Автор Julien Sirard (Aimtec)
Перевод Геннадий Горюнов (Элтех Компонент)
Перевод Геннадий Горюнов (Элтех Компонент)
Применение преобразователей напряжения Aimtec в оборудовании подвижного состава
Поезда имеют достаточно суровые условия эксплуатации. Электроника подвижного состава может подвергаться воздействию высоких и низких температур, высокой влажности и вибраций, а также воздействию соляного тумана. Современные поезда оснащены различными электронными устройствами, которые должны иметь надежное электропитание, чтобы обеспечить безотказную работу критически важных систем.
Ниже приведены два примера, типовых систем электропитания дизельного и электропоезда.
Питание Электропоезда осуществляется от воздушной линии электропередачи через пантограф. Трансформатор понижает высокое напряжение и подает питание в главный AC-DC преобразователь. Два инвертора DC-AC подключенные к выходу основного источника питания, преобразуют постоянный ток обратно в переменный. Один из них питает тяговый двигатель, а другой-вспомогательные системы. Инвертор вспомогательных систем преобразует постоянное напряжение в трехфазное сетевое напряжение, используемое для питания систем кондиционирования, освещения и систем связи. Также это переменное напряжение при помощи AC-DC преобразователя преобразуется в постоянное, которое питает важные электронные устройства и системы управления. Для обеспечения непрерывной работы критически важных устройств управления имеется резервное питание от аккумуляторной батареи.
Ниже приведены два примера, типовых систем электропитания дизельного и электропоезда.
Питание Электропоезда осуществляется от воздушной линии электропередачи через пантограф. Трансформатор понижает высокое напряжение и подает питание в главный AC-DC преобразователь. Два инвертора DC-AC подключенные к выходу основного источника питания, преобразуют постоянный ток обратно в переменный. Один из них питает тяговый двигатель, а другой-вспомогательные системы. Инвертор вспомогательных систем преобразует постоянное напряжение в трехфазное сетевое напряжение, используемое для питания систем кондиционирования, освещения и систем связи. Также это переменное напряжение при помощи AC-DC преобразователя преобразуется в постоянное, которое питает важные электронные устройства и системы управления. Для обеспечения непрерывной работы критически важных устройств управления имеется резервное питание от аккумуляторной батареи.
Структурная схема эктропоезда
Дизельный поезд также имеет две энергетические системы, одна для тяги, а другая для вспомогательного питания. Кроме различий между силовыми установками, обеспечивающими питание и основным преобразователем переменного/постоянного тока, остальная схема питания остается идентичной схеме электропоезда.
Структурная схема тепловоза
В зависимости от производителей, напряжение вспомогательной бортовой сети может быть 24 В, 36 В, 48 В, 72 В, 96 В, либо 110 В. 110 В и 72 В являются наиболее распространенными уровнями напряжения, так как более высокие напряжения снижают ток цепи и, следовательно, уменьшают пространство вес и стоимость электропроводки. Однако большинство электронных устройств требуют напряжения 3,3 В, 5 В или 12 В. Именно в цепях преобразования промежуточного постоянного напряжения в низковольтное напряжение питания могут найти применение преобразователи напряжения Aimtec для железнодорожного оборудования.
Предполагается, что железнодорожная продукция должна иметь длительный жизненный цикл и низкую частоту отказов. Чтобы квалифицироваться как источники питания для железнодорожного применения, преобразователи напряжения должны соответствовать международному стандарту EN50155 (стандарт для электронного оборудования подвижного состава на железных дорогах). Стандарт устанавливает минимальные требования к железнодорожной электронике по входному напряжению, механической, тепловой, изоляционной и электромагнитной совместимости.
Диапазон входного напряжения
Вспомогательная система питания управляет множеством нагрузок, таких как приводы электрических дверей, розетки сетевого питания, электродвигателями, реле. При большом количестве мощных нагрузок, подключенных к вспомогательному источнику питания, напряжение, предположительно, будет колебаться. В приведенной ниже таблице приведены требования EN50155 к входному напряжению. Железнодорожная электроника должна быть способна работать в широких диапазонах от 0,7 до 1,25 уровня входного номинального напряжения, обеспечивать отключение питания при падении питающего напряжения до 0,6 от уровня номинального напряжения и выдерживать всплески до уровня в 1,4 раза выше номинального напряжения питания.
