Um die Luft in großen Räumen effektiv vor Mikropartikeln in der Größe von 0,01 µm reinigen zu können, sind herkömmliche Filteranlagen mit Papier- oder Stofffilter ungeeignet.  Ein menschliches Haar im Vergleich.

Um die Luft in großen Räumen effektiv vor Mikropartikeln in der Größe von 0,01 µm reinigen zu können, sind herkömmliche Filteranlagen mit Papier- oder Stofffilter ungeeignet. Ein menschliches Haar im Vergleich. (Bild: Autroic)

Gerade die letzten zwei Jahre entstand in der Gesellschaft ein größeres Bewusstsein zum Thema Gesundheit, dem sich auch Massentransportmittel wie Züge stellen müssen. Um die Luft in großen Räumen effektiv vor Mikropartikeln in der Größe von 0,01 µm reinigen zu können, sind herkömmliche Filteranlagen mit Papier- oder Stofffilter ungeeignet. Deshalb sind neue Ansätze gefragt, wie beispielsweise elektromechanische Filtersysteme.

Bei diesen Systemen wird die zu filternde und kühlende Luft an Metallplatten vorbeigeführt, die unter einer sehr hohen Spannung von 8000 V stehen. Über 92 Prozent der positiv und negativ geladene Aerosole werden von den Platten angezogen oder abgestoßen und setzen sich an den Platten nieder. Sobald der Abstand der Platten zueinander, durch die Verschmutzung, zunehmend geringer wird, entsteht ein schneller Funkenüberschlag (Kurzschluss) zwischen den Platten und verbrennt die Partikel. Dieser Vorgang wiederholt sich binnen Sekunden, je nach Verschmutzungsgrad der Luft.

Die Anforderung an Autronic seitens eines Herstellers von sicherheitskritischen Komponenten in Zügen wie beispielsweise Kühlsysteme, Informationssysteme sowie Luftreinigungs- und Klimatisierungsanlagen bestand darin, einen DC/DC-Wandler für den Einsatz in der Bahntechnik komplett neu zu entwickeln. Dieser sollte für den weltweiten Einsatz in Neuanlagen, sowie für bereits bestehende Klimaanlagen als Retrofit-Komponente einsetzbar sein.

Die komplette Elektronik wird nahe am Dach eingebaut. Hier herrschen im Alltag sehr hohe Temperaturen. Ebenso verlaufen im Dach sehr viele Kabel und es werden empfindliche elektronische Bauteile, wie Switche, Repeater und FIS verbaut, die durch die neue PSU nicht gestört werden dürfen. Im Umkehrschluss muss der neue DC/DC-Wandler störunempfindlich gegen externe Störgrößen sein.

Als Basisnormen dienten die EN 50155 und die EN 50121-3-2, Schock/Vibration nach EN 61373, Brandschutz nach EN 45545-2, Sicherheit nach EN 62368-1, MTBF nach MIL-HDBK-217F (Ground Mobile).

Die Lösung besteht aus einem DC/DC-Wandler. Mit einer einzelnen Stromversorgungslösung können die alten Low- und eine High-Input-Voltage-Versionen mit nur einem Gerät abgelöst werden. Das hat auch den Vorteil der vereinfachten logistischen Handhabung und der Aufwand der Zulassungen sowie die interne Produktabnahme reduzieren sich ebenso.

Thermische Belastung, Useful Life und Sicherheit

Der hohe Wirkungsgrad über den gesamten Eingangsbereich sorgt dafür, dass der DC/DC-Wandler in thermisch kritischer Umgebung eingesetzt werden kann. Durch das optimierte Leiterkarten- und Gehäuse-Design lässt sich die Wärme sehr gut ableiten. Die geringe Wärmeabgabe an die Umgebungsluft vereinfacht den Einbau, da alle Hotspots im Gerät am Montageboden montiert sind und die Wärme über kurze Wege abgeben, vorausgesetzt die PSU ist thermisch gut ans Chassis angebunden. Somit wird ein Wärmestau im hermetisch abgedichteten Gerät weitgehend verhindert.

8000 V können eine große Gefahr darstellen, deshalb musste der Fokus auf das Erdungskonzept gelegt werden. Um Boden, Deckel und Grundgehäuse sicher zu erden, werden im eloxierten Gehäuse Kontaktbereiche von Schrauben und Kabeln mechanisch aufwendig freigestellt.

