Anforderungen an Stromversorgungslösungen für die Bahntechnik

Verstopfte Straßen und Umweltbelange sind zwei der Hauptgründe für das jüngste Wachstum im Bahnbereich. Hinzu kommt der weitere Ausbau von Hochgeschwindigkeits-Bahnstrecken und die Tatsache, dass die Bahn einen Aufschwung erfährt, da sie eine bequeme Alternative zu Kurzstreckenflügen ist und Reisende direkt in das Stadtzentrum befördert.

Komponenten für die aktuelle Bahntechnik müssen komplexen internationalen Normen entsprechen. Flex

China ist der größte nationale Markt für Bahntechnik, der nach Schätzungen des Verkehrsforschungsunternehmens SCI Verkehr (www.sci.de) rund 33 Milliarden Euro jährlich einnimmt. Das Land hat durch den umfangreichen Ausbau der Bahn und Hochgeschwindigkeitsstrecken viele Schlagzeilen gemacht; der nationale Markt ist jedoch rückläufig, wobei der OEM-Markt in den nächsten fünf Jahren wohl jährlich um fünf Prozent zurückgehen wird.

In Westeuropa sieht die Entwicklung etwas anders aus: der starke Markt wird auf 45,6 Milliarden Euro geschätzt und weist ein Wachstum von 3,8 Prozent (CAGR) auf. Osteuropa ist mit 11,2 Milliarden Euro kleiner und wächst etwas stärker mit 4,3 Prozent (CAGR). Deutschland ist der größte Markt in Westeuropa, der mit 11 Milliarden Euro fast ein Viertel des Gesamtmarktes ausmacht und neben China, den USA, Russland und Frankreich als einer der Top-5-Märkte gilt.

Technik und Züge

Tabelle 1: Die gängigsten Gleichspannungen für On-Board-Elektronik in der Bahntechnik weltweit. Am häufigsten anzutreffen sind 24, 72 und 110 V. Flex

Der Ausbau der Infrastruktur und Zahl der Züge ist ein wesentlicher Faktor für das Wachstum des Bahnmarktes. Wird dabei ein höheres technologisches Niveau mit einbezogen, steigert dies den Marktwert. Die Erwartungen der Verbraucher sind hoch, und die Bahnbetreiber setzen immer mehr Technik ein, um diesen Wünschen zu entsprechen. Aktuelle Züge sind heute mit hochentwickelten Fahrgast-Informationssystemen (visuell und akustisch) ausgestattet, um die Fahrgäste über ihre Reise auf dem Laufenden zu halten. Hinzu kommen fortschrittliche Beleuchtungs-, Klima- und Lüftungssysteme, um mehr Komfort im Abteil zu bieten. Zuverlässiges WLAN war früher ein Luxus und wird heute erwartet. Ähnlich wie in Flugzeugen bieten einige Züge Bildschirme in der Rückenlehne – mit On-Demand-Entertainment, das Unterhaltung für die Passagiere und Einnahmequellen für die Betreiber garantiert.

Die neue Technik dient jedoch nicht allein den Fahrgästen. Akuelle Schienenfahrzeuge verfügen über mehrere Sensoren, die wichtige Parameter wie die seitliche Schwingung des Wagens und die Lagertemperatur messen – nützlich für die Planung routinemäßiger Wartungsarbeiten. Ein großer Teil der von den Sensoren gesammelten Daten wird in Echtzeit an streckenseitige Empfänger übertragen und in einer Blackbox im Fahrzeug (wie im Flugzeug) gesammelt. Damit stehen nützliche Daten für die Betreiber und im Falle eines Unfalls wichtige Hinweise für die Ermittler zur Verfügung.

Jede einzelne Technologie stellt einen bedeutenden Fortschritt für das Bahnwesen dar. Train-Control- und Management-Systeme (TCMS) erlauben heute, die gesamte Sensorik und Funktionalität miteinander zu vernetzen, was noch mehr Fortschritt sowie Redundanz und die Einhaltung der Sicherheitsintegrationsstufen (SIL) für einen störungsfreien Betrieb gewährleistet.

Vernetzungssysteme wie TCMS sind modular aufgebaut und bestehen aus mehreren Steckkarten, mit denen sie genau an die Anforderungen der Anwendung angepasst werden. Diese Modularität führt zum Einsatz dezentraler (verteilter) Stromversorgungsarchitekturen (DPA, Distributed Power Architectures), die auf Power-Modulen basieren, um die Leistung für jede Karte bereitzustellen. Auf ähnliche Weise werden Power-Module für andere Technologien im gesamten Bahnbereich verwendet, die häufig unter Sitzen oder in Schränken in den Gängen platziert sind.

Normen und Vorschriften

Tabelle 2: Einteilung der Betriebstemperaturen in sechs Klassen mit unterschiedlichen Anforderungen. Flex

Schienenfahrzeuge sind kein freundliches Umfeld für Technologie – es müssen robuste Komponenten zum Einsatz kommen, um sicherzustellen, dass es nicht zu einem vorzeitigen Ausfall kommt. Um die Eignung von Bauteilen für den Einsatz auf der Schiene zu gewährleisten, wurden zahlreiche Standards geschaffen. In der Vergangenheit wurden diese auf nationaler Ebene entwickelt, insbesondere in Ländern wie Deutschland (VDE), Frankreich (NFF), Großbritannien (RIA) und Italien (ST). Diese Standards weisen zwar viele Gemeinsamkeiten auf, es gibt aber auch bemerkenswerte Unterschiede, die zu Herausforderungen führten, insbesondere, wenn Züge die Landesgrenzen überschreiten.

Es wurden große Anstrengungen unternommen, um diese Normen auf europäischer Ebene zu harmonisieren, und eine Reihe von Standards sind inzwischen allgemein gebräuchlich. Am bekanntesten ist die EN 50155 „Bahnanwendungen – Elektronische Einrichtungen auf Schienenfahrzeugen“, obwohl diese auf mehr als 25 weitere EN- und IEC-Normen zu verwandten Themen verweist.

Wie bei vielen Normen dieser Art soll die EN 50155 die Anforderungen an alle Arten elektronischer Bauelemente, die in Schienenfahrzeugen zum Einsatz kommen, erfüllen (die Anforderungen für streckenseitige Anwendungen sind etwas weniger aufwändig und werden von anderen Standards abgedeckt). Die wichtigsten Überlegungen zu Power-Modulen (einschließlich DC/DC-Wandlern) fallen jedoch in folgende Kategorien:

• Anforderungen an die Eingangsspannung
• Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV/EMI)
• Mechanische/physikalische Anforderungen
• Anforderungen an Temperatur und Luftfeuchtigkeit
• Anforderungen an die galvanische Trennung (Isolation)

Die Anforderungen an die Eingangsspannung sind in der EN 50155 spezifiziert und wurden entwickelt, um die starken Schwankungen der Stromquellen, wie sie in Bahnanwendungen vorkommen, sowie Spannungsspitzen und andere Störungen der Stromversorgung zu berücksichtigen.

Wird ein System ohne jegliche Regelung direkt von einer Batterie gespeist, ist ein ordnungsgemäßer Betrieb mit Spannungen im Bereich von 70 bis 125 Prozent der Eingangsnennspannung (UN) erforderlich. Zudem können Aussetzer (Unterspannungen) bis hinab auf 60 Prozent der UN für 100 ms und Überspannungen von bis zu 140 Prozent der UN für eine Sekunde auftreten, was beim Einschalten eines Systems häufig vorkommt. Tabelle 1 zeigt die gängigsten Gleichspannungen für On-Board-Elektronik in der Bahntechnik weltweit.

EMV-Anforderungen

Tabelle 3: Die Isolationsanforderungen der EN 50155 hängen von der Nennspannung ab. Flex

Die Norm erfordert auch, dass 50-ms-Transienten bis zu 1800 V adressiert werden. Dies lässt sich mit einer Transientenspannungs-Unterdrückung (TVS, Transient Voltage Suppression) erzielen, die in der Lage ist, bis zu 1,5 J Energie zu unterdrücken. Der TVS-Baustein ist so zu wählen, dass seine Klemmspannung mit dem DC/DC-Wandlermodul kompatibel ist.

Während die meisten nationalen Normen mit der EN 50155 harmonisiert sind, unterscheidet sich die britische Norm RIA12 von der EN 50155 hinsichtlich des Überspannungsschutzes. Die RIA12 erfordert, dass Systeme die 3,5-fache U_N für bis zu 20 ms aushalten müssen. Dies liegt außerhalb der Möglichkeiten einer TVS. Zum Schutz gegen schnelle Transienten und Überstrom/-spannung ist daher eine aktive externe Schaltung erforderlich.

In Bezug auf die EMV sind Bahnen ein schwieriges Umfeld. Die hohen Spannungen der Freileitungen sind eine mögliche Störquelle, ebenso wie die Transformatoren und Hochleistungsmotoren an Bord. Fahrgäste nutzen auf ihren Reisen auch häufig Smartphones und Laptops, die alle in der Lage sind, elektromagnetische Felder auszustrahlen.

Die EN 50155 befasst sich mit den EMV-Anforderungen durch Verweise auf die EN 50121-3-2 „Bahnanwendungen – Elektromagnetische Verträglichkeit – Schienenfahrzeuge – Geräte“, in der Grenzwerte für elektrische Störeinflüsse auf Elektronik und deren Eingrenzung festgelegt sind. Generell wird der Einhalt der Norm durch den Einbau eines externen EMV-Filters erfüllt. Vorschläge für EMV-Filter für DC/DC-Wandler unterbreiten die einzelnen technischen Spezifikationen – die Tests auf Systemebene sind jedoch im Endsystem durchzuführen, um die Gesamtprüfung zu bestehen.