Предполагается, что железнодорожная продукция должна иметь длительный жизненный цикл и низкую частоту отказов. Чтобы квалифицироваться как источники питания для железнодорожного применения, преобразователи напряжения должны соответствовать международному стандарту EN50155 (стандарт для электронного оборудования подвижного состава на железных дорогах). Стандарт устанавливает минимальные требования к железнодорожной электронике по входному напряжению, механической, тепловой, изоляционной и электромагнитной совместимости.
Диапазон входного напряжения
Вспомогательная система питания управляет множеством нагрузок, таких как приводы электрических дверей, розетки сетевого питания, электродвигателями, реле. При большом количестве мощных нагрузок, подключенных к вспомогательному источнику питания, напряжение, предположительно, будет колебаться. В приведенной ниже таблице приведены требования EN50155 к входному напряжению. Железнодорожная электроника должна быть способна работать в широких диапазонах от 0,7 до 1,25 уровня входного номинального напряжения, обеспечивать отключение питания при падении питающего напряжения до 0,6 от уровня номинального напряжения и выдерживать всплески до уровня в 1,4 раза выше номинального напряжения питания.
Электромагнитная совместимость (ЭМС):
Вспомогательная батарея питания обычно размещается в передней или задней части поезда. В результате, линии электропередач приходится преодолевать большие расстояния, прежде чем достичь целевых устройств. В этом случае длинная линия электропередачи действует как антенна и способна улавливать шум от тягового двигателя, главного трансформатора и пантографа. Персональные электронные устройства, перевозимые пассажирами, также ухудшают ситуацию. Чтобы избежать негативного воздействия электромагнитных помех на железнодорожные электронные устройства, стандарт EN50155 ссылается на требования стандарта EN50121−3-2 и определяет минимальные требования к ЭМС.
Вспомогательная батарея питания обычно размещается в передней или задней части поезда. В результате, линии электропередач приходится преодолевать большие расстояния, прежде чем достичь целевых устройств. В этом случае длинная линия электропередачи действует как антенна и способна улавливать шум от тягового двигателя, главного трансформатора и пантографа. Персональные электронные устройства, перевозимые пассажирами, также ухудшают ситуацию. Чтобы избежать негативного воздействия электромагнитных помех на железнодорожные электронные устройства, стандарт EN50155 ссылается на требования стандарта EN50121−3-2 и определяет минимальные требования к ЭМС.
Механические требования:
Поскольку поезда подвержены воздействию сильных вибраций, стандарт EN50155 также определяет минимальные механические требования, которым должна соответствовать железнодорожная электроника. Существует 4 различных уровня механических требований, в зависимости от того, где установлено устройство. Категория 1 класс, А предназначен для компонентов, устанавливаемых непосредственно на кузов вагона. Категория 1 класс В предназначен для устройств, установленных на нижней раме, которая крепится к кузову вагона. Категория 2 предназначена для устройств, установленных на тележке, а категория 3-для компонентов, установленных на колесную пару. Как правило, применяется требование категории 1 класса В, если иное не указано.
Поскольку поезда подвержены воздействию сильных вибраций, стандарт EN50155 также определяет минимальные механические требования, которым должна соответствовать железнодорожная электроника. Существует 4 различных уровня механических требований, в зависимости от того, где установлено устройство. Категория 1 класс, А предназначен для компонентов, устанавливаемых непосредственно на кузов вагона. Категория 1 класс В предназначен для устройств, установленных на нижней раме, которая крепится к кузову вагона. Категория 2 предназначена для устройств, установленных на тележке, а категория 3-для компонентов, установленных на колесную пару. Как правило, применяется требование категории 1 класса В, если иное не указано.
