DC/DC-Wandler für Schienenfahrzeug-/Streckenausrüstung

In den vergangenen Jahren hat RECOM sein Sortiment an EN50155-zertifizierten Bauteilen deutlich erweitert und stellt nun eine breite Auswahl an AC/DC- und DC/DC-Wandlern für Schienenfahrzeug-/Streckenausrüstung bereit. Dank der Übernahme des italienischen Stromversorgungsspezialisten Power Control Systems kann RECOM nun auch kundenspezifische Stromversorgungen bis 18kW anbieten.

Wofür werden DC/DC-Wandler im Bereich Schienenfahrzeug-/Streckenausrüstung eingesetzt?

DC/DC-Wandler werden in Bahnumgebungen benötigt, um Gleichstrom-Batteriespannungen in eine niedrigere Spannung umzuwandeln, die in einer Vielzahl von Steuer- und Energieschaltungen genutzt werden kann. Schienenfahrzeuge verwenden ein Gleichstromverteilungssystem, sodass bei einem Generatorausfall Batterien zur Aufrechterhaltung der elektrischen Energie eingesetzt werden können.

Diese Wandler müssen gemäß EN 50155 konstruiert sein, um sicherzustellen, dass ihre Funktion nicht durch raue Umgebungsbedingungen beeinträchtigt wird.

Die wichtigsten Anwendungsbereiche sind:
  • Schienenfahrzeuge
  • Bord- und Schienenanwendungen
  • Industrieanwendungen
  • Batteriebetriebene Hochspannungs-Anwendungen
  • Verteilte Stromversorgungsarchitekture

Die raue Schienenumgebung

Hitze, Frost, Vibration, mechanische Einwirkungen – all das kann die Elektronik schwer beschädigen. DC/DC-Wandler sind in der Bahntechnik extrem rauen Bedingungen ausgesetzt und müssen über ihre gesamte Nutzungsdauer ordnungsgemäß und zuverlässig funktionieren.

Ingenieure wählen daher DC/DC-Wandler, die diesen außergewöhnlichen Bedingungen standhalten können und für Bahnanwendungen zertifiziert sind.

EN 50155 - Elektronische Ausrüstung auf Schienenfahrzeugen

Die Norm EN50155 (Bahnanwendungen - Elektronische Einrichtungen auf Schienenfahrzeugen) enthält genau definierte Anforderungen an Informationssysteme und elektronische Komponenten, die in der Bahntechnik eingesetzt werden dürfen. Dies gilt auch für DC/DC-Wandler, die unter extremen Bedingungen wie Hitze, Kälte, Erschütterungen und Vibration über viele Jahre hinweg als zuverlässige Stromversorgungen funktionieren müssen.

EN50155 ist ein Leistungsstandard für elektronische Ausrüstungen in Schienenfahrzeugen (im Grunde alle Schienenfahrzeuge, die sich bewegen, einschließlich Lokomotiven, Personenwaggons, Stadtbahnen und Güterzüge). Er legt Mindestanforderungen für den Eingangsspannungsbereich, die elektrische Isolierung, die Betriebstemperatur, die Toleranz gegenüber Erschütterungen, Vibration und Feuchtigkeit, die erforderliche EMV und Zuverlässigkeit der Geräte sowie die erwartete Lebensdauer fest.

Bei elektronische Ausrüstungen für Schienenfahrzeuge wird eine sehr lange Lebensdauer von bis zu 20 Jahren vorausgesetzt. Die Prüfung der Toleranz gegenüber den Umgebungsbedingungen sollte daher äußerst gründlich sein. Neben den üblichen Betriebstemperaturtests sind zusätzliche Temperaturwechsel-, Trockenhitze- und Feuchtwärmeprüfungen vorgeschrieben. Nur ein vollständig vergossener oder abgedichteter DC/DC-Wandler kann diese Anforderungen erfüllen.

Extreme Temperaturen

Im Sommer können die Temperaturen auf +60°C oder mehr steigen, im Winter sind bis zu -30°C oder weniger möglich. Wandler, die in Schienenfahrzeugen eingesetzt werden, sind starken Vibrationen ausgesetzt. All das bringt herkömmliche DC/DC-Wandler an ihre Grenzen.

