Utilice sólidos convertidores CC-CC de amplio rango de entrada para aplicaciones ferroviarias

Los ferrocarriles están cada vez más electrificados, desde su tren motriz hasta las funciones de a bordo y las comodidades de los pasajeros. Entre ellos se incluyen las comunicaciones, la seguridad, el acceso a Internet y la señalización a bordo. Se necesitan varios convertidores CC/CC para suministrar esta potencia. Sin embargo, los equipos de diseño están mal equipados para diseñar a medida convertidores de potencia que funcionen en las exigentes condiciones eléctricas, mecánicas y térmicas de un ferrocarril, al tiempo que cumplen los rigurosos requisitos industriales, normativos, de factor de forma y de costo.

La solución reside en convertidores CC/CC versátiles y disponibles en el mercado que satisfagan la amplia gama de requisitos de tensión y condiciones de funcionamiento.

Este artículo examina los requisitos únicos a los que se enfrentan los diseñadores de convertidores de potencia CC/CC en las aplicaciones ferroviarias. A continuación, presenta los convertidores CC/CC de 150 W y 200 W de TRACO Power y muestra cómo pueden aplicarse para cumplir esos estándares.

Distribución de energía para ferrocarriles

Una ruta de distribución de energía típica para una locomotora eléctrica o un trolebús proporciona muchas fuentes de tensión más baja que deben derivarse de la catenaria aérea de CC primaria; en el caso de las locomotoras diésel, la alimentación de CC primaria procede del alternador/rectificador a bordo.

Como ocurre con cualquier aplicación crítica, existen estándares industriales obligatorios que definen los requisitos de rendimiento desde múltiples perspectivas. El estándar clave de producto para 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.

Otros estándares críticos son:

• EN 61373, pruebas de choque y vibración
• EN 61000-4, pruebas y mediciones de compatibilidad electromagnética (CEM)
• EN 50121-3-2, límites de emisión e inmunidad
• EN 45545-2, seguridad contra incendios
• Estándar RIA 12 de la Asociación de Industrias Ferroviarias Británicas, 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 estándares es un reto de diseño importante, incluso si el convertidor de potencia funciona como se pretende durante la simulación y como prototipo de banco.

Afortunadamente, existen convertidores CC/CC estándares que cumplen los requisitos ferroviarios, lo que elimina la necesidad de que el fabricante de vagones diseñe y construya versiones a medida.

Por ejemplo, las familias TEP 150UIR y TEP 200UIR son dos series similares de convertidores de medio módulo para montaje en placa con una potencia nominal de 150 y 200 vatios, respectivamente, y un rendimiento aproximado del 90%. Estos convertidores totalmente encapsulados presentan un aislamiento reforzado de entrada/salida (E/S) de 3000 V_CA y protección integrada contra cortocircuitos, sobretensión y sobretemperatura.

Todos los miembros de estas dos familias tienen la misma configuración de conexiones y el mismo tamaño de encapsulado de 60 mm × 60 mm × 13 mm (figura 1), funcionan entre -40 °C y +105 °C y cumplen los estándares citados.

Figura 1: Todos los miembros de las familias TEP 150UIR y TEP 200UIR tienen la misma configuración de conexión y el mismo tamaño de encapsulado (60 mm × 60 mm × 13 mm). (Fuente de la imagen: TRACO Power)

La serie TEP 150UIR funciona con un rango de tensión de entrada extremadamente amplio de 14 V_CC a 160 V_CC y está disponible en cinco pares de salida que van de 5 V/30 A a 48 V/3.2 A. El miembro de menor tensión/corriente más alta de esta familia es el TEP 150-7211UIR, que suministra 5 V hasta 30 A.

La serie TEP 200UIR tiene el mismo rango de tensión de entrada y salida, pero corrientes más elevadas, que van de 5 V/40 A a 48 V/4.2 A. El miembro de mayor tensión/menor corriente de esta familia es el TEP 200-7218UIR, que suministra 48 V hasta 4.2 A, frente a los 3.2 A de su homólogo de 150 W a esa tensión.

Al mantener un tamaño y huella comunes, ambas series permiten a los diseñadores actualizar un circuito para cubrir diferentes necesidades o usar placas distintas con el mínimo problema de cableado y distribución. También pueden simplificar el inventario almacenando menos modelos únicos.

Tres características destacadas de la serie

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.

Amplio rango de voltaje de entrada: La electrónica típica de grado industrial puede cumplir con los requisitos generales de voltaje/corriente, pero los convertidores de potencia CC/CC para aplicaciones ferroviarias deben soportar variaciones mucho más amplias de tensión de entrada en CC y un rango de posibles valores nominales (V_Nom) (Figura 2).

Figura 2: Los rangos de entrada de CC para diferentes aplicaciones de rieles abarcan un rango extremadamente amplio, especialmente cuando se tienen en cuenta las desviaciones permitidas respecto a los valores nominales en el análisis. (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 ms
• Sobretensión = 1.4 × V_Nom durante 1 s

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 2, con 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 más amplio de 4:1 (normalmente de 43 V a 160 V) para cubrir la mayoría de las aplicaciones. Aun así, normalmente un solo convertidor no ha sido capaz de satisfacerlos todos.

Para solucionarlo, las unidades TRACO admiten una entrada ultraancha 12:1 de 14 V_CC 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.

Tiempo prolongado de espera en espera: La línea de corriente continua está sujeta a transitorios rápidos de ±2 kV con tiempos de subida de 5 ns, tiempos de caída de 50 ns y una tasa de repetición de 5 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 que alcanzan 1.5 × V_Nom durante 1 s y 3.5 × V_Nom durante 20 ms desde una impedancia de fuente extremadamente baja de 0.2 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 gran cantidad de energía disponible de una fuente de tan baja impedancia significa que el voltaje no puede ser restringido únicamente por un supresor de tensión transitoria (TVS). Dependiendo del nivel de potencia, también se requiere un preregulador en la entrada de alimentación o un circuito que apague la entrada durante 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 cuentan con una característica importante: una salida de pin BUS (Figura 3). Esta salida proporciona un voltaje fijo para cargar el condensador (C_BUS), permitiéndole suministrar la energía necesaria para un tiempo de espera más largo. Estos capacitores son significativamente más pequeños y menos caros que los utilizados en el esquema convencional de retención de capacitores front-end.

Figura 3: Se muestra el circuito de entrada que se recomienda utilizar con el C_BUS para simplificar la implementación de un tiempo de retención prolongado. (Fuente de la imagen: TRACO Power)

Cabe señalar que no se requiere un diodo en serie (D4) en el circuito de entrada, ya que estos convertidores tienen un diodo integrado para evitar cortocircuitos y bloquear la energía del capacitor que entra en 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. Debido a su densidad de potencia relativamente alta, las series TEP 150UIR y TEP 200UIR pueden proporcionar un voltaje fijo en el BUS para entradas de hasta 80 V. Con tensiones de entrada más altas, el voltaje de bus aumenta linealmente con la tensión de entrada (Figura 4).

Figura 4: Los convertidores proporcionan una tensión de BUS fija para tensiones de entrada de hasta 80 V; a tensiones de entrada superiores, la tensión de BUS aumenta linealmente con la tensión de entrada. (Fuente de la imagen: TRACO Power)

Limitación de corriente de irrupción activa: Esto aborda un problema común en los convertidores de potencia: cuando la tensión de entrada comienza a subir, los capacitores de retención en el terminal de entrada pueden causar una corriente de arranque alta. Esta corriente puede hacer saltar un fusible o un disyuntor e inducir errores y fallos en los dispositivos conectados.

Para evitar esto, un pin de pulsos tanto de las series TEP 150UIR como TEP 200UIR proporciona una señal de onda cuadrada de 12 V y 1 kHz que puede usarse en un circuito límite de corriente de irrupción (Figura 5).

Figura 5: Las series TEP 150UIR y TEP 200UIR ofrecen una forma sencilla de limitar la corriente de irrupción en el arranque usando un pin de pulso con una señal de onda cuadrada. (Fuente de la imagen: TRACO Power)

Al conectar el circuito activo de limitación de corriente de irrupción al pin de pulso, la corriente de irrupción se limita efectivamente. Sin limitar, la corriente de irrupción es aproximadamente de 120 A; con limitación, baja a unos 24.5 A.

Las consideraciones mecánicas favorecen el rendimiento eléctrico

El rendimiento de estos convertidores TRACO no solo se debe a su diseño eléctrico, sino también a su diseño mecánico, ya que la integridad mecánica es fundamental para la resistencia eléctrica.

Considere que las distintas ubicaciones de un vehículo ferroviario están sometidas a diferentes magnitudes de choque, vibración y temperaturas extremas. El estándar EN 61373 establece un conjunto de ubicaciones distintas y sus correspondientes categorías de tolerancia para los vehículos ferroviarios con suspensión de uno o dos niveles, siendo esta última la más común (figura 6).

Figura 6: El estándar EN 61373 define los estándares sobre choques y vibraciones para diferentes ubicaciones dentro y fuera del vehículo ferroviario, mostradas aquí para vehículos con suspensión de dos niveles; las ubicaciones bajo el tren de rodaje son las más difíciles. (Fuente de la imagen: TRACO Power, modificado por el autor)

Todos los convertidores TRACO cumplen los estándares de Categoría 1, Clase A y Categoría 1, Clase B para todas las zonas por encima del eje, el bogie (camión) y el bastidor inferior en vehículos con dos niveles de suspensión. Lo consiguen mediante el encapsulado del cuerpo, clavijas de alta resistencia para las conexiones eléctricas de la placa de circuitos, disposiciones de montaje con tornillos de retención, pruebas de choque térmico más allá de las más sencillas "inmersiones" a alta y baja temperatura, y atención a los modos de refrigeración, entre otros detalles.

Conclusión

Los diseñadores de sistemas de alimentación ferroviaria necesitan convertidores CC/CC fiables y versátiles que sean compactos, fáciles de gestionar e implementar, y capaces de funcionar en entornos difíciles, a pesar de la larga lista de exigentes normas y mandatos reguladores eléctricos, térmicos y mecánicos. Como se muestra, las familias TEP 150UIR y TEP 200UIR de TRACO Power afrontan los retos gracias a características que incluyen un amplio rango de voltaje de entrada 12:1 de 14 V_CC a 160 V_CC, un pin de retención para cargar los capacitores que suministran energía durante cortes de tensión, la capacidad de soportar sobretensiones y numerosas combinaciones de tensión/corriente de salida. Todo en un único factor de forma.