鐵路應(yīng)用對(duì)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。現(xiàn)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(jī)等便民、娛樂(lè)功能。越來(lái)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(chē)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(shì)。

歐洲是最早發(fā)展鐵路的地區(qū)，因此與鐵路相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)也日臻完善。由于列車(chē)長(zhǎng)期暴露在外，必須面對(duì)惡劣的環(huán)境，如溫度變化、灰塵和振動(dòng)，以及電氣設(shè)備的電壓波動(dòng)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(guó)使用的 RIA12 標(biāo)準(zhǔn)也強(qiáng)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(gè)等級(jí)，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(mǎn)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(mǎn)足 OT3 或 OT4 規(guī)格。OT5 或 OT6 可用于半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)單元或內(nèi)燃機(jī)控制單元。它不能作為車(chē)輛要求的一般規(guī)格。CTC 設(shè)計(jì)的鐵路產(chǎn)品均符合 OT4 的溫度要求。低溫工作溫度可達(dá) -40°C，高溫工作溫度可超出標(biāo)準(zhǔn) 100°C 以上。

表 1. 工作溫度范圍

• 電壓供應(yīng)的變化

   由于列車(chē)上電路系統(tǒng)的供電可能會(huì)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(dòng)在 0.7*Vin 和 1.25*Vin 之間。在瞬態(tài)時(shí)，電壓波動(dòng)在標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)輸入電壓為 24VDC 時(shí)，電壓范圍必須包括 14.4 ~ 33.6VDC 。當(dāng)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(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(mǎn)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(jí)，分為 S1、S2 和 S3。嚴(yán)格的是 S3。當(dāng)輸入電壓下降到 0V 持續(xù) 20ms 時(shí)，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(shí)輸出電壓也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)輸入電壓降至 0.6*Vin 時(shí)，輸出電壓保持穩(wěn)定，符合 C1 級(jí)。當(dāng)輸入電壓降至 0V 并在 30mS 后恢復(fù)正常時(shí)，輸出電壓在此過(guò)程中保持穩(wěn)定，符合 C2 級(jí)。

通常需要通過(guò)外接電容器來(lái)實(shí)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(gè)電容（Cbus），如圖 2- (a) 所示。在不同電源的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，列車(chē)上的電力會(huì)在短時(shí)間內(nèi)變得不穩(wěn)定，如電壓驟降或短期斷電。保護(hù)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(cè)，選擇不同電容的 Chold 可維持 10~30ms 的保持時(shí)間。

此外，對(duì)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(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，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(jí)，并在規(guī)定的等級(jí)下保持 1 分鐘，如表 2 所示。CTC 的鐵路產(chǎn)品具有高達(dá) 3000VAC 的隔離電壓，這是規(guī)范中最高的隔離電壓等級(jí)。

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。快速瞬態(tài)要求 ±2kV。浪涌要求線(xiàn)對(duì)線(xiàn) ±1kV 和線(xiàn)對(duì)地 ±2kV。

表 3. 鐵路電磁兼容性要求

應(yīng)用

如圖 4 所示，列車(chē)分為駕駛艙、乘客艙、推進(jìn)系統(tǒng)和軌道側(cè)四個(gè)部分。首先，為了保證列車(chē)牽引、制動(dòng)等系統(tǒng)的正常運(yùn)行，推進(jìn)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電路、計(jì)算機(jī)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(nèi)還配備了照明系統(tǒng)、來(lái)車(chē)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(chē)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(chē)門(mén)控制、廣播和安全監(jiān)控設(shè)備。最后，軌道一側(cè)還有信號(hào)控制系統(tǒng)和安全系統(tǒng)，用于向司機(jī)和車(chē)長(zhǎng)提供正確的信號(hào)，確保行車(chē)安全。

列車(chē)上的直流電源系統(tǒng)主要有 24VDC 和 110VDC 兩種，通過(guò)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(jì)算機(jī)應(yīng)用框圖。列車(chē)上的直流系統(tǒng)向鐵路計(jì)算機(jī)提供 24VDC 或 110VDC 直流電，并通過(guò)隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成單片機(jī)所需的電壓。內(nèi)部包括 MCU、DSP、通信接口、存儲(chǔ)器和其他功能模塊。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)列車(chē)的控制核心，可控制每個(gè)車(chē)廂內(nèi)的煙霧探測(cè)器、IP 攝像機(jī)、門(mén)控、空調(diào)和廣播等電氣設(shè)備。

列車(chē)上的各種設(shè)備對(duì)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(dòng)控制和動(dòng)力控制需要大量的能量來(lái)驅(qū)動(dòng)，一般為 200 ~ 300W。計(jì)算機(jī)和鐵路信號(hào)系統(tǒng)是列車(chē)的主要核心，功率在 150W 以上。輔助電門(mén)和照明設(shè)備由列車(chē)上的輔助電源供電，還有應(yīng)急對(duì)講、監(jiān)視器、廣播等通信設(shè)備，由車(chē)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(lè)設(shè)備和屏幕是附加設(shè)備，使用 20~60W 的中低功率。