Conversores CC/CC Especializados Atendem aos Desafios Exclusivos do Fornecimento de Energia para Ferrovias

Os sistemas ferroviários modernos têm uma quantidade cada vez maior de componentes eletrônicos embarcados para funções como acesso dos passageiros à Internet, links de satélite, intercomunicadores e sistemas de sonorização (PA), subsistemas de navegação, rádios de emergência, painéis de aviso, iluminação de LED, sistemas de informação, tomadas de carregamento localizadas nos assentos e outros acessórios. Há também subsistemas de carregamento de baterias, pois muitas dessas funções precisam ser alimentadas durante falhas transitórias de energia ou períodos prolongados de falta de energia. Cada uma dessas funções tem requisitos de tensão exclusivos, o que leva à implementação de muitos conversores CC/CC para converter a tensão CC mais alta em várias tensões mais baixas.

No entanto, os projetistas que especificam conversores CC/CC para uso em ferrovias precisam garantir que esses conversores possam funcionar de forma confiável em espaços confinados sob condições difíceis de estresse elétrico, mecânico e térmico. Eles também devem atender a uma longa lista de rigorosos requisitos regulatórios e do setor, e ser facilmente implantados para economizar tempo.

Este artigo examina brevemente os requisitos dos conversores de energia CC/CC para aplicações ferroviárias. Em seguida, apresenta os conversores CC/CC da TRACO Power e mostra como eles podem ser usados para atender a esses requisitos.

Distribuição de energia para ferrovias

Um caminho típico de distribuição de energia para uma locomotiva elétrica ou um trole tem muitas tensões mais baixas derivadas da fonte CC primária da catenária sobre o carro. Como em qualquer aplicação crítica, há normas obrigatórias do setor que definem os requisitos de desempenho em várias perspectivas.

A especificação regulatória dominante para equipamentos eletrônicos ferroviários é a EN 50155, Railway applications - Rolling stock - Electronic Equipment. Ela define as condições ambientais e de serviço, as expectativas de confiabilidade, a segurança e os métodos de projeto e construção. Ela também abrange a documentação e os testes.

Outras especificações críticas incluem:

• EN 61373, Railway applications - Rolling stock equipment - Shock and Vibration Tests
• EN 61000-4, para compatibilidade eletromagnética (EMC)
• EN 45545-2, padrão ferroviário europeu para segurança contra incêndio
• Norma RIA 12 da British Railway Industries Association, General Specification for Protection of Traction and Rolling Stock Electronic Equipment from Transients and Surges in DC Control Systems

Atender a essas exigências regulatórias é um grande desafio de projeto, mesmo que o projeto do conversor de energia "faça você mesmo" (DIY) funcione como pretendido durante a simulação e como um protótipo de bancada. Felizmente, não há necessidade de adotar a abordagem "faça você mesmo". Já estão disponíveis conversores CC/CC padrão, prontos para uso e específicos para a aplicação, que atendem aos requisitos ferroviários.

Por exemplo, as famílias TEP 150UIR/TEP 200UIR são duas séries semelhantes de conversores de placa embutida de meio bloco, dimensionados para 150 e 200 watts, respectivamente. Eles têm isolamento reforçado de entrada/saída (E/S) de 3.000 volts CA (V_CA) e proteção integrada contra curto-circuito, sobretensão e superaquecimento.

Todos os membros dessas duas famílias têm a mesma configuração de conexão e tamanho de invólucro de 60 mm × 60 mm × 13 mm (Figura 1). Sua eficiência é de aproximadamente 90%.

Figura 1: todos os membros das famílias TEP 150UIR e TEP 200UIR têm o mesmo tamanho de gabinete e fator de forma. (Fonte da imagem: TRACO Power)

A série TEP 150UIR opera com uma faixa de tensão de entrada extremamente ampla, de 14 a 160 volts CC (V_CC), e está disponível em cinco combinações de saída que variam de 5 volts/30 amperes (A) a 48 volts/3,2 A (Figura 2).