Die neue Norm EN50155 legt sechs verschiedene Betriebstemperaturbereiche fest und umfasst auch die Prüfung der Betriebstemperaturen und der erweiterten Temperaturgrenzen beim Anfahren.

Erschütterungen, Vibration und Schmutz

In Triebwagen und Lokomotiven eingebaute Komponenten sind erheblichen Vibrationen und anderen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Beim Rangieren ist eine Beschleunigung von bis zu 5G nicht selten. Ein noch größeres Problem ist die konstante Vibrationsbelastung während der Fahrt, die zu mechanischer Ermüdung und damit zum Versagen der Module führen kann. Um solche Ausfälle zu vermeiden, wurde die Norm EN 61373 erarbeitet, die Mindestwerte für die Vibrations- und Stoßfestigkeit von Stromversorgungen in Bahnanwendungen festlegt.

Bei der Prüfung von Vibrationen, Stößen und Erschütterungen ist es wichtig, den Standort der Endausrüstung zu berücksichtigen - ob sie also im Führerhaus, in den Personenwaggons oder noch exponierter an Fahrwerken oder Drehgestellen montiert ist. Da DC/DC-Wandler hauptsächlich in Lokomotiven installiert werden, müssen sie normalerweise den Anforderungen der Klasse 1B entsprechen.

Feuchtigkeit

EN 50155 gibt hier allgemeine Richtlinien vor: relative Luftfeuchtigkeit von durchschnittlich 75%, gefolgt von 30 aufeinanderfolgenden Tagen mit 95% relativer Luftfeuchtigkeit. Für die elektronische Ausrüstung bedeutet dies in den meisten Fällen, dass ein wasserdichtes Gehäuse oder lackierte Baugruppen erforderlich sind.

Strenge EMV-Anforderungen

Bahnelektronik muss auch in extrem ungünstigen elektromagnetischen Umgebungen einwandfrei funktionieren. Denn zum einen ist sie starken Magnetfeldern ausgesetzt, die von Elektromotoren und Transformatoren erzeugt werden, zum anderen muss sie den von den Stromabnehmern ausgehenden Störungen standhalten.

Zudem gibt es zahlreiche Störquellen wie Mobiltelefone und Laptops, die von Passagieren mit an Bord gebracht werden. Keine dieser Störquellen darf in irgendeiner Weise die Funktion hochempfindlicher Komponenten wie Antriebsbaugruppen, Motorsteuereinheiten und Anzeigen beeinträchtigen.

Um dies zu gewährleisten, verweist EN 50155 wiederholt auf die Ergänzungsnorm EN 50121-3-2 „Bahnanwendungen - Elektromagnetische Verträglichkeit - Schienenfahrzeuge - Geräte“, die klare Grenzwerte für gestrahlte und leitungsgeführte Störungen sowie strenge Anforderungen an die Widerstandsfähigkeit gegen Überspannung und Transienten festlegt. Um diese EMV-Anforderungen zu erfüllen, ist ein EMV-Filter erforderlich. Dieser absorbiert alle leitungsgebundenen Emissionen und schützt den DC/DC-Wandler.

Was ist bei der Auswahl eines DC/DC-Wandlers für Bahnanwendungen zu berücksichtigen?

Eingangsspannungsbereich

Im Bahnbereich wird traditionell eine große Anzahl unterschiedlicher Versorgungsspannungen eingesetzt. Die gebräuchlichsten Nennspannungen sind 24VDC, 48VDC, 72VDC, 96VDC und 110VDC.

Die neueste Ausgabe von EN50155 definiert sieben verschiedene standardisierte Gleichspannungen, wobei 110VDC die am häufigsten in Zügen verwendete ist. Bei Stadtbahnen, Straßenbahnen und Oberleitungsbussen kommen meist 24V- bis 48V-Schienen zum Einsatz.

Um die Anforderungen an die Nenneingangsspannungen zu erfüllen, entscheiden sich die Entwickler von Bahnanwendungen für 4:1-Wandler wie die Serien RP20-FR und RP40-FR von RECOM. Diese decken den gesamten Nenneingangsspannungsbereich mit nur 3 verschiedenen Wandlermodellen ab.

