鐵路應用對電源的要求

鐵路的發(fā)展已有百余年歷史，其行駛能力和安全性已得到充分發(fā)展?，F代列車(chē)往往會(huì )增加信息顯示屏、充電插座、自動(dòng)售貨機等便民、娛樂(lè )功能。越來(lái)越多的新增設備意味著(zhù)電源轉換器的功率必須增大，而在列車(chē)空間有限的情況下，電源轉換器的體積必須保持不變甚至縮小。因此，高功率密度的鐵路電源將成為一種趨勢。

歐洲是最早發(fā)展鐵路的地區，因此與鐵路相關(guān)的國際標準也日臻完善。由于列車(chē)長(cháng)期暴露在外，必須面對惡劣的環(huán)境，如溫度變化、灰塵和振動(dòng)，以及電氣設備的電壓波動(dòng)和瞬變。因此，歐洲最常用的規范 EN50155 不僅列出了電氣設備的工作條件和電源的電壓范圍，還列出了可靠性的條件。此外，英國使用的 RIA12 標準也強調了瞬態(tài)效應和浪涌效應的規范。以下列出的是 CTC 鐵路產(chǎn)品的重要特性，也是 EN50155 規范的特別之處。

• 工作溫度范圍

在溫度要求方面，分為 6 個(gè)等級，如表 1 所示。如果是駕駛室或乘客艙內的設備，則必須滿(mǎn)足 OT1 或 OT2 的溫度規格。如果是設備中使用的部件，則必須滿(mǎn)足 OT3 或 OT4 規格。OT5 或 OT6 可用于半導體驅動(dòng)單元或內燃機控制單元。它不能作為車(chē)輛要求的一般規格。CTC 設計的鐵路產(chǎn)品均符合 OT4 的溫度要求。低溫工作溫度可達 -40°C，高溫工作溫度可超出標準 100°C 以上。

表 1. 工作溫度范圍

• 電壓供應的變化

   由于列車(chē)上電路系統的供電可能會(huì )受到影響，EN50155 分別定義了兩種狀態(tài)。在穩定狀態(tài)下，電壓波動(dòng)在 0.7*Vin 和 1.25*Vin 之間。在瞬態(tài)時(shí)，電壓波動(dòng)在標準電壓的 0.6*Vin 和 1.4*Vin 之間。在這些電壓變化期間，不會(huì )造成功能偏差和損壞。

以常用的 24 VDC 和 110 VDC 輸入電壓為例，瞬態(tài)時(shí)的電壓波動(dòng)最大，從 0.6*Vin 到 1.4*Vin。如圖 1 所示，當輸入電壓為 24VDC 時(shí)，電壓范圍必須包括 14.4 ~ 33.6VDC 。當輸入電壓為 110VDC 時(shí)，電壓范圍必須包括 66 ~ 154VDC。為了滿(mǎn)足 EN50155 的要求，電源轉換器需要有較寬的輸入電壓范圍。例如，CTC 的 3:1 輸入范圍產(chǎn)品可覆蓋 110V 所需的電壓變化，而 12:1 輸入范圍產(chǎn)品也可滿(mǎn)足從 24V 到 110V 的全方位需求。

• 電壓供應中斷

電壓下降或短期斷電也是不可避免的。因此，EN50155 規定了電源電壓中斷等級，分為 S1、S2 和 S3。嚴格的是 S3。當輸入電壓下降到 0V 持續 20ms 時(shí)，輸出電壓必須保持穩定，不能導致設備故障。

此外，電源轉換時(shí)輸出電壓也會(huì )發(fā)生變化。當輸入電壓降至 0.6*Vin 時(shí)，輸出電壓保持穩定，符合 C1 級。當輸入電壓降至 0V 并在 30mS 后恢復正常時(shí)，輸出電壓在此過(guò)程中保持穩定，符合 C2 級。

通常需要通過(guò)外接電容器來(lái)實(shí)現這一規格。如果是帶 Vbus 引腳的產(chǎn)品，則需要在 Vbus 和 -Vin 之間加一個(gè)電容（Cbus），如圖 2- (a) 所示。在不同電源的轉換過(guò)程中，列車(chē)上的電力會(huì )在短時(shí)間內變得不穩定，如電壓驟降或短期斷電。保護電路適用于這種情況，如圖 2- (b)所示。并聯(lián)二極管 (D1) 和電阻 (R1)，然后串聯(lián) Chold。根據數據手冊，選擇不同電容的 Chold 可維持 10~30ms 的保持時(shí)間。

此外，對于沒(méi)有 Vbus 引腳的產(chǎn)品，必須在 +Vin 和 -Vin 之間連接保持電路，如圖 3 所示。根據數據手冊，選擇不同的 Chold 電容可以保持 10~30ms 的保持時(shí)間。

• 隔離電壓

EN50155 將輸入電壓分為三個(gè)隔離耐壓等級，并在規定的等級下保持 1 分鐘，如表 2 所示。CTC 的鐵路產(chǎn)品具有高達 3000VAC 的隔離電壓，這是規范中最高的隔離電壓等級。

表 2. 隔離電壓

• 電磁兼容性

EMC 要求參照表 3，并以 IEC 61000 規范為基礎。ESD 是一種人體放電模式，要求接觸放電 ±6kV 和空氣放電 ±8kV?？焖偎矐B(tài)要求 ±2kV。浪涌要求線(xiàn)對線(xiàn) ±1kV 和線(xiàn)對地 ±2kV。

表 3. 鐵路電磁兼容性要求

應用

如圖 4 所示，列車(chē)分為駕駛艙、乘客艙、推進(jìn)系統和軌道側四個(gè)部分。首先，為了保證列車(chē)牽引、制動(dòng)等系統的正常運行，推進(jìn)系統包括驅動(dòng)電路、計算機和冷卻風(fēng)扇。而為了營(yíng)造舒適的乘車(chē)環(huán)境，車(chē)廂內還配備了照明系統、來(lái)車(chē)提示顯示系統、空調等電子設備，這也是現代鐵路列車(chē)所不可或缺的。主要控制設備位于駕駛艙內，ECU 是主要控制終端，提供車(chē)門(mén)控制、廣播和安全監控設備。最后，軌道一側還有信號控制系統和安全系統，用于向司機和車(chē)長(cháng)提供正確的信號，確保行車(chē)安全。

列車(chē)上的直流電源系統主要有 24VDC 和 110VDC 兩種，通過(guò)隔離式電源轉換器向各系統提供電壓。

下圖 5 是鐵路計算機應用框圖。列車(chē)上的直流系統向鐵路計算機提供 24VDC 或 110VDC 直流電，并通過(guò)隔離式 DC/DC 轉換器轉換成單片機所需的電壓。內部包括 MCU、DSP、通信接口、存儲器和其他功能模塊。計算機系統是整個(gè)列車(chē)的控制核心，可控制每個(gè)車(chē)廂內的煙霧探測器、IP 攝像機、門(mén)控、空調和廣播等電氣設備。

列車(chē)上的各種設備對功率的要求不同，設備的功率分布大致如圖 6 所示。驅動(dòng)控制和動(dòng)力控制需要大量的能量來(lái)驅動(dòng)，一般為 200 ~ 300W。計算機和鐵路信號系統是列車(chē)的主要核心，功率在 150W 以上。輔助電門(mén)和照明設備由列車(chē)上的輔助電源供電，還有應急對講、監視器、廣播等通信設備，由車(chē)輛供電，利用 DC/DC 轉換器轉換成需要的電壓。功率一般為 70~150W。娛樂(lè )設備和屏幕是附加設備，使用 20~60W 的中低功率。