Figura 2: a série TEP 150UIR está disponível com especificações de tensão/corrente que variam de 5 volts/30 A a 48 volts/3,2 A. (Fonte da imagem: TRACO Power)

O membro de menor tensão/maior corrente dessa família é o TEP 150-7211UIR, que pode fornecer até 30 A a 5 volts.

A série TEP 200UIR tem a mesma faixa de tensão de entrada e saída, mas correntes mais altas, variando de 5 volts/40 A a 48 volts/4,2 A (Figura 3).

Figura 3: a família TEP 200UIR oferece 33% mais potência, com os mesmos valores de tensão de saída, mas com correntes de saída mais altas. (Fonte da imagem: TRACO Power)

O membro de maior tensão/menor corrente dessa família é o TEP 200-7218UIR, que pode fornecer até 4,2 A a 48 volts, em comparação com 3,2 A de sua contraparte de 150 watts nessa tensão.

Ao manter um tamanho e pegada iguais, os usuários podem atualizar facilmente um circuito para atender a diferentes necessidades ou usar placas diferentes com o mínimo de problemas de cabeamento e layout. Eles também podem simplificar o estoque, armazenando menos modelos exclusivos.

Três recursos principais

As unidades TEP 150UIR e TEP 200UIR oferecem três recursos de destaque: uma ampla faixa de tensão de entrada, um tempo de retenção estendido e limitação de corrente de partida ativa.

1) Ampla faixa de tensão de entrada: os eletrônicos típicos de nível industrial podem atender aos requisitos gerais de tensão/corrente, mas os conversores de energia CC/CC para essa aplicação devem suportar variações de tensão de entrada e uma faixa de possíveis valores nominais muito mais amplas(Figura 4).

Figura 4: as faixas de entrada CC para diferentes aplicações ferroviárias abrangem uma faixa extremamente ampla, especialmente quando os desvios permitidos dos valores nominais são considerados na análise. (Fonte da imagem: TRACO Power)

Isso inclui as variações permitidas na tensão de entrada em torno de cada valor nominal:

• Faixa contínua = 0,7 a 1,25, × V_NOM
• Apagão = 0,6 × V_NOM por 100 milissegundos (ms)
• Surto = 1,4 × V_NOM por um segundo

É difícil projetar um conversor de energia capaz de suportar quedas de energia por 100 ms, enquanto os surtos que duram um segundo têm energia demais para serem suprimidos. Portanto, o conversor deve operar em toda a faixa mostrada na Figura 4, incluindo alguma margem de segurança. Na prática, isso significa uma faixa de entrada de mais de 2,33:1.

Para complicar a situação, a tensão nominal pode variar de 24 V_CC a 110 V_CC. Muitos fabricantes de conversores CC/CC atendem a esses requisitos oferecendo conversores com uma faixa de entrada 4:1 mais ampla (normalmente de 43 a 160 volts) para cobrir a maioria das aplicações, mas um único conversor normalmente não é capaz de atender a todas elas.

Para resolver isso, as unidades TRACO suportam uma entrada 12:1 ultra-ampla de 14 a 160 V_CC. Essa faixa permite que o engenheiro de aplicação do sistema cubra uma série de tensões nominais do sistema com uma única fonte de alimentação.

2) Tempo de retenção estendido: a linha CC está sujeita a transientes rápidos de ±2 quilovolts (kV) com tempos de subida de 5 nanossegundos (ns), tempos de descida de 50 ns e uma taxa de repetição de 5 quilohertz (kHz). Há também surtos de ±2 kV linha-terra e ±1 kV linha-linha com tempos de subida de 1,2 microssegundos (μs) e tempos de descida de 50 μs de uma impedância de fonte definida e acoplada à CA.

Alguns requisitos vão além da EN 50155 e exigem imunidade a surtos de até 1,5 x V_NOM por um segundo e 3,5 × V_NOM por 20 ms com uma impedância de fonte extremamente baixa de 0,2 ohms (Ω). Para um sistema de 110 V_CC (nominal), isso corresponde a um valor de pico de 385 V_CC, que está fora da faixa normal de um conversor, especialmente se ele precisa trabalhar até o mínimo de apagão de 66 V_CC.