Климатические требования:
В зависимости от расположения и типа электронного компонента существует шесть температурных классов. OT расшифровывается как "Operating temperature class /класс рабочей температуры". OT5 и OT6 относятся к полупроводникам, а OT1 и OT2-к компонентам, установленным в пассажирском салоне. OT3 и OT4 предназначены для компонентов, установленных в технических шкафах. Как правило, применяется требование OT3, если иное не указано.
В зависимости от расположения и типа электронного компонента существует шесть температурных классов. OT расшифровывается как "Operating temperature class /класс рабочей температуры". OT5 и OT6 относятся к полупроводникам, а OT1 и OT2-к компонентам, установленным в пассажирском салоне. OT3 и OT4 предназначены для компонентов, установленных в технических шкафах. Как правило, применяется требование OT3, если иное не указано.
Требования к изоляции:
Стандарт EN50155 определяет минимальные требования к изоляции. Такими требованиями является обеспечение проходного сопротивления не менее 20 МОм при воздействии испытательного постоянного тестового напряжения 500 Вольт. Требования к изоляции приведены в таблице ниже. Время приложения тестового напряжения составляет 1 мин. для типовых испытаний и 10 сек. для стандартных испытаний.
Стандарт EN50155 определяет минимальные требования к изоляции. Такими требованиями является обеспечение проходного сопротивления не менее 20 МОм при воздействии испытательного постоянного тестового напряжения 500 Вольт. Требования к изоляции приведены в таблице ниже. Время приложения тестового напряжения составляет 1 мин. для типовых испытаний и 10 сек. для стандартных испытаний.
Примеры применений:
1] Раздвижные двери: Пневматические раздвижные двери являются очень популярным решением для городского транспорта. Однако они постепенно вытесняются дверьми с электроприводом. Эти двери могут аккуратно детектировать препятствие при своем движении, просто монтируются, не требуют работ по проверке утечек и вообще не требуют наличия никаких трубок.
Ниже приведена упрощенная структурная схема системы привода электрических раздвижных дверей с питанием от бортовой сети постоянного напряжения 110 Вольт. Нежелательные электромагнитные помехи поступающие из сети питания фильтруются EMC фильтром. Два преобразователя AM10EW-11005SH22-NZ понижают питающее напряжение со 110 до 5 Вольт, это питание подается на контроллер управления и драйвер двигателя. Эти два преобразователя позволяют изолировать контроллер управления от электромагнитных шумов генерируемых электромотором.
1] Раздвижные двери: Пневматические раздвижные двери являются очень популярным решением для городского транспорта. Однако они постепенно вытесняются дверьми с электроприводом. Эти двери могут аккуратно детектировать препятствие при своем движении, просто монтируются, не требуют работ по проверке утечек и вообще не требуют наличия никаких трубок.
Ниже приведена упрощенная структурная схема системы привода электрических раздвижных дверей с питанием от бортовой сети постоянного напряжения 110 Вольт. Нежелательные электромагнитные помехи поступающие из сети питания фильтруются EMC фильтром. Два преобразователя AM10EW-11005SH22-NZ понижают питающее напряжение со 110 до 5 Вольт, это питание подается на контроллер управления и драйвер двигателя. Эти два преобразователя позволяют изолировать контроллер управления от электромагнитных шумов генерируемых электромотором.
Рисунок 1. Раздвижные двери
2] Защитные двери платформы: Защитные двери платформы установлены во многих метрополитенах мира. Они защищают пассажиров от падения с платформы метро и помогают системам кондиционирования и вентиляции работать более эффективно.
