condensadores de retención del terminal de entrada provocan una corriente de irrupción elevada. Esto puede fundir un fusible o disparar un circuito y provocar errores y fallos en los dispositivos conectados.

Para evitarlo, un pin/clavija Pulse de las series TEP 150UIR y TEP 200UIR proporciona una señal de onda cuadrada de 12 voltios y 1 kHz que puede utilizarse en el circuito de límite de corriente de irrupción (Figura 7).

Figura 7: Las series TEP 150UIR y TEP 200UIR ofrecen una forma sencilla de limitar la corriente de irrupción en el arranque mediante un pin/clavija de impulsos con una señal de onda cuadrada. (Fuente de la imagen: TRACO Power)

Conectando el circuito de Límite de corriente de irrupción activo al pin/clavija Pulse, la corriente de irrupción se limita eficazmente (Figura 8). Sin limitación, la corriente de irrupción es de aproximadamente 120 A (izquierda), mientras que con limitación desciende a unos 24.5 A (derecha).

Figura 8: El accionamiento del circuito activo de limitación de corriente de irrupción de los convertidores con el pin/clavija de impulsos reduce la corriente de irrupción en un factor de cinco. Se muestra un ejemplo con un _Vin de 72 voltios. La escala horizontal de la izquierda es de 50 voltios/división y la de la derecha de 10 voltios/división, con un factor de escala del transductor de 1 voltio = 1 A. (Fuente de la imagen: TRACO Power)

Conclusión:

Los convertidores de CC/CC para aplicaciones ferroviarias de voltaje bajo deben hacer algo más que proporcionar un rendimiento energético fiable y constante. Deben ser compactas, fáciles de gestionar e implantar, adaptarse a una amplia gama de aplicaciones, funcionar en entornos difíciles y cumplir una larga lista de exigentes normas y requisitos eléctricos, térmicos y mecánicos. Como se muestra, las familias TRACO Power TEP 150UIR y TEP 200UIR están a la altura de las circunstancias con características que incluyen un amplio rango de voltaje de entrada 12:1 de 14 a 160 V_CC, un pin/clavija de retención para cargar condensadores para suministrar energía durante caídas de voltaje, la capacidad de soportar sobretensiones y numerosos emparejamientos de voltaje/corriente de salida, todo ello en un único factor de forma.