A energia disponível em uma fonte de baixa impedância implica em a tensão não poder ser suprimida por um supressor de tensão de transiente (TVS). Dependendo do nível de potência, é necessário um pré-regulador na entrada de alimentação ou um circuito que desligue a entrada durante o surto. Uma função de retenção é necessária no conversor CC/CC para manter a saída durante esse período.

Para resolver esse problema, as unidades TRACO vêm com um recurso importante na forma de um pino de saída de barramento. Essa saída fornece uma tensão fixa para carregar um capacitor, permitindo que o capacitor forneça a energia necessária para um tempo de retenção mais longo (Figura 5). Esses capacitores são significativamente menores e mais baratos do que os usados no esquema convencional de retenção de capacitor de front-end.

Figura 5: esse é o circuito de entrada recomendado para ser usado com o capacitor de barramento C_BUS para simplificar a implementação de um tempo de retenção estendido. (Fonte da imagem: TRACO Power)

Observe que não é necessário adicionar um diodo em série ao circuito de entrada, pois esses conversores têm um diodo integrado para evitar um curto-circuito e manter a energia do capacitor fluindo para a fonte de alimentação.

Quando ocorrer uma interrupção da tensão de alimentação, a tensão de entrada cairá para a tensão do barramento antes que os capacitores comecem a se descarregar para fornecer energia ao módulo de potência. Devido à sua densidade de potência relativamente alta, a série TEP 150UIR e a série TEP 200UIR podem fornecer uma tensão de barramento fixa até uma tensão de entrada de 80 volts. Em tensões de entrada mais altas, a tensão do barramento aumenta linearmente com a tensão de entrada real (Figura 6).

Figura 6: os conversores fornecem uma tensão de barramento fixa até uma tensão de entrada de 80 volts; em tensões de entrada mais altas, a tensão de barramento aumenta linearmente com a tensão de entrada real. (Fonte da imagem: TRACO Power)

3) Limitação da corrente de partida ativa: isso resolve um problema comum com conversores de energia: quando a tensão de entrada começa a subir, os capacitores de retenção no terminal de entrada causam uma alta corrente de partida. Isso pode queimar um fusível ou disparar um circuito e causar erros e falhas nos dispositivos conectados.

Para evitar isso, um pino de pulso nas séries TEP 150UIR e TEP 200UIR fornece um sinal de onda quadrada de 12 volts e 1 kHz que pode ser usado no circuito de limite de corrente de partida (Figura 7).

Figura 7: as séries TEP 150UIR e TEP 200UIR oferecem uma maneira simples de limitar a corrente de partida na inicialização usando um pino de pulso com um sinal de onda quadrada. (Fonte da imagem: TRACO Power)

Ao conectar o circuito de limitação de corrente de partida ativa ao pino Pulse, a corrente de partida é efetivamente limitada (Figura 8). Sem limitação, a corrente de partida é de aproximadamente 120 A (esquerda), enquanto que com a limitação ela cai para cerca de 24,5 A (direita).

Figura 8: acionar o circuito de limitação de corrente de partida ativa dos conversores com o pino de pulso reduz a corrente de partida em um fator de cinco. Aqui é mostrado um exemplo com um V_in de 72 volts. A escala horizontal à esquerda é de 50 volts/divisão e a da direita é de 10 volts/divisão, com um fator de escala do transdutor de 1 volt = 1 A. (Fonte da imagem: TRACO Power)

Conclusão

Os conversores CC/CC para aplicações ferroviárias de baixa tensão devem fazer mais do que fornecer energia com desempenho confiável e consistente. Eles devem ser compactos, fáceis de gerenciar e implantar, capazes de atender a uma grande variedade de aplicações, capazes de operar em ambientes adversos e de atender a uma longa lista de padrões e exigências regulatórias elétricas, térmicas e mecânicas desafiadoras. Conforme demonstrado, as famílias TRACO Power TEP 150UIR e TEP 200UIR estão à altura da tarefa com recursos que incluem uma ampla faixa de tensão de entrada de 12:1, de 14 a 160 V_CC, um pino de retenção para carregar capacitores para fornecer energia durante quedas de tensão, a capacidade de resistir a surtos e várias combinações de tensão/corrente de saída, tudo em um único fator de forma.