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鉄道アプリケーション向けのDC-DCコンバータの選択方法

2022年6月21日、Ron Stull著 - 7分の閲読

鉄道アプリケーション向けのDC-DCコンバータの選択方法

概要

歴史的に、主力機関車にある110V電池は、ほとんどの電気鉄道アプリケーション用DC電源でした。つまり、電車の全長に沿って、必要なケーブルの配線に必要なキャリッジに光を供給するということです。

電池はスイッチギア、リレー、スターターモーターなどの他の大きな電気負荷にも接続されていたため、ケーブル電圧が定期的に落ちたり過渡スパイク、電磁波無線周波干渉(EMI/RFI)に晒されていました。乗客はこれらの影響は、客室の照明レベルが時々変化することを除いて、ほとんど気にしていませんでした。

現代の列車は、前身よりもはるかに技術的に進歩しており、現在では複数の低電圧センサーとアクチュエータを使用する多くの高度な安全機能が搭載されています。さらに、現代の鉄道利用者は、エアコン、ワイヤレス通信、洗練されたインフォテイメント機能など、快適な旅行体験を期待しています。外部からの電気ノイズ源によって汚染されない一定のDC電圧レベルを提供する複数の電源が使用可能でなければ、安全性と快適性を確保することはできません。このブログ記事では、鉄道アプリケーションでDC-DCコンバータを使用するための特定の要件の一部について説明します。

鉄道電力の基準

EN 50155 - 鉄道アプリケーション - 転がり在庫 - 電子機器規格は、鉄道産業に供給される電気機器に適用され、ほとんどの鉄道機器メーカーで採用されています。これは、接触システムに直接(または間接的に)接続され、制御、調整、保護、および供給の用途をカバーする電池駆動システムおよび低電圧電源に関連します。車載電子機器のDC-DCコンバータは、以下の各方法でEN 50155に準拠する必要があります。

入力電圧範囲

鉄道アプリケーションで最もよく使用されるバッテリー電圧は24V、48V、72V、96V、100Vです。複数のオンボード・システムからの需要によって生じる不可避のディップとサージが、これらのレベルが大きく異なることを意味しています。EN 50155は、これらが公称値の0.7~1.25倍の範囲に対して許可されており、より有意な過渡変動が0.6~1.4の公称値(最大100ミリ秒の期間)まで許容されることを指定しています。

EN50155 電圧範囲
図1:EN50155 電圧範囲

電磁両立性

電気機器の電磁両立性(EMC)要件は、外部環境とのインターフェースによって定義されます。これらのインターフェースはポートと呼ばれています(図1)。ポートによってEMC要件が異なります。

機関電気インターフェース(ポート)
図2:機関電気インターフェース(ポート)

バッテリーポートの場合、9 kHz~150 kHzの周波数には伝導エミッション制限はありません。同様のEMC要件が、バッテリー参照、信号および通信、プロセス測定および制御ポートに適用され、EN 50121-3-2で規定されています。イミュニティ試験要件は、EN 50121-3-2に規定されています。

機械的な衝撃と振動

電子機器は、性能を低下させることなく、通常のサービスで列車が経験する衝撃や振動のレベルに耐えることができなければなりません。これらのレベルは、列車の供給元が定義できます。そうでなければ、EN 61373カテゴリー1、クラスB(表1)の要件を満たす必要があります。

パフォーマンス EN50155 / IEC61373
振動 カテゴリー < 0.3kg 5-150Hz 5g
衝撃 Long./Trans./Vert. axis 5g/3g/3g 30mS/30mS/30mS
表1: 衝撃および振動試験

温度と湿度

電子機器は、さまざまな温度クラスに基づいて仕様通りに動作するよう設計する必要があります(表 2)。

  • 同乗者および運転者のコンパートメントは、クラスOT1およびOT2(基準温度+25°C)でカバーされます。
  • クラスOT3およびOT4は、技術キャビネット内の機器(標準基準温度 +45°C)をカバーします。
  • OT3はデフォルトのクラスです。
クラス 動作温度(℃)
OT1 -25 ~ 55
OT2 -40 ~ 55
OT3 -25 ~ 70
OT4 -40 ~ 70
OT5 -25 ~ 85
OT6 -40 ~ 85
表 2:温度試験

絶縁電圧

これらの仕様は、電源内の導体が、漏れ電流やアーク放電が問題とならないような十分な電気絶縁と物理的間隔を有していることを保証するものです。この試験は次の2つの部分から構成されています。

  1. まず最初に、500 Vdcで実施される絶縁抵抗測定。必要な絶縁抵抗の最小レベルは20メガオームです。

  2. 2つ目の部分は、耐電圧試験です(表3)。電圧レベルは、最大値までゆっくりと(通常は10秒間隔で)増加します。試験の目的に応じて、この電圧は10秒または1分間維持されます。
車両バッテリー(V) 絶縁要件 VAC(50Hz)/DC
24 500/750
48 500/750
72 - 125 1000/1500
125 - 315 1500/2200
表 3:絶縁試験と耐衝撃試験

認定電源ソリューション

CUI Inc.の絶縁型DC-DCコンバータのPRQEシリーズは、EN 50121- 3-2のEMC試験要件を完全に満たし、50155鉄道アプリケーションでEN準拠のシステムを実現するように設計されています。

EN50155 電圧範囲
図3:PRQEシリーズ 50Wおよび75Wクォーター・ブリックDC-DCコンバータ

これらのクォーター・ブリック・コンバータは、EN 62368-1認証も取得しており、50Wや75Wを含むさまざまな電力レベルで利用できます。これらのデバイスは、完全にカプセル化されたアルミニウム合金ケースに収納されており、黒いプラスチック製の底部とUL 94V-0の可燃性定格を備えています。最大94%の効率、4:1の超広い入力範囲、過電流、過電圧、短絡保護を提供します。

CUI IncのDC-DCコンバータは、DIPパッケージを採用しており、ヒートシンクまたはベースプレート付き/なしで提供されています。鉄道アプリケーション以外にも、データ、通信、ロボット工学、産業アプリケーションなど、コンパクトなパッケージでデバイスから大量の電力を必要とするあらゆる用途に最適です。

カテゴリ: 製品の選択安全とコンプライアンス


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Ron Stull

Ron Stull

電力システムエンジニア

Ron Stullは2009年にCUIに参入して以来、アナログおよびデジタル電源、そしてAC-DCおよびDC-DC電力変換の分野で知識と経験を積み重ねてきました。彼はこれまで、アプリケーションサポート、テスト、検証、設計などの責任者としてCUIのエンジニアリングチームで重要な役割を担ってきました。Ronは、電力エンジニアリング以外では、ギターを弾いたり、ランニングをしたり、アメリカの国立公園をすべて訪れることを目標に妻とアウトドアを楽しんでいます。

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