【導(dǎo)讀】隨著人們生活水平的提升，出行機(jī)動(dòng)性的增加，以及在旅游業(yè)和資產(chǎn)升級(jí)的推動(dòng)下，全球的鐵路網(wǎng)絡(luò)正朝著可持續(xù)發(fā)展又兼具環(huán)保的方向不斷擴(kuò)大。特別是中國(guó)和印度，正在大力投資這一市場(chǎng)，預(yù)計(jì)到2020年，市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1800億歐元，總里程138萬(wàn)公里[1]。但是，新設(shè)備的供應(yīng)卻跟不上需求，因此，還有一項(xiàng)計(jì)劃是升級(jí)現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施和鐵路車(chē)輛，以提高運(yùn)輸效率。
有效利用現(xiàn)有資源至關(guān)重要
借助“智能”系統(tǒng)，可以更有效的使用新的和現(xiàn)有的鐵路車(chē)輛，跟蹤掌握處于閑置和使用中的車(chē)輛能夠提高車(chē)流密度，還可以通過(guò)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)（RCM）和基于狀態(tài)的維修（CBM）技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)。這些技術(shù)能識(shí)別需要的維修和保養(yǎng)，從而節(jié)省成本并提高車(chē)輛的可靠性和使用性。狀態(tài)監(jiān)測(cè)還可以收集其他數(shù)據(jù)例如車(chē)輛占有率和行駛距離，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可進(jìn)一步提升效率。預(yù)計(jì)未來(lái)12年，鐵路部門(mén)將在這項(xiàng) “IoT” 技術(shù)上花費(fèi)約270億歐元 [2]。
車(chē)輛狀態(tài)的遠(yuǎn)程感應(yīng)
列車(chē)狀態(tài)可以通過(guò)傳感器測(cè)量軸數(shù)、軸承溫度、電源電壓波動(dòng)、噪聲、沖擊/振動(dòng)、車(chē)門(mén)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)、占用情況、空氣質(zhì)量以及照明水平等數(shù)據(jù)來(lái)確定。傳感器可以像熱敏電阻一樣簡(jiǎn)單地測(cè)量溫度，還可以借助數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、數(shù)據(jù)記錄器和有線或無(wú)線接口、遠(yuǎn)程（LoRa）或WLAN無(wú)線電的方式來(lái)增加“智能”性，如GPS可以用來(lái)定位車(chē)輛。獨(dú)立的傳感器和無(wú)線通信功能使得現(xiàn)有車(chē)輛的升級(jí)變的更加容易，能夠減少新車(chē)輛的投入，遠(yuǎn)程更新和自定義功能可以提高使用的靈活性。
傳感器供電
傳感器由主系統(tǒng)電源軌的DC/DC轉(zhuǎn)換器供電，通常只需要幾瓦的電壓即可運(yùn)行。系統(tǒng)標(biāo)稱(chēng)電壓通常為110VDC，但有時(shí)可低至24V。多通道傳感器或驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器的功率要求可能更高，達(dá)到40W。每個(gè)傳感器通常都需要單獨(dú)使用隔離式DC/DC，以保持較低的輸出電壓，并避免可能導(dǎo)致EMC問(wèn)題的接地環(huán)路（例如傳感器交叉干擾）。但是系統(tǒng)電源軌并非 “干凈的” 。EN 50155-2017鐵路標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，列車(chē)正常運(yùn)行時(shí)，輸入電壓可以有+25%/-30%的變化，在100ms內(nèi)下降至標(biāo)稱(chēng)電壓的60%或上升至140%，但不可以有 “功能偏差”， 或是在一秒內(nèi)，輸入電壓從標(biāo)稱(chēng)電壓的125%升至140%而導(dǎo)致性能下降的情況。為了應(yīng)對(duì)這些變化，110V系統(tǒng)的DC/DC轉(zhuǎn)換器通常必須在43VDC至160VDC之間工作。
系統(tǒng)電源軌上也會(huì)出現(xiàn)EN 61000-4-x標(biāo)準(zhǔn)中定義的快速瞬態(tài)過(guò)電壓，簡(jiǎn)單的抑制器和LC濾波器就可以減弱這些過(guò)電壓，但也有可能造成徹底斷電。EN 50155定義了S1和S2兩種斷電等級(jí)，最嚴(yán)重的是標(biāo)稱(chēng)輸入電壓中斷10ms，但不會(huì)對(duì)電源性能造成影響。對(duì)于某些設(shè)備來(lái)說(shuō)，電源轉(zhuǎn)換（Class C2）造成的中斷可長(zhǎng)達(dá)30ms。為了解決這個(gè)問(wèn)題，常見(jiàn)的方法是在隔離串聯(lián)二極管之后斷電維持電容，該二極管還可以提供反極性保護(hù)，這也是標(biāo)準(zhǔn)中的另一項(xiàng)要求。