Nominal
Input Voltage
EN50155 RECOM
RPxx-FR Serie
Input Range Min. Input (0,1s) Max. Input (1s) Input Range Min. Input Max. Input (1s)
24V 16.8-30V 14.4V 33.6V 9-36V 9V 50V
48V 33.6-60V 28.8V 67.2V 18-75V 18V 100V
72V 50.4-90V 43.2V 100.8V 43-160V 43V 170V
96V 67.2-120V 57.6V 134.4V 43-160V 43V 170V
110V 77-137.5V 66V 154V 43-160V 43V 170V

Abb.: EN50155-zertifizierte DC/DC-Wandler müssen starke Eingangsspannungsschwankungen tolerieren. Die RPxx-FR Serie von RECOM deckt den gesamten Bereich von 24 bis 110 V mit drei Wandlertypen ab. Der RPA100H und der RPA200H decken den gesamten Spannungsbereich sogar mit nur einem Modul ab.

EN50155 legt fest, dass die Nenneingangsspannung zwischen dem 0,7- und 1,25-fachen der Nennspannung schwanken darf, und erlaubt kurzfristige Abweichungen zwischen dem 0,6- und 1,4-fachen dieses Wertes. Das bedeutet, dass ein 48V DC/DC-Wandler einen Spannungsbereich von 28,8V bis 67,2V abdecken muss.

Bis vor kurzem herrschte Einigkeit darüber, dass 4:1-Konverter in Bezug auf Effizienz und Wirtschaftlichkeit an ihre Grenzen stoßen. Das ändert sich nun mit den neuesten 100W und 200W DC/DC-Wandlern von RECOM. Der RPA100H und der RPA200H verfügen über einen breiten 10:1-Eingang, um alle gängigen Spannungswerte in einem Modul abzudecken.

Gehäusegröße

DC/DC-Bahnwandler werden oft als Bricks, Half Bricks und Quarter Bricks bezeichnet. Ein Full Brick hat die Maße 4.6 x 2.4 x 0.5 Zoll, ein Half Brick 2.3 x 2.4 x 0.35 Zoll und ein Quarter Brick 2.3 x 1.45 x 0.35 Zoll. Es gibt aber auch DIP24-, 1''x1''- und 2''x1''-Gehäuse für Wandler mit geringerer Leistung.

Neuere Schaltnetzteile im Quarter-Brick-Format liefern eine elektrische Leistung von 250 Watt oder mehr. Dies ist eine deutliche Verbesserung gegenüber dem zuvor benötigten Slot und bedeutet mehr Raum für die Ergänzung weiterer Funktionen.

Die Spezifikation umfasst auch den Pin-Ausgang. DC/DC-Wandler in Bahnanwendungen, die dem Standard entsprechen, können leicht ausgetauscht werden, wenn die Entwickler dies wünschen.

DC/DC-Wandler

RECOM hat über die Jahre sein Portfolio an DC/DC Wandlern für die Bahntechnik im Leistungsbereich von 8W bis 240W stark erweitert und kann nun das größte Angebot an EN50155 zertifizierten Produkten aufweisen.

Die Bahntechnik-zertifizierten Serien in kompakten Gehäusen zeichnen sich durch eine äußerst hohe Leistungsdichte von bis zu 4,5W/cm³ aus und liefern bis zu 240W Leistung. Für ein überlegenes thermisches Verhalten verfügt das RECOM Portfolio auch über Serien wie den 12W RP12-AR, 20W RPA20-AW und 30W RPA30-AW in einem 1”x1” Gehäuse und den 60W RPA60-FW in einem 2”x1” Gehäuse. Die regulierten DC/DC Wandler mit weitem 4:1 Eingangsspannungsbereich wurden speziell für anspruchsvolle Bahntechnikanwendungen konzipiert. Die Serien RPA100H und RPA200H bieten sogar einen besonders weiten 10:1 Eingangsspannungsbereich und decken so alle nominalen Eingangsspannungen von 24VDC bis 110VDC mit nur einem Produkt ab.