На схеме ниже представлена система открывания и закрывания дверей. Питание системы осуществляется от сети постоянного тока напряжением 110 Вольт и оборудовано дополнительным аварийным источником бесперебойного питания на случай аварийных ситуаций. Питание системы через фильтр поступает на электродвигатель. Также питающее напряжение через еще один EMC фильтр поступает на драйвер двигателя. Один из DC-DC преобразователей AM20EW-11015SH22-NZ понижающий входное напряжение со 110 до 15 Вольт осуществляет основное питание модуля управления. Импульсный регулятор AMSR1−7805-NZ, представляющий из себя высокоэффективный преобразователь напряжения без гальванической развязки, понижает питающее напряжение с 15 до 5 Вольт и питает микроконтроллер модуля управления. Изолированные CAN трансиверы получают питание от преобразователя AM10CW-2405-NZ это обеспечивает высокое качество сигнала. Наконец преобразователь AM1LS-1515SH30-NZ обеспечивает питание датчиков холла, необходимых для схемы обнаруживающей препятствия при закрывании дверей.
На схеме ниже представлена система открывания и закрывания дверей. Питание системы осуществляется от сети постоянного тока напряжением 110 Вольт и оборудовано дополнительным аварийным источником бесперебойного питания на случай аварийных ситуаций. Питание системы через фильтр поступает на электродвигатель. Также питающее напряжение через еще один EMC фильтр поступает на драйвер двигателя. Один из DC-DC преобразователей AM20EW-11015SH22-NZ понижающий входное напряжение со 110 до 15 Вольт осуществляет основное питание модуля управления. Импульсный регулятор AMSR1−7805-NZ, представляющий из себя высокоэффективный преобразователь напряжения без гальванической развязки, понижает питающее напряжение с 15 до 5 Вольт и питает микроконтроллер модуля управления. Изолированные CAN трансиверы получают питание от преобразователя AM10CW-2405-NZ это обеспечивает высокое качество сигнала. Наконец преобразователь AM1LS-1515SH30-NZ обеспечивает питание датчиков холла, необходимых для схемы обнаруживающей препятствия при закрывании дверей.
Рисунок 2. Защитные двери платформы
3] Информационная система поезда: Информационная система сообщает пассажиру информацию о движении поезда, следующую станцию. Дисплей отображает данные полученные из информационной системы поезда. Поскольку информационный сигнал проходит через несколько вагонов, на нем наводятся серьезные шумы. Информационный модуль вагона должен справляться с воздействием этих шумов.
Для качественной фильтрации напряжения, питающего информационный модуль от бортовой сети, используется EMC фильтр AMFW110−0.9NZ. Питание дисплейного модуля осуществляется при помощи преобразователя AM75QB-11024SA30JZ-K. Он преобразует 110 Вольт в 24 и питает непосредственно LED матрицу. Импульсный регулятор AMSRI1−7805-NZ преобразует 24 Вольт в 5 для питания микроконтроллера, драйвера дисплея и коммуникационного модуля RS-485. Наконец, преобразователь AM1DR-0505S-NZ обеспечивает гальванически развязанное питание для драйверов интерфейса RS-485. Гальваническая изоляция позволяет значительно снизить вероятность коммутационных помех при передаче данных в информационной модуль.
Для качественной фильтрации напряжения, питающего информационный модуль от бортовой сети, используется EMC фильтр AMFW110−0.9NZ. Питание дисплейного модуля осуществляется при помощи преобразователя AM75QB-11024SA30JZ-K. Он преобразует 110 Вольт в 24 и питает непосредственно LED матрицу. Импульсный регулятор AMSRI1−7805-NZ преобразует 24 Вольт в 5 для питания микроконтроллера, драйвера дисплея и коммуникационного модуля RS-485. Наконец, преобразователь AM1DR-0505S-NZ обеспечивает гальванически развязанное питание для драйверов интерфейса RS-485. Гальваническая изоляция позволяет значительно снизить вероятность коммутационных помех при передаче данных в информационной модуль.
Рисунок 3. Модуль информационного дисплея
4] Система контроля тележки вагона: Система контроля тележки вагона следит за такими параметрами как угол поворота, вибрация, температура. Система может идентифицировать, ненормальное функционирование или возможную неисправность тележки основываясь на телеметрических данных, предупредительных и сервисных сообщениях. Поскольку силовой привод установлен на тележку, датчики находящиеся на тележке подвержены воздействию очень сильных электромагнитных шумов.
