Surse de tensiune pentru aplicații în domeniul feroviar

6 MARTIE 2018

Patrick Le Fèvre de la Powerbox face o analiză amănunțită generată de câteva întrebări extrem de interesante cu privire la sursele de tensiune pentru aplicații feroviare, în fiecare caz plecând de la întrebarea: “Unde suntem acum?”

Figura 1: Plaja aplicațiilor feroviare este foarte vastă și constă dintr-un mare număr de aplicații ce necesită de la un simplu punct de sarcină pentru control proximitate, până la convertoare sau invertoare de câteva sute de kW alimentând motoarele de tracțiune sau alte vehicule de tracțiune  (sursă: Powerbox)

Întrebarea pe care o puneți se referă la piața surselor de tensiune din domeniul feroviar în general sau pentru specialiști în conversie de putere, precum cazul particular al Powerbox?
Încă de la înființarea Powerbox în 1974, sectorul feroviar a fost o arie importantă pentru dezvoltarea de surse de tensiune specifice, pentru a respecta cerințele acestei piețe. Sectorul constă din trei categorii principale: echipamente noi, modernizare și întreținere și actualizarea echipamentelor ce au intrat în operare de zece ani sau mai mult. Fiecare dintre aceste categorii reprezintă solicitări particulare din partea dezvoltatorului și necesită abilități specifice fiecărui caz.
Cu toate că sectorul feroviar este foarte conservator și dă prioritate siguranței în funcționare și robusteții, noua generație de ingineri “pregătiți în tehnologia digitală” implicați în dezvoltarea de noi sisteme de cale ferată, integrează din ce în ce mai mult control digital și încurajează implementarea de topologii eficiente energetic, precum tranzistoare cu nitrură de galiu.
În sectorul feroviar, această abordare este relativ nouă, necesitând muncă extinsă calificată pe durata dezvoltării produsului, aducând noi constrângeri pentru inginerii responsabili cu garantarea de soluții durabile pentru următorii douăzeci de ani. Acesta este un aspect foarte interesant pentru inginerii proiectanți și o oportunitate mare de a coopera direct cu birourile de proiectare ale clienților majori. În acest context se află și dezvol­tarea de platforme tehnologice noi, unele dintre ele integrând interfețe de comunicare.

Care sunt elementele specifice relative la sectorul feroviar pentru producătorul de surse de alimentare?
Plaja aplicațiilor din zona feroviară este foarte largă și constă dintr-un număr mare de aplicații, de la simple puncte de sarcină (POL) pentru control proximi­tate până la convertoare sau invertoare de câteva sute de kilowatt, alimentând motoarele de locomo­tivă sau alte vehicule de tracțiune (figura 1). În termeni de piață generală feroviară, dacă excludem segmentul de service, materialul rulant repre­zintă majoritatea aplicațiilor, urmat de infrastructură și în final calea de rulare și semnalizarea.

Figura 2: LBVS este conectat la catenare de înaltă tensiune pentru a furniza tensiune redusă de baterie, cu izolație foarte mare și constrângeri de siguranță de nivel ridicat. (sursă: Powerbox)

Fiecare dintre aceste sub-segmente are propriile cerințe, care sunt specifice mediului de operare. De exemplu, convertoarele pentru controlul pornirii vehiculelor (precum ar fi locomotive), așa numitele LBVS (Low Battery Voltage Starter) sunt conectate la catenare de tensiune ridicată pentru a furniza o tensiune de baterie redusă, ce necesită o izolație foarte mare și nivele foarte ridicate de siguranță (figura 2). Suplimentar, tot echipamentul de la bord trebuie să se conformeze cu standardele generale, precum EN50155, care acoperă echipamentele electronice utilizate în materialul rulant (un standard ce încorporează multe alte standarde, cum ar fi de exemplu EN 50121-3-2 pentru compatibilitate electromagnetică). Domeniul feroviar este înalt standardizat și fiecare dezvoltare începe cu o analiză a cazului aplicației și a standardelor referitoare la aceasta.