Physikalische Herausforderungen

Bild 1: Flex bietet eine Vielzahl von Stromversorgungslösungen für Bahnanwendungen. Flex

Neben dem elektrischen Rauschen sind Bahnanwendungen an Bord auch physikalisch anspruchsvolle Umgebungen für elektronische Systeme. Während der Fahrt treten dauerhaft konstante Vibrationen auf, was zu mechanischer Ermüdung und Erschütterungen bis zu 5 g führt, insbesondere beim Rangieren fahrgastloser Waggons.

Die EN 61373 „Betriebsmittel für Bahnfahrzeuge – Prüfungen für Vibrationen und Stöße“ befasst sich speziell mit den mechanischen Anforderungen für elektronische Systeme (einschließlich Power-Module), die in Bahnanwendungen zum Einsatz kommen. Die Norm befasst sich damit, dass die Anordnung der Ausrüstung über sieben festgelegte Orte (von einem „geschlossenen elektrischen Betriebsbereich“ über „hochbewegliche Systeme im Außenbereich“) zu unterschiedlichen mechanischen Belastungen führt und berücksichtigt dies bei der Definition der Klassen. Meistens fallen Systeme, in denen Power-Module zum Einsatz kommen in die Klasse 1B.

In Bahnanwendungen sind elektronische Systeme häufig hinter Paneelen oder auf engstem Raum unter Sitzen platziert, was zu höheren Temperaturen beim Betrieb der Module führt. Ähnlich wie bei den physikalischen Anforderungen werden auch die Betriebstemperaturen in sechs Klassen mit unterschiedlichen Anforderungen unterteilt (Tabelle 2).

Falls nicht anderweitig festgelegt, kommen die Anforderungen nach Klasse OT3 zum Einsatz. Obwohl sich Systeme auch im Inneren von Schränken befinden, muss für DC/DC-Wandler dafür ein Temperaturanstieg von 15 °C mit einbezogen werden. Daher ist ein Betrieb bis 85 °C erforderlich.

Die Luftfeuchtigkeit ist ein weiteres Problem gemäß EN 50155, nach der Power-Module über eine Dauer von 30 Tagen bei 95 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit zu prüfen sind. Auf nationaler Ebene erfordert NFF 01-510 (Frankreich) jedoch eine relative Luftfeuchtigkeit von 100 Prozent, während in Großbritannien 56 Tage bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 93 Prozent festgelegt sind.

Die letzte wesentliche elektrische Anforderung ist die Isolation zwischen Eingang und Ausgang (galvanische Trennung), die in der EN 50155 entsprechend der Eingangsnennspannung definiert ist. Es ist zu beachten, dass die französischen Anforderungen unter NFF erneut etwas strenger sind und für alle Eingangsspannungen den höchsten Pegel (1500 VAC / 50 Hz / 1 min) voraussetzen (Tabelle 3).

Power-Module für die Bahntechnik

Bild 2: Mit einer Leistung von bis zu 30 W erfüllen die PKE7000A-Module die Norm EN 50155 und bieten MTBF-Werte von bis zu fünf Millionen Stunden. Flex

Flex Power Modules bietet eine Vielzahl von Stromversorgungsmodulen für die Technik an Bord von Schienenfahrzeugen. Für den Leistungsbereich von 1,65 bis 300 W stehen mehrere Serien zur Verfügung, die die Anforderungen der EN 50155 erfüllen und deren Eignung für Bahnanwendungen sicherstellen.

Das Angebot umfasst sowohl vollständig gekapselte als auch Open-Frame-Lösungen und bietet eine Vielzahl von Konfigurationen, darunter Single- und Dual-Ausgänge. Die weiten Eingangsbereiche (9 bis 75 V und 43 bis 160 V) bieten Entwicklern Flexibilität und gewährleisten die Einhaltung der Eingangsspannungsanforderungen gemäß EN 50155 (Bild 1).

Zur kürzlich eingeführten DC/DC-Wandler-Serie PKE-A zählen die Modelle PKE7000A im Standard-Formfaktor 5,08 × 2,54 cm. Sie bieten einen Eingangsbereich von 43 bis 160 V, sodass sie entweder an Versorgungsschienen mit 72 oder 110 V Nennspannung betrieben werden können, die beide in Bahnanwendungen üblich sind. Mit einer Leistung von bis zu 30 W erfüllen die PKE7000A-Module die Norm EN 50155 und bieten MTBF-Werte von bis zu fünf Millionen Stunden. Damit ist die Langlebigkeit auch in anspruchsvollen Anwendungen gewährleistet (Bild 2).

(na)