應(yīng)用范例如圖1所示，其中，風(fēng)扇由車(chē)廂溫度傳感器激活，并通過(guò)WLAN發(fā)出溫度和狀態(tài)信號(hào)。圖示中RECOM 8W DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入范圍為43V至160V，可為傳感器電路提供5V隔離的穩(wěn)壓電源軌。轉(zhuǎn)換器尺寸緊湊，僅32 x 20 x 10mm。RECOM DC/DC轉(zhuǎn)換器符合EN50121-3-2對(duì)鐵路車(chē)輛EMC標(biāo)準(zhǔn)的要求，除此之外，延長(zhǎng)的保持時(shí)間、反極性保護(hù)以及EMI濾波器的可選性，讓轉(zhuǎn)換器對(duì)瞬態(tài)和低頻傳導(dǎo)干擾具有較高的抵抗力。
圖1：鐵路應(yīng)用中的溫度傳感器
符合RIA 12標(biāo)準(zhǔn)要求
鐵路用DC/DC轉(zhuǎn)換器有時(shí)需要符合UK RIA 12標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了110V系統(tǒng)在20ms內(nèi)最高浪涌電壓可達(dá)385V。但是在電源輸入阻抗僅為0.2歐姆的情況下，用瞬態(tài)電壓抑制器抑制輸入電壓會(huì)消耗過(guò)多電能。RECOM的解決方案是使用RSPxx-168前端瞬態(tài)電壓抑制器（圖2），將浪涌電壓降至DC/DC轉(zhuǎn)換器輸入電壓范圍內(nèi)的最大值，為DC/DC轉(zhuǎn)換器提供浪涌保護(hù)。RECOM提供20W、150W和300W三種瞬態(tài)保護(hù)模塊可供選擇。
圖2： RECOM瞬態(tài)保護(hù)器在RIA 12中的應(yīng)用
大功率轉(zhuǎn)換器
集中式鐵路車(chē)輛系統(tǒng)和軌道裝置也需要更高功率的轉(zhuǎn)換器。RECOM的RPxxx-RW和RPxxxRUW系列“磚”型DC/DC轉(zhuǎn)換器很受市場(chǎng)歡迎，模塊具有12:1輸入電壓范圍，涵蓋了從24VDC至110VDC的所有鐵路標(biāo)準(zhǔn)輸入電壓，并且涵蓋了輸入浪涌和欠壓。DIN導(dǎo)軌型也是常見(jiàn)應(yīng)用，例如RECOM的姊妹公司Power Control Systems（PCS）提供堅(jiān)固耐用的120W SQ120模塊，輸入為110VDC，符合EN50155標(biāo)準(zhǔn)。Power Control Systems產(chǎn)品還包括鐵路車(chē)輛和軌道應(yīng)用的機(jī)架式AC/DC和 DC/DC轉(zhuǎn)換器，具有單相或三相交流輸入，功率范圍從8W至高達(dá)10kW。另外還有符合EN 50155標(biāo)準(zhǔn)的300W AC/AC逆變器，和可調(diào)輸出頻率在30到600Hz之間滿(mǎn)足軌道標(biāo)準(zhǔn)的專(zhuān)用轉(zhuǎn)換器。
高應(yīng)力鐵路電源應(yīng)用環(huán)境
EN 61373標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)應(yīng)用在列車(chē)不同位置的設(shè)備分別定義了鐵路環(huán)境中的沖擊、振動(dòng)、溫度和濕度等級(jí)，分布從最嚴(yán)重的轉(zhuǎn)向架到良好的區(qū)域，例如直接裝在車(chē)身上下的設(shè)備機(jī)柜中為1類(lèi) B級(jí)。雖然傳感器的DC/DC轉(zhuǎn)換器可能是安裝在應(yīng)力較小的環(huán)境中，但通常還是需要良好的封裝和加固。鐵路電源的使用壽命通常預(yù)計(jì)為20年，因此RECOM和PCS的產(chǎn)品均通過(guò)了包括完整的性能表征、高加速壽命測(cè)試（HALT）、高溫浸泡和熱循環(huán)在內(nèi)的測(cè)試。
現(xiàn)成的解決方案
RECOM[3]及其子公司Power Control Systems [4]擁有一系列堅(jiān)固的符合EN 50155標(biāo)準(zhǔn)的DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊，以及從低功率（8W-240W）模塊到10kW可定制的一站式鐵路應(yīng)用電源。
兩家公司在鐵路應(yīng)用方面均具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，能夠提供全面的技術(shù)支持，詳細(xì)的環(huán)境測(cè)試以及EMC評(píng)估報(bào)告。我們也提供具有符合EN 50121-3-2要求的EMI濾波參考設(shè)計(jì)，適用于24-48V或72-110V DC額定輸入的電壓轉(zhuǎn)換器（ 分別為R-REF04-RIA12-1和R-REF04-RIA12-2）。
RECOM和Power Control Systems公司現(xiàn)有的DC/DC轉(zhuǎn)換器和電源不但符合鐵路標(biāo)準(zhǔn)，還提供了一條經(jīng)濟(jì)高效又方便的途徑，能夠?yàn)閭鞲衅骱图惺较到y(tǒng)提供幾瓦到千瓦的電力。RECOM的產(chǎn)品可由合作經(jīng)銷(xiāo)商Arrow Electronics [5] 提供。
文獻(xiàn)
[1] Statista www.statista.com/topics/1088/rail-industry
[2] Cisco - The internet of Everything: Statista: PDF What is the internet of everything/
[3] RECOM www.recom-power.com
[4] Power Control Systems www.powercontrolsystems.com
[5] Arrow https://www.arrow.com/en/products/search?
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