Um Boden, Deckel und Grundgehäuse sicher zu erden, werden im eloxierten Gehäuse Kontaktbereiche von Schrauben und Kabeln mechanisch aufwendig freigestellt.
Um Boden, Deckel und Grundgehäuse sicher zu erden, werden im eloxierten Gehäuse Kontaktbereiche von Schrauben und Kabeln mechanisch aufwendig freigestellt. (Bild: Autronic)

Die Kenndaten des neuen DC/DC-Wandlers:

  • weiter Eingangsbereich von 14,4 V bis 154 VDC (ein Gerät) mit einem Wirkungsgrad von mindestens 85 Prozent über den gesamten Versorgungsbereich
  • geregelte Ausgangsspannung: 8000 V
  • dauerhafte Ausgangsleistung: 80 W
  • starke thermische Belastung durch kritischen Einbauort (Class OT1 +ST1, ST2)
  • lange Zu- und Ableitungen
  • IP54-Gehäuse
  • hohe EMV-Anforderung
  • hohe elektrische Belastung durch rasche und wiederholende Kurzschlussfrequenzen (Funkenentladung)
  • Funkendetektion
  • Auswertungsfunktion der Funkendetektion, die zur sicheren Abschaltung des Filters führt, bei abnormalen Verhalten

Züge sollen zusätzlich so wartungsarm wie möglich ausgestattet werden. Der Nachweis der Zuverlässigkeit ist ein wichtiger Punkt, den es während der Entwicklung nachzuweisen gilt. Fälschlicherweise wird oftmals eine MTBF (Meantime Between To Failure) -Berechnung herangezogen. Autronic betrachtet die Lebensdauer von ausfallkritischen Komponenten (z. B. Elektrolyt-Kondensatoren) unter realistischen Umgebungsbedingungen mit tatsächlicher Hitzebelastung. Zugesichert werden konnte eine Useful-Life (Nutzungsdauer) von mindestens 20 Jahren.

Um sicher zu sein, dass der DC/DC-Wandler stabil genug gegen dauerhaft auftretende Funkenüberschläge ist, wurde ein der Realität entsprechendes Testumfeld nachgebildet. Die im Feld aufkommende Funkendauer und -länge der Kurzschlüsse wurde genau nachgebildet. Das Resultat der Tests war ein sehr stabiles Design des Gerätes.

EMV-Anforderung an den DC/DC-Wandler

Die EMV06, eine strikte EMV-Vorgabe der Bahnfunkdienste der DB, SBB und ÖBB, werden eingehalten. Damit ist sichergestellt, dass wichtige Funkfrequenzen störungsfrei bleiben.

Die Reinigung der Luft in den Passagierräumen ist sehr wichtig. Deshalb darf eine Filteranlage nicht ausfallen, auch wenn die Bahnnorm EN 50155 Zustände zulässt, die ein Ausschalten und automatisiertes Hochfahren der Anwendung zulassen. Surge, Burst und ESD des neuen Geräts sind deshalb mit Kriterium A geprüft und freigegeben worden, d. h. EMV-Störgrößen werden keinen Einfluss auf die PSU haben.

Das Ergebnis der Entwicklung

  • DC/DC-Wandler nach 100-prozentigen Anforderungen des Anwenders
  • der Einsatz ist für mindestens 20 Jahre gewährleistet, da nur Bauteile mit entsprechender Verfügbarkeit gewählt wurden
  • das konvektionsgekühlte Gerät mit errechneter Useful-Life von über 20 Jahren macht Wartungsarbeiten überflüssig
  • der Einbau erfolgt via Plug&Play

Anforderungen an den DC/DC-Wandler durch Umweltbedingungen

Trotz eines IP54-Gehäuses muss verhindert werden, dass eine Betauung im Gerät Störungen verursachen kann. Aus diesem Grund wird die Baugruppe mit einem Schutzlack im Tauchverfahren versehen. Die doppelte Isolation mit entsprechend längeren Luft- und Kriechstrecken, verhindert zusätzlich, dass etwaig eintretende Staubpartikel Schäden verursachen können.

Bahnübliche Schock-/Vibrationstests (1b), zyklische feuchte Wärme und die Einhaltung des Brandschutzes nach höchster Einstufung werden eingehalten. (neu)

Autor

Autor Giovanni Rodio
(Bild: Autronic)

Giovanni Rodio ist Vertriebsleiter bei Autronic Steuer- und Regeltechnik.

Sie möchten gerne weiterlesen?

Unternehmen

AUTRONIC Steuer- und Regeltechnik GmbH

Siemensstraße 17
74343 Sachsenheim
Germany