Bahnapplikationen Strom auf der Schiene

Für den Einsatz in Triebwagen- und anderen Schienenfahrzeugen wird von dem verwendeten Equipment verlangt, dass es den klimatischen, mechanischen und elektrischen Umgebungsbedingungen widersteht. Dies gilt auch für DC/DC-Wandler, die verschiedene Systeme im Zug mit Strom versorgen.

Für den Bahnbereich hatten viele Länder innerhalb Europas in der Vergangenheit ihre eigenen nationalen Normen, zum Beispiel die BRB/RIA-Normen im Vereinigten Königreich und die NF F 01-510 für Frankreich. Im Zuge der Privatisierung der nationalen Bahngesellschaften und der generellen Tendenz zur Harmonisierung der nationalen Normen innerhalb der Europäischen Union haben zwei Normen für elektronisches Equipment (EN 50155 und EN 50121) die nationalen Standards weitestgehend ersetzt, wobei die älteren Normen trotzdem immer mal wieder herangezogen werden und dadurch nicht völlig außer acht gelassen werden können. Die am häufigsten in Entwicklungsspezifikationen genannte Norm ist die europäische Norm EN 51055:2007 (Elektronische Einrichtungen für den Einsatz in Schienenfahrzeugen).

Die elektrischen Hauptkriterien bei der Auswahl der DC/DC-Wandler und Stromversorgungsbaugruppen (Bild 1) sind die Festlegung der Eingangsspannung und der Umgebungsbedingungen, bei denen 
diese arbeiten müssen. Eingangsspannungsschwankungen, Unterbrechungen und Transienten müssen ebenso berücksichtigt werden wie statische Entladungen und EMV-Anforderungen. Die Hauptpunkte bei den Umgebungsbedingungen sind Umgebungstemperatur, Schock und Vibration sowie die Luftfeuchte.

Elektronische Systeme und Geräte in Bahnanwendungen werden mit vielfältigen Abweichungen der Eingangsspannung wie Unterspannung, Transienten und Spikes beaufschlagt. Typischerweise müssen sie die volle Funktion auch bei Unterbrechung der Versorgung bis 10 ms gewährleisten. Die nationale UK-Norm BRB/RIA12 (General Specification for Protection of Traction and Rolling Stock from Transients and Surges in DC Control Systems) fordert einen Schutz gegen Surgeaufschlagung in Höhe des 3,5-Fachen der nominalen Versorgungsspannung für 20 ms, was in der Regel eine aktive Klemmschaltung zum Schutz der nachgeschalteten DC/DC-Wandler erforderlich macht. Tabelle 1 zeigt im Detail die Spannungsbereiche, die Unterspannungsgrenzen (Brown-out) und Transienten für jede der in diesem Industriesegment verwendeten Nominalspannungen, die eingehalten werden müssen, um zur EN 55015 konform zu sein, und stellt diese den Anforderungen der nationalen Normen BRB/RIA12 und NF F 05-510 gegenüber.

Nominalspannung Unom 110 V 96 V 72 V 48 V24 VBeschreibung 
EN 5015 77,0 V bis 137,5 V 67,2 V bis 120,0 V 50,4 V bis 90,0 V 33,6 V bis 60,0 V16,6 V bis 30,0 Vdurchgängiger Bereich von 0,7 ∙ Unom bis 1,25  ∙ Unom
 66,0 V57,6 V43,2 V28,8 V14,4 VUnterspannung (0,6 ∙ Unom für 100 ms) 
 154,0 V134,4 V1000,8 V67,2 V33,6 VTransiente (1,4  ∙ Unom für 1 s)
NF F 05-51077,0 V bis 137,0 V-50,0 V bis 90,0 V-18,0 V bis 34,0 Vdurchgängiger Bereich
 55,0 V-36,0 V-2,0 VUnterspannung (0,5  ∙ Unom für 100 ms)
 176,0 V-115,0 V-40,0 VTransiente für 100 ms
 77,0 V bis 137,5 V67,2 V bis 120,0 V50,4 V bis 90,0 V33,6 V bis 60,0 V16,6 V bis 30,0 Vdurchgängiger Bereich von 0,7 ∙ Unom bis 1,25   ∙ Unom
BRB/RIA1266,0 V57,6 V43,2 V28,8 V14,4 VUnterspannung (0,6  ∙ Unom für 100 ms)
 165,0 V144,0 V112,5 V72,0 V36,0 VTransiente (1,5  ∙ Unom für 1 s)
 385,0 V336,0 V252,0 V168,0 V84,0 VTransiente (3,5  ∙ Unom für 20 ms)
Tabelle 1: Die Anforderungen an die Spannungsfestigkeiten können je nach Norm beträchtlich voneinander abweichen

In erster Linie unterscheiden sich die einzelnen Normen in den Unterspannungsgrenzen und den Anforderungen an die Resistenz gegen Stoßspannung (Surge).

Elektromagnetische Konformität

Stoßspannungs-, ESD-, Transienten- und EMV-Anforderungen sind in der 
EN 50121-3-2:2006 (Elektromagnetische Konformität für Schienenfahrzeuge und Einrichtungen) aufgeführt. Es gibt eine Reihe von Normen, welche die Grenzwerte für die elektromagnetische Abstrahlung von Bahnanwendungen gegenüber der Außenwelt sowie für die elektromagnetischen Emissionen und die Störfestigkeit innerhalb der Bahnanwendungen beschreiben. Die älteren nationalen Normen verfügen über andere Anforderungen als die in der EN 50121 beschriebenen und sind daher, wenn sie gefordert werden, separat zu betrachten. Grenzwerte für leitungsgebundene Abstrahlung und Störfestigkeit sind in den Tabellen 2 und 3 aufgeführt.

Frequenzbereich Anforderung 
9 kHz bis 150 kHz keine Begrenzung 
150 kHz bis 500 kHz99 dBµV (Quasi-Peak)
500 kHz bis 30 MHz 93 dBµV (Quasi-Peak) 
Tabelle 2: Leitungsgebundene Störaussendungen nach EN 50121
Störung Anforderung Referenznorm Performancekriterium 
Stoßspannung (Surge) 1,5 µs/50µs (Anstiegszeit/Dauer) EN 61000-4-5 
 ±1 kV an 42 Ω und 0,5 µF (Leitung zu Leitung) -40 °C bis +55 °C +15 K 
 ±2 kV an 42 Ω und 0,5 µF (Leitung zu Masse) -25 °C bis +70 °C +15 K 
schnelle Transiente (Fast Transient Burst) 5 ns/50 ns (Anstiegszeit/Dauer) EN 61000-4-4 
 5 kHz (Wiederholungsfrequenz)   
 ±2 kV (Scheitelspannung)   
durch HF-Felder induzierte Störungen 0,15 MHz bis 80 MHz EN 61000-4-6 
 80% AM, 1 kHz (unmodulierter Träger)   
 10 V (Effektivwert)   
elektrostatische Entladung (ESD) ±6 kV (Kontaktentladung) EN 61000-4-2 
 ±8 kV (Entladung)   
Tabelle 3: Leitungsgebundene Störfestigkeit nach EN 50121

In Tabelle 3 sind auch die Performancekriterien aufgeführt, wie das System während der Tests funktionieren muss. Kriterium A spezifiziert, dass das Gerät seine Funktion während und nach dem Test normal und ohne Fehler ausführen muss. Kriterium B beschreibt, dass das Gerät nach Abschluss des Tests in seine normale Funktion zurückkehren muss, während des Tests aber Einbußen in der Performance haben kann.

Die Normen gelten für Gesamtgeräte, die in Schienenfahrzeuge eingebaut werden können, während DC/DC-Wandler und Subsysteme in der Regel als Komponenten betrachtet werden. Die Produkte, die XP Power für den Einsatz in Bahnanwendungen entwickelt hat, sind zwar entsprechend dieser Vorgaben geprüft, aber die Anforderungen für die Störaussendung, die Störempfindlichkeit und ESD müssen im Endgerät nochmals bewertet werden.

In der EN 50155 sind vier Temperaturklassen aufgeführt (Tabelle 4).

Temperaturklasse Umgebungstemperatur außerhalb des Fahrzeugs Temperatur innerhalb des Schranks Übertemperatur innerhalb des Schranks für 10 Minuten Lufttemperatur im Bereich der Leiterplatte 
T1-25 °C bis +40 °C -25 °C bis +55 °C +15 K -25 °C bis +70 °C 
T2-40 °C bis +35 °C-40 °C bis +55 °C+15 K-40 °C bis +70 °C
T3-25 °C bis +45 °C-25 °C bis + 70 °C+15 K-25 °C bis +85 °C
T4 -40 °C bis +50 °C -40 °C bis + 70 °C +15 K -40 °C bis +85 °C 
Tabelle 4: Temperaturklassen nach EN 50155

Sie werden weiter in Temperatur im Schrank, Temperatur im Schrank während zehnminütiger Übertemperatur und die Umgebungslufttemperatur der Leiterplatte differenziert. Elektrisches Equipment ist so auszulegen, dass es die Stressgrenzen für die relative Luftfeuchte nach den in der oben genannten Norm beschriebenen Gehäusetemperaturbereichen widerstehen kann. Die Grenzen liegen bei ≤75% relative Luftfeuchtigkeit als jährliches Mittel und bei 95% für bis zu 30 Tage nacheinander.

Mechanische Anforderungen

Equipment, das in oder in der Nähe von Schienenfahrzeugen eingesetzt wird, ist ständiger Vibration unterschiedlicher Frequenzen und Stärken ausgesetzt. DC/DC-Wandler und Baugruppen sind typischerweise in ihrem Aufbau robust, aber der Einbau im Gesamtsystem erfordert sorgfältige Betrachtung, da diese Teile oft zu den schwereren Komponenten zählen.

Die EN 50155 und die älteren nationalen Normen spezifizieren, welche Levels die elektrische Einrichtung erfüllen müssen, wobei diese auch von der Platzierung im Gesamtsystem abhängig sind. Die EN 50155 verweist zur Festlegung der Schärfegrade auf die EN 61371:2010. In der EN 61371 sind drei Kategorien aufgeführt. So beschreibt Kategorie 1 auf dem Chassis, Kategorie 2 auf dem Drehgestell und Kategorie 3 auf der Achse montiertes Equipment.

Zusätzlich wird in der Kategorie 1 zwischen der Klasse A für Schränke, Baugruppen, Geräte und Komponenten die direkt an oder unter der Karosserie montiert sind und der Klasse B unterschieden. In die Klasse B fällt alles, was in ein Systemgehäuse eingebaut ist und direkt auf oder unter dem Wagenkasten montiert ist. Die Anforderungen für die Schock- und die Vibrationstests steigern sich von Level 1 zu Level 3.

Beim Vergleich der EN50155 und der älteren BRB/RIA und NF F stellt man fest, dass diese sich in erster Linie in den Unterspannungsgrenzen und den Anforderungen an der Resistenz gegen Stoßspannung (Surge) unterscheiden.

Das große Bild zeigt die neue DC/DC-Wandlerserie »RDC30« von XP Power für die Nominalspannungen 72 V und 110 V. Sowohl diese Baureihe als auch die Familien »RDQ100/150« sind umfassend getestet und erfüllen die genannten Normen. Um die Integration in Baugruppen oder auch Komplettsystemen zu erleichtern, liegen umfangreiche EMV-Reports vor.

Über den Autor:

Gary Bocock ist Technical Director bei XP Power.