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鐵道應用電源選用介紹

鐵道系統的供電環境,大多是從集電弓或第三軌供電系統,將高壓的交、直流電能轉換為列車通系統標準用電,或者是將能量存至列車的電池系統。列車上的用電準位很多,從24V、28V、36V、48V、72V、96V到110V,在系統上比較常見的電壓準位為24V、72V或110V。當系統電源在不同電源之間切換時,或者是保險絲或斷路器保護動作。此時的系統電壓會有較大的電壓波動,如果使用者沒有特別注意,容易造成轉換器毀損。針對這幾點,EN50155中都有個別的定義。

EN50155是歐洲的列車用電設備測試標準,大多數的國家都會參考這個法規,例如中國就是引用了EN 50155的法規,製作國家標準TB/T3021。另外,英國的鐵道標準則是RIA系列,例如RIA-12在電壓波動的要求比較嚴苛。法國標準則是NF-F 48、NF-F-01-510與NF-F67000。德國則是VDE 0435與19PFL。

應用概況

在鐵道系統中,列車的供電方式較多,大致上可以分為三種,如透過發電機組供電,或者是經由集電弓,再透過靜態換流器供電,或者是由蓄電池模組供電。在供電模組轉換的過程中,列車上的電源容易有變異,例如電壓突降或者是短暫無電源的現象發生。以下將列出鐵道應用的轉換器需要注意的項目 :

  • 輸入電壓範圍 :

轉換器的輸入電壓範圍,必須為常態輸入電壓的0.7到1.25倍。另外,轉換器還必須符合暫態的電壓突升或突降,範圍是穩態電壓的0.6到1.4倍,如表1所示。

舉個例子,當系統的常態輸入電壓為24V與48V時,轉換器的常態最低輸入電壓為16.8V,常態最高輸入電壓為60V。針對暫態電壓的突降,輸入電壓要往下支援到14.4V。輸入電壓突升的部分則要支援到67.2V。

表1. 輸入電壓範圍表
Nominal Input Voltage (Vin) Continuous Voltage Range (0.7*Vin-1.25*Vin) Fluctuation Voltage Range
0.6*Vin (0.1S) 1.4*Vin (1S)
24 16.8-30 14.4 33.6
28 19.6-35 16.8 39.2
36 25.2-45 21.6 50.4
48 33.6-60 28.8 67.2
72 50.4-90 43.2 100.8
96 67.2-120 57.6 134.4
110 77-137.5 66 154

 

 

 

 

 

 

 

針對英國的鐵路標準,就必須要參考RIA12的規範。在輸入電壓的規範中,要求設備必須能夠承受3.5倍的常態輸入電壓,如表2所示。

表2. RIA-12 輸入電壓規格
Voltage Level Duration
Brownout Voltage 0.6*Vin 100mS
Transient Voltage 1.5*Vin 1S
3.5*Vin 20mS

一般而言,要符合RIA-12的暫態電壓要求,通常需要外接電壓鉗位線路,如圖1所示。控制IC偵測輸入電壓,當輸入電壓超過須鉗位的電壓時,IC將mosfet操作於歐姆區,使系統端的電壓穩定在轉換器的最高允許輸入電壓。如果只有使用TVS元件鉗位輸入電壓,那TVS則需要消耗巨大的能量,容易發熱損壞。

  • 操作溫度 :

 

針對電子設備的環境操作溫度等級,在EN 50155中有列出對應的要求規範,如表3所示。如果是駕駛室或乘客艙的設備,則必須符合OT1與OT2的溫度規範,高溫的部分都是+55℃,低溫的部分OT1是-25℃,OT2是-40℃。

如果是應用在設備內的零件,則必須要符合OT3、OT4的規範。高溫的部分都是+70℃,低溫的部分OT3是-25℃,OT4是-40℃。

OT5與OT6則是規範應用在半導體驅動器,或內燃機的控制器的設備或零件,並不是用於一般車輛內部的溫度要求。高溫的部分都是+85℃,低溫的部分OT5是-25℃,OT6是-40℃。

表3. 操作溫度表
Class Equipment operating temperature range (°C)
OT1 -25 to +55
OT2 -40 to +55
OT3 -25 to +70
OT4 -40 to +70
OT5 -25 to +85
OT6 -40 to +85
  • 輸入電壓轉換與中斷

列車上的電源容易有變異,例如電壓突降或者是短暫無電源的現象發生,EN50155內有定義輸入電壓異常的規範。表4是輸入電壓中斷的規範,由於供電總線上的過載或故障狀況,以及保險絲或短路器動作後的復電操作,轉換器輸入電壓可能會在短時間內降至0V,或者是呈現低阻抗狀況。

S1的規範是不判定輸入電壓變異時,轉換器的輸出正常與否,但是當變異結束後,轉換器的輸出必須回復正常。當輸入電壓降至0V,並在10mS後恢復正常,在這個過程中,輸出電壓維持穩定,則符合S2的規格。另外,輸入電壓降至0V長達20mS,如輸出電壓維持穩定,則符合S3的規格。

 

表5則為供電轉換時輸出電壓變異的規格,當輸入電壓降至穩態輸入的0.6倍時,輸出電壓維持穩定,則符合C1。當輸入電壓降至0V,並在30mS後恢復正常,在這個過程中,輸出電壓維持穩定,則符合C2的規格。

表4. 輸入電壓中斷要求規範
Class Requirements
S1 In case of voltage interruption, no performance criterion is requested but the equipment shall continue to operate as specified after the voltage interruption
S2 In case of voltage interruption up to 10ms the equipment shall behave according to performance criterion A.
S3 In case of voltage interruption up to 20 ms the equipment shall behave according to performance criterion A

 

表5. 供電轉換要求規範
Class Requirements
C1

At 0.6*Vin duration 100 mS (without interruptions).
Performance criterion A

C2

During a supply break of 30 mS stating at Vin.
Performance criterion B

為了滿足S2,S3和C2類的要求,在任何DC / DC轉換器的輸入端都需要一些額外的能量存儲。最常見的方式就是在輸入端外接電容,可以參考下列公式計算所需的外接電容值:

Po : 轉換器輸出瓦特數

T : 預計維持時間

Eff : 轉換器效率

V1 : 輸入電壓

V2 : 轉換器截止電壓

舉個例子,轉換器的輸出功率為40W,效率為90%。常態電壓為110V,截止電壓為38V,預計維持時間為20mS。帶入公式後得到電容值為166.8uF,這表示如果要符合維持20mS的時間,在輸入端必須要外接大於166.8uF的電容。

  • EMS

列車電氣設備的EMI要求可以參考EN 55011的法規,針對傳導與輻射干擾皆有相對應的規格限制。針對EMC的部分,可以參考表6。由表中可以看到,測試要求皆是參考IEC 61000的規範。ESD 是HBM要求接觸±6Kv、空氣 8kV。Fast transient 要求 2kV。Surge要求線對線 1kV,線對地是 2kV。

表6. 鐵道EMC要求
Test Item Criterion Test Condition
ESD IEC 61000-4-2

Contact discharge±6kV
Air discharge±8kV

Fast Transient IEC 61000-4-4 ±2kV, 5/50nS, 5kHz
Surge IEC 61000-4-5 1.2/50uS
±2kV Line to Ground
±1kV Line to Line
  • 信賴性測試

列車上的電子設備,必須能承受列車在常規運作中的震動與衝擊,以及必須要在各種環境下都能正常運作。EN61373內敘述了針對震動與衝擊的測試需求,如表7所示。針對震動測試有A與B類的分別,A類指的是直接安裝在車體上、下的部件、設備或零件。B類指的是安裝在設置於車輛上、下的設備內的零件。

針對環境測試的部分,可以參考表8的內容。溫度循環可以分為兩種,一種是無通電,另一種是通電。參考的法規是MIL-STD-202G。低溫與高溫下的環境測試,則可以參考EN 60068。

表7. 鐵道震動與衝擊試驗
Test Item Criterion Category Test Condition(m/s2)
Vibration Function
Random
Class A V : 0.75, T : 0.37, L: 0.5
Class B V : 1.01, T : 0.45, L: 0.7
Simulated
long-life
Class A V : 4.25, T : 2.09, L: 2.83
Class B V : 5.72, T : 2.55, L: 3.96
Shock Class A/B V : 30, T : 30, L: 50

表8. 鐵道環境試驗

Test Item Criterion
Temperature Cycling MIL-STD 202G
Power Thermal Cycling MIL-STD 202G
Cold EN 60068-2-1:2009
Dry Heat EN 60068-2-2:2009
Damp Heat EN 60068-2-3:2010
  • 輸入防反接

轉換器輸入電源如果反向接線,不只會造成轉換器損壞,也可能會將系統電源短路。為了確保安裝人員無法將設備的電源反向連接,設計者必須採取特定的保護措施。例如,在機構面上可以採取在輸入端子設計防呆機制。另外,在電氣面上,可以再輸入端串接防反向二極體,以防止極性反接造成的影響。

結論

鐵道的應用環境供電方式較多,電壓的變異性較大,因此具備寬操作電壓的隔離型轉換器,在鐵道應用領域越來越受青睞。例如,可以同時滿足多個常態電壓的轉換器,即可使用單一轉換器,滿足不同應用環境的輸入電壓需求。另外,由於鐵道的應用環境較嚴苛,某些氣候可能會下雪或者是十分炎熱。因此,轉換器具備良好的EMI、EMC以及高信賴性是十分重要的。

 

 

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