Alle Serien sind EN50155 zertifiziert* und wurden für den Einsatz in rauer Umgebung oder in Schienenfahrzeugen konzipiert. Auch sind sie aufgrund ihrer UL/cUL60950 Zertifizierung eine sichere Wahl für Industrie und Telekommunikationsapplikationen. Neben den 3,3V, 5V, 12V, und 15V single Ausgängen sind auch ±12V und ±15V dual Ausgänge erhältlich. Die Control Pin Logik kann positiv oder negativ gewählt werden. Mit Wirkungsgraden von bis zu 93% genügt in der Regel die Kühlung durch natürliche Konvektion, bei Bedarf sind die Module aber auch mit vormontiertem Kühlkörper erhältlich. Alle Module sind mit der bei RECOM üblichen 3jährigen Gewährleistung ausgestattet.

Die RSPxxx-168 Module wurden für den Schutz vor Surge-Pulsen entwickelt, um Bahntechnik-Wandler vor übermäßigen Spannungsspitzen von bis zu 385VDC zu schützen.

RECOM verfügt auch über Evaluierungsplattformen für DC/DC-Wandler bis 240W. Sie sind entweder in Hochspannungs- (-1) oder Hochstrom (-2) -Layouts erhältlich und enthalten einen RIA12-Überspannungsstopper. R-REF04-RIA12.

  • Eingangsspannung von 9 bis 160VDC
  • 8 bis 240 Watt Leistung
  • EN50155 zertifiziert*
  • UL/IEC/EN60950 zertifiziert & CE gekennzeichnet
  • UL Component Recognised
  • Wirkungsgrad bis zu 93%
  • Temperaturbereich von -45°C bis +97°C
  • DIP24/SMD, 1”x1”, 2”x1”, 1/4 Brick und 1/2 Brick
  Series Power (W) Vin (V) Nr. of Outputs Vout 1 (V) Mounting Type
1 DC/DC, 8.0 W RP08-AW Series Fokus 8.0 9.0 - 36.0, 18.0 - 75.0, 43.0 - 160.0 Single, Dual 3.3 - 15.0 THT, SMD
2 DC/DC, 150.0 W, Single Output, THT RPA150E-EW Series Fokus 150.0 9.0 - 60.0 Single 12.0, 24.0, 48.0 THT
3 DC/DC, 150.0 W, Single Output, THT RPA150Q-RUW Series Fokus 150.0 14.4 - 170.0 Single 12.0, 24.0, 54.0 THT
4 DC/DC, 20.0 W, THT RPA20-AW Series Fokus 20.0 9.0 - 36.0 Single, Dual 3.3 - 15.0 THT
5 DC/DC, 30.0 W, THT RPA30-AW Series Fokus 30.0 9.0 - 36.0 Single, Dual 3.3 - 15.0 THT
6 DC/DC, 60.0 W, Single Output, THT RPA60-FW Series Fokus 60.0 9.0 - 36.0 Single 5.0 - 24.0 THT
7 DC/DC, Single Output, THT RP100H-RW Series 100.0, 101.0 9.0 - 36.0, 16.5 - 75.0, 43.0 - 160.0 Single 5.0 - 48.0 THT
8 DC/DC, 12.0 W, THT RP12-AR Series 12.0 36.0 - 160.0 Single, Dual 3.3 - 24.0 THT
9 DC/DC, Single Output, THT RP120Q-RW Series 120.0, 130.0, 132.0 9.0 - 36.0, 16.5 - 75.0, 40.0 - 160.0 Single 5.0 - 48.0 THT
10 DC/DC, Single Output, THT RP180H-RW Series 140.0 - 182.0 9.0 - 36.0, 16.5 - 75.0, 43.0 - 160.0 Single 5.0 - 48.0 THT
11 DC/DC, 20.0 W, THT RP20-FR Series 20.0 9.0 - 36.0, 18.0 - 75.0, 43.0 - 160.0 Single, Dual 3.3 - 15.0 THT
12 DC/DC, Single Output, THT RP240H-RW Series 177.5 - 240.0 9.0 - 36.0, 16.5 - 75.0, 43.0 - 160.0 Single 5.0 - 48.0 THT
13 DC/DC, 40.0 W, THT RP40-FR Series 40.0 9.0 - 36.0, 18.0 - 75.0, 43.0 - 160.0 Single, Dual 3.3 - 24.0 THT
14 DC/DC, 40.0 W, Single Output, THT RP40Q-RUW Series 40.0 16.0 - 160.0 Single 5.0 - 48.0 THT
15 DC/DC, 60.0 W, Single Output, THT RP60Q-RUW Series 60.0 16.0 - 160.0 Single 5.0 - 48.0 THT
16 DC/DC, Single Output, THT RP75H-RW Series 75.0, 77.0 9.0 - 36.0, 18.0 - 75.0, 43.0 - 160.0 Single 5.0 - 48.0 THT
17 DC/DC, Single Output, THT RP90Q-RW Series 82.5 - 90.0 9.0 - 36.0, 16.5 - 75.0, 40.0 - 160.0 Single 5.0 - 48.0 THT
18 DC/DC, 200.0 W, Single Output, THT RPA200H-RUW Series 200.0 16.5 - 140.0 Single 12.0 - 48.0 THT
19 DC/DC, THT RSPxxx-168 Series 20.0, 150.0, 300.0 40.0 - 160.0 168.0 THT
*RP08-AW, RP12-AR, RP20-FR, RPA20-AW, RPA30-AW, RP40-FR, RP40Q-RUW, RP60Q-RUW, RPA60-FW, RP75HRW, RP90Q-RW, RP100H-RW, RP120Q-RW, RP180H-RW, RP240H-RW
Für DC/DC-Anwendungen im Bahnbereich mit höherer Leistung bietet die RECOM-Baureihe RMD eine Ausgangsleistung von 150kW bis 500W bei nominal 24V, 36V, 48V, 72V oder 110V. Sie verfügt über fünf Eingangsspannungsbereiche, die den Bereich von 14,4V bis 170V DC abdecken. Das hocheffiziente Design ist typgeprüft gemäß Eisenbahnnorm EN 50155.
  Series Power (W) Vin (V) Nr. of Outputs Vout 1 (V) Mounting Type
1 DC/DC, 500.0 W, Single Output, Chassis mounting RMD500-EW Series Fokus 500.0 43.2 - 170.0 Single 12.0, 24.0, 48.0 Chassis mounting
2 DC/DC, 150.0 W, Single Output, Chassis mounting RMD150-UW Series Coming Soon 150.0 14.4 - 154.0 Single 24.0 Chassis mounting

