鐵路應(yīng)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(xiàn)代列車往往會增加信息顯示屏、充電插座、自動售貨機等便民、娛樂功能。越來越多的新增設(shè)備意味著電源轉(zhuǎn)換器的功率必須增大，而在列車空間有限的情況下，電源轉(zhuǎn)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(qū)，因此與鐵路相關(guān)的國際標準也日臻完善。由于列車長期暴露在外，必須面對惡劣的環(huán)境，如溫度變化、灰塵和振動，以及電氣設(shè)備的電壓波動和瞬變。因此，歐洲最常用的規(guī)范 EN50155 不僅列出了電氣設(shè)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(diào)了瞬態(tài)效應(yīng)和浪涌效應(yīng)的規(guī)范。以下列出的是 CTC 鐵路產(chǎn)品的重要特性，也是 EN50155 規(guī)范的特別之處。

• 工作溫度范圍

在溫度要求方面，分為 6 個等級，如表 1 所示。如果是駕駛室或乘客艙內(nèi)的設(shè)備，則必須滿足 OT1 或 OT2 的溫度規(guī)格。如果是設(shè)備中使用的部件，則必須滿足 OT3 或 OT4 規(guī)格。OT5 或 OT6 可用于半導(dǎo)體驅(qū)動單元或內(nèi)燃機控制單元。它不能作為車輛要求的一般規(guī)格。CTC 設(shè)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(yīng)的變化

   由于列車上電路系統(tǒng)的供電可能會受到影響，EN50155 分別定義了兩種狀態(tài)。在穩(wěn)定狀態(tài)下，電壓波動在 0.7*Vin 和 1.25*Vin 之間。在瞬態(tài)時，電壓波動在標準電壓的 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)時的電壓波動最大，從 0.6*Vin 到 1.4*Vin。如圖 1 所示，當輸入電壓為 24VDC 時，電壓范圍必須包括 14.4 ~ 33.6VDC 。當輸入電壓為 110VDC 時，電壓范圍必須包括 66 ~ 154VDC。為了滿足 EN50155 的要求，電源轉(zhuǎn)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)品也可滿足從 24V 到 110V 的全方位需求。

• 電壓供應(yīng)中斷

電壓下降或短期斷電也是不可避免的。因此，EN50155 規(guī)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(xù) 20ms 時，輸出電壓必須保持穩(wěn)定，不能導(dǎo)致設(shè)備故障。

此外，電源轉(zhuǎn)換時輸出電壓也會發(fā)生變化。當輸入電壓降至 0.6*Vin 時，輸出電壓保持穩(wěn)定，符合 C1 級。當輸入電壓降至 0V 并在 30mS 后恢復(fù)正常時，輸出電壓在此過程中保持穩(wěn)定，符合 C2 級。

通常需要通過外接電容器來實現(xiàn)這一規(guī)格。如果是帶 Vbus 引腳的產(chǎn)品，則需要在 Vbus 和 -Vin 之間加一個電容（Cbus），如圖 2- (a) 所示。在不同電源的轉(zhuǎn)換過程中，列車上的電力會在短時間內(nèi)變得不穩(wěn)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(jù)數(shù)據(jù)手冊，選擇不同電容的 Chold 可維持 10~30ms 的保持時間。

此外，對于沒有 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(jù)數(shù)據(jù)手冊，選擇不同的 Chold 電容可以保持 10~30ms 的保持時間。

• 隔離電壓

EN50155 將輸入電壓分為三個隔離耐壓等級，并在規(guī)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(guī)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(guī)范為基礎(chǔ)。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。浪涌要求線對線 ±1kV 和線對地 ±2kV。

表 3. 鐵路電磁兼容性要求

應(yīng)用

如圖 4 所示，列車分為駕駛艙、乘客艙、推進系統(tǒng)和軌道側(cè)四個部分。首先，為了保證列車牽引、制動等系統(tǒng)的正常運行，推進系統(tǒng)包括驅(qū)動電路、計算機和冷卻風扇。而為了營造舒適的乘車環(huán)境，車廂內(nèi)還配備了照明系統(tǒng)、來車提示顯示系統(tǒng)、空調(diào)等電子設(shè)備，這也是現(xiàn)代鐵路列車所不可或缺的。主要控制設(shè)備位于駕駛艙內(nèi)，ECU 是主要控制終端，提供車門控制、廣播和安全監(jiān)控設(shè)備。最后，軌道一側(cè)還有信號控制系統(tǒng)和安全系統(tǒng)，用于向司機和車長提供正確的信號，確保行車安全。

列車上的直流電源系統(tǒng)主要有 24VDC 和 110VDC 兩種，通過隔離式電源轉(zhuǎn)換器向各系統(tǒng)提供電壓。

下圖 5 是鐵路計算機應(yīng)用框圖。列車上的直流系統(tǒng)向鐵路計算機提供 24VDC 或 110VDC 直流電，并通過隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成單片機所需的電壓。內(nèi)部包括 MCU、DSP、通信接口、存儲器和其他功能模塊。計算機系統(tǒng)是整個列車的控制核心，可控制每個車廂內(nèi)的煙霧探測器、IP 攝像機、門控、空調(diào)和廣播等電氣設(shè)備。

列車上的各種設(shè)備對功率的要求不同，設(shè)備的功率分布大致如圖 6 所示。驅(qū)動控制和動力控制需要大量的能量來驅(qū)動，一般為 200 ~ 300W。計算機和鐵路信號系統(tǒng)是列車的主要核心，功率在 150W 以上。輔助電門和照明設(shè)備由列車上的輔助電源供電，還有應(yīng)急對講、監(jiān)視器、廣播等通信設(shè)備，由車輛供電，利用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成需要的電壓。功率一般為 70~150W。娛樂設(shè)備和屏幕是附加設(shè)備，使用 20~60W 的中低功率。