Также как и дисплейный модуль, система контроля тележки использует фильтр AMFW110−0.9NZ для защиты от влияния электромагнитных помех от сети питания. Преобразователь постоянного напряжения AM50QB-11015SA30JZ, подключенный к выходу EMC фильтра преобразует напряжение со 110 до 15 Вольт, необходимых для питания датчиков тележки. Для обеспечения большей надежности второй преобразователь напряжения, AM15C-1205S-NZ, используется для питания микроконтроллера, элементами контроля и управления, коммуникационного модуля.
Также как и дисплейный модуль, система контроля тележки использует фильтр AMFW110−0.9NZ для защиты от влияния электромагнитных помех от сети питания. Преобразователь постоянного напряжения AM50QB-11015SA30JZ, подключенный к выходу EMC фильтра преобразует напряжение со 110 до 15 Вольт, необходимых для питания датчиков тележки. Для обеспечения большей надежности второй преобразователь напряжения, AM15C-1205S-NZ, используется для питания микроконтроллера, элементами контроля и управления, коммуникационного модуля.
Рисунок 4. Система контроля тележки вагона
5] Оборудование ВИП мест в салоне: ВИП местами оборудованы купе с высоким классом обслуживания. Каждое место оборудовано индивидуальным модулем управления.
Ниже представлена схеме модуля управления ВИП местом, схема аналогична системе контроля тележки вагона. Фильтр AMFW110−0.9NZ установлен на входе питания для обеспечения необходимой ЭМС защиты. DC-DC преобразователь AM100QB-11024SA30JZ используется для получения 24 Вольт из 110 Вольт бортовой сети. Полученное напряжение непосредственно подводится к приводам сиденья. В отличие от системы контроля тележки оборудование ВИП мест не имеет длинных проводов и не подвержено воздействию сильных электромагнитных помех. Следовательно, питание схемы управления обеспечивается импульсным регулятором AMSRI1−7805S-NZ, который преобразует постоянное напряжение 24 Вольт в 5 Вольт
Ниже представлена схеме модуля управления ВИП местом, схема аналогична системе контроля тележки вагона. Фильтр AMFW110−0.9NZ установлен на входе питания для обеспечения необходимой ЭМС защиты. DC-DC преобразователь AM100QB-11024SA30JZ используется для получения 24 Вольт из 110 Вольт бортовой сети. Полученное напряжение непосредственно подводится к приводам сиденья. В отличие от системы контроля тележки оборудование ВИП мест не имеет длинных проводов и не подвержено воздействию сильных электромагнитных помех. Следовательно, питание схемы управления обеспечивается импульсным регулятором AMSRI1−7805S-NZ, который преобразует постоянное напряжение 24 Вольт в 5 Вольт
Рисунок 5. Оборудование ВИП места
6] Система контроля работы поезда: Система контроля работы поезда — это сердце поезда. Ниже пример показывающий упрощенную блок-схему системы.
Система имеет устройство фильтрации электромагнитных помех и защиты от перенапряжения. Поскольку система мониторинга должна взаимодействовать с несколькими устройствами поезда и железнодорожной инфраструктуры, используются несколько изолированных преобразователей, чтобы избежать перекрестных помех между каждым модулем ввода-вывода.
Система имеет устройство фильтрации электромагнитных помех и защиты от перенапряжения. Поскольку система мониторинга должна взаимодействовать с несколькими устройствами поезда и железнодорожной инфраструктуры, используются несколько изолированных преобразователей, чтобы избежать перекрестных помех между каждым модулем ввода-вывода.
Рисунок 6. Система контроля работы поезда
Aimtec предлагает следующие преобразователи для железнодорожного применения
Подробная техническая информация с даташитами на каждое семейство приведена на сайте www.aimtec.com Получить техническую консультацию по данным семействам, а также заказать образцы или серийную партию можно в одном из офисов компании ЭЛТЕХ - официального дистрибьютора Aimtec или по электронной почте aimtec@eltech.spb.ru .