Figura 3: Module DC/DC standardizate ce reduc durata până la lansarea pe piață și simplifică inventarul necesar pentru management și întreținere (sursă: Powerbox)

Suplimentar standardelor tradiționale ce guver­nea­ză calitatea operării, parametrii operaționali și siguranța, după mai mult de 20 de ani de evaluare și după publicarea sa în 2013, în acest an, standardul EN45545 (rezistență și comportament la foc) a devenit obligatoriu pentru tot materialul rulant. Acest standard își dorește să elimine riscul de incendiu pe durata unui incident tehnic și al fumului toxic ce rezultă din ardere. Pentru producătorii de surse de tensiune, acest lucru înseamnă selectarea unor componente care să res­pecte standardele și să treacă de teste suplimentare care să asigure conformitatea deplină cu diferitele capitole ale EN45545.
Dincolo de numărul mare de standarde, una dintre chestiunile specifice ale sectorului feroviar este faptul că multe aplicații au cerințe foarte speciale în termeni de carcase și conectori, adesea conducând la produse care sunt dedi­cate unui client particular. În vreme ce tendința generală este către standardi­zarea modulelor, precum în cazul convertoarelor DC/DC (figura 3), pentru produse mai complexe precum convertoare startere locomotive sau încărcă­toare de baterii descentralizate, produsele la comandă rămân norma.
Abordarea necesită o capacitate de dezvoltare orientată către aceste produse și un înalt grad de flexibilitate a producției. De fapt, în ciuda unei piețe în creștere (+6% pe an), volumul de surse de alimentare utilizate în sectorul fero­viar rămâne modest prin comparație cu milioanele de unități utilizate în telecomunicații, solicitând producătorilor ca Powerbox să își adapteze uneltele de producție către solicitări particulare.

Care sunt cerințele în termeni de durată de viață și siguranță în funcționare?
Majoritatea clienților din sectorul feroviar solicită o disponibilitate de 30 de ani sau mai mult pentru unele echipamente critice. Acest lucru înseamnă că pe durata dezvoltării și proiectării, trebuie luată în considerare nu numai durata de viață a produsului, ci și posibilitatea de înlocuire a unor componente, cum ar fi condensatoarele electrolitice, afectate de îmbătrânire. Cunoscut fiind faptul că sursele de tensiune din sectorul feroviar sunt supuse pe parcursul funcționării la condiții dure de mediu, precum variații de temperatură sau șocuri și vibrații, producătorii de echipamente includ în specificații “reîmprospătare componente și re-calibrare”. Este uzual ca produse livrate de mai bine de 15 ani să fie returnate la ateliere pentru verificare și actua­lizare. Această practică este foarte specifică sectorului feroviar și are o puternică influență asupra modului de proiectare.

Într-adevăr, o perspectivă de 30 de ani de funcționare obligă dezvoltatorii să selecteze componente cu risc mic de ieșire din fabricație, dar proiectul să permită operații de upgrade pe durata de viață. Această abordare adaugă un nivel de complexitate și limitează introducerea noilor tehnologii. După cum s-a menționat mai sus, inginerii responsabili cu dezvoltarea sistemelor feroviare de mâine doresc să integreze noi tehnologii, dar cunoașterea limitată a ciclului lor de viață și a sustenabilității ridică întrebări referitoare la nivelul de risc asociat cu introducerea lor. Aceasta este o problemă în dezbatere la nivelul comunității din sectorul feroviar, care doresc pe de o parte să modernizeze sistemele de surse de tensiune pentru a le face mai eficiente energetic și cu mai bune comunicații, dar pe de altă parte doresc garantarea unei sustenabilități fără riscuri.

Având în vedere numeroasele standarde și aprobări în vigoare, proiectarea unei soluții de sursă de tensiune dedicată materialului rulant și infrastructurii de cale ferată trebuie să conducă la cicluri de dezvoltare foarte lungi?
În principiu, tehnologiile utilizate pentru dezvoltarea de surse de tensiune pentru sectorul feroviar sunt foarte asemănătoare cu cele utilizate în alte segmente și, după ani de experiență, dezvoltatorii și-au construit o bază care le permite să reducă timpii de dezvoltare. Totuși, noile standarde și introducerea de noi tehnologii, conduc la creșterea timpilor de dezvoltare. Luând în considerare plaja largă de surse de tensiune utilizate în domeniul feroviar, dacă excludem așa numitele produse “standard” precum module pentru plăci având un ciclu de dezvoltare de aproximativ 14 luni, multe dintre proiectele complexe ale clienților pot cu ușurință atinge 24 sau chiar mai multe luni fără aprobări. Aceasta înseamnă colaborare împreună cu OEM-urile care, temându-se de aceste întârzieri și din dorința de a face față competiției în creștere din Asia, forțează dezvoltarea de blocuri funcționale care să poată fi reutilizate în multiple proiecte.