AC/DC-Wandler

RECOM bietet Batterieladegeräte mit Drehstromeingang und aktiver Blindleistungskorrektur an, die den Eisenbahnnormen entsprechen. Es gibt sie mit den Leistungswerten 3,2kW (Baureihe SA3200) und 5kW (Baureihe SA5000), die bis zu 20kW kaskadiert werden können. Die Baureihe SA3200 arbeitet auch mit DC-Eingangsspannungen bis zu 800V. Die Ausgangsspannungen beider Baureihen gibt es von 24V bis 110V Nennspannung (und alle Werte dazwischen wie 36/48/72/96V).
Series Type Description
SA3200
Cascadable Battery charger Power 3200W, Vin 400V3AC or 700VDC, Vout 24-110V
SA5000
Cascadable Battery charger Output Power 5kW, Vin 360-440VAC 3 Phases 3 wires RST, Vout 39.5-58VDC

DC/AC-Wandler

Für Bahnanwendungen umfasst die RECOM-Baureihe ID250 modulare DC/AC-Wechselrichter mit 24V, 48V, 72V oder 110V DC Nenneingangsspannung. Der Ausgang liefert Einphasen-Wechselstrom mit 200-240V oder 50-156V bei der Ausführung mit 48V-Eingang. Die Baureihe hat die Zulassung für Bahnwendungen und wird gewöhnlich eingesetzt, um Strom für Passagier-Steckdosen oder Fahrer-Bedienpulte bereitzustellen.
Series Type Description
ID250
Railway Inverter Power 240W, Vin 24-48-72-110VDC, Vout 48VDC: 50-156VAC / 24-72-110VDC: 200-240VAC

Plug & Play Designs, die Bahnanwendungen zugutekommen

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