230 VCA en aplicaciones de trenes

(Fuente de la imagen: P-DUKE Technology)

Durante muchos años, los sistemas de alimentación 115/230 VCA se han utilizado en trenes para suministrar unidades de aire acondicionado, ventiladores, iluminación, enchufes o pequeñas fuentes de alimentación CA/CC para enchufes USB-C en los asientos de los pasajeros. Sin embargo, la mayoría de las consultas sobre alimentación eléctrica para aplicaciones de material rodante eran para unidades con entradas de corriente continua que cumplían con los voltajes especificados en la norma EN 50155 (Figura 1).

Figura 1: Trenes mundiales de las tensiones de alimentación en corriente continua. (Fuente de la imagen: P-DUKE Technology)

P-DUKE dispone de una amplia gama de productos que cumplen con estos voltajes y cumplen con condiciones ambientales y requisitos de EMI en trenes. Un cliente consultó recientemente a P-DUKE si un producto existente en CA/CC podía ser calificado para el cumplimiento con la norma EN 50155. La aplicación era el sistema de refrigeración líquida de un sistema de propulsión eléctrica para trenes. ¿Por qué se consideran tales aplicaciones los sistemas de CA, después de décadas de dominio de las redes de CC?

Primero, veamos el esquema simplificado del sistema de potencia de un tren eléctrico moderno mostrado en la Figura 2.

Figura 2: Diagrama de bloques simplificado de un transformador de tracción con propulsión y convertidores auxiliares y cargador de baterías. (Fuente de la imagen: P-DUKE Technology)

La energía se suministra ya sea mediante cables aéreos y pantógrafos o mediante contactos deslizantes ("zapatas") y terceros carriles a lo largo de las vías. Las tensiones de alimentación típicas son 25 kVCA/50 Hz y 15 kVCA/16,7 Hz para trenes de larga distancia o 600 – 3000 VCC para líneas de metros. Los transformadores de tracción del tren reducen los altos voltajes a los necesarios en los sistemas de propulsión y auxiliares del tren.   

Los inversores auxiliares generan sistemas de bus de CA usados para suministrar cargas posteriores y convertidores, incluido el cargador de baterías.

P-DUKE ha recibido información de clientes de que la creciente demanda energética derivada de la electrificación podría sobrecargar la red eléctrica de corriente continua existente en los trenes. Por ello, los fabricantes consideran utilizar la red eléctrica existente de 230 VCA no solo para suministrar cargas simples, sino también para aplicaciones más críticas.

Expandir una red de 230 VCA suele ser más fácil que añadir cables, conectores, fusibles e interruptores a una rejilla de corriente continua.   

Las corrientes en un sistema de 230 VCA son más del 50% menores en comparación con uno de 110 VCA y se pueden usar cables más finos para la misma potencia. Gestionar fallos como cortocircuitos o apagar cargas es más fácil cuando se utiliza corriente alterna, ya que el cruce periódico de corrientes alternas apaga los arcos entre cables y contactos. Por eso también los fusibles de corriente alterna son más simples y pequeños que sus equivalentes de corriente continua.

Además, los componentes para la red de 230 VCA se fabrican en grandes cantidades y, por tanto, son significativamente más baratos que el equipo especializado diseñado para tensiones de alimentación de corriente continua en trenes.

Sin embargo, todo lo instalado en un tren también debe cumplir con las normas pertinentes, como la EN 50155. Por eso el cliente consultó a P-DUKE si el TBF500, una fuente de alimentación CA/CC de 500 W en paquete de bloque completo, o el XTBF500, una fuente de alimentación CA/CC plug-and-play de 500 W, podían ser elegibles para su uso en trenes. El cliente buscaba una solución redundante de alimentación de 24 V/370 W para bombas en la refrigeración líquida de accionamientos de motores de tracción.

Las series TBF500 y XTBF500 (Figura 3) son fuentes de alimentación CA/CC con un rango de voltaje de entrada de 85 a 264 VCA, que cumple con las tensiones auxiliares de CA especificadas para aplicaciones en trenes. A diferencia de la red eléctrica de corriente continua (Figura 4), la EN 50155 aún no especifica interrupciones para la red auxiliar de corriente alterna, pero las series TBF500 y XTBF500 tienen un tiempo de espera de al menos 16 ms, lo que permite operar a plena carga incluso durante interrupciones cortas de la red de corriente alterna.