Figura 4: Unitatea de backup baterie (BBU) de la Powerbox poate fi particularizată în mai puțin de 3 luni pentru a răspunde cerințelor specifice, inclusiv adăugarea de sisteme de telemetrie cu transmisie radio (sursă: Powerbox)

Datorită cererii mari și în creștere pentru modernizarea sistemelor pe cale ferată, timpii de proiectare trebuie să fie reduși, ceea ce înseamnă o abordare diferită. În cazul materialului rulant, abordarea este destul de complicată, implicând o mulțime de aspecte specifice, precum certificări. În cazul controlului traficului și a sistemelor de semnalizare, constrângerile sunt mai puțin stringente și este posibilă utilizarea de surse de tensiune precum cele cu montare pe șină DIN deja existente. Un subsistem energetic precum Unitatea de Backup Baterii (BBU) de la Powerbox poate fi particularizată în mai puțin de 3 luni pentru a răspunde unor cerințe specifice, inclusiv prin adăugarea de sisteme de telemetrie cu transmisie radio (Figura 4). Acesta este tipul de modularitate pe care OEM-urile au început să le implementeze în cazul materialului rulant, dar va lua ceva timp.

Care este impactul modernizării rețelelor de cale ferată asupra soluțiilor de surse de tensiune? Care sunt tendințele generale?
Impactul modernizării rețelelor de cale ferată asupra surselor de tensiune are mai multe aspecte, deoarece nu este de imaginat oprirea operării liniilor și nici înlocuirea întregii infrastructuri existente. Pentru materialul rulant, modernizarea implică adesea adăugarea de tehnologii complementare, cum ar fi Wi-Fi pentru confortul pasagerilor sau telemetrie la bord pentru creșterea siguranței.
În acest caz, sursele de tensiune sunt destul de standardizate și adesea fac parte din sistemul instalat, fără o schimbare majoră a materialului rulant.
În cazul unor modernizări majore a unui tren întreg (ceea ce se numește uzual “retehnologizare”), constând din modernizarea unor echipamente ce au trecut deja printr-o durată mare de funcționare, producătorii de echipamente cer producătorilor de surse de tensiune să dezvolte alternative 3F (Fit, Form and Function), care să se potrivească din punct de vedere al formei și funcției cu sursele înlocuite. Aceasta înseamnă surse revăzute, actualizate, dar la care configurația, forma și funcția rămân la fel, reducând astfel întârzierile de implementare și garantând durabilitatea echipamentului gazdă pentru mai mulți ani. Dezvoltarea unei surse de tensiune 3F este foarte aproape de o dezvoltare specifică, dar prin combinarea experienței inginerilor, a platformelor disponibile de la producătorii specializați în domeniul feroviar, și a carcaselor originale, este posibilă reducerea timpilor de dezvoltare în mod spectaculos.
Majoritatea modernizărilor rețelelor de cale ferată din Europa sunt realizate la nivelul liniilor și a sistemelor de semnalizare. În consecință, cabinetele de echipamente rămân foarte adesea pe loc, iar personalul de instalare solicită soluții 3F de la producătorii de surse de tensiune, care să poată fi instalate în locul vechilor sisteme; un proces relativ simplu constând din “scos vechiul echipament, montat noul echipament”. În cazul unor sisteme foarte vechi, tehnica utilizată este de a instala o carcasă industrială în cabinet, pentru a facilita instalarea de sertare standardizate, ceea ce reduce substanțial timpii necesari pentru actualizare, moderni­zare, cum ar fi, de exemplu, adăugarea de sisteme de telemetrie radio, conectarea cabinetului la sisteme cu fibră optică etc.
Tendința generală în cazul surselor de alimentare din sectorul feroviar este de a reduce timpii de dezvoltare prin adoptarea de sub-ansambluri standardizate sau semi-standardizate. Aceasta este dorința producătorilor de echipamente și crește numărul de soluții adoptate pentru sisteme în apropierea șinelor sau de aplicații integrate ce utilizează convertoare sau casete pentru plăci. Cu toate acestea vor rămâne întotdeauna surse de tensiune foarte specifice care vor necesita soluții la comandă, solicitând competențe speciale.

Autor: Patrick Le Fèvre, Director Marketing & Communication


Powerbox |  www.prbx.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *