การบูรณาการแก้ปัญหาความท้าทายด้านการออกแบบพลังงานในอุตสาหกรรมรถไฟ

บูรณาการอำนาจ โมดูล ในการใช้งานระบบรางรถไฟได้อย่างมีประสิทธิภาพและง่ายดาย ถือเป็นข้อกังวลอย่างมากสำหรับผู้ผลิตแหล่งจ่ายไฟจำนวนมากขึ้น โมดูลจ่ายไฟดังกล่าวควรสามารถปรับให้เข้ากับระบบหรือความแปรผันของสภาพแวดล้อมตามการใช้งานเฉพาะได้ ในเรื่องนี้ช่วงอินพุต DC/DC กว้างเป็นพิเศษ Converter สามารถตอบสนองความต้องการและรองรับแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดทั้งหมดสำหรับการใช้งานที่เกิดจากรถไฟ เนื่องจากการจราจรทางรถไฟต้องเผชิญกับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง ตัวแปลง DC/DC ควรได้รับการรับรองตามมาตรฐาน EN 50155, EN 61373 และ EN 45545-2

ตัวอย่างหนึ่งที่ให้การปรับตัวนี้คือโมดูลตัวแปลง DC/DC EC7BW18-ECRT/EDRT จาก Cincon Electronics Co., Ltd. ชุดนี้มีตัวแปลงที่มีแรงดันไฟฟ้าอินพุตกว้างพิเศษแบบ all-in-one 10 VDC ถึง 160 VDC มีจำหน่ายใน แบบติดตั้งบนโครงเครื่องหรือแบบติดตั้งบนโครงเครื่องพร้อมตัวเลือกราง DIN ซีรีส์นี้เป็นไปตามมาตรฐาน EN 50155 โดยมีความผันผวน แรงดันไฟฟ้า และรองรับแรงดันไฟฟ้าแบบกระจาย 24 VDC, 36 VDC, 48 VDC, 72 VDC, 96 VDC และ 110 VDC ตามที่แสดงใน 1 ตาราง.

ตารางที่ 1: ช่วงแรงดันไฟฟ้าขาเข้า EN 50155 (ที่มา: Cincon Electronics Co., Ltd.) คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่

ทำไมต้องเป็นโซลูชั่นแบบเบ็ดเสร็จ

โซลูชันแบบครบวงจร 20-W EC7BW18-ECRT/EDRT ของ Cincon รวมโมดูลพลังงานอเนกประสงค์สำหรับการใช้งานทางรถไฟ (ที่มา: Cincon Electronics Co.,Ltd.) คลิกที่นี่เพื่อดูรูปภาพใหญ่

ความท้าทายที่ซับซ้อนที่สุดบางส่วนในภาคการรถไฟสมัยใหม่ที่นักออกแบบระบบต้องเผชิญคือวิธีจัดการกับการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) เวลาพัก และปัญหาปัจจุบันที่ไหลเข้า พวกเขาต้องใช้เวลามากในการเชื่อมต่ออุปกรณ์ต่อพ่วง วงจรไฟฟ้า ไปยังแต่ละโมดูลวงจรสำหรับระบบควบคุม

โซลูชันแบบเบ็ดเสร็จจึงช่วยให้นักออกแบบด้านวิศวกรรมไม่ต้องเลือกวงจรภายนอก เช่น ตัวจำกัดกระแสไฟเข้าหรือตัวกรองสัญญาณรบกวนสำหรับตัวแปลงกำลังไฟฟ้าก่อนที่จะติดตั้ง โซลูชันแบบเบ็ดเสร็จนี้ประกอบด้วยส่วนประกอบในตัว เช่น ตัวจำกัดกระแสไหลเข้า ตัวกรองสัญญาณรบกวน และวงจรพัก เพื่อให้ผู้ออกแบบระบบรวมเข้ากับระบบรางได้ง่ายขึ้น เมื่อใช้โซลูชันตัวแปลงแบบเบ็ดเสร็จ ผู้ออกแบบระบบจะลดความซับซ้อนของงานโดยเพียงแค่ติดตั้งและทดสอบเพื่อดูว่าสามารถทำงานได้อย่างราบรื่นบนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หรือไม่ โซลูชันนี้ยังช่วยลดต้นทุนรายการวัสดุด้วยการลดจำนวนส่วนประกอบภายนอก นอกจากนี้ แม้ว่าตัวแปลงแบบเบ็ดเสร็จจะล้มเหลว แต่ก็สามารถเปลี่ยนได้ในโมดูลเดียว

รูปที่ 1: บล็อกไดอะแกรมของ EC7BW18-ECRT/EDRT (ที่มา: Cincon Electronics Co., Ltd.)