Figura 3: TBF500 & XTBF500 — Soluciones de alimentación CA/CC de 500 W completamente ladrillo y enchufables. (Fuente de la imagen: P-DUKE Technology)

A continuación, breves resúmenes de las fuentes de alimentación TBF500 y XTBF500:

• TBF500: El módulo CA/CC de bloque completo combina 500 W de salida, un 93% de eficiencia y un amplio rango de entrada con certificación EN 50155 y IEC/UL/EN 62368-1. Su robusta refrigeración por placa base y su conjunto de protección integral la convierten en una solución de potencia fiable para material rodante ferroviario y entornos industriales hostiles.
• XTBF500: La serie XTBF500 entrega 500 W con integración total del sistema — incluidos filtros EMC, condensadores a granel y limitadores de entrada. Certificada según la norma EN 50155, con rendimiento EMC Clase B EN 55032 y certificación OVC III, está diseñada para un funcionamiento fiable en entornos ferroviarios y críticos para la misión.

Figura 4: Interrupción del suministro de corriente continua. (Fuente de la imagen: P-DUKE Technology)

Este producto fue diseñado para entornos hostiles, cuenta con potenciómetro y está aprobado para las condiciones ambientales de la norma MIL-STD-810F. Con refrigeración por placa base, es ideal para aplicaciones de material rodante.

El diseño robusto de la serie TBF500 permitió a P-DUKE superar las aprobaciones para EN50155 y, con algunos componentes externos, el cliente pudo diseñar una solución completa que incluía fusible, filtro EMI y protección térmica (Figura 5).

Figura 5: TBF500 con algunos componentes externos. (Fuente de la imagen: P-DUKE Technology)

En lugar de usar disipadores como en la Figura 5, la refrigeración se realizaba montando el módulo en el sistema de refrigeración líquida del accionamiento del motor. Con una temperatura base de funcionamiento de -40°C a +105°C, el módulo también cumple OT4 (-40°C a +70°C) así como los requisitos ST1 para 10 minutos de funcionamiento a temperaturas de funcionamiento prolongadas.

Como se muestra en la Figura 2, la mayoría de las configuraciones de transformadores de tracción de tren ofrecen dos líneas de corriente alterna separadas. Si una línea falla, la otra sigue disponible. Esto permite la configuración redundante dual con dos fuentes de alimentación en paralelo que se muestra en la Figura 6.

Figura 6: Configuración redundante con dos módulos TBF500 y XTBF500, las salidas están conectadas en paralelo con diodos O-Ring. (Fuente de la imagen: P-DUKE Technology)

Si falla una línea de corriente alterna o una fuente de alimentación, las series TBF500 y XTBF500 restantes suministrarán los 370 W necesarios para la bomba.

Sin embargo, dicha configuración solo funciona de forma fiable si se implementa el reparto de carga adecuado. Los módulos TBF500 y XTBF500 están disponibles con opción de reparto de carga para asegurar que ambos suministren la misma potencia.

Las características de pendiente de caída (Figura 7) reducen ligeramente la tensión de salida (Vset - ∆Vset) con el aumento de la corriente de salida. Este método pasivo de compartición de carga es fácil de implementar y no requiere componentes externos. Más detalles pueden encontrarse en el Manual de Aplicación de TBF500 & XTBF500.

Figura 7: Tensión de salida V-I característica del modo de caída en la corriente compartida. (Fuente de la imagen: P-DUKE Technology)

Resumen

Mediante este enfoque modular, el cliente pudo diseñar una solución de alimentación CA/CC compatible con EN50155 con aprobaciones de seguridad a nivel mundial en muy poco tiempo. Es solo un ejemplo de una fuente de alimentación CA/CC de P-DUKE utilizada en una aplicación de material rodante. La creciente electrificación de trenes con la creciente demanda de energía, combinada con la demanda de soluciones de menor costo, abrirá más oportunidades para los módulos TBF500 y XTBF500 y otras fuentes de alimentación CA/CC de P-DUKE, diseñadas para aplicaciones exigentes en entornos hostiles con temperaturas de funcionamiento que van de -40°C hasta +85°C.