เป็นไปตามมาตรฐาน EN 50155

EN 50155 เป็นมาตรฐานยุโรปสำหรับระบบอิเล็กทรอนิกส์ในสต็อกกลิ้งสำหรับการใช้งานทางรถไฟ 2 ตาราง แสดงการทดสอบต่างๆ เช่น อุณหภูมิ ความชื้น การสั่นสะเทือน การกระแทก และลักษณะทางไฟฟ้าอื่นๆ ที่ตัวแปลงไฟฟ้าต้องได้รับก่อนการรับรอง ตัวอย่างเช่น ซีรี่ส์ EC7BW18-ECRT/EDRT ได้รับการตรวจสอบในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงของระบบที่ขับเคลื่อนด้วยรถไฟและได้รับการรับรองสำหรับการใช้งานทางรถไฟ

ตารางที่ 2: การทดสอบ EN 50155 (ที่มา: Cincon Electronics Co., Ltd.) คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่

ตัวจำกัดกระแสไหลเข้า

ตัวแปลง DC/DC สำหรับการใช้งานทางรถไฟจำเป็นต้องมี capacitor ที่ด้านอินพุตเพื่อรักษาเวลาค้าง ถึงกระนั้น ลักษณะชั่วคราวของตัวเก็บประจุก็จะมีกระแสไหลเข้าที่สูงขึ้น การลดกระแสไฟกระชากจึงเป็นสิ่งสำคัญในกรณีที่ทำให้แรงดันไฟฟ้าตกในแหล่งจ่ายไฟส่วนหน้าหรือการป้องกันกระแสเกินของแหล่งจ่ายไฟส่วนหน้า ส่งผลให้ไม่มีเอาต์พุตจากตัวแปลง

เพื่อจัดการกับปัญหาเหล่านี้ ซีรีย์ EC7BW18-ECRT/EDRT ได้นำเอาตัวจำกัดการไหลเข้าในตัวซึ่งให้ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น นอกจากนี้ยังได้รับอิทธิพลน้อยกว่าจากอุณหภูมิแวดล้อม กราฟด้านล่างระบุข้อมูลที่แตกต่างกันของกระแสไฟเข้าที่มีแรงดันไฟขาเข้า 36 VDC เท่ากันผ่านการทดสอบโดยใช้ EC7BW18-72S05-ECRT สองชุด ด้วยตัวจำกัดกระแสไฟเข้าที่แอ็คทีฟ กระแสไฟเข้าคือ 3.12 A in รูป 2ในขณะที่ รูป 3หากไม่มีลิมิตเตอร์กระแสไฟเข้าจะเป็น 27.6 A หากแรงดันไฟฟ้าอินพุตสูงขึ้น กระแสไฟกระชากจะมากขึ้น

รูปที่ 2 (ซ้าย) พร้อมตัวจำกัดกระแสไฟเข้า และรูปที่ 3 (ขวา) ที่ไม่มีตัวจำกัดกระแสไฟเข้า CH1 คือแรงดันไฟฟ้าขาเข้า CH2 คือกระแสไฟขาเข้าและ CH3 คือแรงดันขาออก (ที่มา: Cincon Electronics Co., Ltd.) คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่

วงจรพักสาย

ระบบไฟฟ้ารถไฟมีแนวโน้มที่จะผันผวนของแรงดันไฟฟ้าในช่วงเวลาสั้น ๆ เนื่องจากได้รับผลกระทบจากสวิตช์ระหว่างเครื่องกำเนิดไฟฟ้า แบตเตอรี่ และคัดลอก สถานการณ์อาจนำไปสู่วงจรเปิดในระยะสั้นหรือไฟฟ้าลัดวงจร

การทดสอบการจ่ายไฟ EN 50155 โดยพิจารณาจากการหยุดชะงักของการจ่ายแรงดันไฟและการเปลี่ยนการจ่ายไฟ แบ่งออกเป็นประเภทประสิทธิภาพที่แตกต่างกัน:

การหยุดชะงักของการจ่ายแรงดันไฟฟ้า:

• Class S1: ไม่มีการหยุดชะงักของแรงดันไฟฟ้า ไม่มีการร้องขอเกณฑ์ประสิทธิภาพ แต่อุปกรณ์จะต้องทำงานต่อไปตามที่ระบุหลังจากแรงดันไฟฟ้าหยุดชะงัก
• Class S2: เวลาขัดจังหวะ 10 ms, เกณฑ์ประสิทธิภาพA
• Class S3: เวลาขัดจังหวะ 20 ms, เกณฑ์ประสิทธิภาพA

การเปลี่ยนซัพพลาย:

• คลาส C1: ​​ที่ 0.6* Vin ระหว่าง 100 ms (ไม่มีการหยุดชะงัก) เกณฑ์การปฏิบัติงาน A
• คลาส C2: ระหว่างช่วงการจ่าย 30 ms ที่ระบุที่ Vin เกณฑ์การปฏิบัติงาน B

ตามข้อกำหนดของ S2, S3 และ C2 จำเป็นต้องเพิ่มตัวเก็บประจุที่ด้านอินพุตของตัวแปลง DC/DC ค่าความจุสามารถอนุมานได้โดยสูตรดังนี้:

สูตรนี้เผยให้เห็นว่าด้วยเวลาพักเท่ากันและอินพุตแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่า ค่าความจุที่ต้องการก็จะยิ่งมากขึ้น

EC7BW18-ECRT/EDRT มีวงจรพักในตัวที่ตรงตามข้อกำหนดของ S2, S3 และ C2 กราฟด้านล่างแสดงตัวเลขเวลาพักระหว่างสองชุดของ EC7BW18-72S05-ECRT ที่มีและไม่มีวงจรพัก ทั้งคู่มีแรงดันไฟฟ้าขาเข้าเท่ากันที่ 24 VDC อย่างไรก็ตาม เวลาพักสำหรับการทดสอบด้วยวงจรพักสายในตัวคือ 13 ms (รูป 4) เทียบกับ 0.88 ms ที่ไม่มีวงจรพัก (รูป 5).

รูปที่ 4 (ซ้าย) พร้อมวงจรพักและรูปที่ 5 (ขวา) ที่ไม่มีวงจรพัก CH1 คือแรงดันไฟขาเข้าและ CH2 คือแรงดันไฟขาออก (ที่มา: Cincon Electronics Co., Ltd.) คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่

โมดูลพลังงานแบบบูรณาการขั้นสูงประกอบด้วยการป้องกัน EMI ตัวจำกัดกระแสไฟเข้า และวงจรพัก ได้รับการอนุมัติโดยมาตรฐาน EN 50155, EN 50121-3-2 และ EN 45545-2 โซลูชันแบบเบ็ดเสร็จมีข้อดีหลายประการสำหรับอุตสาหกรรมการรถไฟ ให้ช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตกว้างพิเศษตั้งแต่ 10 VDC ถึง 160 VDC เหมาะสำหรับพารามิเตอร์แรงดันไฟฟ้าทุกประเภทในพื้นที่ต่างๆ นอกจากนี้ ตัวแปลง DC/DC แบบแยกอินพุต 16:1 ยังใช้ได้กับอุปกรณ์รางบนบอร์ด เนื่องจากความแปรปรวนของแรงดันไฟฟ้าของระบบรางมีขนาดใหญ่กว่า

วงจรพักซึ่งรวมอยู่ในตัวแปลงสัญญาณแบบเบ็ดเสร็จตัวอย่างนี้ ทำหน้าที่เป็นบัฟเฟอร์ระหว่างเหตุฉุกเฉินแม้จะสูญเสียแรงดันไฟฟ้าขาเข้า นอกจากนี้ ตัวกรอง EMI ยังช่วยลดระดับการปล่อยมลพิษที่เพียงพอ และเพิ่มภูมิคุ้มกันต่อการรบกวนจากอุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ที่ไวต่อการสัมผัสที่ทำงานบนรางรถไฟ ในขณะเดียวกัน ประสิทธิภาพสูงถึง 88% ทำให้ช่วงอุณหภูมิในการทำงานอยู่ที่ -40°C ถึง 100°C ดังนั้นโซลูชันตัวแปลงสัญญาณแบบครบวงจรที่มีคุณลักษณะหลากหลายจึงสามารถแก้ปัญหาการออกแบบพลังงานที่ยุ่งยากและเพิ่มความเสถียรของระบบรางรถไฟ